Квантовые компьютеры не будут проверять вашу электронную почту или выполнять стандартные программные задачи. Ведь они основаны на чем-то куда более сложном, а именно квантовой механике.
Квантовый компьютер имеет дело с частицами, намного меньшими, чем размер атомов. В таких масштабах классические законы физики теряют свое значение. Давайте подробнее остановимся на том, что мы знаем о квантовых вычислениях в настоящее время.
Хранение данных
Обычные компьютеры хранят информацию в виде данных в двоичном формате, где есть «0» и «1», а управление ими происходит с помощью логических операций.
Квантовый компьютер будет хранить как «0», «1», так и квантовую суперпозицию двух состояний. Такой квантовый бит (также известный как «кубит») имеет гораздо большую гибкость по сравнению с двоичной системой. Кубиты также имеют спину – направление вращения частиц.
Высочайшая скорость вычислений
Так как данные в таких машинах могут находиться в суперпозиции, возможно выполнение огромного множества расчётов параллельно. Это называется квантовый параллелизм.
Усли кубит находится в суперпозиции состояния 0 и состояния 1, и он выполнил вычисление с другим кубитом в аналогичной суперпозиции, он получит четыре результата – 0/1, 0/0, 1/0 и 1/1.
Безопасность
Скорость квантовых компьютеров также вызывает серьезную озабоченность шифрованием и криптографией. Квантовые компьютеры смогут обеспечить надежную защиту данных. Они могут блокировать их передачу (например, онлайн-транзакции, учетные записи электронной почты) с помощью гораздо лучшего шифрования.
Для квантовых компьютеров было разработано множество алгоритмов, наиболее известными из которых являются алгоритм Гровера (для поиска в неструктурированной базе данных) и алгоритм Шора (для разложения больших чисел).
Энергоэффективность
Энергопотребление – критический фактор для любого устройства, работающего на электричестве. Огромному количеству процессоров требуется изрядное количество источников питания для поддержания своей производительности. Самый быстрый суперкомпьютер в мире (Summit), например, потребляет 13 МВт электроэнергии.
Однако с квантовыми компьютерами все куда инетереснее. Поскольку они используют квантовое туннелирование, которое снижает энергопотребление в 100-1000 раз.
Альтернативные реальности
Квантовая физика утверждает, что мы имеем дело с мультивселенной, где каждая проблема может иметь бесконечное множество вариантов решения. Например, вы можете читать эту статью на своем ноутбуке. В другой вселенной вы могли бы читать ее по мобильному телефону во время путешествия.
Квантовый компьютер может выполнять n задач в n параллельных вселенных и получать результат. Если традиционный компьютер выполняет n вычислений за n секунд, квантовый компьютер может выполнить n2 вычислений за то же время.
Сложность создания квантовых компьютеров
Проблема квантовых компьютеров – стабильность. Оказывается, интерференция (любая вибрация, нарушающая естественные вибрации атомов) создает помехи. Электроны в квантовой механике ведут себя как волны и описываются волновой функцией. Эти волны могут интерферировать, вызывая странное поведение квантовых частиц, и это называется декогеренцией.
Низкие температуры
Чтобы поддерживать стабильность атомов в квантовых машинах, необходимо хранить их при очень низкой температуре. Идеально, чтобы она составляла -273,15 градусов по Цельсию. В настоящее время система D-Wave 2000Q является наиболее совершенным квантовым компьютером. Его сверхпроводящий процессор охлаждается до -273,135 по Цельсию (в 180 раз холоднее, чем в межзвездном пространстве).
ЯП для квантовых компьютеров
В 2020 году исследователи разработали Sliq: простой для понимания язык программирования высокого уровня для квантовых компьютеров.
В квантовых вычислениях разработчикам обычно приходится иметь дело с несколькими проблемами, такими как низкий уровень абстракции, приводящий к загромождению кода, временные значения, которые необходимо отбросить, и многое другое.
Хотя некоторые квантовые языки пытаются обойти это, они работают слишком сложно. Sliq, с другой стороны, поддерживает безопасное автоматическое невычисление, что обеспечивает интуитивно понятную семантику.
