Квантовые вычисления могут решить проблемы, о которых мы даже не знаем

Квантовые вычисления могут решить проблемы, о которых мы даже не знаем

Он был провозглашен прорывом в масштабах первого полета моторизованного самолета братьев Райт: квантовый компьютер, который выполнил вычисление, настолько сложное, что ни один обычный компьютер не может это сделать. В браваде, которая поражает язык информатики, этот подвиг встречает испытание «квантовым превосходством», и ученые-компьютерщики во всем мире поднимают бокал на праздновании. «Я называю это рассветом новой эры», — говорит Джозеф Эмерсон, профессор Института квантовых вычислений в Университете Ватерлоо и исполнительный директор новой компании Quantum Benchmark.

Программа была анонсирована Google в октябре в статье в научном журнале Nature . Это доказывает, что после десятилетий экспериментов, миллиардов долларов инвестиций по всему земному шару и мучительной неопределенности относительно того, было ли это вообще физически возможно, квантовый компьютер может работать. И, как и 12-секундный полет Китти Хок, который наметил путь для сегодняшних трансатлантических рейсов, его можно увеличить, чтобы он стал намного быстрее и мощнее.

Но как? И когда?

Начнем с того, что квантовые вычисления могут сделать широко распространенные шифровальные коды устаревшими, и это изменение заставит некоторые финансовые учреждения и институты данных стремиться найти квантово-стойкое шифрование. (Как ни странно, ответ может заключаться в использовании новых квантовых программ.) Кроме того, раннее использование в бизнесе может заключаться в решении так называемых проблем «оптимизации» — как можно выполнить сложную организационную задачу, такую ​​как быстрая доставка множества посылок. более эффективно.

Помимо этого, потенциал огромен. Идея, стоящая за поиском квантовых компьютеров, заключается в том, что они, вероятно, будут способны в считанные минуты взломать проблемы, которые раньше были трудноразрешимыми.

«Сегодня мы привыкли думать о традиционных вычислениях как о чем-то, что решает все», — говорит Эмерсон. «Но есть определенные классы проблем, которые обычные вычисления просто не могут решить».

Пазлы настолько сложные, скажем, что о них почти никто не говорит — или даже не знает о них. «Как обуздать огромные потери электрической энергии при ее прохождении по линиям электропередачи», — говорит Эмерсон. Или расшифровывая природные секреты превращения переносимого по воздуху азота в соединения, которые растения могут использовать — неуловимый ключ к производству удобрений с меньшим количеством отходов. Или определить, какие молекулы соединятся вместе, чтобы создать новые жизненно важные лекарства, вместо того, чтобы тратить время на разочаровывающие годы лабораторных исследований без каких-либо гарантий.

Реклама

Общим для этих невообразимо трудных проблем является то, что они вращаются вокруг таинственных, казалось бы, волшебных действий субатомного мира. Именно здесь вступает в игру нелогичная логика квантовой механики.

В квантовой механике правила, которые, кажется, управляют миром, который мы можем видеть — подобно правилам, описанным сэром Исааком Ньютоном, — не выполняются В ньютоновском, или классическом, мире вещи находятся в том или ином состоянии. Вверх или вниз. Вкл или выкл. Монета — это либо голова, либо хвост. В классических вычислениях это означает, что бит — основная единица информации — обозначается как 0 или 1.

Но странные правила квантовой механики означают, что что-то крошечное, например электрон или фотон, не имеет простого, определенного состояния, объясняет Эфраим Штейнберг, профессор физики в Центре квантовой информации и квантового управления в Университете Торонто и соавт. — директор программы квантовой информатики СИФАР. (CIFAR — это Канадский институт перспективных исследований, благотворительный фонд, известный тем, что он объединяет ученых всего мира.)

Мы уже используем мощь квантовой механики в транзисторах, которые являются основным оборудованием в микропроцессорах наших компьютеров, в смартфонах, светодиодных лампах и даже в лазерах.

Но когда вы идете на шаг дальше, как это сделал Google, и объединяете квантовую механику с информационными технологиями, вы получаете что-то, что вместо того, чтобы просто указывать вверх или вниз или быть в 0 или 1, может указывать в любом направлении вокруг сферы, объясняет Стейнберг ,

«Если вы предполагаете заменить каждый бит вашего компьютера чем-то, что могло бы указывать на любую точку земного шара, вы уже можете видеть, что в этой системе гораздо больше информации», — говорит Стейнберг.

Эти многозадачные биты известны как кубиты — сокращение от квантовых битов — и являются основными единицами информации в квантовых вычислениях. И их можно уговорить работать вместе, создаваться, как выразился компьютерный мир, в запутанных состояниях. Мысль идет о том, что если проблема является квантовой, то решение может быть тоже.

Прелесть обычных компьютеров с одними нулями и единицами в том, что они методично прокладывают себе путь через эти две возможности, пока не приходят к ответу. «Это похоже на скоростной поезд, бегущий по дорожке, ведущей к месту назначения», — говорит Эмерсон.

Но квантовые компьютеры этого не делают. Вместо этого, по его словам, они больше похожи на ракетный корабль, летящий в космос без цели. Это непрямой, непрерывный процесс, в котором вам нужно продолжать навигацию, измученную ветрами, легкими просчетами и турбулентностью. Это означает, что накапливаются ошибки. Одна из больших проблем в программировании квантовых вычислений заключается в том, чтобы справляться с ошибками, над чем работает начинающая компания Emerson.

Хотя ваш следующий iPhone не будет квантовым компьютером, эффекты квантовых вычислений могут просочиться в нашу жизнь в течение следующих пяти лет и, вероятно, в течение следующих 10 лет, говорит Эмерсон. Но правда в том, что никто точно не знает, как это изменит нашу жизнь. Это может проявиться в инженерных инструментах. Или, может быть, в достижениях квантовой химии или в том, как мы решаем проблемы изменения климата или повышения энергоэффективности.

«Мы точно не знаем, с какими проблемами квантовые компьютеры будут лучше, чем с классическими компьютерами», — говорит Стейнберг. «Мы постоянно ищем другие проблемы, которые они могли бы решить».

Весь общественный интерес к тому, что означает новая веха, напоминает Стейнбергу о вопросах, стоящих во времена новаторства обычных компьютеров.

«Я сравниваю компьютер, который я использую сейчас, с компьютером, который я использовал 20 лет назад, и удивительно, как много он может сделать», — говорит он. «Есть некоторые аспекты, которые мы предусмотрели, и многие другие, которых мы не предусмотрели. Я думаю, что то же самое будет верно для квантовых вычислений »