Космос - «мир, вселенная и мироздание» (др. греческий), первоначальное значение - «порядок, гармония, красота».
Впервые термин Космос для обозначения Вселенной был применён Пифагором...









Интересные сайты:




Квантовые компьютеры — революция в IT-индустрии

Вычислительная техника развивается семимильными шагами. Закон Мура, сформулированный ещё в 1965 году, до сих пор непреклонно действует: вычислительные мощности удваиваются каждые два года. Однако очень скоро для поддержания таких темпов будет необходим качественный прорыв — создание квантовых компьютеров.

Пределы технологий

Сразу уточним: закон Мура — это не непреложная физическая данность, а наблюдение из практического опыта. Он соблюдается до тех пор, пока инженерам есть простор для совершенствования компьютерной техники. Однако вскоре развитие транзисторных компьютеров неизбежно упрётся в предел, установленный физикой нашей Вселенной: транзисторы невозможно бесконечно уменьшать, для их работы требуется наличие хотя бы нескольких атомов. И как бы кто ни старался, обойти это ограничение традиционными технологиями не получится.

И вот тут-то на помощь должны прийти квантовые компьютеры, которые функционируют на отдельных элементарных частицах — атомах, ионах, фотонах или электронах. Классические компьютеры работают по принципу, предложенному Аланом Тьюрингом, одним из основателей науки кибернетики. Ещё в 1930-х годах он в одной из работ описал устройство, представляющее собой ленту, разделенную на маленькие ячейки-биты. Каждая из этих ячеек может содержать в себе символ «1» или «0» или же остаётся пустой. Из последовательности этих ячеек можно составить программу, которую будет считывать устройство, перемещающееся вдоль ленты, считывающее символы и записывающее новые. Таким образом, мы получаем универсальный код, с помощью которого можно зашифровать и поместить в компьютер абсолютно любую информацию. Однако этот способ имеет один существенный недостаток: машина может «читать» лишь одну последовательность битов зараз.

Хотя со времён Тьюринга вычислительная техника прошла длинный путь развития, эволюционировав из ламповых ЭВМ, занимавших целое здание, до современных портативных компьютеров, все они действуют по тому же самому принципу: одно вычисление зараз. Изменилось лишь время, за которое они совершаются, да выросло количество процессоров в одном устройстве, совершающих параллельные вычисления. Образно говоря, вместо школьника, сидящего в комнате и решавшего задачки, в то же помещение набилось множество учёных.

Новые горизонты

Основные принципы функционирования квантовых компьютеров схожи с машинами Тьюринга, однако вместо битов у них есть кубиты — вычислительные ячейки, в которых одновременно могут находиться и единица, и ноль. Это становится возможно благодаря квантовой суперпозиции — явлению, при котором квант может находиться в двух взаимоисключающих с точки зрения классической механики состояниях. Наглядно суть этого явления продемонстрирована в знаменитом мысленном эксперименте австрийского физика Эрвина Шрёдингера. Некий кот заключён в стальной ящик вместе с хитроумным устройством, которое в любой момент времени с равной вероятностью может убить его или оставить в живых. До тех пор, пока кто-то не заглянет в ящик, кот остаётся одновременно в двух состояниях — и живым, и мёртвым. Кажется невероятным, но существование квантовой суперпозиции является доказанным фактом. Используя кубиты, компьютер сможет проводить в них одновременно несколько вычислений, значительно повышая свою производительность.

Кроме того, новый тип ЭВМ будет использовать явление квантовой запутанности, при котором два и более объекта оказываются связанными друг с другом таким образом, что если меняется состояние одного, то изменяется и состояние другого. Самое поразительное, что запутанность сохраняется, даже если отдалить кванты друг от друга на расстояние. Теоретически это может позволить создать сверхсветовые коммуникации, а применительно к новым вычислительным машинам свести практически на нет временной лаг, возникающий из-за прохождения электрического сигнала по цепям. Все это позволит квантовым компьютерам успешно решать задачи, перед которыми пасует современная техника.

«Квантовая гонка»

Квантовые компьютеры

До появления квантовых компьютеров на прилавках пройдёт ещё немало времени.

Это неудивительно, если учесть, что первые лабораторные эксперименты начались только на рубеже XX и XXI веков, а Нобелевская премия за успехи в контроле над квантовым состоянием элементарных частиц, без чего невозможно создание полноценных устройств, была присвоена совсем недавно, в 2012 году. Однако многие крупные компании уже включились в «квантовую гонку», которая по накалу страстей напоминает космическую гонку второй половины XX века. Некоторые результаты такого соревнования уже представлены общественности. Так, инженеры IBM, одного из крупнейших производителей аппаратного обеспечения в мире, создали и тестируют квантовый компьютер, оперирующий 16 кубитами. Не отстают и другие гиганты IT-сферы: корпорации Intel и Microsoft.

Над созданием своего квантового компьютера работает научная группа компании Google под руководством Джона Мартиниса. На первом этапе они планируют запустить 20-ку-битное вычислительное устройство, а на втором — ещё более мощное, 50-кубитное. Каждый кубит создаётся с помощью специальных устройств, представляющих собой кольцо из охлажденного до температуры — 273 градуса по Цельсию сплава. При таких температурах, близких к абсолютному нулю, металл начинает проявлять свойства сверхпроводника, в котором ток течёт как по, так и против часовой стрелки. Благодаря чему возникает квантовая запутанность.

Не остаётся в стороне и наша страна. Российский квантовый центр, возглавляемый физиком Михаилом Лукиным, при активном сотрудничестве с Гарвардским университетом сегодня работает над созданием программируемого квантового вычислительного устройства на базе 51 кубита. При этом подход этой исследовательской группы отличается от того, что предлагают инженеры IBM или Google. Вместо сверхпроводников из сплавов в проекте Лукина используется набор атомов, удерживаемых внутри специальных лазерных «клеток» и охлажденных до сверхнизких температур, при которых начинают проявляться квантовые эффекты. Какая из конструкций окажется эффективней, покажет будущее.

Если кому-то кажется, что цифры «20», «51» не такие уж большие, подумайте ещё раз. Компьютер, работающий на 20 кубитах, производит одновременно около миллиона операций. 30-кубитный квантовый ЭВМ по мощности равен суперкомпьютеру с производительностью в триллион операций в секунду. Для 51-кубитной машины эта цифра достигает уже более двух квадриллионов операций в секунду! И это менее чем за десять лет с момента открытия технологии, сделавшей их создание возможным.

Созданные на сегодня квантовые компьютеры — модели экспериментального характера, на которых пока «обкатывают» новые технологии. Единственная ЭВМ от канадской компании D-Wave Systems, которая использует кубиты и продаётся на рынке, по мнению экспертов, не является квантовым компьютером в строгом смысле слова, поскольку в ней не возникают эффекты квантовой запутанности. Однако по прогнозам уже в следующем десятилетии ситуация изменится, и новые вычислительные машины начнут постепенно завоёвывать рынок.

Перспективы и риски

Учитывая сложность изготовления и высокую стоимость, пока что это будут компьютеры для крупных компаний, которые готовы выложить кругленькую сумму от пятнадцати миллионов долларов и выше. Предполагается, что на первом этапе наиболее востребованы квантовые компьютеры будут для решения задач по расчёту свойств новых молекул и химическому анализу материалов, поскольку они способны невероятно быстро обрабатывать информацию, поступающую с множества детекторов. Постановка такого рода расчётов на поток позволит экономить на дорогостоящих лабораторных опытах, в ходе которых сегодня методом проб и ошибок пытаются создать новый материал с заданными свойствами. Вместо этого все необходимые условия для их достижения будут просчитываться квантовыми компьютерами, и лишь на последнем этапе начнётся синтез молекул. В случае успеха такая технология способна совершить настоящую научную революцию, позволив при жизни нынешнего поколения создать материалы, кажущиеся пока фантастическими: сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, прочные сплавы легче воды, лекарства, действующие без побочных эффектов. Кроме фармацевтических компаний, химических лабораторий и заводов, такая техника может быть востребована спецслужбами, скажем, для поиска следов взрывчатых веществ и наркотиков. Другим направлением, к которому активно присматриваются уже сейчас, является квантовое шифрование, с помощью которого не только можно создать хорошо защищённые каналы связи, но и со стопроцентной точностью определять, прослушиваются ли они или нет.

Квантовые компьютеры не дело завтрашнего дня, а реальность, стучащаяся в двери. По прогнозам, уже к 2024 году объём рынка для них составит 10,7 миллиарда долларов США. Все эксперты сходятся во мнении, что за какие-то пять лет они изменят нашу жизнь сильнее, чем привычная вычислительная техника за последние шестьдесят лет. Однако некоторые эксперты сомневаются, столь ли однозначным будет благо от их введения. Что, если подобная техника найдёт применение в военной сфере? Многие эксперты по безопасности считают, что появление квантового компьютера может нанести серьёзный удар по конфиденциальности, поскольку любой современный способ шифрования данных не имеет ни малейшего шанса устоять перед попыткой взлома с помощью такого устройства. Конечно, со временем будет осуществлён переход на квантовую криптографию, но до того момента персональные данные, пароли от аккаунтов в соцсетях, пин-коды кредитных карт, номера банковских счетов и многое другое может попасть в руки злоумышленников.

Наконец, звучат предостерегающие голоса о том, что с появлением квантового компьютера мы напрямую приблизимся к возникновению искусственного интеллекта, который не обязательно будет доброжелателен к человечеству. Об этой угрозе можно говорить отдельно и очень долгое время. Насколько она обоснованна, покажет только время.

Владимир АНТОНОВ

Китайские учёные вовсю экспериментируют не только с квантовыми компьютерами, но и со способами передачи запутанных элементарных частиц на расстояние. Недавно состоялось успешная передача сигнала на орбиту с помощью квантов. Выведенный ещё в прошлом году на орбиту спутник «Моцзы» успешно принял сигнал, посланный из лаборатории. Эксперты во всём мире считают, что это фундаментальный прорыв в деле создания системы квантовой связи, которая, теоретически, будет способна обеспечить даже сверхсветовую коммуникацию. По словам китайских учёных, в ближайшее время они планируют запустить на орбиту ещё несколько спутников квантовой связи и связать их в единую сеть. Если всё пойдёт успешно, то уже к 2030 году может появиться «квантовый интернет».







Предыдущая     Статьи     Следущая











Друзья сайта: