La física cuántica nació en 1900, cuando Max Planck sugirió que la energía no se absorbe continuamente, sino en porciones separadas: cuantos. Su idea se desarrolló aún más: el efecto fotoeléctrico de Einstein, la teoría del átomo de Bohr, Rutherford mostró experimentalmente cómo se ve el núcleo atómico, Louis de Broglie borró el límite entre las ondas y la materia, Heisenberg y Schrödinger desarrollaron mecánica cuántica.Es difícil entender la física cuántica: su aparato matemático es casi imposible de traducir al lenguaje "humano". Pero "tocar" sus manifestaciones en la vida cotidiana es bastante real: láser, unidades flash, CD, circuitos integrados o grafeno: todas estas tecnologías aparecieron gracias a la física cuántica. Es lógico que decidieran usarlo para cálculos, en computadoras cuánticas.Las computadoras cuánticas son fundamentalmente diferentes de las computadoras ordinarias: procesan la información un orden de magnitud más rápido, y su memoria es más exponencial. Ya ahora, las muestras experimentales resuelven algunos problemas más rápido que las supercomputadoras más potentes. Las perspectivas de introducir computadoras cuánticas son atractivas. Con su ayuda, puede crear nuevos medicamentos, los materiales compuestos son más fuertes que el titanio y más livianos que el plástico, los superconductores que funcionan a temperatura ambiente, logran una seguridad de cifrado absoluta o desarrollan inteligencia artificial universal. Pero en realidad, no todo es tan color de rosa. Esto se debe a que aún no entendemos lo que realmente puede hacer una computadora cuántica.Anatoly Dymarsky (Skoltech) es un físico teórico que trabaja en el campo de la física de sistemas cuánticos. Anatoly explicará en qué se diferencia la computadora cuántica de la habitual y qué prometen las posibilidades de la industria de TI.¿Cómo funciona una computadora normal?
Para explicar qué es una computadora cuántica y cómo funciona, debe comenzar desde lejos y decir cómo funciona una computadora normal. El funcionamiento de una computadora convencional está determinado por dos parámetros: memoria, velocidad de cálculo.La memoria es la característica principal de un sistema informático. Una computadora puede leer, escribir y procesar información almacenada en la memoria.La computadora realiza las operaciones más simples: multiplicación, resta, suma de números. Si realiza estas operaciones mucho y rápidamente, puede combinarlas en un programa que procese información. Así es como funcionan las bases de datos, la búsqueda o las redes neuronales. La velocidad de los cálculos o la velocidad de ejecución de las operaciones (FLOPS) es importante aquí .Hay un tercer parámetro (adicional): determinismo,Característica general de todos los sistemas informáticos. Significa que todas las máquinas funcionan de acuerdo con un programa único: cero siempre es cero, y una unidad es definitivamente una unidad. No se proporcionan otras interpretaciones y no hay ningún elemento de incertidumbre.La incertidumbre solo puede introducirse a nivel de entrada, por ejemplo, mediante números aleatorios. La entrada puede ser aleatoria, pero el programa siempre procesa inequívocamente todos los datos entrantes.¿Cómo funciona una computadora cuántica?
Funciona de manera diferente, por lógica intuitivamente incomprensible. Como el habitual, realiza cálculos, pero se basa en las leyes de la mecánica cuántica .El mundo clásico y la mecánica clásica son deterministas. Esto significa que el valor de cualquier registro de memoria en la computadora siempre es 0 o 1, y la placa siempre está completa o rota.En un sistema mecánico cuántico no existe tal claridad, pero existe una probabilidad que determina su esencia. La pregunta correcta aquí es: ¿cuál es la probabilidad de que las placas estén rotas o intactas, cuál es la probabilidad de que los valores del registro sean 0 o 1?La probabilidad es el primer concepto importante en mecánica cuántica . Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, las placas de Schrödinger están enteras y rotas. Hay una cierta probabilidad de que estén completos, y cierta probabilidad de que estén rotos. Esta incertidumbre refleja el mundo físico real.En el nivel clásico, la incertidumbre disfraza nuestra ignorancia. Por ejemplo, cuando compramos un boleto de lotería Sportloto, es probable que ganemos porque no sabemos el número ganador.Para la física clásica, una lotería no es un proceso probabilístico. Siempre puede describir el movimiento de la mano que lanza el tambor, la velocidad y la trayectoria de cada bola. Teóricamente, puedes adivinar el número ganador (aunque en la práctica es difícil). En mecánica cuántica, incluso teóricamente, uno no puede adivinar¿Qué pasará el próximo segundo? Solo podemos predecir esto en términos de probabilidad.El segundo concepto es el principio de superposición . Un bit regular se encuentra solo en los valores 0 o 1. En las computadoras cuánticas no hay bits ordinarios, pero hay bits cuánticos: qubits . El bit cuántico está en el estado 0 o 1 con cierta probabilidad. Un qubit puede estar simultáneamente en estos estados, además, en diferentes combinaciones, en una superposición de estos estados.Cuando el sistema (qubit) está simultáneamente en el estado 0 o 1, solo podemos hablar de probabilidades. Si hay muchos estados, el sistema está simultáneamente en todos los estados posibles, pero con una probabilidad menor para cada uno. Esto es fundamentalmente importante.En un programa clásico, en cada momento particular en el tiempo, cada línea del programa funciona con una celda de memoria específica. En mecánica cuántica, puede trabajar con todas las celdas de memoria al mismo tiempo ."Memoria" de una computadora cuántica
¿Cuál es la principal diferencia entre la memoria de computadora cuántica y clásica? En una computadora normal, escribimos números en código binario. Por ejemplo, el número 8 en el sistema binario se parece a 00001000, y 4 bits son suficientes para escribirlo.En las computadoras cuánticas, los qubits están en estado 0 o 1 con cierta probabilidad. La probabilidad es un número. Para escribir un solo número con precisión infinita, necesita un número infinito de bits. Por lo tanto, en teoría, un qubit es un sistema físico con una cantidad infinita de memoria .En la práctica, los métodos de medición tienen una precisión limitada. Suponemos que corresponde a la máquina habitual (flotante). Resulta que el qubit contiene dos números: la probabilidad de que el qubit esté en el estado 0 y en el estado 1.Nota: por simplicidad, ignoramos que la suma de las probabilidades de un qubit en el estado 0 y 1 debe ser igual a uno. La conclusión principal no depende de la simplificación.Un qubit corresponde a dos números reales (flotante). Esta es una gran victoria, porque para dos números reales en una computadora normal necesitas dos palabras de máquina: 128 bits ordinarios, y lo manejamos con un cuanto. Puede parecer que una computadora cuántica es 128 veces mejor de lo habitual. Pero esto no es así.Una computadora cuántica es exponencialmente mejor de lo habitual.
Un qubit es 2 números reales. Dos qubits: 4 números reales. Pero ocho qubits son 256 configuraciones potenciales de ocho ceros y unos, dos a la octava potencia.Para un qubit, la ganancia es 128 veces, y para ocho qubits es mucho mayor: 256 * 128. Un sistema de n qubits en memoria es equivalente numeros reales.La capacidad de la memoria cuántica está creciendo exponencialmente.
La memoria de una computadora portátil común es equivalente a 15 qubits, 40 qubits equivalen a la memoria de los centros de datos más potentes y 50-60 qubits superan la memoria total de todos los centros de datos del mundo.Tres a cuatro qubits equivalen a un aumento en la memoria clásica ordinaria en 10-20 veces. La memoria cuántica es mucho más amplia que cualquier otro método clásico de grabación de información. Este es el principal potencial de la computación cuántica.Pero un aumento exponencial en la capacidad de la memoria cuántica causa un problema de dimensión . Debido a la maldición de la dimensión, es difícil describir un sistema cuántico de este tipo en una computadora clásica: se requiere cada vez más memoria.¿Qué tareas puede resolver una computadora cuántica?
Si el mundo cuántico opera a un nivel de incertidumbre, ¿cómo es posible calcular algo? La mecánica cuántica tiene una naturaleza probabilística, y necesitamos una respuesta exacta. ¿Cómo funcionará todo si solo necesitas multiplicar dos números?Explicaré con el ejemplo de problemas de la clase NP , es decir, problemas de solución cuya solución no se puede encontrar en el tiempo polinómico, en cualquier caso, bajo el supuesto. Sin embargo, se puede verificar la corrección de la solución en el tiempo polinómico. Esto es similar a romper un candado cerrado: no sabemos cómo usar las llaves maestras, pero podemos verificar rápidamente cualquier llave, si la hay.Gracias al principio de superposición, el sistema cuántico está inmediatamente en todos los estados y está buscando la mejor opción. El sistema no da una respuesta definitiva, pero aumenta la probabilidad de que la mejor opción sea una solución. Cuando el sistema se detiene en alguna solución, podemos verificar rápidamente su corrección.Si resulta que la respuesta es incorrecta, vuelva a iniciar la computadora cuántica. La probabilidad de obtener la respuesta correcta es más del 50% y, a menudo, mucho más. Entonces, en 2-4 comienzos del algoritmo cuántico, obtenemos la respuesta correcta.No tendremos una respuesta definitiva, sino solo la probabilidad de obtener la respuesta correcta. Pero esta probabilidad es muy alta. De hecho, estamos adivinando, pero no en el café molido, sino en el científico. En unas pocas iteraciones, encontraremos la respuesta y verificaremos que sea correcta.Parámetros de computadora cuántica
Una computadora clásica tiene dos parámetros de calidad: la cantidad de memoria y la cantidad de operaciones. Con una computadora normal, suponemos por defecto que tenemos acceso a todas las ubicaciones de memoria para escribir y leer.En el caso cuántico, hay tres parámetros.La cantidad de memoria o la cantidad de qubits . Cuanto más memoria, mejor? Para una computadora cuántica, no: cuando aumentamos el número de qubits, la complejidad del sistema cuántico crece. El sistema se vuelve difícil de mantener en un estado aislado.Tiempo de operación o número de operaciones secuenciales (coherencia). El sistema debe mantenerse en un estado aislado; en física, esto se llama coherencia. Si permitimos que el sistema cuántico interactúe con el entorno, esto destruirá el estado de las células de la memoria cuántica. En lugar de ceros y unos solo habrá ruido.Intentamos mantener el sistema aislado el mayor tiempo posible. Pero mientras más operaciones cuánticas llevamos a cabo, más tiempo se dedica a ellas, lo que significa que cada vez es más difícil mantener el sistema en un estado aislado.Nota: aquí el número de operaciones no es por segundo, sino para todo el tiempo de operación del sistema.Surge una paradoja: cuantos más qubits, menos operaciones están disponibles . Por lo tanto, el tiempo durante el cual puede mantener el sistema aislado y realizar un cierto número de operaciones es un parámetro importante.Imagine una computadora normal en la que no hay enfriamiento. Hasta que la computadora se sobrecaliente, tiene tiempo para contar algo, y luego se apaga. Aproximadamente lo mismo sucede en una computadora cuántica. No tiene un "ventilador": cuanto más funciona, más se calienta hasta que se derrumba. Por lo tanto, hay un límite en el número de operaciones.Universalidad En una computadora clásica, cualquier operación está disponible: multiplicación, división, resta. Teóricamente, en cuanto también. Pero en la práctica, es mucho más fácil realizar operaciones solo con qubits vecinos, que se encuentran en una línea recta, en una matriz rectangular o cuadrada. Para trabajar con todos los qubits, se requiere una arquitectura muy compleja; en la práctica, todavía no saben cómo.
Las tres áreas entran en conflicto entre sí. Podemos mejorar uno, pero esto sucederá debido al deterioro de los otros dos. Ahora que la tecnología está en su infancia, se pueden distinguir varias plataformas prototipo, y cada una de ellas está tratando de mejorar el rendimiento de una dirección a expensas de las otras dos.Prototipos
Destacaré tres prototipos en los que están trabajando las grandes empresas. Google, IBM, Intel, Microsoft están invirtiendo en el desarrollo de computadoras cuánticas. Juntos, han invertido más de $ 500 millones en desarrollo, laboratorios y centros de investigación.Las primeras computadoras clásicas ocuparon habitaciones enteras, trabajaron en tubos de vacío y se calentaron tanto que necesitaban una refrigeración potente por separado. Las computadoras cuánticas son muy similares a ellas: son gabinetes de 3 metros de altura, la mayoría de los cuales están ocupados por sistemas de enfriamiento. Las computadoras se enfrían a una temperatura cercana al cero absoluto para que los sistemas cuánticos puedan realizar sus funciones informáticas.Computadoras cuánticas universales
Estas son máquinas universales de Google e IBM con aproximadamente 20 qubits de memoria. Realizan cualquier operación, porque la universalidad completa está disponible con un número relativamente pequeño de qubits, y luego surge una limitación práctica. Quizás en un año la gente aprenderá a trabajar con 30-40 qubits.Las computadoras cuánticas universales pueden implementar algoritmos cuánticos arbitrarios, por ejemplo, algoritmos Shor y Grover.La criptografía moderna se basa en la descomposición de los números en factores primos. Actualmente se desconoce si existe un algoritmo no cuántico polinómico para el problema de factorización. Sin embargo, hace 25 años, Peter Shore publicó un artículo explicando cómo una computadora cuántica puede descomponer un número entero muy grande en factores primos.El algoritmo informático cuántico no funciona de manera determinista, pero adivina factores simples con una probabilidad de una respuesta correcta de más del 50% y encuentra factores simples exponencialmente más rápido que uno normal.Con la difusión de las computadoras cuánticas, todos los métodos modernos de encriptación serán vulnerables, y esta es la principal motivación en el desarrollo de algoritmos cuánticos en los últimos 25 años. Pero por ahora, todavía es difícil aplicar el método Shore, porque el algoritmo requiere una computadora cuántica grande. Los pequeños resuelven el problema solo para números pequeños.Otro ejemplo que demuestra el potencial de la computación cuántica es el algoritmo de Grover para la tarea de buscar o encontrar una solución para una ecuacióndónde algún tipo de función compleja.Además de los algoritmos Shore y Engraver mencionados anteriormente, hay una gran cantidad de otros algoritmos cuánticos. Cualquier sistema físico quiere entrar en equilibrio: el quantum no es una excepción. Desde un punto de vista científico, es más correcto hablar no sobre el equilibrio, sino sobre el estado básico del sistema. El análogo clásico es el estado de reposo. El sistema siempre busca entrar en un estado de reposo con mínima energía. En términos de problemas computacionales, es una tarea de optimización para minimizar la energía. Una computadora cuántica puede resolver tales problemas.Todavía no se comprende todo el campo de aplicabilidad de los algoritmos cuánticos y las computadoras. Pero ya hay docenas de problemas de optimización diferentes que las computadoras y algoritmos cuánticos pueden manejar, y se encuentran otros nuevos.Simuladores Cuánticos de Versatilidad Limitada
Esta es otra dirección: la universalidad es limitada, pero se mantiene el aislamiento (coherencia). Estas son computadoras a la vuelta de 50-70 qubits, que en el sentido de la memoria ya es más que cualquier supercomputadora.En este límite, las capacidades de una computadora cuántica especializada son superiores a las capacidades de una computadora clásica: surge la superioridad cuántica . Esto significa que las computadoras cuánticas pueden resolver algunos problemas que los ordinarios (incluso las supercomputadoras) tardarán decenas, cientos o miles de años en completarse.En octubre de 2019, Google anunció que había logrado la superioridad cuántica. La noticia apareció en todos los principales periódicos y revistas, el artículo científico correspondiente se publicó en Nature. Muchos periódicos han publicado artículos destacados, incluso el New York Times y el Wall Street Journal, que están lejos de ser científicos.En realidad, Google ha desarrollado un procesador cuántico con versatilidad limitada. Tiene una cantidad bastante grande de qubits, y puede realizar algunas tareas estrechas mejor que cualquier computadora clásica. Otra pregunta es que estas son tareas muy estrechas y artificiales.Procesadores incoherentes con el número de qubits de 2 mil
Si olvida la universalidad y la coherencia, puede agregar 2 o incluso 3-4 mil qubits. La compañía D-Wave de Canadá se dedica a esta área. Tienen procesadores con mil qubits, pero sin coherencia.Posibles aplicaciones de computadoras cuánticas
Una gran aplicación potencial es la criptografía. El segundo son las tareas de optimización que surgen en una variedad de áreas.La ciencia. La computación cuántica puede ayudar a predecir el comportamiento de las partículas, modelar moléculas de ADN o desarrollar nuevos fármacos. Por ejemplo, están tratando de aplicar la computación cuántica en farmacología. Para hacer esto, debe comprender qué forma toman las diferentes proteínas (que puede pensar como objetos cuánticos microscópicos). No sabemos cómo se comportarán, pero la forma más fácil de entender esto es simulando su comportamiento en una computadora cuántica. Esta tarea científica tiene un enorme potencial comercial: nuevos medicamentos, suplementos, antibióticos.Nuevos materialesEn la ciencia de los materiales, lo principal es comprender la interacción de los átomos, que se pueden modelar en computadoras cuánticas. Esta también es una tarea científica, pero una vez creado el nuevo material, ya se puede vender.Aprendizaje automático e inteligencia artificial. El aprendizaje automático es un proceso complejo que requiere una gran cantidad de cómputo. Si bien no hay un beneficio práctico de las computadoras cuánticas, porque ahora están en el nivel de desarrollo incorrecto. Pero a la larga, las computadoras cuánticas pueden acelerar los algoritmos estándar. En algunos casos, esto parece revolucionario, porque puede reducir el tiempo de entrenamiento de una red neuronal en decenas de veces.Transporte, energía, logística.En estas áreas hay muchos problemas de optimización. Por ejemplo, en el sector energético, el principal problema es la distribución de energía eléctrica en todo el país. El precio de la electricidad en diferentes regiones es diferente, mientras que durante la transmisión se pierde parte de la energía, y con ello el beneficio. Para ganar más dinero, la empresa está tratando de optimizar la transferencia. Esta es una de esas tareas que está en la clase NP. Es difícil encontrar la solución correcta, pero una computadora cuántica puede ayudar.Aplicaciones de negocios. En los negocios, solo las grandes empresas y corporaciones participan en la computación cuántica. Los gigantes tienen dinero y recursos, por ejemplo, Google, D-Wave o IBM (el líder del campo con grandes logros).En el sitio web de la compañía D-Wave está escrito que ya en 150 aplicaciones comerciales, se usa la computación cuántica. IBM ha publicado un folleto que analiza lo que se puede hacer con una computadora cuántica. Estas son docenas de industrias diferentes y potencialmente cientos de soluciones comerciales. Entonces se ve en papel.
En realidad, todo es un poco diferente. El desarrollo de la tecnología aún no está al nivel para ponerla en práctica.¿Qué significa la revolución cuántica para la industria de TI?
Nada hasta ahora. Estamos en la llamada era NISQ: tecnología cuántica de escala intermedia ruidosa . Esto significa que ahora no existen tales dispositivos cuánticos que puedan competir con las computadoras clásicas. Todavía no es posible crear un sistema cuántico que en todos los aspectos supere al clásico: más bien pequeño, universal y aislado. Hasta ahora, solo se han obtenido sistemas que realizan tareas altamente especializadas de cierto tipo mejor que un clúster informático. La tecnología cuántica aún no es práctica. Me gustaría utilizar este enorme potencial para mis tareas diarias, pero no sé cómo hacerlo.La tecnología cuántica tiene un enorme "potencial disruptivo". Si aprende a resolver bien al menos uno de los problemas de optimización mencionados anteriormente, esto cambiará al menos una industria específica. Espero que en 5-10 años la situación cambie en algunas áreas.Muchas empresas crean prototipos de computadoras cuánticas reales: ya saben cómo hacer algo, pero hasta ahora esto no es suficiente.En Skoltech, estamos tratando de responder la pregunta principal: cómo y por qué puede usar una computadora cuántica. Con mis colegas Vladimir Antonov y Oleg AstafievEstamos trabajando en un proyecto en el que estamos trabajando en una pequeña computadora cuántica. Desafortunadamente, algunos de los problemas de arquitectura y diseño aún no se han resuelto, porque todavía no estamos seguros de qué tareas tendrá que resolver esta computadora. Si está interesado en esta pregunta, lo invito a discutirla .El interés con el que los participantes de HighLoad ++ recibieron el informe sobre las computadoras cuánticas y las centrales nucleares nos llevó a prestar más atención a estos temas en nuestras conferencias. Por lo tanto, en RIT ++ en mayo en línea tendremos secciones del campo científico y la aplicación de TI en campos relacionados. Y esto es solo una pequeña parte de las novedades del festival "Russian Internet Technologies". Para más detalles, consulte el sitio web y el boletín .