A física quântica nasceu em 1900, quando Max Planck sugeriu que a energia não é absorvida continuamente, mas em porções separadas - quanta. Sua idéia foi desenvolvida: o efeito fotoelétrico de Einstein, a teoria do átomo de Bohr, Rutherford mostrou experimentalmente como é o núcleo atômico, Louis de Broglie apagou a fronteira entre ondas e matéria, Heisenberg e Schrödinger desenvolveram a mecânica quântica.É difícil entender a física quântica - é quase impossível traduzir seu aparato matemático para a linguagem "humana". Mas "tocar" suas manifestações na vida cotidiana é bastante real: lasers, pen drives, CDs, circuitos integrados ou grafeno - todas essas tecnologias surgiram graças à física quântica. É lógico que eles decidiram usá-lo para cálculos - em computadores quânticos.Os computadores quânticos são fundamentalmente diferentes dos computadores comuns: eles processam informações em uma ordem de magnitude mais rápida e sua memória é mais exponencial. Agora, amostras experimentais resolvem alguns problemas mais rapidamente do que os supercomputadores mais poderosos. As perspectivas de introdução de computadores quânticos são atraentes. Com a ajuda deles, você pode criar novos medicamentos, materiais compostos são mais fortes que o titânio e mais leves que o plástico, supercondutores que funcionam à temperatura ambiente, alcançam segurança absoluta de criptografia ou desenvolvem inteligência artificial universal. Mas, na realidade, nem tudo é tão róseo. Isso ocorre porque ainda não entendemos o que um computador quântico realmente pode fazer .Anatoly Dymarsky (Skoltech) é um físico teórico que trabalha no campo da física de sistemas quânticos. Anatoly dirá como o computador quântico difere do usual e o que as possibilidades da indústria de TI prometem.Como um computador comum funciona?
Para explicar o que é um computador quântico e como ele funciona, você precisa começar de longe e dizer como um computador comum funciona. A operação de um computador convencional é determinada por dois parâmetros: memória, velocidade da computação.A memória é a principal característica de um sistema de computação. Um computador pode ler, gravar e processar informações armazenadas na memória.O computador executa as operações mais simples: multiplicação, subtração, adição de números. Se você executar essas operações com muita rapidez, poderá combiná-las em um programa que processe informações. É assim que os bancos de dados, pesquisa ou redes neurais funcionam. A velocidade dos cálculos ou a velocidade de execução das operações (FLOPS) são importantes aqui .Há um terceiro parâmetro (adicional) - determinismo,característica geral para todos os sistemas de computação. Isso significa que todas as máquinas funcionam de acordo com um programa exclusivo - zero é sempre zero e uma unidade é definitivamente uma unidade. Nenhuma outra interpretação é fornecida e não há elemento de incerteza.A incerteza pode ser introduzida apenas no nível de entrada, por exemplo, por números aleatórios. A entrada pode ser aleatória, mas o programa sempre processa sem ambiguidade todos os dados recebidos.Como um computador quântico funciona?
Funciona de maneira diferente - pela lógica intuitivamente incompreensível. Como o usual, ele realiza cálculos, mas é baseado nas leis da mecânica quântica .O mundo clássico e a mecânica clássica são deterministas. Isso significa que o valor de qualquer registro de memória no computador é sempre 0 ou 1 e a placa está sempre inteira ou quebrada.Em um sistema mecânico quântico não existe tal clareza, mas há uma probabilidade que determina sua essência. A pergunta certa aqui é: qual é a probabilidade de que as placas estejam quebradas ou intactas, qual é a probabilidade de que os valores do registro sejam 0 ou 1?Probabilidade é o primeiro conceito importante em mecânica quântica . Do ponto de vista da mecânica quântica, as placas de Schrödinger são inteiras e quebradas. Há uma certa probabilidade de que eles sejam inteiros, e alguma probabilidade de que eles estejam quebrados. Essa incerteza reflete o mundo físico real.No nível clássico, a incerteza disfarça nossa ignorância. Por exemplo, quando compramos um bilhete de loteria Sportloto, é provável que ganhemos porque não sabemos o número vencedor.Para a física clássica, uma loteria não é um processo probabilístico. Você sempre pode descrever o movimento da mão que lança o tambor, a velocidade e a trajetória de cada bola. Teoricamente, você pode adivinhar o número vencedor (embora na prática seja difícil). Na mecânica quântica, mesmo teoricamente, não se pode adivinharo que vai acontecer no próximo segundo. Só podemos prever isso em termos de probabilidade.O segundo conceito é o princípio da superposição . Um bit regular é encontrado apenas nos valores 0 ou 1. Nos computadores quânticos, não existem bits comuns, mas existem bits quânticos - qubits . O bit quântico está no estado 0 ou 1 com alguma probabilidade. Além disso, um qubit pode estar simultaneamente nesses estados, em diferentes combinações - em uma superposição desses estados.Quando o sistema (qubit) está simultaneamente no estado 0 ou 1, podemos apenas falar sobre probabilidades. Se houver muitos estados, o sistema está simultaneamente em todos os estados possíveis, mas com uma menor probabilidade para cada um. Isso é de fundamental importância.Em um programa clássico, a cada momento específico, cada linha do programa trabalha com uma célula de memória específica. Na mecânica quântica, você pode trabalhar com todas as células de memória ao mesmo tempo ."Memória" de um computador quântico
Qual é a principal diferença entre a memória quântica e a clássica de computador? Em um computador comum, escrevemos números em código binário. Por exemplo, o número 8 no sistema binário se parece com 00001000 e 4 bits são suficientes para escrevê-lo.Nos computadores quânticos, os qubits estão no estado 0 ou 1 com alguma probabilidade. Probabilidade é um número. Para escrever um único número com precisão infinita, você precisa de um número infinito de bits. Portanto, em teoria, um qubit é um sistema físico com uma quantidade infinita de memória .Na prática, os métodos de medição têm precisão limitada. Assumimos que corresponde à máquina usual (float). Acontece que o qubit contém dois números: a probabilidade de o qubit estar no estado 0 e no estado 1.Nota: por simplicidade, ignoramos que a soma das probabilidades de um qubit no estado 0 e 1 seja igual a um. A principal conclusão não depende de simplificação.Um qubit corresponde a dois números reais (float). Essa é uma grande vitória, porque, para dois números reais em um computador comum, você precisa de duas palavras-máquina - 128 bits comuns, e conseguimos com um quantum. Pode parecer que um computador quântico seja 128 vezes melhor que o normal. Mas isso não é verdade.Um computador quântico é exponencialmente melhor que o normal.
Um qubit é 2 números reais. Dois qubits - 4 números reais. Mas oito qubits são 256 configurações em potencial de oito zeros e um - dois à oitava potência.Para um qubit, o ganho é 128 vezes, e para oito qubits é muito maior - 256 * 128. Um sistema de n qubits na memória é equivalente numeros reais.A capacidade da memória quântica está crescendo exponencialmente.
A memória de um laptop comum é equivalente a 15 qubits, 40 qubits são iguais à memória dos data centers mais poderosos e 50-60 qubits excedem a memória total de todos os data centers em todo o mundo.Três a quatro qubits é equivalente a um aumento na memória clássica comum de 10 a 20 vezes. A memória quântica é muito mais abrangente do que qualquer outro método clássico de registro de informações. Este é o principal potencial da computação quântica.Mas um aumento exponencial na capacidade da memória quântica causa um problema de dimensão . Devido à maldição da dimensão, é difícil descrever um sistema quântico em um computador clássico - é necessária mais e mais memória.Quais tarefas um computador quântico pode resolver?
Se o mundo quântico opera em um nível de incerteza, como é possível calcular alguma coisa? A mecânica quântica tem uma natureza probabilística e precisamos de uma resposta exata. Como tudo funcionará se você apenas precisar multiplicar dois números?Explicarei pelo exemplo de problemas da classe NP , ou seja, problemas de solvabilidade cuja solução não pode ser encontrada em tempo polinomial - em qualquer caso, sob a suposição. No entanto, a correção da solução no tempo polinomial pode ser verificada. Isso é semelhante a quebrar um cadeado fechado: não sabemos como usar chaves mestras, mas podemos verificar rapidamente qualquer chave, se houver.Graças ao princípio de superposição, o sistema quântico está imediatamente em todos os estados e está procurando a melhor opção. O sistema não fornece uma resposta definitiva, mas aumenta a probabilidade de a melhor opção ser uma solução. Quando o sistema para em alguma solução, podemos verificar rapidamente a exatidão.Se a resposta estiver incorreta, inicie o computador quântico novamente. A probabilidade de obter a resposta certa é mais de 50% e, muitas vezes, muito mais. Assim, em 2-4 partidas do algoritmo quântico, obtemos a resposta correta.Não teremos uma resposta definitiva, mas apenas a probabilidade de obter a resposta certa. Mas essa probabilidade é muito alta. De fato, estamos tentando adivinhar, mas não no café, mas no científico. Em algumas iterações, encontraremos a resposta e verificaremos se está correta.Parâmetros do computador quântico
Um computador clássico possui dois parâmetros de qualidade: a quantidade de memória e o número de operações. Em um computador comum, assumimos por padrão que temos acesso a todos os locais de memória para escrita e leitura.No caso quântico, existem três parâmetros.A quantidade de memória ou o número de qubits . Quanto mais memória, melhor? Para um computador quântico, não - quando aumentamos o número de qubits, a complexidade do sistema quântico aumenta. O sistema fica difícil de manter em um estado isolado.Tempo de operação ou número de operações seqüenciais (coerência). O sistema deve ser mantido em um estado isolado - na física, isso é chamado de coerência. Se permitirmos que o sistema quântico interaja com o ambiente, isso destruirá o estado das células da memória quântica. Em vez de zeros e uns, haverá apenas ruído.Tentamos manter o sistema isolado o maior tempo possível. Porém, quanto mais operações quânticas forem realizadas, mais tempo será gasto com elas, o que significa que é cada vez mais difícil manter o sistema em um estado isolado.Nota: aqui o número de operações não é por segundo, mas para todo o tempo de operação do sistema.Surge um paradoxo: quanto mais qubits, menos operações estão disponíveis . Portanto, o tempo durante o qual você pode manter o sistema isolado e executar um certo número de operações é um parâmetro importante.Imagine um computador comum em que não haja refrigeração. Até que o computador superaqueça, ele tem tempo para contar alguma coisa e depois desliga. Aproximadamente a mesma coisa acontece em um computador quântico. Não possui um “ventilador”: quanto mais funciona, mais se aquece até desmoronar. Portanto, há um limite no número de operações.Universalidade. Em um computador clássico, qualquer operação está disponível: multiplicação, divisão, subtração. Teoricamente, também em quantum. Mas, na prática, é muito mais fácil realizar operações apenas com qubits vizinhos, localizados em uma linha reta, em uma matriz retangular ou quadrada. Para trabalhar com todos os qubits, é necessária uma arquitetura muito complexa - na prática, eles ainda não sabem como.
Todas as três áreas entram em conflito. Podemos melhorar um, mas isso acontecerá devido à deterioração dos outros dois. Agora que a tecnologia está em sua infância, várias plataformas de protótipos podem ser distinguidas e cada uma delas está tentando melhorar o desempenho de uma direção em detrimento das outras duas.Protótipos
Vou destacar três protótipos nos quais as grandes empresas estão trabalhando. Google, IBM, Intel e Microsoft estão investindo no desenvolvimento de computadores quânticos. Juntos, eles investiram mais de US $ 500 milhões em desenvolvimento, laboratórios e centros de pesquisa.Os primeiros computadores clássicos ocupavam salas inteiras, trabalhavam em tubos de vácuo e eram tão aquecidos que precisavam de um poderoso resfriamento separado. Os computadores quânticos são muito parecidos com eles - são gabinetes com 3 metros de altura, a maioria ocupada por sistemas de refrigeração. Os computadores esfriam a uma temperatura próxima ao zero absoluto, para que os sistemas quânticos possam desempenhar suas funções de computação.Computadores quânticos universais
São máquinas universais do Google e IBM com cerca de 20 qubits de memória. Eles executam qualquer operação, porque a universalidade completa está disponível com um número relativamente pequeno de qubits e, em seguida, surge uma limitação prática. Talvez em um ano as pessoas aprendam a trabalhar com 30 a 40 qubits.Computadores quânticos universais são capazes de implementar algoritmos quânticos arbitrários, por exemplo, algoritmos Shor e Grover.A criptografia moderna é baseada na decomposição de números em fatores primos. Atualmente, não se sabe se existe um algoritmo polinomial não-quântico para o problema de fatoração. No entanto, há 25 anos, Peter Shore publicou um artigo explicando como um computador quântico pode decompor um número inteiro muito grande em fatores primos.O algoritmo quântico para computadores não funciona deterministicamente, mas adivinha fatores simples com uma probabilidade de resposta correta de mais de 50% e encontra fatores simples exponencialmente mais rápido que o normal.Com a expansão dos computadores quânticos, todos os métodos modernos de criptografia estarão vulneráveis, e essa é a principal motivação no desenvolvimento de algoritmos quânticos nos últimos 25 anos. Mas, por enquanto, ainda é difícil aplicar o método Shore, porque o algoritmo requer um grande computador quântico. Os pequenos resolvem o problema apenas para pequenos números.Outro exemplo que demonstra o potencial da computação quântica é o algoritmo de Grover para a tarefa de pesquisar ou encontrar uma solução para uma equaçãoOnde algum tipo de função complexa.Além dos algoritmos Shore e Engraver mencionados acima, há um grande número de outros algoritmos quânticos. Qualquer sistema físico quer entrar em equilíbrio - o quantum não é exceção. Do ponto de vista científico, é mais correto falar não sobre equilíbrio, mas sobre o estado básico do sistema. O analógico clássico é o estado de descanso. O sistema sempre procura entrar em um estado de descanso com energia mínima. Em termos de problemas computacionais, é uma tarefa de otimização de minimizar a energia. Um computador quântico pode apenas resolver esses problemas.Todo o campo de aplicabilidade de algoritmos quânticos e computadores ainda não está esclarecido. Mas já existem dezenas de diferentes problemas de otimização que os computadores e algoritmos quânticos podem lidar, e novos são encontrados.Simuladores quânticos de versatilidade limitada
Essa é outra direção: a universalidade é limitada, mas o isolamento (coerência) é mantido. São computadores com 50 a 70 qubits, que no sentido da memória já são mais do que qualquer supercomputador.Nesse limite, as capacidades de um computador quântico especializado são superiores às de um clássico - a superioridade quântica surge . Isso significa que os computadores quânticos podem resolver alguns problemas que os comuns (mesmo os supercomputadores) levarão dezenas, centenas ou milhares de anos para serem concluídos.Em outubro de 2019, o Google anunciou que havia alcançado superioridade quântica. As notícias foram publicadas em todos os principais jornais e revistas, e o artigo científico correspondente foi publicado na Nature. Os artigos em destaque foram publicados por muitos jornais, até o New York Times e o Wall Street Journal, que estão longe da ciência.Na realidade, o Google desenvolveu um processador quântico com versatilidade limitada. Possui um número bastante grande de qubits e pode executar algumas tarefas estreitas melhor do que qualquer computador clássico. Outra questão é que essas são tarefas muito restritas e artificiais.Processadores incoerentes com o número de qubits de 2 mil
Se você esquecer a universalidade e a coerência, poderá adicionar 2 ou mesmo 3-4 mil qubits. A empresa D-Wave do Canadá está envolvida nessa área. Eles possuem processadores com mil qubits, mas sem coerência.Possíveis aplicações de computadores quânticos
Uma grande aplicação potencial é a criptografia. O segundo são as tarefas de otimização que surgem em uma variedade de áreas.A ciência. A computação quântica pode ajudar a prever o comportamento das partículas, modelar moléculas de DNA ou desenvolver novos medicamentos. Por exemplo, eles estão tentando aplicar a computação quântica em farmacologia. Para fazer isso, você precisa entender de que forma as diferentes proteínas assumem (que você pode considerar objetos quânticos microscópicos). Não sabemos como eles se comportarão, mas a maneira mais fácil de entender isso é simular o comportamento deles em um computador quântico. Essa tarefa científica tem um enorme potencial comercial: novos medicamentos, suplementos, antibióticos.Novos materiais.Na ciência dos materiais, o principal é entender a interação dos átomos, que pode ser modelada em computadores quânticos. Essa também é uma tarefa científica, mas, tendo criado um novo material, ele já pode ser vendido.Aprendizado de máquina e inteligência artificial. O aprendizado de máquina é um processo complexo que requer uma quantidade enorme de computação. Embora não exista nenhum benefício prático nos computadores quânticos, eles agora estão no nível errado de desenvolvimento. Mas, a longo prazo, os computadores quânticos podem acelerar os algoritmos padrão. Em alguns casos, isso parece revolucionário, porque você pode reduzir o tempo de treinamento de uma rede neural em dezenas de vezes.Transporte, energia, logística.Nessas áreas, existem muitos problemas de otimização. Por exemplo, no setor de energia, o principal problema é a distribuição de energia elétrica em todo o país. O preço da eletricidade em diferentes regiões é diferente, enquanto durante a transmissão parte da energia é perdida e, com ela, o lucro. Para ganhar mais dinheiro, a empresa está tentando otimizar a transferência. Essa é uma daquelas tarefas que estão na classe NP. É difícil encontrar a solução certa, mas um computador quântico pode ajudar.Aplicativos de negócios. Nos negócios, apenas grandes empresas e corporações estão envolvidas na computação quântica. Os gigantes têm dinheiro e recursos, por exemplo, Google, D-Wave ou IBM (o líder do campo com grandes conquistas).No site da empresa D-Wave, está escrito que já em 150 aplicativos de negócios, a computação quântica é usada. A IBM lançou um folheto que discute o que pode ser feito com um computador quântico. São dezenas de setores diferentes e, potencialmente, centenas de soluções de negócios. Então parece no papel.
Na realidade, tudo é um pouco diferente. O desenvolvimento da tecnologia ainda não está no nível para colocá-la em prática.O que a revolução quântica significa para o setor de TI?
Nada até agora. Estamos na chamada era NISQ - tecnologia Quantum de escala intermediária ruidosa . Isso significa que agora não existem dispositivos quânticos que possam competir com os computadores clássicos. Ainda não é possível criar um sistema quântico que em todos os aspectos ultrapasse o clássico: pequeno, universal e isolado. Até agora, apenas foram obtidos sistemas que executam tarefas altamente especializadas de um determinado tipo melhor do que um cluster de computação. A tecnologia quântica ainda não é prática. Gostaria de usar esse enorme potencial para minhas tarefas diárias, mas não sei como fazê-lo.A tecnologia quântica tem um enorme "potencial perturbador". Se você aprender a resolver bem pelo menos um dos problemas de otimização mencionados acima, isso mudará um setor específico, pelo menos. Espero que em 5 a 10 anos a situação mude em algumas áreas.Muitas empresas criam protótipos de computadores quânticos reais - eles já sabem como fazer algo, mas até agora isso não é suficiente.Na Skoltech, estamos tentando responder à pergunta principal - como e por que você pode usar um computador quântico. Com meus colegas Vladimir Antonov e Oleg AstafievEstamos trabalhando em um projeto no qual estamos trabalhando em um pequeno computador quântico. Infelizmente, alguns problemas de arquitetura e design ainda não foram resolvidos, porque ainda não temos certeza de quais tarefas este computador precisará resolver. Se você está interessado nesta questão, convido você a discuti-la .O interesse com que os participantes do HighLoad ++ receberam o relatório sobre computadores quânticos e usinas nucleares nos levou a prestar mais atenção a esses tópicos em nossas conferências. Portanto, no RIT ++ em maio on-line , teremos seções do campo científico e a aplicação de TI em campos relacionados. E isso é apenas uma pequena parte das novidades do festival “Russian Internet Technologies” - para mais detalhes, consulte o site e o boletim .