量子物理学诞生于1900年，当时马克斯·普朗克（Max Planck）提出能量不是被连续吸收，而是在单独的部分-量子。他的想法得到进一步发展：爱因斯坦光电效应，玻尔原子理论，卢瑟福实验性地显示了原子核的样子，路易斯·德布罗意消除了波与物质之间的边界，海森堡和薛定r发展了量子力学。量子物理学很难理解-它的数学仪器几乎不可能翻译成“人类”语言。但是要“触摸”其在日常生活中的表现是相当真实的：激光器，闪存驱动器，光盘，集成电路或石墨烯-所有这些技术都是由于量子物理学而出现的。他们决定在量子计算机中将其用于计算是合乎逻辑的。量子计算机从根本上不同于普通计算机：它们处理信息的速度快一个数量级，并且它们的内存更指数。现在，实验样本比最强大的超级计算机更快地解决了一些问题。引入量子计算机的前景诱人。在它们的帮助下，您可以制造新药，复合材料比钛强，比塑料轻，可以在室温下工作，实现绝对加密安全性或开发通用人工智能的超导体。但实际上，一切并不那么乐观。这是因为我们尚不了解量子计算机的真正功能。Anatoly Dymarsky（Skoltech）是一位理论物理学家，从事量子系统物理学领域的研究。Anatoly将告诉您量子计算机与通常的计算机有何不同以及IT行业的前景如何。普通计算机如何工作？
为了解释量子计算机是什么以及它是如何工作的，您需要从头开始，并告诉您常规计算机的工作方式。常规计算机的操作由两个参数确定：内存，计算速度。内存是计算系统的主要特征。计算机可以读取，写入和处理存储在内存中的信息。计算机执行最简单的操作：乘法，减法，数字加法。如果您大量快速地执行这些操作，则可以将它们组合成一个处理信息的程序。这就是数据库，搜索或神经网络的工作方式。计算速度或操作执行速度（FLOPS）在这里很重要。还有第三个（附加）参数- 确定性，所有计算系统的一般特征。这意味着所有机器都按照唯一的程序工作-零始终为零，并且一个单位绝对是一个单位。没有提供其他解释，也没有不确定因素。不确定性只能在输入级别上引入，例如通过随机数。输入可能是随机的，但程序始终明确处理所有输入数据。量子计算机如何工作？
它的工作方式有所不同-通过直观上难以理解的逻辑。像通常的一样，它执行计算，但是它基于量子力学定律。古典世界和古典力学是确定性的。这意味着计算机中任何内存寄存器的值始终为0或1，并且该板始终为完整或损坏的。在量子力学系统中，没有这种清晰度，但是有可能确定其本质。这里正确的问题是：板破裂或完好无损的概率是多少，寄存器的值为0或1的概率是多少？概率是量子力学中的第一个重要概念。从量子力学的角度来看，薛定ding板既完整又破碎。它们很可能是完整的，而有可能被破坏了。这种不确定性反映了真实的物理世界。在古典水平上，不确定性掩盖了我们的无知。例如，当我们购买Sportloto彩票时，我们很可能会中奖，因为我们不知道中奖号码。对于经典物理学来说，彩票不是一个概率过程。您总是可以描述发动鼓的手的运动，每个球的速度和轨迹。从理论上讲，您可以猜出中奖号码（尽管实际上很难）。在量子力学中，即使从理论上讲，也无法猜测接下来的一秒钟会发生什么。我们只能根据概率进行预测。第二个概念是叠加原理。常规位仅在值0或1中找到。在量子计算机中，没有普通位，但是有量子位- 量子位。量子位以某种概率处于状态0或1。此外，一个量子位可以同时处于这些状态，并且可以处于不同的组合中-这些状态的叠加。当系统（qubit）同时处于状态0或1时，我们只能谈论概率。如果存在许多状态，则系统同时处于所有可能的状态，但是每种状态的可能性都较低。这从根本上来说很重要。在经典程序中，在每个特定的时间点，程序的每一行都与特定的存储单元一起工作。在量子力学中，您可以同时使用所有存储单元。量子计算机的“内存”
量子计算机存储器和经典计算机存储器之间的主要区别是什么？在普通计算机上，我们用二进制代码写数字。例如，二进制系统中的数字8看起来像00001000，而4位足以写入它。在量子计算机中，量子位以某种概率处于状态0或1。概率是一个数字。要无限精确地写入单个数字，您需要无限数量的位。因此，从理论上讲，一个量子位是一个具有无限内存量的物理系统。实际上，测量方法的准确性有限。我们假设它对应于通常的机器（浮点数）。事实证明，该量子位包含两个数字：量子位处于状态0和状态1的概率。注意：为简单起见，我们忽略状态0和1中的量子位的概率之和应等于1。主要结论不依赖于简化。一个量子比特对应于两个实数（浮点数）。这是一个很大的胜利，因为对于一台普通计算机而言，两个实数需要两个机器字-128个普通位，并且我们使用一个量子进行管理。看来量子计算机比平时要好128倍。但是事实并非如此。量子计算机比平时好得多。
1 qubit是2个实数。两个量子位-4个实数。但是八个量子位是八个零和一的256个潜在配置 -两个八次方。对于一个qubit，增益是128倍，对于八个qubit，增益要大得多-256 * 128。内存中有n个量子位的系统是等效的 实数。量子存储器的容量呈指数增长。
一台普通笔记本电脑的内存相当于15个量子位，40个量子位等于最强大的数据中心的内存，而50-60个量子位超过了全球所有数据中心的总内存。3到4个量子位相当于将普通经典内存增加10到20倍。量子存储比任何其他经典的信息记录方法都具有更大的容量。这是量子计算的主要潜力。但是量子存储器容量的指数增长引起尺寸问题。由于维数的诅咒，很难在经典计算机上描述这种量子系统-需要越来越多的内存。量子计算机可以解决哪些任务？
如果量子世界在不确定的水平上运行，那么怎么可能计算出任何东西呢？量子力学具有概率性质，我们需要一个确切的答案。如果您只需要将两个数字相乘，一切将如何工作？我将以NP类的问题为例进行说明，即在多项式时间内无法找到其解的可解性问题-无论如何，在假定条件下。但是，可以验证多项式时间内解的正确性。这类似于打破关闭的锁：我们不知道如何使用主密钥，但是我们可以快速检查任何密钥（如果有）。由于叠加原理，量子系统立即处于所有状态，并正在寻找最佳选择。该系统没有给出确切的答案，但是它增加了最佳选择是解决方案的可能性。当系统停止某个解决方案时，我们可以快速检查其正确性。如果事实证明答案不正确，请再次启动量子计算机。获得正确答案的可能性超过50％，而且往往更高。因此，在2-4次量子算法的开始中，我们得到了正确的答案。我们将没有一个确定的答案，而只有获得正确答案的可能性。但是这种可能性很高。实际上，我们在猜测，但不是基于咖啡，而是基于科学。经过几次迭代，我们将找到答案并验证其正确性。量子计算机参数
经典计算机具有两个质量参数：内存量和操作数。对于普通计算机，默认情况下，我们假定可以访问所有内存位置进行写入和读取。在量子情况下，有三个参数。内存量或位数。内存越多越好？对于量子计算机，没有-当我们增加量子位的数量时，量子系统的复杂性就会增加。系统变得难以维持在隔离状态。操作时间或顺序操作次数（连贯性）。系统必须保持隔离状态-在物理学上，这称为相干性。如果我们允许量子系统与环境相互作用，那么这将破坏量子存储单元的状态。而不是零和一，只会有噪音。我们试图使系统尽可能地隔离。但是我们执行的量子操作越多，花费的时间就越多，这意味着将系统维持在孤立状态变得越来越困难。注意：此处的操作数不是每秒，而是整个系统的操作时间。产生了一个悖论：量子位越多，可用的操作就越少。因此，可以使系统保持隔离状态并执行一定数量的操作的时间是重要的参数。想象一台没有冷却装置的常规计算机。在计算机过热之前，他有时间数数，然后关闭。量子计算机中大致发生相同的事情。它没有“风扇”：它工作的越多，它加热到塌陷的热量就越大。因此，操作数量受到限制。普遍性。在经典计算机中，任何操作均可用：乘法，除法，减法。从理论上讲，在量子方面也是如此。但是实际上，仅对位于矩形或正方形阵列中的直线上的相邻量子位进行运算要简单得多。要使用所有量子位，需要非常复杂的体系结构-实际上，它们仍然不知道如何操作。
这三个区域相互冲突。我们可以改进其中一个，但是这会由于其他两个的恶化而发生。现在该技术尚处于起步阶段，可以区分几个原型平台，并且每个平台都试图以牺牲其他两个为代价来改善一个方向的性能。样机
我将重点介绍大型公司正在研究的三个原型。谷歌，IBM，英特尔，微软正在投资开发量子计算机。他们共同在开发，实验室和研究中心上投入了超过5亿美元。第一台经典计算机占据了整个房间，在真空管上工作，并且加热得如此之高，以至于它们需要单独的强大冷却系统。量子计算机与它们非常相似-它们是3米高的机柜，大多数机柜都被冷却系统占用。计算机冷却到接近绝对零的温度，以便量子系统可以执行其计算功能。通用量子计算机
这些是Google和IBM的通用机器，具有大约20量子位的内存。它们执行任何操作，因为可以用相对较少的qubit获得完全的通用性，然后出现了实际的局限性。也许一年后，人们将学习如何使用30-40量子比特。通用量子计算机能够实现任意量子算法，例如Shor和Grover算法。现代密码学基于将数字分解为主要因素。当前未知用于分解问题的多项式非量子算法是否存在。但是，在25年前，彼得·肖尔（Peter Shore）发表了一篇文章，解释了量子计算机如何将非常大的整数分解为素数。量子计算机算法不能确定性地起作用，但是可以猜测出正确答案的可能性大于50％的简单因素，并且发现比常规因素快几倍的简单因素。随着量子计算机的普及，所有现代加密方法都将变得脆弱，这是过去25年中量子算法发展的主要动力。但是目前，由于该算法需要大型量子计算机，因此仍然难以应用肖氏法。小数字只能解决小数字问题。证明量子计算潜力的另一个例子是格罗弗算法，用于寻找或寻找方程的解哪里 某种复杂的功能。除了上述的Shore和Engraver算法外，还有大量其他量子算法。任何物理系统都希望达到平衡-量子也不例外。从科学的角度来看，谈论平衡而不是系统的基本状态更为正确。经典的类似物是休息状态。该系统总是试图以最小的能量进入静止状态。就计算问题而言，这是使能量最小化的优化任务。量子计算机可以解决这些问题。量子算法和计算机的整个应用领域尚未了解。但是，量子计算机和算法已经可以解决许多不同的优化问题，并且找到了新的问题。通用性有限的量子模拟器
这是另一个方向：通用性受到限制，但保持隔离（一致性）。这些是50-70 qubit的计算机，从内存的角度来看，它已经比任何超级计算机都多。在这个边界上，专用量子计算机的功能要优于经典的量子计算机的功能-出现了量子优势。这意味着量子计算机可以解决普通（甚至超级计算机）将花费数十，数百或数千年才能完成的某些问题。2019年10月，谷歌宣布已实现量子优势。该新闻出现在所有主要报纸和杂志上，相应的科学文章发表在《自然》上。许多报纸，甚至《纽约时报》和《华尔街日报》都发表了特色文章，这些文章远非科学。实际上，谷歌开发了一种功能有限的量子处理器。它具有相当多的量子位，并且可以比任何经典计算机更好地执行一些狭窄的任务。另一个问题是，这是非常狭窄且人为的任务。非相干处理器，量子比特数从2000起
如果您忘记了通用性和一致性，则可以添加2甚至3-4千个量子比特。来自加拿大的D-Wave公司从事这一领域。它们的处理器具有一千个量子位，但没有一致性。量子计算机的可能应用
密码学是一种潜在的大应用。第二个是在各个领域出现的优化任务。科学。量子计算可以帮助预测粒子行为，为DNA分子建模或开发新药物。例如，他们正在尝试将量子计算应用于药理学。为此，您需要了解不同蛋白质采取什么形式（您可以将其视为微观量子对象）。我们不知道它们的行为，但是最简单的理解方法是在量子计算机上模拟它们的行为。这项科学任务具有巨大的商业潜力：新药，补品，抗生素。新材料。在材料科学中，最主要的是了解原子的相互作用，这可以在量子计算机上建模。这也是一项科学任务，但是创建了新材料后，就可以出售了。机器学习和人工智能。机器学习是一个复杂的过程，需要大量的计算。尽管量子计算机没有实际的好处，但是由于它们现在处于错误的发展水平。但是从长远来看，量子计算机可以加快标准算法的速度。在某些情况下，这看起来是革命性的，因为您可以将神经网络的训练时间减少数十倍。运输，能源，物流。在这些区域中，存在许多优化问题。例如，在能源部门，主要问题是全国的电能分配。不同地区的电价是不同的，而在输电过程中，一部分能量损失了，从而损失了利润。为了赚更多的钱，企业正在尝试优化转移。这是NP类中的任务之一。很难找到正确的解决方案，但是量子计算机可以提供帮助。业务应用程序。在商业中，只有大公司和公司才参与量子计算。巨人拥有金钱和资源，例如Google，D-Wave或IBM（成就卓越的领域的领导者）。在D-Wave公司的网站上写道，已经在150个商业应用中使用了量子计算。IBM已发布了一本小册子，讨论了量子计算机可以做什么。这些是数十个不同的行业，可能还有数百个业务解决方案。因此，它看起来在纸上。
实际上，一切都有些不同。技术的发展还没有付诸实践。量子革命对IT行业意味着什么？
到目前为止没有。我们正处于所谓的NISQ时代-嘈杂的中级量子技术。这意味着，现在没有这样的量子设备可以与经典计算机竞争。还不可能创建一个在所有方面都超过经典的量子系统：相当小的，通用的和孤立的。迄今为止，仅获得了比计算集群更好地执行某种高度专业化任务的系统。量子技术尚不实用。我想将这种巨大的潜力用于日常工作，但我不知道该怎么做。量子技术具有巨大的“破坏性潜力”。如果您学会解决上述至少一个优化问题，至少将改变一个特定的行业。我希望在5到10年内情况会在某些地区发生变化。许多公司创建了真正的量子计算机的原型-他们已经知道如何做某事，但到目前为止，这还不够。在Skoltech中，我们试图回答主要问题-如何以及为什么可以使用量子计算机。和我的同事弗拉基米尔·安东诺夫（Vladimir Antonov）和奥列格·阿斯塔菲耶夫（Oleg Astafiev）我们正在开发一个小型量子计算机的项目。不幸的是，某些架构和设计问题尚未解决，因为我们仍不确定这台计算机将要解决哪些任务。如果您对此问题感兴趣，请邀请您讨论。HighLoad ++参与者对接收有关量子计算机和核电站的报告的兴趣促使我们在会议上更加关注此类主题。因此，在5月的RIT ++ 在线上，我们将介绍科学领域以及IT在相关领域的应用。这只是“俄罗斯互联网技术”音乐节新颖性的一小部分-有关更多详细信息，请参见网站和新闻通讯。