Рано или поздно рост производительности компьютеров остановиться по чисто физическим причинам. Сейчас рост производительности достигается за счет все большей миниатюризации — уменьшения размеров транзисторов, что позволяет разместить в одном кубическом сантиметре больше количество логических элементов.
Однако миниатюризация не может продолжаться бесконечно. Уже в 2021 году ожидается появление процессоров, сделанных по 3-х нанометровому технологическому процессу, т.е. минимальный размер элемента составляет 3 нанометра. Для сравнения размер атома кремния, повсеместно используемого при изготовлении процессоров составляет 0.21 нанометра. Очень скоро мы упремся в ограничения, связанные с атомарной структурой вещества.
Миниатюризация электроники приближается к своему пределу
В связи с этим квантовые компьютеры многие рассматривают как возможную в будущем замену традиционным электронным компьютерам.
Многие из нас слышали о квантовом компьютере, но что он собой представляет, а главное какие задачи с помощью него можно решать, известно далеко не всем. Квантовый компьютер уже несколько лет активно изучают лучшие умы мира; он даже появлялся на обложке журнала Time, с подписью: «Он обещает решить некоторые самые сложные проблемы человечества, при этом никто не знает, как он в действительности работает».
Сейчас компьютеры исследуют многие ученые и крупные компании, такие как Google, IBM, Microsoft и другие. По их словам, если такой компьютер все же удастся создать, то это будет настоящий прорыв, сравнимый с открытием классических компьютеров.
Квантовые технологии – новый тренд или просто маркетинговая уловка?
На рынках Европы, Азии и США квантовые технологии активно развиваются последние 10 лет, постепенно выходя из лабораторий в прикладную сферу. Речь идет не только о создании квантового компьютера, о котором много говорят в СМИ, но о совершенно новой инфраструктуре телекоммуникаций и информационной безопасности. Крупные технологические брокеры на новых рынках давно работают с этим направлением – как с основой для создания перспективных бизнес-моделей.
В мире есть 8 глобальных кластеров, которые концентрируют ресурсы по разработке и внедрению квантовых технологий: на западном и восточном побережье США, в Европе, Великобритании, Китае, Японии, Австралии и России. Ключевые свойства квантовых технологий научно доказаны и даже экспериментально подтверждены: квантовая телепортация, высокий уровень безопасности передачи данных, новые вычислительные мощности, сверхскорость передачи данных, суперчувствительность квантовых сенсоров и др. Поэтому они могут найти применение в самых разных отраслях: транспортных системах, инфраструктуре умного города и интернета вещей, робототехнике, телеком-инфраструктуре, спутниковых системах связи.
Что такое квантовый компьютер?
Если очень коротко: квантовый компьютер, это вычислительное устройство, использующее некоторые эффекты квантовой механики, такие как суперпозиция и квантовая запутанность для хранения информации и вычислений.
В квантовых компьютерах информация хранится в квантовых битах – кубитах (QuBit — quantum bit).
Если обычный бит может принимать два строго определенных состояния: 0 и 1, то квантовый бит является вероятностным: он находится в суперпозиции двух возможных состояний: α|0⟩+β|1⟩ где α и β соответственно являются вероятностями обнаружить кубит в состоянии |0⟩ или |1⟩ соответственно.
В теории это может позволить обрабатывать одновременно все возможные состояния объекта и позволит получить большое преимущество над классическими компьютерами при решении некоторых классов задач.
Что по быстродействию?
Существует распространенное заблуждение, что квантовые компьютеры обладают намного большим быстродействием, чем традиционные.
Это не так. На самом деле все современные квантовые компьютеры в тысячи и десятки тысяч раз медленнее обычных электронных компьютеров.
Квантовый компьютер разработки IBM
Однако существует отдельный класс задач, с которыми квантовые компьютеры благодаря особенностям своего устройства справляются быстрее, а иногда даже намного быстрее.
Классическим примером такой задачи является факторизация целых чисел (в особенности очень больших чисел), т.е. разложение их на простые множители. Эта задача особенно важна в современной криптографии, так как многие алгоритмы шифрования основаны на том, что факторизация очень больших чисел является непосильной задачей для современных цифровых компьютеров.
Развитие квантовых вычислений может быть опасно, например, для держателей криптовалют, так как появление быстрых способов разложения больших целых чисел на множители скомпрометирует все основные алгоритмы шифрования.
Новые вычислительные мощности влекут за собой и новые угрозы. По прогнозам, настоящий квантовый компьютер может появиться уже через 10 лет. И его создание обесценит все современные средства шифрования данных. Именно поэтому необходимо заранее предусмотреть средства борьбы с данной угрозой.
Суть классической криптографии в следующем. Расшифровка криптографических ключей величиной от 1024 бита и более занимает время, значительно превышающее срок актуальности информации. Вместе с тем, ее безопасность напрямую связана с вычислительными возможностями дешифратора и не является абсолютной – хакерские взломы и кибератаки были всегда. Квантовый компьютер вскроет все криптографические ключи глобального интернета всего за один год.
Квантовые технологии могут предложить новые средства защиты и шифрования данных?
Альтернативой классической криптографии может стать квантовая криптография. Это вообще новый принцип работы систем информационной безопасности. Классическая криптография – это математика, сложные алгоритмы. А квантовая криптография работает на физических принципах. Информация передается в линиях оптоволоконной связи при помощи частиц света – фотонов. Фотоны имеют разные состояния. Использование этого физического состояния и дает эффект квантовой криптографии.
Какие перспективы?
Критическим моментом в развитии квантовых вычислений является их помехоустойчивость. Информация, хранящаяся в кубитах (квантовых битах) подвержена компрометации из-за декогеренции несущих информацию частиц в результате взаимодействия с другими частицами.
Основные надежды связаны с так называемой квантовой пороговой теоремой (Quantum Threshold Theorem), которая гласит, что если удастся создать квантовую схему с достаточно высоким уровнем точности, то с помощью нее можно будет смоделировать квантовый компьютер точность которого будет 100%.
Ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два главных уровня. Ошибки первого уровня присущи всем компьютерам, в том числе и классическим. К таким ошибкам относится непроизвольная смена кубитов из-за внешнего шума (например, космических лучей или радиации). С этой проблемой недавно удалось справиться специалистам из компании Google. Для решения этой проблемы команда ученых во главе с Джулианом Келли создала особую квантовую схему из девяти кубитов, которые ищут ошибки в системе. Остальные кубиты отвечают за сохранность информации, таким образом, сохраняя ее дольше, нежели с использованием единичного кубита. Однако основная проблема никуда не делась, остается второй уровень ошибок.
Кубиты изначально по своей природе нестабильны, они мгновенно забывают информацию, которую вы хотите сохранить на квантовый компьютер. Под воздействием на кубит окружающей среды нарушается связь внутри квантовой системы (процесс декогеренции). Чтобы избавиться от этого, квантовый процессор нужно максимально изолировать от воздействия внешних факторов. Как это сделать? — пока остается загадкой. По словам экспертов, 99% мощности такого компьютера уйдет на исправления ошибок, и лишь 1% хватит для решения любых задач. Конечно, от ошибок не удастся избавиться полностью, но если минимизировать их до определенного уровня, квантовый компьютер сможет работать.
Насчет принципиальной разрешимости этой задачи есть разные мнения. Многие специалисты считают, что это всего лишь вопрос времени. Другие смотрят на это довольно скептически.
IBM Q System One – первый коммерческий квантовый компьютер
Однако даже если пороговая точность квантовых микросхем будет достигнута, и мы получим способ создавать надежные квантовые компьютеры, все равно они полностью не заменят обычные цифровые компьютеры.
Дело в том, что квантовые и цифровые компьютеры имеют разные области применения. Квантовые компьютеры не имеют никаких преимуществ перед цифровыми в решении задач, для которых существуют эффективные вычислительные алгоритмы.
Наиболее вероятным вариантом развития событий: появление гибридных, квантово-цифровых компьютеров, в которых в дополнение к обычному центральному процессору будет использоваться квантовый сопроцессор, которому основной процессор будет делегировать сложные задачи, как например уже упоминавшаяся выше задача факторизации больших целых чисел.
В США развивается масштабный проект прокладки по периметру страны квантовой сети по ЦОДам крупных ИТ-компаний: Google, Amazon, Oracle. Дата-центры используются как точки обмена трафиком, между ними прокладывают квантовую сеть. В будущем эти супер-безопасные каналы связи можно будет продавать или сдавать в аренду. В Китае уже протянута ветка Шанхай-Пекин на 2 тыс. км, в Пекине по периметру города строятся квантовые хабы – точки входа для квантовой сети. Эту сеть отдали для тестирования и отработки бизнес-моделей коммерческим компаниям.
По прогнозу исследователей из компании Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия, и будут по мощности сравним с человеческим мозгом. В любом случае проблема разработки новых совершенных компьютеров будет актуальна до тех пор, пока человечество не научится исправлять квантовые ошибки второго уровня. Если это когда-то случится, то до создания рабочего квантового компьютера останется лишь несколько лет.
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!
При копировании материала ссылка на сайт Sauap.org обязательна!
Ссылки: http://deepcosmos.info/future/will-traditional-computers-be-replaced-by-quantum-computers, https://nexign.com/ru/blog/When-will-we-see-quantum-computers
Главное фото: https://rucoins.info/wp-content/uploads/2018/07/8-nBMNHb.jpg
