Квантовый компьютер: какие проблемы он может решить

Мы все чаще говорим о квантовые компьютеры и как они будут решать проблемы, которые не могут решить традиционные компьютеры.
IBM недавно установила свой 27-кубитный квантовый компьютер под названием Quantum System One в Институте Фраунгофера в Германии.

В феврале 2020 года Google заявила, что достигла квантового превосходства, используя свою 53-кубитную систему Sycamore. Позиция, которую IBM подвергла резкой критике, отметив, что не следует искусно выбирать математические задачи для решения, а лучше сосредоточиться на получении так называемого квантового преимущества: заставить квантовые компьютеры выполнять определенные задачи быстрее или эффективнее по сравнению с традиционными системами, основанными на 0 и 1. .

Короче говоря, IBM считает целесообразным отложить испытания, не имеющие практической ценности, и с прицелом на будущее сконцентрироваться на решении тех проблем, которые могут заставить все человечество сделать важный скачок вперед. Вдали от маркетинговой логики и легкой «рекламы».
Мы поговорим о двух взглядах на IBM и Google в другой статье, но следует иметь в виду, что они десятки компаний, занимающихся разработкой решений для квантовых вычислений.

Да, потому что я квантовые компьютеры не заменят традиционные компьютеры: они предназначены только для решения проблем, отличных от тех, которые можно решить с помощью классических компьютеров.
При этом любую проблему, которую невозможно решить с помощью классических компьютеров, невозможно будет решить и с помощью квантовых компьютеров (так называемые «неразрешимые проблемы»).
И традиционные компьютеры всегда будут лучше, чем квантовые, справляться с такими задачами, как отправка и получение сообщений электронной почты, управление документами и электронными таблицами, настольная издательская деятельность и так далее.

В квантовых компьютерах нет ничего «волшебного»: математика и физика, управляющие их работой, просто немного сложнее.

Немного общей информации о квантовых компьютерах

Квантовые компьютеры представляют собой эпохальную революцию в вычислительной технике, какой мы ее знаем на сегодняшний день.

На самом деле, если традиционные компьютеры запоминают данные в форме 0 и 1 (двоичный код), то фундаментальная единица информации в случае квантовых компьютеров, называемая кубитом, позволяет запоминать промежуточное состояние, которое может принимать различные значения.

Благодаря использованию принципа суперпозиции эффектов изапутанность Квантовый компьютер может быть чрезвычайно мощным, чем любая система, созданная до сих пор, он может обрабатывать гораздо больше вычислений параллельно, но, как уже упоминалось, он может выполнять очень специфические задачи и, кроме того, из-за самой природы кубита, они более подвержен ошибкам. Кубиты нестабильны, поэтому квантовые компьютеры должны быть тщательно изолированы от тепла, вибрации и случайных атомов.
Результаты, возвращаемые квантовым компьютером, даже в самых лучших условиях также можно считать достоверными в течение нескольких миллисекунд: если проходит больше времени, их квантовое состояние дестабилизируется, и результат уже нельзя считать достоверным.

Вы, наверное, думаете, что если квантовые компьютеры решают только те проблемы, с которыми можно справиться и с помощью традиционных компьютеров, сложны в сборке, установке и управлении и даже стоят дорого, то о чем весь этот шум?
Квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи лучше, быстрее и эффективнее, чем традиционные компьютеры. На порядок быстрее и эффективнее.

Какие проблемы решают квантовые компьютеры

В компьютерных науках проблемы классифицируются в зависимости от того, сколько вычислительных шагов потребуется для их решения с использованием наиболее известных алгоритмов. Это приводит к оценке времени, которое потребуется компьютеру для решения каждой задачи (теория вычислительной сложности).
Категории проблем широки и часто пересекаются, но наиболее часто используются три категории: P, NP, NP-комплект.

я П проблемы те, которые традиционные компьютеры могут эффективно решать в полиномиальное время.
Пример? У нас есть n чисел и число k. Есть ли в наборе n одно или несколько чисел больше k? Задача может быть легко решена за линейное время.

Для меня проблемы НП решения легко тестировать, но трудно реализовать эффективно с точки зрения ИТ.
Каждая проблема P также является проблемой NP, поэтому класс P является подклассом класса NP.

NP-полный это самые трудные проблемы для решения. Пример таких задач: можно ли раскрасить карту, используя только три цвета, чтобы ни одна соседняя страна не была такого же цвета?

Если бы можно было разработать эффективное решение для NP-полной задачи, то можно было бы найти эффективное решение для всех NP-задач. Однако на сегодняшний день ни один известный алгоритм не может эффективно решить NP-полную задачу.

я квантовые компьютеры могут решать NP-полные задачи эффективно, поскольку они предлагают возможность экспоненциального ускорения вычислений по сравнению с классическим подходом.

Шифрование и компьютерная безопасность

Наиболее очевидные применения квантовых компьютеров связаны с криптографией и кибербезопасностью.
Сложная математическая задача, которая лежит в основе разработки различных криптографических схем с открытым ключом, — это факторизация произведения двух простых чисел. На поиск подходящей пары классическими методами уходит «вечность».

Распределение квантовых ключей (QKD) — это методология, основанная на квантовых вычислениях, которая позволяет двум сторонам создавать, делиться и использовать случайный секретный ключ абсолютно безопасным способом. Любая попытка третьих лиц отследить ключ немедленно распознается, поскольку это нарушает канал связи.

Исследования в области химии

Биологические системы необычайно сложны: поэтому их очень сложно моделировать и симулировать. С помощью классических компьютеров трудно, если вообще возможно, предсказать поведение биологических молекул и биохимических взаимодействий.
По этой причине биомедицинские исследования, по крайней мере на начальном этапе, требуют химической обработки клеток и экспериментов на морских свинках, чтобы в конечном итоге установить воспроизводимые условия.
Используя квантовые компьютеры, моделирование биологических систем становится не только осуществимым, но и легко достижимым на современных машинах, которые могут быть значительно улучшены в будущем.

Анализ данных

Мы живем в век информации: размер и сложность данных, с которыми нам приходится взаимодействовать, растут год от года.
Придет время, когда даже суперкомпьютеры не смогут справиться с огромным объемом данных и не позволят эффективно анализировать большие данные, извлекая ценную информацию из гор данных.

Квантовые компьютеры могут выполнять сложные вычисления за считанные секунды, те самые вычисления, на которые сегодняшним компьютерам потребовались бы тысячи лет.
Они позволят компаниям анализировать и оптимизировать информацию, быстро изучать большие объемы важных данных и выполнять поиск наборов данных из неструктурированных источников путем быстрого построения моделей.

Проблемы с оптимизацией

Проблемы оптимизации сосредоточены вокруг поиска наилучшего решения из всех жизнеспособных решений.
Классические компьютеры решают проблемы такого типа с помощью «грубой силы» для последовательной проверки всех возможных ответов: во многих ситуациях это дорогостоящий и часто неприемлемый подход.
Квантовые компьютеры позволяют использовать механизмы суперпозиции и параллелизма для проверки всех возможных ответов, более эффективно решая задачи оптимизации.