Квантовый компьютер в чем его польза
Основные сферы применения, в которых квантовые компьютеры должны будут выстрелить на все сто.
Компьютеры не существуют в вакууме. Они решают проблемы, и проблемы, которые они решают, определяются исключительно аппаратным обеспечением. Графические процессоры обрабатывают изображения; процессоры искусственного интеллекта обеспечивают работу алгоритмов ИИ; квантовые компьютеры предназначены для… чего?
В то время как сила квантовых вычислений впечатляет, это не означает, что существующее программное обеспечение просто так работает в миллиард раз быстрее. Скорее квантовые компьютеры тоже имеют определенного типа проблемы, некоторые из которых они хорошо решают, некоторые нет. Ниже вы найдете основные сферы применения, в которых квантовые компьютеры должны будут выстрелить на все сто, когда станут коммерчески реализуемыми.
Искусственный интеллект
Основное применение квантовым вычислениям — это искусственный интеллект. ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта, становится все точнее по мере работы обратной связи, пока, наконец, не обзаводится «интеллектом», пусть и компьютерным. То есть самостоятельно обучается решению задач определенного типа.
Эта обратная связь зависит от расчета вероятности для множества возможных исходов, и квантовые вычисления идеально подходят для такого рода операций. Искусственный интеллект, подкрепленный квантовыми компьютерами, перевернет каждую отрасль, от автомобилей до медицины, и говорят, что ИИ станет для двадцать первого века тем, чем электричество стало для двадцатого.
Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для испытаний программного обеспечения для автопилота, которое слишком сложное для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки ПО, которое сможет отличать автомобили от дорожных знаков. Мы уже достигли точки, за которой ИИ создает больше ИИ, и его сила и величина будет только расти.
Молекулярное моделирование
Другой пример — это точное моделирование молекулярных взаимодействий, поиск оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложная, что с помощью современных цифровых компьютеров можно проанализировать только простейшие молекулы.
Химические реакции квантовые по своей природе, поскольку образуют весьма запутанные квантовые состояния суперпозиции. Но полностью разработанные квантовые компьютеры смогут без проблем рассчитывать даже такие сложные процессы.
Google уже совершает набеги в эту область, моделируя энергию водородных молекул. В результате получаются более эффективные продукты, от солнечных батарей до фармацевтических препаратов, и особенно удобрения; поскольку на удобрения приходится до 2% глобального потребления энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут колоссальными.
Криптография
Большая часть систем кибербезопасности полагается на сложность факторинга больших чисел на простые. Хотя цифровые компьютеры, которые просчитывают каждый возможный фактор, могут с этим справиться, длительное время, необходимое для «взлома кода», выливается в дороговизну и непрактичность.
Квантовые компьютеры могут производить такой факторинг экспоненциально эффективнее цифровых компьютеров, делая современные методы защиты устаревшими. Разрабатываются новые методы криптографии, которые, впрочем, требуют времени: в августе 2015 года NSA начало собирать список устойчивых к квантовым вычислениям криптографических методов, которые могли бы противостоять квантовым компьютерам, и в апреле 2016 Национальный институт стандартов и технологий начал публичный процесс оценки, который продлится от четырех до шести лет.
В разработке находятся также перспективные методы квантового шифрования, которые задействуют односторонний характер квантовой запутанности. Сети в пределах города уже продемонстрировали свою работоспособность в нескольких странах, и китайские ученые недавно объяснили, что успешно передали запутанные фотоны из орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции на Земле.
Финансовое моделирование
Современные рынки являются одними из самых сложных систем в принципе. Хотя мы разработали много научных и математических инструментов для работы с ними, им по-прежнему недостает условия, которым могут похвастать другие научные дисциплины: нет контролируемых условий, в которых можно было бы провести эксперименты.
Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Непосредственным их преимуществом является то, что случайность, присущая квантовым компьютерам, конгруэнтна стохастическому характеру финансовых рынков. Инвесторы зачастую хотят оценивать распределение результатов при очень большом количестве сценариев, генерируемых случайным образом.
Другое преимущество, которое предлагают квантовые компьютеры, состоит в том, что финансовые операции вроде арбитража иногда могут требовать множества последовательных шагов, и число возможностей их просчета сильно опережает допустимое для обычного цифрового компьютера.
Прогнозирование погоды
Главный экономит NOAA Родни Вейер утверждает, что почти 30% от ВВП США (6 триллионов долларов) прямо или косвенно зависит от погодных условий, влияющих на производство продуктов питания, транспорт и розничную торговлю, среди прочего. Способность лучше предсказывать погоду будет иметь огромное преимущество для многих областей, не говоря уж о дополнительном времени, которое понадобится для восстановления от стихийных бедствий.
Хотя ученые давно ломают голову над процессами погодообразования, уравнения, стоящие за ними, включают множество переменных, сильно усложняя классическое моделирование. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для такого анализа займет столько времени, что погода успеет измениться». Поэтому Ллойд и его коллеги из MIT показали, что уравнения, управляющие погодой, имеют скрытую волновую природу, которую вполне удастся разрешить с применением квантового компьютера.
Хартмут Невен, директор по разработкам в Google отметил, что квантовые компьютеры могут также помочь в создании более совершенных климатических моделей, которые могли бы дать нам более глубокое представление о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы выстраиваем наши представления о будущем потеплении, и они помогают нам определять шаги, которые требуются для предотвращения стихийных бедствий.
Физика частиц
Как ни странно, глубокое изучение физики с применением квантовых компьютеров может привести… к изучению новой физики. Модели физики элементарных частиц зачастую чрезвычайно сложные, требуют пространных решений и задействуют много вычислительного времени для численного моделирования. Они идеально подойдут для квантовых компьютеров, и ученые уже положили на них глаз.
Ученые Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для подобных манипуляций с моделями. Для этого они взяли простую версию квантового компьютера, в котором ионы производят логические операции, базовые шаги в любом компьютерном расчете. Моделирование показало прекрасное соглашение с реальными, описанными физикой, экспериментами.
«Два этих подхода идеально дополняют друг друга», говорит физик-теоретик Питер Цоллер. «Мы не можем заменить эксперименты, которые проводятся на ускорителях частиц. Но развивая квантовые симуляторы, мы можем однажды лучше понять эти эксперименты».
Теперь инвесторы стараются внедриться в экосистему квантовых вычислений, и не только в компьютерной индустрии: банки, аэрокосмические компании, кибербезопасность — все они выходят на гребень вычислительной революции.
В то время как квантовые вычисления уже оказывают влияние на поля выше, этот список не является исчерпывающем ни в коем случае, и это самое интересное. Как бывает со всеми новыми технологиями, в будущем будут появляться совершенно немыслимые приложения, в такт с развитием аппаратных средств. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление – мы вместе изменяем мир! © econet
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
,
чтобы видеть ЛУЧШИЕ материалы у себя в ленте!
Источник
Чем квантовые компьютеры лучше обычных, для чего они нужны, когда появятся у нас дома? И вообще существуют ли они?
Идею квантовых вычислений предложил американский физик Ричард Фейнман в 1981 году. Он заявил, что обычные компьютеры могут смоделировать любые физические процессы, кроме наиболее сложных — квантовых, а для решения последней задачи необходимы квантовые компьютеры. Спустя три десятилетия идеи Фейнмана начали воплощаться в реальность.
Задачи, которые учёные считают квантовыми, довольно часто встречаются в повседневной жизни. К примеру, когда вы собираетесь в путешествие и пытаетесь понять, как уложить в чемодан покупки на выделенную сумму и при этом не выйти за лимит по весу, вы можете даже не понимать, что на решение этой задачи с математической точки зрения вам не хватит всей жизни. Подобных задач очень много и они разнообразны: выбор оптимального капиталовложения, схема расположения товаров на складе и так далее.
Из физики элементарных частиц известно, что квантовый объект может одновременно находиться в нескольких местах. Именно на этом основана высочайшая скорость вычислений: каждый такой объект может выполнять не одну задачу, а миллиарды. Обычные компьютеры при вычислениях последовательно оперируют всего двумя состояниями — нулём и единицей. Квантовый бит (кубит) может поворачиваться в любых направлениях в зависимости от того, какая доля нуля и единицы есть в его состоянии. Самый продвинутый квантовый компьютер содержит из девять кубитов (на фото ниже).
Кубит может одновременно существовать в нескольких состояниях, поэтому квантовый компьютер очень быстро справляется с задачами, которые требуют перебора огромного множества вариантов. К примеру, на взлом PIN-кода к банковской карте у обычного компьютера уйдёт 10 миллиардов лет, а квантовый компьютер справится с этим примерно за три года. Дело в том, что PIN хоть и содержит всего 4 цифры, очень сложно подобрать методом обычного брутфорса — банк заблокирует карту после нескольких неудачных попыток ввода. К каждой карте помимо PIN привязано большое число, которое делится на PIN без остатка. Если злоумышленник узнает это число и захочет вычислить PIN с помощью компьютера, у него уйдёт на это невообразимо много времени.
Прототипы квантовых компьютеров есть у IBM и Google, а в ноябре 2016 года компания Microsoft создала целое подразделение, которое будет заниматься созданием таких устройств. Первые квантовые компьютеры, предназначенные для решения повседневных задач, появятся примерно через десять лет. Каждый компьютер занимает целую комнату, охлаждающуюся до температуры, близкой к абсолютному нулю — минус 273,15 градуса по Цельсию.
Очевидно, что в домашних условиях такие машины не смогут работать. Тем не менее, мы всё равно сможем «пожинать плоды» их деятельности. Уже сейчас пред человечеством стоит множество задач, которые с лёгкостью решали бы такие компьютеры. С появлением квантовым вычислений обычные компьютеры никуда не исчезнут, поскольку они предназначены совершенно для других, уже привычных нам нужд. Однако квантовые компьютеры произведут настоящую революцию: они сделают возможным появление полноценных систем искусственного интеллекта, мощнейших нейронных сетей, по-настоящему умных виртуальных помощников, разговаривающих на любых языках, и надёжных самоуправляемых автомобилей. Они облегчат нашу жизнь абсолютно во всех сферах: в промышленности, медицине, социальных отношениях и так далее.
Источник
6 главных применений этой революционной технологии — от обучения искусственного интеллекта до точных прогнозов погоды
Компьютеры существуют не в вакууме. Они служат для решения проблем, и тип проблем, которые они могут решить, зависит от их аппаратного обеспечения. Графические процессоры предназначены для воспроизведения изображений, процессоры искусственного интеллекта для ИИ… а вот для чего нужны квантовые компьютеры?
Хотя мощность квантовых вычислений впечатляет, это не означает, что существующее программное обеспечение на квантовых компьютерах работает в миллиард раз быстрее. Скорее, существуют типы проблем, которые квантовые компьютеры решают хорошо, и проблемы, которые они решают плохо. Вот несколько основных сфер применения таких машин, которые мы вскоре увидим, когда они станут коммерчески доступными.
Искусственный интеллект
Основной областью применения для квантовых вычислений считается искусственный интеллект (ИИ). ИИ опирается на принцип обучения на собственном опыте: он становится все более точным благодаря обратной связи, которая поступает, пока компьютерная программа не проявит «интеллект».
Эта обратная связь основана на вычислении вероятностей множества возможных вариантов, и поэтому ИИ — это идеальный кандидат для квантовых вычислений. Он обещает перевернуть каждую отрасль, от автомобилестроения до медицины, и говорят, что ИИ в XXI веке будет тем, чем было электричество в XX-м.
Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для тестирования программного обеспечения автопилота, которое в настоящее время слишком сложно для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки софта, который сможет отличать автомобили от объектов на местности. Мы уже достигли точки, где ИИ порождает ИИ, и поэтому его значимость будет быстро возрастать.
Молекулярное моделирование
Другим примером служит точное моделирование молекулярных взаимодействий, нахождение оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложна, что сегодняшние компьютеры могут анализировать только простейшие молекулы.
Химические реакции — квантовые по своей природе, поскольку они образуют сильно запутанные квантовые суперпозиционные состояния. Но квантовые компьютеры не будут испытывать трудностей с оценкой даже самых сложных процессов.
Google уже совершила прорыв в эту область, имитируя энергию молекул водорода. В результате были получены более эффективные продукты — от солнечных элементов до фармацевтических препаратов, — и в особенности это повлияло на производство удобрений. Поскольку на производство удобрений уходит 2% мировой энергии, последствия для энергетики и окружающей среды будут значительными.
Криптография
Сегодня сетевая безопасность основывается по большому счету на сложности разложения больших чисел на простые. Чтобы «взломать код», цифровым компьютерам нужно перебрать все возможные варианты. Это требует огромного количества времени, что делает эту операцию дорогостоящей и непрактичной.
Квантовые компьютеры могут выполнять такое разложение на порядки более эффективно, чем цифровые компьютеры, а это означает, что такие методы безопасности скоро устареют. Новые методы криптографии разрабатываются, но это может занять некоторое время: в августе 2015 года АНБ приступило к внедрению списка методов устойчивой криптографии, которые бы противостояли квантовым компьютерам, а в апреле 2016 года Национальный институт стандартов и технологий начал процесс общественной оценки таких методов, который займет от четырех до шести лет.
Существуют также перспективные методы квантового шифрования, которые разрабатываются с использованием односторонней природы квантового сплетения. В ряде стран уже есть сети на этой основе, способные работать в масштабе городов, а китайские ученые недавно объявили, что успешно отправили сплетенные фотоны с орбитального «квантового» спутника на три отдельные базовые станции на Земле.
Финансовое моделирование
Современные рынки — одни из самых сложных существующих систем. Хотя мы разработали еще более научные и математические инструменты для решения этой проблемы, по-прежнему существует одно существенное отличие от других научных областей: у нас нет контролируемых параметров, позволяющих проводить эксперименты.
Чтобы решить эту проблему, инвесторы и аналитики обратились к квантовым вычислениям. Первейшее преимущество их заключается в том, что случайность, присущая квантовым компьютерам, сравнима с вероятностной природой финансовых рынков. Инвесторы часто хотят оценить возможные результаты при чрезвычайно большом количестве сценариев, сгенерированных наугад.
Еще одно преимущество квантовых решений заключается в том, что для таких финансовых операций, как арбитраж, может потребоваться множество шагов, обусловленных предыдущими действиями, и поэтому количество вариантов быстро опережает способности традиционного компьютера.
Прогноз погоды
Главный экономист Национального управления океанических и атмосферных исследований США Родни Вейер утверждает, что почти 30% ВВП страны ($6 трлн) прямо или косвенно зависят от погоды, что в том числе сказывается на производстве продуктов питания, транспортировке и розничной торговле. Возможность лучше прогнозировать погоду принесет огромную пользу во многих сферах, не говоря о том, что это даст больше времени, чтобы укрыться от стихийных бедствий.
Ученые давно над этим работают, но уравнения, регулирующие такие процессы, содержат так много переменных, что делает классическое моделирование весьма долгим. Как отметил квантовый исследователь Сет Ллойд, «использование классического компьютера для проведения такого анализа может занять больше времени, чем требуется для наступления этой погоды!» Это побудило Ллойда и его коллег из Массачусетского технологического института показать, что уравнения, управляющие погодой, обладают скрытой волновой природой, и могут быть вычислены квантовым компьютером.
Технический директор Google Хартмут Невен также отмечает, что квантовые компьютеры могут помочь в создании более адекватных моделей климата, которые могли бы дать нам больше информации о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы строим наши оценки будущего потепления и определяем, какие шаги необходимо предпринять сейчас для предотвращения стихийных бедствий. Национальная метеорологическая служба Великобритании уже начала инвестировать в подобные инновации.
Физика элементарных частиц
Еще одним применением этой захватывающей новой физики может стать… изучение захватывающей новой физики. Модели физики элементарных частиц часто необычайно сложны и требуют огромной вычислительной мощности. Это делает их идеальным объектом для квантовых вычислений, и исследователи уже воспользовались этим.
Исследователи из Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) недавно использовали программируемую квантовую систему для такого моделирования. Команда использовала простую версию квантового компьютера, в котором ионы выполняли логические операции.
«Квантовые вычисления и реальные эксперименты прекрасно дополняют друг друга, — говорит физик-теоретик Питер Золлер. — Мы не можем заменить эксперименты, которые выполняются с помощью коллайдеров частиц. Однако, развивая квантовые симуляторы, мы однажды сможем лучше понять эти эксперименты».
Теперь инвесторы пытаются встроиться в экосистему квантовых вычислений, а это не только компьютерная индустрия: в число тех, кто использует эту вычислительную революцию, входят банки, аэрокосмические компании и фирмы кибербезопасности.
Этот список далеко не исчерпывающий, и это самая захватывающая часть. Как обычно бывает с новыми технологиями, по мере развития аппаратного обеспечения будут появляться невообразимые на сегодня области применения квантовых вычислений.
Источник