Тест: насколько хорошо ты знаешь, как устроен квантовый компьютер?
2026-02-21 17:55 Diff

#статьи

  • 12 авг 2022
  • 0

Тест: насколько хорошо ты знаешь, как устроен квантовый компьютер?

Говорят, что после прохождения этого теста люди достигают квантового превосходства!

Автор. Пишет про социальные сети, маркетинг и код. Увлекается иллюстрацией, визуальным повествованием, видеоиграми и кино.

В какой-то момент транзисторы и бинарная система показались слишком скучными — тогда физики-математики решили сделать свой компьютер с блек-джеком и фотонами. Дело зашло так далеко, что сейчас квантовым компьютерам пророчат большое будущее в науке, статистике и медицине, появляются «квантовые» языки программирования (QPL, QCL и другие), а разработчики пытаются собрать мегакомп, чтобы достигнуть «квантового превосходства».

Сегодня смотреть в завтрашний день могут не только лишь все, но десять вопросов нашего теста помогут вам базово разобраться в теме или потешить своё самолюбие и достичь «квантового превосходства» уже сейчас — если вы уже разбираетесь в квантовых компьютерах. Поехали!

Давайте сразу разберёмся: модель квантовых вычислений эффективнее, чем модель двоичных?

Да, кванты позволяют выполнять операции быстрее.

Не любые. Квантовые вычисления годятся для выполнения вероятностных и оптимизационных задач, потому что работают с суперпозицией. Например, факторизация или поиск дискретного логарифма на двоичном компьютере будут выполняться долго, а на квантовом — быстро. В перспективе квантовые компьютеры будут полезны для прогнозирования погоды, котировок на бирже, передвижения городского транспорта. 

Но надо помнить, что квантовый компьютер работает на такой же модели универсальной машины Тьюринга, что и другие компьютеры, — он не может решать задачи, которые невозможно решить на двоичных компьютерах.

Нет, кванты хорошо подходят только для определённых задач.

Верно! Квантовые вычисления годятся для специфических задач. Например, факторизации или поиска дискретного логарифма — на двоичном компьютере алгоритм будет выполняться долго, а на квантовом — быстро. В перспективе квантовые компьютеры будут полезны для прогнозирования погоды, котировок на бирже, передвижения городского транспорта.

Но надо помнить, что квантовый компьютер работает на такой же модели универсальной машины Тьюринга, что и другие компьютеры, — он не может решать задачи, которые невозможно решить на двоичных компьютерах.

Главное отличие квантового компьютера от обычного — он работает с помощью кубитов. А чем кубит отличается от классического бита?

Кубит находится в состоянии суперпозиции.

Верно! Кубит — это квантовая система, которая может находиться в двух состояниях одновременно.

Например, монетка в двоичной системе — это бит. Когда мы её подбрасываем, это может дать два исхода: орёл или решка. При втором подкидывании у нас появляется уже два бита информации и четыре возможных исхода.

Кубит — квантовый бит, он фундаментально отличается от двоичного. Монетка, которую мы подкинули, продолжает вращаться, сохраняя оба состояния одновременно. Поймав монетку, мы увидим, в каком состоянии она находится. Так мы производим измерение.

Интересно вот что — две такие подброшенные монетки находятся уже не в двух состояниях, а в четырёх. Три — в восьми, пять — в тридцати двух. Каждая новая подкинутая монетка увеличивает число состояний в два раза. В итоге 300-кубитный компьютер позволил бы нам получить число квантовых состояний, большее, чем число частиц в нашей Вселенной.

Кубит работает �� троичной системе: ноль, единица, время.

Не угадали :) Кубит — это квантовая система, которая может находиться в двух состояниях. 

Например, монетка в двоичной системе — это бит. Когда мы её подбрасываем, это может дать два исхода: орёл или решка. При втором подкидывании у нас появляется уже два бита информации и четыре возможных исхода.

Кубит — квантовый бит, он фундаментально отличается от двоичного. Монетка, которую мы подкинули, продолжает вращаться, сохраняя оба состояния одновременно. Поймав монетку, мы увидим, в каком состоянии она находится. Так мы производим измерение.

Интересно вот что — две такие подброшенные монетки находятся уже не в двух состояниях, а в четырёх. Три — в восьми, пять — в тридцати двух. Каждая новая подкинутая монетка увеличивает число состояний в два раза. В итоге 300-кубитный компьютер позволил бы нам получить число квантовых состояний, большее, чем число частиц в нашей Вселенной.

Кубит находится в состоянии памяти: хранит все совершённые операции с нулями и единицами.

Не угадали :) Кубит — это квантовая система, которая может находиться в двух состояниях. 

Например, монетка в двоичной системе — это бит. Когда мы её подбрасываем, это может дать два исхода: орёл или решка. При втором подкидывании у нас появляется уже два бита информации и четыре возможных исхода.

Кубит — квантовый бит, он фундаментально отличается от двоичного. Монетка, которую мы подкинули, продолжает вращаться, сохраняя оба состояния одновременно. Поймав монетку, мы увидим, в каком состоянии она находится. Так мы производим измерение.

Интересно вот что — две такие подброшенные монетки находятся уже не в двух состояниях, а в четырёх. Три — в восьми, пять — в тридцати двух. Каждая новая подкинутая монетка увеличивает число состояний в два раза. В итоге 300-кубитный компьютер позволил бы нам получить число квантовых состояний, большее, чем число частиц в нашей Вселенной.

Вопрос из курса физики: раз кубит находится в состоянии суперпозиции, то как будут между собой взаимодействовать несколько кубитов? Подсказка: представьте несколько подброшенных монеток.

Они будут проводить вычисления независимо друг от друга.

Две монетки могут столкнуться друг с другом :) Два кубита ведут себя точно так же — они начинают оказывать влияние друг на друга. 

Квантовая запутанность позволяет, измерив один кубит, одновременно получить значения всех остальных кубитов. Они сцеплены по принципу квантовой запутанности — такое построение важно для решения некоторых квантовых алгоритмов. 

Например, у нас есть огромная необработанная база данных, к которой невозможно применить дихотомию — только перебор каждой карточки по очереди. Квантовая система с помощью

алгоритма Гровера

сможет найти нужные строки на основе интерференции.

Вся система будет находиться в состоянии суперпозиции.

Верно! Квантовая запутанность позволяет, измерив один кубит, одновременно получить значения всех остальных кубитов. Они сцеплены по принципу квантовой запутанности — такое построение важно для решения некоторых квантовых алгоритмов.

Например, у нас есть огромная необработанная база данных, к которой невозможно применить дихотомию — только перебор каждой карточки по очереди. Квантовая система с помощью

алгоритма Гровера

сможет найти нужные строки на основе интерференции.

В компьютерах биты реализованы с помощью транзисторов. Кубитам же нужна другая аппаратная часть — квантовый объект. Как он устроен?

Объект удерживают кванты, и в течение некоторого времени на нём выполняются операции.

Верно! Физикам потребовалось много времени, чтобы воплотить теорию квантовых вычислений в физическом объекте. 

По сути, всё сводится к тому, что кубиты удерживают кванты, — это состояние называют временем когерентности кубита. 

В зависимости от используемой аппаратной платформы (фотоны, ионы, электронные спины) длительность вычисления может составлять от пары наносекунд до нескольких секунд. За это время можно производить тысячи операций.

В объекте находятся два кванта, которым задаёт значение оператор.

Не угадали — квантов может быть много, и значения им задают законы макромира.

Физикам потребовалось много времени, чтобы воплотить теорию квантовых вычислений в физическом объекте. Общее устройство сводится к тому, что кубиты удерживают кванты, — это состояние называют временем когерентности кубита. 

В зависимости от используемой аппаратной платформы (фотоны, ионы, электронные спины) длительность вычисления может составлять от пары наносекунд до нескольких секунд. За это время можно производить тысячи операций. 

Объект вращается вокруг оси, создаёт гравитацию и производит вероятностные вычисления.

Было бы круто, но всё работает по-другому. Физикам потребовалось много времени, чтобы воплотить теорию квантовых вычислений в физическом объекте. Общее устройство сводится к тому, что кубиты удерживают кванты, — это состояние называют временем когерентности кубита. 

В зависимости от используемой аппаратной платформы (фотоны, ионы, электронные спины) длительность вычисления может составлять от пары наносекунд до нескольких секунд. За это время можно производить тысячи операций.

Окей, мы разобрались, что кванты «удерживаются» для вычислений в специальных объектах. Но зачем?

Для вычислений подходят только определённые кванты.

Подходят все, вопрос в том, как их «спрятать» от влияния внешнего мира. 

Процесс деградации квантового состояния называют декогеренцией — это потеря системой своих свойств из-за окружающей среды. 

Кванты настолько чувствительны, что на них могут влиять не только магнитные и радиоволны, но даже квантовые частицы с дальних планет, — законы в квантовом мире работают совсем по-другому.

На кванты влияет практически всё вокруг, поэтому они нестабильны.

Верно! Процесс деградации квантового состояния называют декогеренцией — это потеря системой своих свойств из-за окружающей среды. 

Кванты настолько чувствительны, что на них могут влиять не только магнитные и радиоволны, но даже квантовые частицы с дальних планет, — законы в квантовом мире работают совсем по-другому.

В квантовом компьютере образуется антиматерия, которая сталкивается с обычной материей и исчезает.

До антиматерии нам ещё далеко. Процесс деградации квантового состояния называют декогеренцией — это потеря системой своих свойств из-за окружающей среды. 

Кванты настолько чувствительны, что на них могут влиять не только магнитные и радиоволны, но даже квантовые частицы с дальних планет, — законы в квантовом мире работают совсем по-другому.

Один из способов измерить мощность квантового компьютера — это достигнуть «квантового превосходства», когда устройство может решить проблему, недоступную обычному компьютеру. Прецеденты уже были?

Да, но есть нюансы.

Действительно есть нюансы. 

Специалисты из Google в 2019 году опубликовали в журнале Nature

работу

, в которой сообщили о достижении квантового превосходства на процессоре Sycamore, работающем на 54 кубитах. Он смог всего за 200 секунд решить сложную задачу, на которую суперкомпьютеру Summit потребовалось бы 10 тысяч лет. 

Цифры впечатляющие — только задача была очень специфичная и с очень узким практическим применением. А Summit при оптимизации кода смог бы решить её не за 10 тысяч лет, а всего за пару дней. 

Технически в Google действительно смогли достигнуть квантового превосходства, но размытость формулировки позволяет каждому изобретателю делать подобные заявления. 

Например, в 2020 году в Китае тоже

объявили

о достижении квантового превосходства — их компьютер работает на фотонах, а не на сверхпроводниках, как у Google. А в 2021 году о таком достижении

сообщила

IBM.

Ещё нет и не скоро будут.

Технически в Google действительно смогли достигнуть квантового превосходства. В 2019 году специалисты компании опубликовали в журнале Nature

работу

, в которой сообщили о достижении квантового превосходства на процессоре Sycamore, работающем на 54 кубитах. Он смог всего за 200 секунд решить сложную задачу, на которую суперкомпьютеру Summit потребовалось бы 10 тысяч лет. 

Цифры впечатляющие, но есть

нюанс

 — задача была очень специфичная и с очень узким практическим применением. А Summit при оптимизации кода смог бы решить её не за 10 тысяч лет, а всего за пару дней. 

Размытость формулировки позволяет каждому изобретателю делать подобные заявления. Например, в 2020 году в Китае тоже

объявили

о достижении квантового превосходства — их компьютер работает на фотонах, а не на сверхпроводниках, как у Google. В 2021 году о достижении квантового превосходства

сообщила

IBM.

Полноценный квантовый компьютер ещё не изобрели, но есть шанс, что, когда он появится, современная криптография будет дискредитирована. Это касается не только паролей от почты, но и блокчейна. Что, всё и правда так плохо?

Нет, такого не будет.

Не всё так просто. Большинство современных криптографических алгоритмов (SSL, HTTPS и другие) квантово неустойчивы, потому что разрабатывались для двоичных систем, в которых, например, посчитать дискретный логарифм практически нереально. На многокубитном квантовом компьютере такой «взлом» сделать намного проще — хоть он и предсказывает вероятность, но, прогнав алгоритм несколько раз, можно выявить закономерности и найти ключ.

Эту проблему

осознают

эксперты по кибербезопасности, программисты и учёные, поэтому появляются алгоритмы с заделом на то, что рано или поздно многокубитный квантовый компьютер будет получен и вся современная криптография окажется скомпрометирована.

Да, такое может быть.

Вполне! Большинство современных криптографических алгоритмов (SSL, HTTPS и другие) квантово неустойчивы, потому что разрабатывались для двоичных систем, в которых, например, посчитать дискретный логарифм практически нереально. На многокубитном квантовом компьютере такой «взлом» сделать намного проще — хоть он и предсказывает вероятность, но, прогнав алгоритм несколько раз, можно выявить закономерности и найти ключ.

Эту проблему

осознают

эксперты по кибербезопасности, программисты и учёные, поэтому появляются алгоритмы с заделом на то, что рано или поздно многокубитный квантовый компьютер будет получен и вся современная криптография окажется скомпрометирована.

Квантовые вычисления можно делать даже на домашнем ноутбуке.

Да, можно.

Верно! Обычный компьютер на Windows или Linux может симулировать квантовые вычисления. Правда, считать будет очень долго, поэтому смысла в таком подходе нет — кроме освоения и проектирования квантовых алгоритмов. 

Кому интересно — есть язык

Quipper

, с которым можно поупражняться в квантовых вычислениях, а здесь

обсуждают

эмуляцию.

Не получится — слишком разные системы.

А вот и нет :) Обычный компьютер на Windows или Linux может симулировать квантовые вычисления. Правда, считать будет очень долго, поэтому смысла в таком подходе нет — кроме освоения и проектирования квантовых алгоритмов.

Кому интересно — есть язык

Quipper

, с которым можно поупражняться в квантовых вычислениях, а здесь

обсуждают

эмуляцию.

Квантовые компьютеры прямо сейчас объединяют в сети: они могут передавать друг другу квантовую информацию на расстоянии.

Всё так, только передают не квантовые единицы информации, а двоичные.

Да! У IBM уже есть квантовые компьютеры, которые

связаны с интернетом

(ссылка не работает из России), но информацию они преобразовывают в двоичный код — передавать кубиты через маршрутизаторы и точки обмена трафиком вряд ли получится. 

Зато есть другие варианты — квантовые каналы, работающие на фотонах. Сейчас это не очень оптимальный вариант, потому что каждые 10 километров частицы будут терять свои свойства и потребуется сложная система для обслуживания. Есть ещё идея делать космические спутники — приёмники, но это очень дорого.

Таких систем ещё нет.

Уже появились :) У IBM есть квантовые компьютеры, которые

связаны с интернетом

(ссылка не работает из России), но информацию они преобразовывают в двоичный код — передавать кубиты через маршрутизаторы и точки обмена трафиком вряд ли получится. 

Зато есть другие варианты — квантовые каналы, работающие на фотонах. Сейчас это не очень оптимальный вариант, потому что каждые 10 километров частицы будут терять свои свойства и потребуется сложная система для обслуживания. Есть ещё идея делать космические спутники — приёмники, но это очень дорого.

Финальный вопрос. Если квантовые компьютеры работают с вероятностями, то в них не бывает ошибок, верно?

Да, ошибок нет, потому что можно копировать информацию с помощью квантов и отслеживать их изменения.

По фундаментальным законам физики копировать информацию нельзя, но её можно дублировать на несколько атомов. В логических кубитах данные защищены от ошибок, но во время вычислений могут возникать сбои. 

Накопление ошибок в процессе вычислений — одна из главных проблем квантового компьютера.

Алгоритм Шора

частично решает эту проблему, но из-за него неправильная диагностика может привести к «поломке» всей системы. 

Недавно учёные из Инсбрукского университета

предложили

интересный способ решения этой проблемы — сделать два вычислительных элемента на устойчивых к ошибкам квантовых битах, чтобы строить логические элементы. В результате ошибки можно находить и корректировать, не меняя состояния квантов.

Нет, ошибки возможны, потому что кванты устойчивы только в логических блоках.

Верно! По фундаментальным законам физики копировать информацию нельзя, но её можно дублировать на нес��олько атомов. В логических кубитах данные защищены от ошибок, но во время вычислений могут возникать сбои. 

Накопление ошибок в процессе вычислений — одна из главных проблем квантового компьютера.

Алгоритм Шора

частично решает эту проблему, но из-за него неправильная диагностика может привести к «поломке» всей системы. 

Недавно учёные из Инсбрукского университета

предложили

интересный способ решения этой проблемы — сделать два вычислительных элемента на устойчивых к ошибкам квантовых битах, чтобы строить логические элементы. В результате ошибки можно находить и корректировать, не меняя состояния квантов.

Кажется, квантовая запутанность существует не только в макромире, но и в этом тесте :) Зато после его прохождения вы получили конкретный результат и теперь можете пройти его снова, чтобы выбить 10 из 10. Примерно так и решаются задачи с помощью квантовых компьютеров — подробнее об этом рассказывается в 24-м

выпуске подкаста

«Люди и код». Кстати, ещё у нас есть чумовая статья

о пределах скорости компьютеров

.

Вам удалось правильно ответить на часть вопросов, а остальные оказались в другом вероятностном поле. Чтобы выбить 10 из 10, пройдите этот тест снова — примерно так и решаются задачи с помощью квантовых компьютеров. Подробнее об этом рассказывается в 24-м

выпуске подкаста

«Люди и код». Кстати, ещё у нас есть чумовая статья

о пределах скорости компьютеров

.

Кажется, ваше хобби — изучать квантовые миры и следить за последними событиями в мире науки. Достойный результат, а узнать больше о квантовых компьютерах можно из 24-го

выпуска подкаста

«Люди и код». Кстати, ещё у нас есть чумовая статья

о пределах скорости компьютеров

.

Вы достигли квантового превосходства. Можем предположить, что вы либо сразу ответили правильно на вопросы теста, либо проходили его повторно. В любом случае это теория вероятностей — примерно так и решаются задачи с помощью квантовых компьютеров. Подробнее об этом можно узнать в 24-м

выпуске подкаста

«Люди и код». Кстати, ещё у нас есть чумовая статья

о пределах скорости компьютеров

.