Что такое квантовое превосходство?

Умение решать проблему, которая, по-видимому, невозможна даже для величайшего суперкомпьютера, называется квантовым превосходством.

Вы когда-нибудь смотрели на математические задачи в классе, затем сразу отвернулись и сказали себе со 100% уверенностью: «Ого, это невозможно решить». Если это так, добро пожаловать в клуб. Если нет, то ваш математический класс явно не был достаточно сложным.

В любом случае подумайте об этой безумной математической проблеме. Вы сделали несколько попыток, использовали все теоремы и взломы в своем математическом арсенале, но вы просто не смогли взломать его. Допустим, у вас есть суперкомпьютер под рукой. Вы загружаете это, вставляете математическую задачу и вуаля, она выдает ответ за считанные секунды, оставляя вас чувствовать себя совершенно неадекватным. Ну, вот как чувствуют суперкомпьютеры, когда они сталкиваются с квантовым компьютером.

Есть некоторые сложные математические проблемы, которые могут быть решены даже самым мощным суперкомпьютером в мире за тысячи лет. Теоретически, квантовый компьютер может решить эти проблемы за считанные минуты. Это умение решить проблему, которая на первый взгляд кажется невозможной для величайшего суперкомпьютера, называется квантовым превосходством.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер – это тот, который функционирует на основе законов квантовой механики. Вычислительные устройства, от вашего смартфона до суперкомпьютера размером с комнату, выполняют основную функцию хранения и обработки данных.

Традиционно компьютеры хранят информацию в форме битов, которые существуют в двоичном состоянии, равном 1 или 0. Все манипуляции с данными в основном являются модификацией этих бесконечно малых битов из 1 и нулей. С другой стороны, квантовые компьютеры имеют ту же основную функцию с одним критическим отличием; они хранят данные и манипулируют ими, используя квантово-механические свойства, такие как суперпозиция и запутывание.

В квантовых компьютерах данные хранятся в форме квантовых битов, обычно сокращаемых до кубитов. Кубиты отличаются от обычных битов, так как они могут существовать как 1 и 0 одновременно в силу суперпозиции. Кроме того, кубиты могут запутываться друг с другом и вести себя как система; эти два кубита могут быть сохранены на противоположных концах вселенной и все еще будут иметь сильную корреляцию друг с другом. Давайте еще немного усложним эту довольно пьянящую концепцию.

Что такое суперпозиция?

Представьте себе каждый бит как монету. Монета может иметь либо значение орел или решка. Каждый бит будет хранить значение Орел (1) или решка (0). Вопреки этому, кубиты можно представить себе как монеты, которые постоянно вращаются, никогда не оставаясь плоскими на земле. В этом состоянии вращения вы никогда не сможете точно сказать, была ли монета орлом или решкой. На самом деле, монета останется в обоих позициях одновременно.

Следовательно, кубит может одновременно хранить значения head (1) и tails (0). По сути, это суперпозиция.

Что такое квантовая запутанность?

Теперь представьте, что две из этих монет всегда показывают коррелированный результат, либо одинаковые, либо с точностью до наоборот. Если монета A показывает Орел, то монета B автоматически показывает Орел. Или, если они противоположно коррелированы, когда монета A показывает Орел, монета B автоматически показывает Решка.

Это свойство квантовых частиц “запутываться” друг с другом и вести себя как сильная корреляционная система, даже на межзвездных расстояниях, называется квантовой запутанностью. Эйнштейн прекрасно описал это свойство как “жуткое действие на расстоянии”.

Эти и некоторые другие «пугающие» квантовые свойства используются для проведения одних из самых сложных вычислений на квантовых компьютерах каждый день. Итак, что же это за странные вычисления, которые, по-видимому, невозможно взломать даже самым мощным суперкомпьютерам?

Что такое алгоритм Шора?

Одним из самых известных примеров является алгоритм Шора, алгоритм, который теоретически может взломать многие из наших современных систем шифрования. Я говорю «в теории», потому что это не так просто, как кажется. Прежде чем мы углубимся в детали алгоритма Шора, давайте попытаемся понять основы криптографии, по крайней мере, достаточно, чтобы дать вам некоторый контекст, в котором алгоритм Шора может оказаться полезным. Шифрование – это, по сути, способ шифрования данных, чтобы любопытные глаза не могли расшифровать то, что им передается.

Допустим, Джеймс Бонд хочет передать некоторые секретные файлы, которые он украл из скрытого логова Голдфингера. Прежде чем он сможет поделиться файлами с M, он зашифровывает их до неузнаваемости, «блокируя» файлы с числом цифр 500+. Чтобы M расшифровал файлы, ей нужен «ключ», который будет основным фактором этого комплексного числа.

Мы все знаем, как работает первичная факторизация. Мы делали это в школе десятки раз. Однако мы имели дело только с числами, состоящими максимум из 2 или 3 цифр. Факторизация 500-значного числа – серьезная задача! Если вы хотите взломать «замок», который Джеймс Бонд поставил на эти секретные файлы, попробуйте угадать все простые множители 500-значного числа.

Позвольте мне сэкономить вам время и сказать, что это невозможно. Даже суперкомпьютеру, делающему произвольные предположения, потребовались бы тысячи лет для того, чтобы взломать этот «замок».

Алгоритм Шора делает предположение немного более точным. Допустим, компьютер угадывает число 7. Вы можете узнать, является ли это фактором или нет. Эта информация используется в алгоритме Шора, чтобы придумать более обоснованное предположение для следующего числа, которое может быть главным фактором.

Хотя это все еще итеративный процесс, он значительно сокращает время, необходимое для достижения успеха в задаче. Там, где когда-то потребовалось 2000 лет, алгоритм Шора мог сделать это за 500. Не идеальный срок, но сокращение на 75% – это большое дело!

Что такое квантовое превосходство?

Питер Шор никогда не хотел, чтобы его алгоритм использовался классическим суперкомпьютером, работавшим 300 лет в поисках основных факторов. Шор придумал этот алгоритм в качестве исследователя в Bell Labs, AT & T, где он был сосредоточен на решении сложных математических задач.

Он предположил, что в далеком будущем люди могут успешно разработать компьютер, достаточно мощный для выполнения его алгоритма в разумные сроки. В тот день, когда квантовый компьютер мог выполнять сложные математические алгоритмы, подобные алгоритму Шора, которые для современной вычислительной техники практически невозможно решить, он достиг бы квантового превосходства.

В условиях, когда такие компании, как Google и IBM, выделяют ценные ресурсы на разработку квантовых вычислений, успешный механизм взлома кодов может оказаться не таким уж далеким, как воображает Шор. Фактически, квантовый компьютер Google, как говорят, уже достиг квантового превосходства в прошлом месяце, взломав аналогичную, хотя и надуманную, сложную математическую задачу быстрее, чем самый быстрый классический суперкомпьютер. Проблема, на решение которой суперкомпьютеру понадобилось 10 000 лет, была решена квантовым компьютером Google за 3 минуты и 21 секунду.

Достижение квантового превосходства имеет большое значение. Достижение Google – это первый раз, когда квантовый процессор успешно решил то, что не мог классический компьютер. Тем не менее машина Google была создана для решения этой единственной сложной задачи.

Значимость этого факта проста: решение этой проблемы не имеет практического применения. Он просто служит доказательством концепции существования технологий в ближайшем будущем, которые могут решить реальные сложности, такие как алгоритм Шора.

Кроме того, взлом алгоритма Шора может не быть концом всего шифрования, как популярные блоги могут заставить вас поверить. Только потому, что вы делаете универсальный ключ, который может сломать любой замок, не означает, что мы никогда не сможем создать лучший замок.

Квантовые компьютеры будущего, которые будут считать квантовое превосходство само собой разумеющимся, могли бы дать начало квантовому шифрованию, которое было бы еще более безопасным и сделало бы алгоритм Шора не более чем интересной теоретической концепцией прошлого.