Квантовые технологии и квантовый компьютер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение школа № 1284

Реферат

Квантовые технологии и квантовый компьютер

Автор: Виноградов Иван,

учащийся 10-В класса

Руководитель: Праздничных Д.А.,

учитель математики

Москва, 2019

Введение

Изначально мы задумывались о космосе, о чём-то необъятном и пока недосягаемым. Подобные думы смотивировали нас на более глобальное мышление. Наш взор пал на нынешние проблемы и несовершенство современного окружающего мира. Таким образом мы заинтересовались квантовыми технологиями, а как следствие - квантовым компьютером - тем, что и поможет решить терзающие всё человечество проблемы.

Цели работы:

1. Рассказать о квантовых технологиях будущего

2. Доказать важность создания квантового компьютера

3. Рассказать о пользе, которую квантовый компьютер сможет принести людям.

Актуальность:

Вопрос о создании и существовании квантового компьютера - невероятно актуален. Хоть на данный момент не существует ни одного квантового компьютера, человечество активно ведёт его разработку, страны гоняться за правом, быть первыми владельцами квантового компьютера.

Такие компьютеры значительно упростят человеческий труд. Они будут внедрены в каждое научное направление, вызывая тем самым большой скачок в развитии этих направлений.

Применимость квантовых технологий:

Способность использования квантовых технологий практически во всех областях деятельности человека. Они позволят упростить и облегчить нашу жизнь ,совершенствуя даже самые примитивные технологии, используемые нами в повседневной жизни. Квантовые компьютеры с нескольким десятком тысяч битов смогут эффективно решать задачи, которые являются очень сложными для классических (современных) компьютеров.

Обзор предметной области.

Квантовые технологии позволят создать сверхчувствительные магнитометры, основанные на квантовых эффектах и сверхточные системы навигации, которые позволят полностью исключить необходимость водителя-человека. Квантовые сенсоры помогут разобраться в структуре синаптических связей головного мозга человека, сделав возможным лечение его болезней, а в перспективе -- искусственное сознание.

Описание и применимость работы квантовых технологий.

Учитывая невероятный потенциал квантовых технологий, будет нелишним заявить, что те, кто овладеет этой технологий в будущем, будут иметь существенное преимущество перед теми, кто не овладеет -- и касается это политики, финансов, безопасности и многих других сфер. Компании вроде Amazon, Microsoft и Intel с нетерпением ждут внедрения квантовой криптографии, поскольку опасаются, что хакеры постараются добраться до квантовых возможностей и обрушить системы безопасности этих компаний.

В то время как на рынке уже и без того много хороших лекарств, скорость с которой они производятся, а также их эффективность, на диво ограничены. Даже с новейшим приростом скорости и точности, они весьма незначительны из-за ограничений стандартных компьютеров.

С организмом, столь сложным, как человеческое тело, существует бесчисленное множество способов, которыми лекарство может реагировать на окружающую среду. Добавьте к этому безграничность генетического разнообразия на молекулярном уровне, и потенциальные исходы для неспецифических лекарственных препаратов резко начинают достигать миллиардных чисел.

И только у квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия с препаратом и представить не только наилучший возможный план действий, но также шансы человека на успешный прием конкретного препарата -- за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка.

Эти же самые нововведения, особенно в отношении фолдинга белков, также неизбежно приведут к лучшему пониманию того, как функционирует жизнь в целом, что впоследствии приведет к гораздо более точной трактовке, улучшению препаратов и улучшению результатов.

Также квантовые технологии смогут предоставить человечеству такие возможности как:

· Безграничная безопасность

· Безграничный взлом

· Точные атомные часы и обнаружение объектов

· Картирование человеческого разума

· Поиск далеких планет

И невообразимые дотоле возможности практически во всех направлениях.

Другими словами - квантовые технологии в корни изменят нашу жизнь.

квантовый технология компьютер

Глава 1

Нередко люди думают, что квантовые технологии - это нечто из области невероятного и доступного только крупнейшим научным центрам. На самом деле квантовые технологии однажды уже перевернули привычную реальность: именно они подарили нам смартфоны, сверхплоские телевизоры и вообще всю современную электронику. Это была первая квантовая революция - с ней мир получил транзисторы, лазеры, интегральные микросхемы и новые виды связи (например, мобильную).

Что принесет вторая квантовая революция - нам еще предстоит выяснить, но уже понятно, что она повлияет на мироустройство не меньше, чем первая. Какие же сейчас существуют квантовые разработки, способные изменить привычные устои? Разберем некоторые из них.

История открытия квантовых технологий.

В 1915 году Альберт Эйнштейн с помощью своих друзей разработал теорию гравитации, перевернувшую всё то, что мы считали самим фундаментом физической реальности. Мысль о том, что населяемое нами пространство не может быть совершенно описано евклидовой геометрией, была непостижимой; настолько, что философ Иммануил Кант, во многих смыслах радикальный мыслитель, заявил, что никакая теория физики не сможет с ней справиться.

Несмотря на радикальный разрыв с прошлыми представлениями о пространстве и времени, теории Эйнштейна вскоре соединились с идеями Ньютона как часть "классической физики". Человечество вынуждено было это сделать, потому что революция научной мысли оказалась столь глубокой, что создала яркий след в истории науки: разработку теории квантовой физики.

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел (о важности этой задачи уже шла речь во введении). По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.

В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.) Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума.

Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. К сожалению, тема коррекции ошибок в квантовых компьютерах так же важна, как и сложна, чтобы изложить ее в данной статье

Квантовый компьютер - принципиально новые вычислительные возможности

Летом 2017 г. основатель Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин объявил, что совместно с учеными из Гарвардского и Массачусетского технологического университетов был создан и протестирован квантовый компьютер на 51 кубит.

Кубит- это элемент с квантовым разрядом, предназначенный для хранения информации квантового компьютера. В отличие от обычного компьютерного бита, который имеет лишь два состояния - ноль или единицу - кубит может находиться в состоянии суперпозиции (может быть одновременно и нолем и единицей), не подчиняясь традиционным состояниям. По сути это оптическое устройство, состоящее из проводников, призм и зеркал, и передающее квантовую информацию.

Компьютер, созданный в РКЦ, использует передачу данных не через сверхпроводники, как это принято, а при помощи передачи холодных атомов, которые удерживаются лазерными пинцетами. Пинцеты удерживают атомы при сверхнизких температурах. В теории квантовый компьютер может оказаться настолько мощным, что станет способен применять алгоритм Шора (проще говоря, дешифровку) к криптографическим схемам с открытым ключом. Это положит начало новым принципам криптографии, но также сделает все уже существующие принципы неэффективными.

2 глава

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году.

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году. Вскоре Пол Бениофф описал теоретические основы построения такого компьютера.

Также концепцию квантового компьютера в 1983 году предлагал Стивен Визнер в статье, которую он пытался опубликовать в течение более десяти лет до этого.

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа n составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для n=10. Поэтому Визнер и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.

Размещено на Allbest.ru