Компьютер что это такое: Что такое компьютер? (What is a Computer?)

Содержание

Что такое компьютер? (What is a Computer?)

Lesson 1: Что такое компьютер? (What is a Computer?)

Что такое компьютер?

Компьютер представляет собой электронное устройство, которое работает с информацией и данными. Он может хранить, извлекать и обрабатывать данные. Вы уже знаете, что с помощью компьютера можно печатать документы, отправлять электронную почту, играть в компьютерные игры и просматривать веб-страницы. Вы можете также редактировать или создавать электронные таблицы, презентации и даже видео.

В предоставленном ниже видео вы узнаете дополнительную информацию о различных типах компьютеров:

Аппаратное обеспечение и программное обеспечение

Прежде чем говорить о различных видах компьютеров, давайте поговорим о двух взаимосвязанных составляющих всех компьютеров: это аппаратное обеспечение и программное обеспечение.

  • Аппаратное обеспечение — это та часть вашего компьютера, которая имеет устройства, такие как клавиатура или мышь. Она также включает в себя все внутренние компоненты компьютера, которые вы можете увидеть на изображении ниже.
  • Программным обеспечением является набор команд, которые управляют работой аппаратного обеспечения. Примерами программного обеспечения являются веб-браузеры, текстовые процессоры и игры. Ниже на изображении вы можете видеть программу Microsoft PowerPoint, которая используется для создания презентаций.

Все, что вы делаете на компьютере напрямую связано с аппаратным и программным обеспечением. Например, прямо сейчас вы просматриваете этот урок в

веб — браузере (программное обеспечение), а с помощью мыши (аппаратное обеспечение) вы щелкаете с одной страницы на другую. Сталкиваясь с разными типами компьютеров, вы будете замечать различия между ними. По мере прохождения этого обучающего курса вы узнаете, что разные типы компьютеров часто используют разное программное обеспечение.

Какие бывают типы компьютеров?

Когда большинство людей слышат слово компьютер, они представляют персональный компьютер, а именно настольный компьютер или ноутбук. Тем не менее, компьютеры бывают любых форм и размеров и они выполняют множество различных функций в нашей повседневной жизни. Всякий раз, когда вы снимаете наличные в банкомате, сканируете продукты в магазине или делает вычисления на калькуляторе, вы пользуетесь определенным типом компьютера.

Настольные компьютеры

Многие люди используют настольные компьютеры на работе, дома и в школе. Настольные компьютеры предназначены для размещения на столе и, как правило, они состоят из нескольких составных частей, таких как

корпус компьютера, монитор, клавиатура и мышь.

Портативные компьютеры

Вторым типом компьютера, с которым вы, скорее всего, знакомы, является портативный компьютер, или по-другому его обычно называют ноутбук. Ноутбуки с батарейным питанием компьютеров являются гораздо компактнее настольных компьютеров, что позволяет использовать их практически в любом месте.

Планшетные компьютеры

Планшетные компьютеры или планшеты — это карманные компьютеры, которые еще более компактны, чем ноутбуки. Вместо клавиатуры и мыши, в планшетах встроен сенсорный экран для ввода данных и управления устройством. iPad является примером планшетного компьютера.

Сервер

Сервер представляет собой компьютер, который передает информацию на другие компьютеры в сети. Например, каждый раз, когда вы находитесь в Интернете, вы смотрите на контент, который хранится на сервере. Многие компании используют также локальные

серверы для хранения и обмена файлами внутри локальной сети.

Другие типы компьютеров

Большинство современных электронных устройств являются специализированными компьютерами, хотя мы не всегда воспринимаем их как компьютеры. Вот несколько распространенных примеров:

  • Смартфоны: многие мобильные телефоны могут выполнять очень много тех же функций, что и компьютеры, а именно работать в Интернете и играть в компьютерные игры. Такие устройства часто называют смартфонами.
  • Переносные устройства: переносные устройства представляет собой группу устройств, таких как: приборы для фитнеса, устройства слежения и умные часы
    – все они предназначены для ношения в течение всего дня. Эти устройства обычно применяются для кратковременного ношения.
  • Игровые приставки: игровая приставка представляет собой специализированный тип компьютера, который используется для воспроизведения видео игр на экране телевизора.
  • Телевизоры: Многие телевизоры теперь включают в себя приложения, которые позволяют получать доступ к онлайн-ресурсам. Например, вы можете транслировать видео из Интернета прямо на экране телевизора.

ПК и Maк

Персональные компьютеры бывают двух основных типов: ПК и Мак. Оба полностью функциональные, но с разным внешним видом и большинство людей отдает предпочтение одному из двух.

ПК

Первоначально этот компьютер назывался IBM PC, который впервые был выпущен в 1981 году. Со временем другие компании начали выпускать аналогичные компьютеры, которые назывались

IBM PC-совместимый компьютер (сокращенно ПК). На сегодняшний день это самый распространенный тип персонального компьютера и нем используется операционная система Microsoft Windows.

Maк

Компьютер Mакинтош начали выпускать в 1984 году и это был первый персональный компьютер с графическим пользовательским интерфейсом или GUI. Все компьютеры Mac разработаны одной компанией (Apple) и в них почти всегда используются операционная система Mac OS X.

/en/tr_ru-misc/-getting-started-with-your-first-computer/content/

Чем отличается сервер от компьютера?*

Итак, сегодня мы начнем говорить о серверах, что такое сервер и с чем его едят?

Как сказал кто-то – «сервер, это производительный компьютер» (с). В общем смысле, такой подход к определению сервера, тоже имеет право на жизнь, но тут есть ряд оговорок, которые мы и начнем рассматривать в этой статье.

*Первоначально данная статья была опубликована в интернет-журнале форума КосмосТВ, а, так как форум являлся не тематическим ресурсом, а общеразвлекательным, статья написана в стиле «для чайников», а посему, автор просит не обращать внимания на слог изложения)))

Итак, сегодня мы начнем говорить о серверах, что такое сервер и с чем его едят?

Как сказал кто-то – «сервер, это производительный компьютер» (с). В общем смысле, такой подход к определению сервера, тоже имеет право на жизнь, но тут есть ряд оговорок, которые мы и начнем рассматривать в этой статье.

Сервер, кроме того что является производительным компьютером, еще предполагает применение специализированного программного обеспечения, которое позволяет использовать все преимущества архитектуры построения серверов, основными отличиями которой от персональных компьютеров являются:

  • Многопроцессорность – возможность распределения вычислительной мощности на несколько процессоров, ведь использование так называемых многопоточных приложений для работы на разных ядрах одного процессора и на разных процессорах, это не одно и то же.

  • Специализированная оперативная память – в серверах используются виды памяти отличные от памяти, использующейся в компьютерах, например такие как: с коррекцией ошибок, с полной буферизацией и коррекцией ошибок, регистровая с коррекцией ошибок. Они отличаются более высокой надежностью и производительностью, а также предназначены для работы со специализированным программным обеспечением.

  • Значительный объем дискового пространства и специализированные жесткие диски – в одном сервере могут быть установлены десятки жестких дисков, из них, в свою очередь могут организовываться различные RAID-массивы (о которых мы поговорим в последующих выпусках нашего Журнала), для обеспечения более высокой скорости работы и большей сохранности информации.

  • Специализированные корпуса и блоки питания – как правило, сервера собираются в корпусах большого размера, так как серверные материнские платы имеют очень большой формат. Кроме того, сервера имеющие значительную вычислительную мощность и большое дисковое пространство, собираются в так называемых Rack-корпусах, которые предназначены для установки в специальные шкафы-стойки. В серверных корпусах, как правило, устанавливается несколько мощных блоков питания, для обеспечения отказоустойчивости системы и питания мощных потребителей – материнских плат с процессорами, большого количества вентиляторов, контроллеров и т.д.

Теперь коротко рассмотрим вопросы применения серверов и их основные преимущества:

Допустим, мы имеем локальную сеть, на предприятии, в офисе, подъезде многоэтажки (так называемая домашняя сеть), да мало ли где еще, количество компьютеров может быть разным, но специалисты рекомендуют использовать серверы, когда количество компьютеров в локальной сети превышает пять единиц.

Рассмотрим проблемы решаемые сервером:

  • Централизация и организация ваших данных – данные хранятся в едином банке, к ним всегда имеют доступ все пользователи вашей сети, вне зависимости от того включены ли все компьютеры в сети, в отличие от локальной сети, в которой все данные хранятся на компьютерах пользователей. В такой сети, чтобы иметь доступ ко всем данным, нужно чтобы все компьютеры работали, что не всегда возможно (сломался компьютер, сотрудник заболел или уехал в командировку, а может просто опаздывает на работу, а вам срочно нужен доступ к данным), сервер же, как правило, работает постоянно.

  • Создание общего доступа к аппаратным средствам, таким как факсы, принтеры, сканеры и т.д. – для простых сетей с двумя и более компьютерами, при отсутствии сервера, вам может потребоваться большое количество проводов.

  • Упрощение и автоматизация резервного копирования данных – в локальной сети, приходится делать образ всех жестких дисков со всех компьютеров, при наличии сервера, резервное копирование занимает несколько минут и производится с одного рабочего места.

  • Обеспечение сотрудников находящихся вне офиса постоянным доступом к ресурсам вашей локальной сети – ваши сотрудники постоянно могут быть на связи, входя в локальную сеть через ваш сервер, используя удаленные терминалы, портативные компьютеры, и т.д.

  • Хранение большого количества информации и обеспечение постоянного доступа к ней – вы можете хранить большие объемы информации и увеличивать количество дискового пространства, просто расширяя дисковые хранилища сервера.

  • Увеличение эффективности работы с базами данных – сервер принимает на себя выполнение сложных расчетов и обработку больших объемов информации, разгружая сеть, особенно заметен выигрыш в производительности локальной сети при работе с финансовыми и учетными программами (например, 1С), особенно при значительном количестве компьютеров, на которых они запускаются.

  • Масштабирование локальной сети – при увеличении количества компьютеров в сети, например при приеме на работу новых сотрудников, или при подключении к домашней сети новых пользователей, предельно упрощается работа системного администратора.

  • Временное решение, альтернатива модернизации компьютеров – сервер разгрузит локальную сеть и модернизацию оборудования можно будет отложить. Кроме того, переход со старого компьютера на новый, в локальной сети с сервером, станет проще и быстрее, т.к. основная масса информации используемой пользователями находится на сервере.

  • Расширенные возможности по администрированию сети, обеспечению сохранности информации, удаленному управлению, распределению доступа пользователей к информации и аппаратным средствам сети, контролю расхода трафика, использованию контента и другие, – системный администратор сети, со своего рабочего места, сможет полностью контролировать всю сеть.

Вот далеко неполный список возможностей возникающих с установкой сервера в локальной сети.

Более подробно, различные аспекты построения серверного оборудования, а также конкретные примеры серверов, мы рассмотрим в следующих статьях.

Компьютер польза или вред

Современный компьютер — это незаменимый инструмент, предоставляющий возможности для обучения, работы, развлечений, расширения кругозора.
Трудно представить сегодня хоть одну организацию без этого умного устройства, благодаря которому многие области деятельности стали более оптимизированными в сфере ведения учета, хранения документов, поиска необходимой информации и совершенствования своих знаний.

Плюсы использования компьютера:

— ПК — надежное и эффективное средство для поиска, хранения, обработки данных, что прямым образом влияет на производительность труда;
— С помощью устройства можно получить любые сведения для развития и совершенствования своих профессиональных навыков;
— Электронное устройство является надежным способом для хранения изображений и музыкальных композиций;
— Являясь владельцем ПК, можно успешно развивать собственное дело, открыв интернет-магазин или страничку в соцсетях для продвижения своего товара;
— К плюсам использования компьютера относится его положительное влияние на развитие кругозора детей, используя обучающие игры и разнообразные приложения; С помощью различных программ можно изучать иностранные языки и развивать свое хобби;
— ПК предоставляет услуги различных видеосервисов, где каждый может взять на вооружение полезную информацию любого направления — как сделать ремонт, как отремонтировать технику, как научится рисовать, освоить музыкальный инструмент, постичь боевые искусства и даже готовить различные кулинарные шедевры.

Чем вреден для здоровья?

На сегодняшний день учеными не доказано негативное воздействие компьютера на здоровье человека. Речь идет об излучении, которое, согласно исследованиям, не много больше, чем другая бытовая техника в домашнем обиходе. При рациональном использовании устройство приносит пользователям огромную пользу. Но если времяпровождение перед монитором становится бесконтрольным, тогда можно говорить об отрицательном воздействии компьютера на человека. В таких случаях речи идет об ухудшении качества жизни, способствующего снижению физической активности и нанесении вреда здоровью.
Какие существуют минусы компьютера в жизни человека:
— Длительное пребывание в сети насыщает мозг чрезмерным количеством информации, в результате чего приводит к усталости и перевозбуждению;
— Социальные сети, онлайн-игры приводят к своеобразной виртуальной зависимости, что доказывает отрицательное влияние компьютера на психику;
— Болезненные ощущения в виде покалывающих ощущений и онемения возникают в области запястья при чрезмерной работе с мышкой и набирании текста;
— Портит ли компьютер зрение? Длительное пребывание перед монитором без перерывов, особенно в ночное время, способствуют снижению работы зрительного аппарата; Если долго сидеть за компьютером возникают проблемы с опорно-двигательной системой и мышечными тканями — невралгия, остеохондроз, мышечная слабость;
— В связи с длительным пребыванием перед ПК и минимальной физической активностью происходит замедление кровообращения в организме, что отрицательно влияет на работу сосудистой системы и сердечной мышцы;
— Многочасовое сидение за монитором, будь то офис или домашняя обстановка, способствует развитию таких опасных заболеваний как тромбоз и варикоз;
— Не рекомендуется знакомить с техникой детей раньше 5 лет, поскольку это отрицательно влияет на их психологическое состояние и приводит к перевозбуждению мозга.

Итоги:

Влияние компьютера на человека может быть как положительным, так и отрицательным. Несомненно, польза устройства преобладает над вредным влиянием на организм человека. И если правильно распределять трудовую деятельность, развлечения и отдых, использовать всевозможные методы для облегчения работы и учитывать особенности возраста и состояния здоровья, техника станет весьма полезным дополнением. Это касается не только ПК, но и других гаджетов, без которых сложно представить современность.

УЗ » Могилевская поликлиника № 5″
Пом. врача ОВОП № 1
Палазкова В.В.

Компьютер, которому 2 тысячи лет. Британские ученые создали модель Антикитерского механизма

Автор фото, Prof Tony Freeth / UCL

Подпись к фото,

Британские ученые воссоздали сложную систему передач при помощи компьютерного моделирования

Британские ученые впервые построили полную компьютерную модель Антикитерского механизма. Это устройство, созданное около двух тысяч лет назад в древней Греции, называют самым первым аналоговым компьютером в мире, принцип его работы и назначение в течение многих лет были загадкой.

Механизм был обнаружен в 1901 году греческими ныряльщиками за губками, которые наткнулись на останки корабля, предположительно, затонувшего в первом веке до нашей эры. Это произошло около острова Антикитера в Средиземном море, поэтому устройство стали называть Антикитерским.

Ученые считают, что механизм был предназначен для предсказания движения пяти известных тогда планет (Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна), фаз Луны, а также лунных и солнечных затмений. Однако полный принцип его работы оставался неизвестным, поскольку сохранились только 82 составляющих его элемента — примерно треть всего устройства.

Чтобы полностью восстановить принцип работы Антикитерского механизма, ученые из Университетского колледжа Лондона (UCL) сделали снимки при помощи рентгена и составили его полную 3D-модель, основываясь на древнегреческих математических методах.

В центре — Земля, а не Солнце

«Солнце, Луна и планеты предстают перед нами в одном из самых выдающихся достижений древних греков, — говорит руководитель научной группы профессор Тони Фрит.- Мы сумели впервые создать модель, которая учитывает все сведения о физическом объекте и соответствует тем научным описаниям, которые нанесены на сам механизм».

Автор фото, AFP

Подпись к фото,

Сохранилась только примерно треть древнего устройства

До этого ученые уже сумели воссоздать принцип работы задней части механизма, которая лучше сохранилась. Однако сложная система бронзовых передач за передней панелью оставалась загадкой до появления исследования экспертов UCL.

Как отмечает Guardian, работа древних астрономов значительно осложнялась их представлениями о том, что Солнце и планеты вращаются вокруг Земли, а не наоборот. Если бы они опирались на современные знания, что планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца, посчитать траекторию движения основных небесных тел было бы намного проще.

В своей работе британские ученые также попытались выяснить, насколько корректные сведения выдавал «античный компьютер», однако точного ответа на этот вопрос дать не удалось. Авторы исследования в связи с этим отмечают: «мы не считаем, что древние астрономы обладали способностью делать очень точные астрономические наблюдения».

Кроме того, пока неясно, каким образом древнегреческие ученые смогли изготовить Антикитерский механизм при помощи доступных тогда инструментов и материалов.

Guardian пишет, что концентрические кольца, на которых в устройстве вращаются небесные тела, должны были работать при помощи вложенных друг в друга полых осей. Однако остается загадкой, как древние мастера сумели изготовить нечто подобное без токарного станка.

Почему не сделали часы?

«Концентрические трубки в центре этого планетария — самое слабое место моей веры в древнегреческие технологии, да и в нашу модель тоже, — сказал британскому изданию один из авторов исследования Адам Войцик. — Сегодня мы бы применили токарный станок, но нельзя предполагать, что они могли использовать его для обработки металла».

До конца также неизвестно, для чего именно применялся Антикитерский механизм — был ли он игрушкой, учебным пособием или имел какое-то иное предназначение. Кроме того, ученые не понимают, почему это устройство является уникальным в своем роде.

«Странно, что не было обнаружено или выкопано ничего даже отдаленно похожего, — говорит Войцик. — Если у них были технологии, чтобы сделать Антикитерский механизм, то почему же они не могли использовать эти технологии для производства других машин, таких, например, как часы?».

Теперь ученые попытаются создать действующую механическую модель Антикитерского механизма при помощи современных технологий и материалов. А затем — еще одну модель, но основываясь только на материалах и инструментах, которые были доступны древним грекам.

Возможно, после этого им удастся получить некоторые ответы на свои вопросы.

Как работают квантовые компьютеры. Собираем паззл / Хабр

Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — новый баззворд, который добавился в наше информационное пространство наряду с искусственным интеллектом, машинным обучением и прочими высокотехнологическими терминами. При этом мне так и не удалось найти в интернете материал, который бы сложил у меня в голове пазл под названием “как работают квантовые компьютеры”. Да, есть много прекрасных работ, в том числе и на хабре (см. Список ресурсов), комментарии к которым, как это обычно и бывает, еще более информативны и полезны, но картинка в голове, что называется, не складывалась.

А недавно ко мне подошли коллеги и спросили “Ты понимаешь как работает квантовый компьютер? Можешь нам рассказать?” И тут я понял, что проблема со складыванием в голове целостной картинки есть не только у меня.

В результате была сделана попытка скомпилировать информацию о квантовых компьютерах в непротиворечивую логическую схему, в которой бы на базовом уровне, без глубокого погружения в математику и структуру квантового мира, объяснялось что такое квантовый компьютер, на каких принципах он работает, а также какие проблемы стоят перед учеными при его создании и эксплуатации.






(к оглавлению)

Автор не является специалистом в квантовых вычислениях, и целевая аудитория статьи — такие же ИТ-шники, не квантовые специалисты, которые тоже хотят собрать в голове картинку под названием “Как работают квантовые компьютеры”. Из-за этого многие понятия в статье сознательно упрощены для лучшего понимания квантовых технологий на “базовом” уровне, но без совсем уж сильного упрощения с потерей информативности и адекватности.

В статье, в некоторых местах используются материалы из других источников, список которых приведен в конце статьи. Везде где это было возможно, вставлены прямые ссылки и указания на оригинал текста, таблицы или рисунка. Если где-то что-то (или кого-то) забыл, пишите — поправлю.



(к оглавлению)

В этой главе мы коротко рассмотрим с чего началась квантовая эра, что явилось побудительной причиной для возникновения идеи квантового компьютера, кто (какие страны и корпорации) в настоящее время являются ведущими игроками на этой поляне, а также вкратце поговорим об основных направлениях развития квантовых вычислений.



Как все начиналось

(к оглавлению)

Точкой отсчета квантовой эры принято считать 1900 год, когда М. Планк впервые выдвинул гипотезу о том, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Идею подхватили и развили многие выдающиеся ученые того времени — Бор, Эйнштейн, Гейзенберг, Шредингер, что, в конечном счете, привело к созданию и развитию такой науки как квантовая физика. Про становление квантовой физики как науки в Сети есть много хороших материалов, в этой статье мы не будем подробно останавливаться на этом, но указать дату, когда мы вошли в новую квантовую эпоху, было необходимо.

Квантовая физика принесла в нашу обычную жизнь много изобретений и технологий, без которых сейчас трудно себе представить окружающий мир. Например, лазер, который сейчас используется везде, от бытовой техники (лазерные нивелиры и прочее) до высокотехнологичных систем (лазеры для коррекции зрения, привет meklon ). Логично было бы предположить, что рано или поздно кто-то выдвинет идею о том, что почему бы не использовать квантовые системы для вычислений. И вот в 1980 году это случилось.

Википедия указывает на то, что первым идею квантовых вычислений высказал в 1980 году наш ученый Юрий Манин. Но реально заговорили о ней только в 1981, когда небезызвестный Р. Фейнман в докладе на первой конференции по физике вычислений, проведенной в Массачусетском технологическом институте, отметил, что невозможно моделировать эволюцию квантовой системы на классическом компьютере эффективным способом. Он предложил элементарную модель квантового компьютера, который будет способен провести такое моделирование.

В Сети есть вот такая работа, в которой хронология развития квантовых вычислений рассматривается более академически и подробно, мы же пробежимся коротко:

Основные вехи в истории создания квантовых компьютеров:


Как вы видите прошло 17 лет (с 1981 до 1998) с момента идеи до ее первой реализации в компьютере с 2-мя кубитами, и 21 год (с 1998 до 2019) до момента, когда количество кубитов увеличилось до 53-х. Потребовалось 11 лет (с 2001 до 2012) чтобы улучшить результат выполнения алгоритма Шора (мы остановимся на нем подробнее чуть далее) с числа 15 до 21. Также только три года назад мы подошли к тому, чтобы реализовать то, о чем говорил Фейнман, и научиться моделировать простейшие физические системы.

Развитие квантовых вычислений идет медленно. Перед учеными и инженерами стоят очень сложные задачи, квантовые состояния очень недолговечны и хрупки, и, чтобы сохранить их достаточно долгое время для выполнения вычислений, приходится строить саркофаги за десятки миллионов долларов, в которых поддерживается температура чуть выше абсолютного ноля, и которые максимально защищены от внешних воздействий. Далее мы будем говорить об этих задачах и проблемах более подробно.



Ведущие игроки

(к оглавлению)

Слайды для этого раздела взяты из статьи Квантовый компьютер: большая игра на повышение. Лекция в Яндексе, от научного сотрудника Российского квантового центра Алексея Фёдорова. Позволю себе прямые цитаты:

Все технологически успешные страны в данный момент активно занимаются развитием квантовых технологий. В эти исследования вкладывается огромное количество средств, создаются специальные программы поддержки квантовых технологий.

В квантовой гонке участвуют не только государства, но и частные компании. Суммарно Google, IBM, Intel и Microsoft вложили около 0,5 млрд долларов в развитие квантовых компьютеров за последнее время, создали крупные лаборатории и исследовательские центры.

На Хабре и в Сети есть множество статей, например, вот, вот и вот, в которых текущее состояние дел с развитием квантовых технологий в разных странах рассматривается более подробно. Для нас сейчас главное, что все ведущие технологически развитые страны и игроки вкладывают огромные средства в исследования в этом направлении, что дает надежду на выход из текущего технологического тупика.



Направления развития

(к оглавлению)

На текущий момент (могу ошибаться, поправьте) основные усилия (и более-менее значимые результаты) у всех ведущих игроков сосредоточены на двух направлениях:


  • Специализированные квантовые компьютеры, которые направлены на решение одной конкретной специфической задачи, например, задачи оптимизации. Примером продукта являются квантовые компьютеры D-Wave.
  • Универсальные квантовые компьютеры — которые способны реализовать произвольные квантовые алгоритмы (Шора, Гровера, и т.д.). Реализации от IBM, Google.

Прочие же вектора развития, которые дает нам квантовая физика, такие как:


безусловно тоже в списке направлений для исследований, но каких-то более-менее значимых результатов в настоящее время вроде как еще нет.

Дополнительно можно почитать дорожную карту развития квантовых технологий, ну и гуглите “развитие квантовых технологий”, например, вот, вот и вот.



(к оглавлению)

Самое главное, что надо понять из этого раздела, это то, что


Квантовый компьютер (в отличие от обычного) в качестве носителей информации использует квантовые объекты, а для проведения вычислений квантовые объекты должны быть соединены в квантовую систему.

Что же такое квантовый объект?


Квантовый объект — объект микромира (квантового мира), который проявляет квантовые свойства:
  • Имеет определенное состояние с двумя граничными уровнями
  • Находится в суперпозиции своего состояния до момента измерения
  • Запутывается с другими объектами для создания квантовых систем
  • Выполняет теорему о запрете клонирования (нельзя скопировать состояние объекта)

Разберем каждое свойство более подробно:


Имеет определенное состояние с двумя граничными уровнями (конечное состояние)

Классический пример из реального мира — монета. У нее есть состояние “сторона”, которая принимает два граничных уровня — “орел” и “решка”.


Находится в суперпозиции своего состояния до момента измерения

Подбросили монетку, она летит и вращается. Пока она вращается невозможно сказать в каком из граничных уровней находится ее состояние “сторона”. Но стоит нам ее прихлопнуть и посмотреть на результат — как суперпозиция состояний тут же схлопывается в одно из двух граничных — “орел” и “решка”. Прихлопывание монетки в нашем случае и есть измерение.


Запутывается с другими объектами для создания квантовых систем

С монеткой сложно, но попробуем. Представьте мы подбросили три монетки так, что они вращаются цепляясь друг за друга, такое жонглирование монетками. В каждый момент времени не только каждая из них находится в суперпозиции состояний, но эти состояния взаимно влияют друг на друга (монетки же сталкиваются).


Выполняет теорему о запрете клонирования (нельзя скопировать состояние объекта)

Пока монетки летят и вращаются, мы никаким образом не можем создать отдельную от системы копию вращающегося состояния любой из монеток. Система живет сама в себе и очень ревностно относится к тому, чтобы выдать наружу какую-либо информацию.

Еще пара слов о самом понятии “суперпозиции”, практически во всех статьях суперпозицию объясняют как “находится во всех состояниях одновременно”, что, конечно, верно, но временами излишне запутывает. Суперпозицию состояний можно представить себе также как то, что в каждый момент времени у квантового объекта есть определенные вероятности схлопнуться в каждый из своих граничных уровней, и в сумме эти вероятности, естественно, равны 1. Далее при рассмотрении кубита мы остановимся на этом более подробно.

Для монеток это можно себе представить визуально — в зависимости от начальной скорости, угла подброса, состояния окружающей среды, в которой летит монетка, в каждый момент времени вероятность получить “орел” или “решку” разная. И, как говорилось ранее, состояние такой летящей монетки можно себе представить как “находится во всех своих граничных состояниях одновременно, но с разной вероятностью их реализации”.


Любой объект, для которого выполняются вышеуказанные свойства и который мы можем создать и управлять, может использоваться как носитель информации в квантовом компьютере.

Чуть дальше мы поговорим о текущем состоянии дел с физической реализацией кубитов как квантовых объектов, и что сейчас ученые используют в этом качестве.

Итак, третье свойство гласит, что квантовые объекты могут запутываться для создания квантовых систем. Что же такое квантовая система?


Квантовая система — система запутанных квантовых объектов, обладающая следующими свойствами:
  • Квантовая система находится в суперпозиции всех возможных состояний объектов, из которых она состоит
  • Нельзя узнать состояние системы до момента измерения
  • В момент измерения система реализует один из возможных вариантов своих граничных состояний

(и, забегая чуть вперед)


Следствие для квантовых программ:
  • Квантовая программа имеет заданное состояние системы на входе, суперпозицию внутри, суперпозицию на выходе
  • На выходе программы после измерения имеем вероятностную реализацию одного из возможных конечных состояний системы (плюс возможные ошибки)
  • Любая квантовая программа имеет архитектуру дымоходной трубы (вход -> выход. Нет циклов, нельзя посмотреть состояние системы в середине процесса.)



(к оглавлению)

Давайте теперь сравним обычный компьютер и квантовый.


Логический уровень

В обычном компьютере это бит. Хорошо нам знакомый насквозь детерминированный бит. Может принимать значения либо 0 либо 1. Он прекрасно справляется с ролью логической единицы для обычного компьютера, но совершенно не подходит для описания состояния квантового объекта, который, как мы уже говорили, в дикой природе находится в суперпозиции своих граничных состояний.

Для этого придумали кубит. В своих граничных состояниях он реализует похожие на 0 и 1 состояния |0> и |1>, а в суперпозиции представляет собой вероятностное распределение над своими граничными состояниями |0> и |1>:

 a|0> + b|1>, такое, что a^2+b^2=1

a и b при этом представляют собой амплитуды вероятностей, а квадраты их модулей — собственно вероятности получить именно такие значения граничных состояний |0> и |1>, если схлопнуть кубит измерением прямо сейчас.

Физический уровень

На текущем технологическом уровне развития физической реализацией бита для обычного компьютера выступает полупроводниковый транзистор, для квантового, как мы уже говорили, любой квантовый объект. В следующем разделе мы поговорим о том, что сейчас используется в качестве физических носителей кубитов.

Носитель информации

Для обычного компьютера это электрический ток — уровни напряжения, наличие или отсутствие тока, и т.д., для квантового — то самое состояние квантового объекта (направление поляризации, спин, и т.д.), которое может находится в состоянии суперпозиции.

Операции

Для реализации логических схем на обычном компьютере используются всем нам хорошо известные логические операции, для операций над кубитами пришлось придумывать совершенно иную систему операций, называемую квантовыми вентилями. Вентили бывают однокубитные и двухкубитные, в зависимости от того, над сколькими кубитами производится преобразование.

Примеры квантовых вентилей:

Есть понятие универсального набора вентилей, которых достаточно для выполнения любого квантового вычисления. Например, универсальным является набор, включающий вентиль Адамара, вентиль фазового сдвига, вентиль CNOT и вентиль π⁄8. С их помощью можно выполнить любое квантовое вычисление на произвольном наборе кубитов.

В этой статье мы не будем детально останавливаться на системе квантовых вентилей, более подробно про них и логические операции над кубитами можно почитать, например, вот тут. Главное, что надо запомнить:


  • Операции над квантовыми объектами требуют создания новых логических операторов (квантовых вентилей)
  • Квантовые вентили бывают однокубитные и двухкубитные
  • Существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Взаимосвязь

Один транзистор нам совершенно бесполезен, чтобы производить вычисления нам надо соединить много транзисторов между собой, то есть создать полупроводниковый чип из миллионов транзисторов, на которых уже строить логические схемы, АЛУ и, в конечном счете, получить современный процессор в его классическом виде.

Один кубит нам тоже совершенно бесполезен (ну если только в академическом плане),


чтобы производить вычисления нам нужна система кубитов (квантовых объектов)

которая, как мы уже говорили, создается при помощи запутывания кубитов между собой так, чтобы изменения в их состояниях происходили согласованно.

Алгоритмы

Стандартные алгоритмы, которые накопило человечество к текущему моменту, совершенно не подходят для реализации на квантовом компьютере. Да в общем-то и незачем. Квантовые компьютеры, основанные на вентильной логике над кубитами, требуют создания совершенно иных алгоритмов, квантовых алгоритмов. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:


Принцип

И самое главное отличие — это принцип работы. У стандартного компьютера это цифровой, жестко детерминированный принцип, основанный на том, что если мы задали какое-то начальное состояние системы и пропустили его через заданный алгоритм, то результат вычислений будет один и тот же, сколько бы раз мы это вычисление не запускали. Собственно, такое поведение это именно то, что мы от компьютера и ждем.


Квантовый компьютер работает на аналоговом, вероятностном принципе. Результат работы заданного алгоритма на заданном начальном состоянии представляет собой выборку из вероятностного распределения конечных реализаций алгоритма плюс возможные ошибки.

Такая вероятностная природа квантовых вычислений обусловлена самой вероятностной сутью квантового мира. “Бог не играет в кости со вселенной”, — говорил старик Эйнштейн, но все эксперименты и наблюдения пока (в текущей научной парадигме) подтверждают обратное.



(к оглавлению)

Как мы уже говорили, кубит может быть представлен квантовым объектом, то есть таким физическим объектом, который реализует описанные выше квантовые свойства. То есть грубо говоря, любой физический объект, в котором есть два состояния и эти два состояния находятся в состоянии суперпозиции можно использовать для построения квантового компьютера.


“Если мы умеем помещать атом в два разных уровня и управлять ими, то вот вам и кубит. Если мы можем это сделать с ионом, — кубит. С током то же самое. Если мы запускаем его по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно, вот вам кубит.” (С)

Есть прекрасный комментарий к статье, в котором текущее многообразие физических реализаций кубита рассматривается более подробно, мы же просто перечислим наиболее известные и распространенные:


Из всего этого многообразия наиболее проработанным является первый метод получения кубитов, основанный на сверхпроводниках. Google, IBM, Intel и прочие ведущие игроки используют именно его для построения своих систем.

Ну и еще почитайте обзор возможных физических реализаций кубитов от Andrew Daley,2014.



(к оглавлению)

Материалы для данного раздела (задача и картинки) взяты из статьи “Просто о сложном. Как работает квантовый компьютер”.

Итак, представим, что у нас есть следующая задача:

Есть группа из трех человек: (А)ндрей, (B)олодя и (С)ережа. Есть два такси (0 и 1).

Известно также, что :


  • (А)ндрей, (B)олодя — друзья
  • (А)ндрей, (С)ережа — враги
  • (B)олодя и (С)ережа — враги

Задача: Разместить народ по такси так, чтобы Max(друзья) и Min(враги)

Оценка: L = (кол-во друзей) — (кол-во врагов) для каждого варианта размещения

ВАЖНО: Предположим, что эвристик нет, оптимального решения нет. В этом случае задача решается только полным перебором вариантов.

Решение на обычном компьютере

Как решать эту задачу на обычном (супер)компьютере (или кластере) — понятно, что надо перебрать в цикле все возможные варианты. Если у нас мультипроцессорная система, то можно распараллелить расчет решений на несколько процессоров и потом собрать результаты.

У нас 2 возможных варианта размещения (такси 0 и такси 1) и 3 человека. Пространство решений 2^3 = 8.N возможных вариантов решения, которые при сравнительно небольших N (100) дают нам непросчитываемое (на текущем технологическом уровне) пространство решений.

Есть ли альтернативы? Как вы уже догадались, таки да, есть.

Но прежде чем мы перейдем к тому, как и почему квантовые компьютеры позволяют эффективно решать подобные задачи, давайте немного вспомним о том, что такое вероятностное распределение. Не пугайтесь, статья обзорная, жесткой математики тут не будет, обойдемся классическим примером с мешком и шариками.

Совсем немного комбинаторики, теории вероятностей и странного экспериментатора

Возьмем мешок и положим в него 1000 белых и 1000 черных шаров. Будем проводить эксперимент — вынимать шар, записывать цвет, возвращать шар в мешок и перемешивать шары в мешке.

Провели эксперимент 10 раз, вытащили 10 черных шаров. Возможно? Вполне. Дает нам эта выборка какое-то разумное понятие об истинном распределение в мешке? Очевидно, что нет. Что надо сделать — правильно, повторить эксперимент миллион раз и рассчитать частоты выпадения черных и белых шаров. Получим, например 49.95% черных и 50.05% белых. В этом случае уже более-менее понятна структура распределения из которого мы семплируем (вынимаем один шарик).

Главное, что надо понять, что сам эксперимент имеет вероятностную природу, одним семплом (шариком) мы не узнаем истинную структуру распределения, нам надо многократно повторить эксперимент и усреднить результаты.

Добавим в наш мешок 10 красных и 10 зеленых шаров (ошибки). Повторим эксперимент 10 раз. Вытащили 5 красных и 5 зеленых. Возможно? Да. Можем что-то сказать об истинном распределении — Нет. Что надо сделать — ну вы поняли.


Для получения понимания о структуре вероятностного распределения надо многократно просемплировать единичные исходы из этого распределения и усреднить результаты.

Связываем теорию с практикой

Теперь вместо черных и белых шаров давайте возьмём бильярдные шары, и положим в мешок 1000 шаров с номером 2, 1000 с номером 7 и 10 шаров с другими номерами. Представим себе экспериментатора, который обучен простейшим действиям (достать шар, записать номер, положить шар обратно в мешок, перемешать шары в мешке) и делает он это за 150 микросекунд. Ну такой экспериментатор на спидах (не реклама наркотиков!!!). Тогда за 150 секунд он сможет провести наш эксперимент 1 миллион раз и предоставить нам результаты усреднения.

Усадили экспериментатора, дали мешок, отвернулись, подождали 150 секунд — получили:

номер 2 — 49.5%, номер 7 — 49.5%, остальные номера в сумме — 1%.

Да, все верно, наш мешок — это квантовый компьютер с алгоритмом, решающим нашу задачу, а шары — возможные варианты решения. Поскольку правильных решений два, то квантовый компьютер будет выдавать нам равновероятно любое из этих возможных решений, и 0.N).

И вот именно это свойство квантового компьютера — константность времени выполнения по отношению к возрастающей по степенному закону сложности пространства решений и является ключевым.

Кубит и параллельные миры

Как же это происходит? Что позволяет квантовому компьютеру так быстро производить расчеты? Все дело в квантовой природе кубита.

Смотрите, мы говорили, что кубит как квантовый объект реализует одно из двух своих состояний при его наблюдении, но в “живой природе” находится в суперпозиции состояний, то есть находится в обоих своих граничных состояниях одновременно (с некоторой вероятностью).

Возьмем (А)ндрея и представим его состояние (в каком он транспортном средстве — 0 или 1) как кубит. Тогда у нас возникает (в квантовом пространстве) два параллельных мира, в одном (А) сидит в такси 0, в другом мире — в такси 1. Одновременно в двух такси, но с некоторой вероятность найти его в каждом из них при наблюдении.N параллельных процессов решения, каждый из которых работает над одним возможным вариантом, потом собирает результаты работы — и выдает нам ответ в виде суперпозиции решения (вероятностного распределения ответов), из которого мы каждый раз (при каждом эксперименте ) семплируем одно.

Запомните время, необходимое нашему экспериментатору (150 мкс) для проведения эксперимента, это пригодится нам чуть дальше, когда мы будем говорить об основных проблемах квантовых компьютеров и о времени декогеренции.



(к оглавлению)

Как уже говорилось, обычные алгоритмы, основанные на бинарной логике, неприменимы к квантовому компьютеру, использующему квантовую логику (квантовые вентили). Для него пришлось придумывать новые, в полной мере использующие потенциал, заложенный в квантовую природу вычислений.

Наиболее известные на сегодняшний день алгоритмы это:



В отличие от классических, квантовые компьютеры не универсальны.
До сих пор найдено лишь небольшое число квантовых алгоритмов.(С)

Спасибо oxoron за ссылку на Quantum Algorithm Zoo, место, где, по уверениям автора («Stephen Jordan»), собраны и продолжают собираться лучшие представители квантово-алгоритмического мира.

В данной статье мы не будем подробно разбирать квантовые алгоритмы, в Сети много прекрасных материалов на любой уровень сложности, но кратко пробежаться по трем самым известным все-таки надо.



Алгоритм Шора.

(к оглавлению)

Наиболее известным квантовым алгоритмом является алгоритм Шора (придумал в 1994 году английский математик Питер Шор), который нацелен на решение задачи разложения чисел на простые множители (задача факторизации, дискретного логарифма).

Именно этот алгоритм приводят в пример, когда пишут о том, что ваши банковские системы и пароли скоро будут взломаны. Учитывая, что длина используемых на сегодняшний день ключей не менее чем 2048 бит, время для шапочки еще не пришло.

На сегодняшний день результаты более чем скромные. Лучшие результаты факторизации с помощью алгоритма Шора — числа 15 и 21, что сильно меньше, чем 2048 бит. Для остальных результатов из таблицы применялся иной алгоритм расчетов, но даже лучший по этому алгоритму результат (291311) сильно далек от реального применения.

Подробнее про алгоритм Шора можно почитать, например, вот тут. Про практическую реализацию — тут.

Одна из текущих оценок сложности и необходимой мощности для факторизации числа из 2048 бит это компьютер с 20 миллионами кубитов. Спим спокойно.



Алгоритм Гровера

(к оглавлению)

Алгоритм Гровера — квантовый алгоритм решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения F(X) = 1, где F — есть булева функция от n переменных. Был предложен американским математиком Ловом Гровером в 1996 году.

Алгоритм Гровера может быть использован для нахождения медианы и среднего арифметического числового ряда. Кроме того, он может применяться для решения NP-полных задач путем исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Это может повлечь значительный прирост скорости по сравнению с классическими алгоритмами, хотя и не предоставляя «полиномиального решения» в общем виде.(С)

Подробнее можно почитать вот тут, или тут. Еще вот тут есть хорошее объяснение алгоритма на примере ящиков и мяча, но, к сожалению, по независящим ни от кого причинам, данный сайт у меня из России не открывается. Если у вас этот сайт тоже заблокирован, то вот краткая выжимка:

Алгоритм Гровера. Представьте, что у вас имеется N штук пронумерованных закрытых коробок. Они все пустые кроме одной, в которой находится мячик. Ваша задача: узнать номер коробки, в которой находится мячик (этот неизвестный номер часто обозначают буквой w).

Как решать эту задачу? Самым тупым способом, по очереди открывать коробки, и рано или поздно вы наткнетесь на коробку с мячиком. А сколько в среднем коробок нужно проверить до того, как будет обнаружена коробка с мячиком? В среднем нужно открыть примерно половину коробок N/2. Главное здесь то, что если мы увеличим число коробок в 100 раз, то в те же 100 раз увеличится и среднее число коробок, которые нужно открыть до того, как будет найдена коробка с мячиком.

Теперь сделаем ещё одно уточнение. Пусть мы не сами открываем коробки руками и проверяем наличие мячика в каждой, а имеется некий посредник, назовем его Оракул (Oracle). Мы говорим Оракулу — «проверь коробку номер 732», и Оракул честно проверяет и отвечает «в коробке номер 732 мячика нет». Теперь вместо слов о том, сколько коробок нам нужно в среднем открыть, мы говорим «сколько раз в среднем мы должны обратиться к Оракулу для того, чтобы найти номер коробки с мячиком»

Оказывается, что если перевести эту задачу с коробками, мячиком и Оракулом на квантовый язык, то выходит замечательный результат: для поиска номера коробки с мячиком среди N коробок нам нужно потревожить Оракула всего примерно SQRT(N) раз!

То есть сложность задачи перебора используя алгоритм Гровера снижается в квадратный корень раз.



Алгоритм Дойча-Йожи

(к оглавлению)

Алгоритм Дойча — Йожи (упоминается также как алгоритм Дойча — Джозы) — [квантовый алгоритм](https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC), предложенный Давидом Дойчем и Ричардом Йожей в 1992 году, и ставший одним из первых примеров алгоритмов, предназначенных для выполнения на квантовых компьютерах. _

Задача Дойча — Йожи заключается в определении, является ли функция нескольких двоичных переменных F(x1, x2, … xn) постоянной (принимает либо значение 0, либо 1 при любых аргументах) или сбалансированной (для половины области определения принимает значение 0, для другой половины 1). При этом считается априорно известным, что функция либо является константой, либо сбалансирована. (С)

Еще можно почитать тут. Более простое объяснение:

Алгоритм Дойча (Дойча — Йожи) основан на переборе, но позволяет делать его быстрее обычного. Представьте, что на столе лежит монета и необходимо узнать фальшивая ли она или нет. Для этого нужно дважды посмотреть на монету и определить: «орел» и «решка» – настоящая, два «орла», две «решки» — фальшивая. Так вот, если использовать квантовый алгоритм Дойча, то это определение можно сделать одним взглядом – измерением. (С)



(к оглавлению)

При проектировании и эксплуатации квантовых компьютеров перед учеными и инженерами возникает огромное количество проблем, которые на сегодняшний день решаются с переменным успехом. Согласно исследованию (и еще вот тут) можно выделить следующий ряд проблем:


  • Чувствительность к окружению и взаимодействию с окружением
  • Накопление ошибок при вычислениях
  • Сложности с начальной инициализации состояний кубитов
  • Сложности с созданием многокубитных систем

Крайне рекомендую прочитать статью “Характеристики квантовых компьютеров”, особенно комментарии к ней.

Давайте организуем все основные проблемы в три большие группы и рассмотрим поподробнее каждую из них:



Декогеренция

(к оглавлению)

Описание от N+1.

Квантовое состояние очень хрупкая штука, кубиты в запутанном состоянии крайне нестабильны, любое внешнее воздействие может разрушить (и разрушает) эту связь. Изменение температуры на мельчайшую долю градуса, давление, пролетевший рядом случайный фотон — все это дестабилизирует нашу систему.

Для решения этой проблемы строят низкотемпературные саркофаги, в которых температура (-273.14 градуса цельсия) чуть-чуть выше абсолютного ноля, с максимальной изоляцией внутренней камеры с процессором от всех (возможных) воздействий внешней среды.


Максимальное время жизни квантовой системы из нескольких запутанных кубитов, в течение которого она сохраняет свои квантовые свойства и может быть использована для произведения вычислений, называют временем декогеренции.

На текущий момент время декогеренции в лучших квантовых решениях составляет порядка десятков и сотен микросекунд.

Есть прекрасный сайт, на котором можно посмотреть сравнительные таблицы параметров всех созданных квантовых систем. В эту статью для примера вынесены только два топовых процессора — от IBM IBM Q System One и от Google Sycamore. Как мы видим, время декогеренции (Т2) не превышает 200 мкс.

Я не нашел точных данных по Sycamore, но в самой статье о квантовом превосходстве приводятся две цифры — 1 миллион вычислений за 200 секунд, в другом месте — за 130 секунд без потерь на управляющие сигналы и прочее. В любом случае это дает нам время декогеренции порядка 150 мкс. Помните нашего экспериментатора с мешком? Ну так вот он.


Чем нам грозит декогеренция?


Основная проблема в том, что через 150 мкс наша вычислительная система из N запутанных кубитов начнет выдавать на выходе вместо вероятностного распределения правильных решений — вероятностный белый шум.

То есть нам надо:


  • Инициализировать систему кубитов
  • Провести вычисление (цепочка вентильных операций)
  • Считать результат

И сделать все это за 150 мкс. Не успел — результат превратился в тыкву.

Но это еще не все…



Ошибки

(к оглавлению)

Как мы уже говорили, квантовые процессы и квантовые вычисления имеют вероятностную природу, мы не можем быть уверены на 100% ни в чем, а только с какой-то вероятностью. Ситуация усугубляется еще и тем, что квантовые вычисления подвержены ошибкам. Основные типы ошибок при квантовых вычислениях это:


  • Ошибки декогеренции, обусловлены сложностью системы и взаимодействием с внешней средой
  • Вычислительные ошибки гейтов (обусловлены квантовой природой вычислений)
  • Ошибки считывания финального состояния (результата)

Ошибки, связанные с декогерентностью, возникают сразу же, как только мы запутали наши кубиты и начали производить вычисления. Чем больше кубитов мы запутали, тем сложнее система, и тем легче ее разрушить. Низкотемпературные саркофаги, защищенные камеры, все эти технологические ухищрения как раз направлены на то, чтобы снизить число ошибок и продлить время декогеренции.

Вычислительные ошибки гейтов — любая операция (вентиль) над кубитами может с некоторой вероятностью завершиться с ошибкой, а нам для реализации алгоритма нужно выполнить сотни вентилей, вот и представьте, что мы получим в конце выполнения нашего алгоритма. Классический вариант ответа на вопрос — “Какова вероятность встретить динозавра в лифте?” — 50х50, или встретишь или нет.

Проблема еще усугубляется тем, что стандартные методы коррекции ошибок (дублирование вычислений и усреднение) в квантовом мире не работают из-за теоремы о запрете клонирования. Для коррекции ошибок в квантовых вычислениях пришлось придумать квантовые же методы коррекции. Грубо говоря мы берем N обычных кубитов и делаем из них 1 логический кубит с меньшим уровнем ошибок.

Но тут возникает другая проблема — общее количество кубитов. Смотрите, допустим у нас есть процессор со 100 кубитами, из которых 80 кубитов заняты коррекцией ошибок, тогда нам для вычислений остается только 20.

Ошибки считывания финального результата — как мы помним, результат квантовых вычислений нам представлен в виде вероятностного распределения ответов. Но считывание финального состояния тоже может завершиться с ошибкой.

На том же сайте есть сравнительные таблицы процессоров по уровням ошибок. Для сравнения возьмем те же процессоры, что и в предыдущем примере — IBM IBM Q System One и Google Sycamore:


Здесь фиделити — мера схожести двух квантовых состояний. Величину ошибки можно грубо представить как 1-Fidelity. Как мы видим, ошибки на 2-х кубитных гейтах и ошибки считывания являются главным препятствием к выполнению сложных и длинных алгоритмов на существующих квантовых компьютерах.

Еще можно почитать роадмап от 2016 года от NQIT по решению задачи коррекции ошибок.



Архитектура процессора

(к оглавлению)

В теории мы строим и оперируем схемами из десятков запутанных кубитов, в реальности же все сложнее. Все существующие квантовые чипы (процессоры) построены таким образом, что обеспечивают безболезненное запутывание одного кубита только со своими соседями, которых не больше шести.

Если же нам надо запутать 1-й кубит, скажем, с 12-м, то нам придется строить цепочку дополнительных квантовых операций, задействовать дополнительные кубиты и прочее, что увеличивает общий уровень ошибок. Да, и не забывайте про время декогеренции, возможно к тому моменту, когда вы закончите связывать кубиты в нужную вам схему, время закончится и вся схема превратится в симпатичный генератор белого шума.

Также не забывайте, что архитектура у всех квантовых процессоров разная, и программу, написанную в эмуляторе в режиме “связность всех со всеми” нужно будет “перекомпилировать” в архитектуру конкретного чипа. Есть даже специальные программы оптимизаторы для выполнения этой операции.

Максимальная связность и максимальное количество кубитов для тех же топовых чипов:


И, для сравнения, таблица с данными предыдущего поколения процессоров. Сравните количество кубитов, время декогеренции и процент ошибок с тем, что мы имеем сейчас у нового поколения. Все-таки прогресс потихоньку, но движется.

Итак:


  • На текущий момент нет полносвязных архитектурных схем из > 6 кубитов
  • Чтобы на реальном процессоре запутать кубит 0 с, например, 15-м может потребоваться несколько десятков дополнительных операций
  • Больше операций -> больше ошибок -> сильнее влияние декогерентности



Итоги

(к оглавлению)

Декогеренция — прокрустово ложе современных квантовых вычислений. В 150 мкс мы должны уложить все:


  • Инициализацию начального состояния кубитов
  • Вычисление задачи с использованием квантовых гейтов
  • Провести коррекцию ошибок, чтобы получить значимый результат
  • Считать полученный результат

Пока результаты неутешительные, хотя вот тут заявляют о достижении 0.5с времени удержания когерентности на квантовом компьютере, основанном на ионных ловушках:

We measure a qubit coherence time in excess of 0.5 s, and with magnetic shielding we expect this to improve to be longer than 1000 s

Про эту технологию еще можно почитать здесь или, например, здесь.

Ситуация осложняется еще и тем, что при совершении сложных вычислений необходимо использовать квантовые схемы коррекции ошибок, что тоже отъедает и время, и доступные кубиты.

Ну и, наконец, современные архитектуры не позволяют с минимальными затратами реализовать схемы запутанности лучше, чем 1 к 4 или 1 к 6.



(к оглавлению)

Для решения вышеуказанных проблем, в настоящее время используют следующие подходы и методы:


  • Использование криокамер с низкими температурами (10 мК (–273,14°C))
  • Использование максимально защищенных от внешних воздействий процессорных блоков
  • Использование систем квантовой коррекции ошибок (Логический кубит)
  • Использование оптимизаторов при программировании схем для конкретного процессора

Также проводятся исследования, направленные на увеличение времени декогеренции, на поиск новых (и доработку известных) физических реализаций квантовых объектов, на оптимизацию схем коррекции и прочее и прочее. Прогресс есть (посмотрите выше на характеристики более ранних и топовых на сегодняшний день чипов), но пока идет медленно, очень очень медленно.



(к оглавлению)

2000-кубитный компьютер D-Wave 2000Q. Источник: D-Wave Systems

На фоне заявления Google о достижении квантового превосходства используя процессор с 53-мя кубитами, компьютеры и анонсы от компании D-Wave, в которых число кубитов исчисляется тысячами, несколько сбивает с толку. Ну действительно, если 53 кубита смогли достичь квантового превосходства, то на что же способен компьютер с 2048 кубитами? Но не все так хорошо…

Если коротко (взято из вики):


Компьютеры D-Wave работают на принципе квантовой релаксации (квантовый отжиг), могут решать крайне ограниченный подкласс задач оптимизации, и не подходят для реализации традиционных квантовых алгоритмов и квантовых вентилей.

Более подробно можно почитать, например, тут, тут (осторожно, может не открываться из России), или у Scott Aaronson в статье из его блога. Кстати, очень рекомендую почитать вообще его блог, там много хорошего материала

Вообще с самого начала анонсов у научного сообщества возникали вопросы к компьютерам D-Wave. Например, в 2014 году IBM поставила под сомнение факт, что D-Wave использует квантовые эффекты. Дело дошло до того, что в 2015 году Google вместе с NASA купила один из таких квантовых компьютеров и после исследований подтвердила, что таки да, компьютер работает и вычисляет задачу быстрее, чем обычный. Еще про заявление Google можно почитать тут и, например, тут.


Главное, что компьютеры D-Wave, с их сотнями и тысячами кубитов нельзя использовать для вычисления и запуска квантовых алгоритмов. На них нельзя запустить алгоритм Шора, например. Все, что они могут — это используя определенные квантовые механизмы решать определенную задачу оптимизации. Можно считать, что D-Wave это такой квантовый ASIC для конкретной задачи.


(к оглавлению)

Квантовые вычисления можно эмулировать на обычном компьютере.63 комплексных умножений — 4 Пфлопс суперкомпьютера на протяжении 4 часов


Эмуляция квантового компьютера из 50+ кубит на классических системах считается невыполнимой за разумное время. В том числе из-за этого факта Google использовал для своего эксперимента с квантовым превосходством процессор с 53-мя кубитами.


(к оглавлению)

Википедия дает нам следующее определение квантового вычислительного превосходства:


Ква́нтовое превосхо́дство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить.

Фактически достижение квантового превосходства означает, что, например, факторизацию больших чисел по алогритму Шора можно решать за адекватное время, или можно эмулировать на квантовом уровне сложные химические молекулы, и так далее. То есть новая эпоха наступила.

Но в формулировке определения есть некоторая лазейка, “которые классические компьютеры практически не могут решить”. Фактически это означает, что если создать квантовый компьютер из 50+ кубитов и запустить на нем некоторую квантовую схему, то, как мы рассматривали выше, результат работы этой схемы невозможно будет сэмулировать на обычном компьютере. То есть классический компьютер воссоздать результат работы такой схемы будет не в состоянии.

Является ли такой результат реальным квантовым превосходством или нет, вопрос скорее философский. Но понимать, что сделал Google, и на чем основано его недавнее заявление о достижении квантового превосходства на своем новом процессоре Sycamore надо.



(к оглавлению)


54-кубитный процессор Sycamore

Итак, в октябре 2019 года разработчики Google опубликовали в научном издании Nature статью «Квантовое превосходство с применением программируемого сверхпроводящего процессора». Авторы объявили о достижении впервые в истории квантового превосходства с помощью 54-кубитного процессора «Sycamore».


В сети в статьях Sycamore часто упоминают то как 54-х кубитный процессор, то как 53-х. Истина в том, что согласно оригинальной статье, процессор физически состоит из 54-х кубитов, но один из них нерабочий и выведен из эксплуатации. Таким образом, в реальности мы имеем 53-х кубитный процессор.

В Сети тут же появилось множество материалов на эту тему, градус которых варьировался от восторженных до скептических.

Позднее сотрудники отдела квантовых вычислений компании IBM заявили, что Google ложно сообщила о достижении квантового превосходства. В компании утверждают, что обычный вычислитель справится с этой задачей в худшем случае за 2,5 дня, и при этом полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Такой вывод был сделан по итогам проведенного теоретического анализа нескольких способов оптимизации.

Ну и, конечно, Scott Aaronson в своем блоге не смог обойти своим вниманием это заявление. Его анализ вместе со всеми ссылками и Scott’s Supreme Quantum Supremacy FAQ! как обычно стоят того, чтобы потратить на них свое время. На хабре есть перевод этого FAQ, и обязательно почитайте комментарии, там есть ссылки на предварительные документы, утекшие в Сеть до официального объявления.

Что же в реальности сделал Google? Для детального понимания почитайте Ааронсона, а кратко вот:

Я могу, конечно, вам сказать, но чувствую себя при этом глуповато. Вычисление такое: экспериментатор генерирует случайную квантовую схему С (т.е. Случайную последовательность 1-кубитных и 2-кубитных — между ближайшими соседями — вентилей, с глубиной к примеру в 20, действующую на 2D сеть n=50-60 кубитов). После этого экспериментатор посылает С на квантовый компьютер, и просит его применить С к начальному состоянию из 0, измерить результат в базисе {0,1}, послать обратно n-битную наблюдаемую последовательность (строку) и повторить несколько тысяч или миллионов раз. Наконец, используя свое знание о С, экспериментатор проводит статистическую проверку на соответствие результата с ожидаемым выходом от квантового компьютера.

Совсем коротко:


  • Создается случайная схема длиной 20 из 53 кубитов используя вентили
  • Схема запускается с начальным состоянием [0…0] на выполнение
  • Выход схемы представляет собой случайную битовую строку (семпл)
  • Распределение результата не является случайным (интерференция)
  • Распределение полученных семплов сравнивается с ожидаемым
  • Делается вывод о квантовом превосходстве

То есть Google реализовал синтетическую задачу на 53-х кубитном процессоре, и свое заявление о достижении квантового превосходства основывает на факте невозможности эмуляции такого процессора на стандартных системах за разумное время.

Для понимания — в этом разделе нисколько не умаляется достижение Google, инженеры действительно молодцы, а вопрос о том можно считать это реальным квантовым превосходством или нет, как уже говорилось ранее, скорее философский, чем инженерный. Но надо понимать, что достигнув такого вычислительного превосходства мы ни на шаг не продвинулись к возможности запускать алгоритм Шора на 2048-и битных числах.



(к оглавлению)


Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — очень многообещающая, очень молодая и пока малоприменимая в промышленном плане область информационных технологий.

Развитие квантовых вычислений позволит (когда-нибудь) решать задачи:


  • Моделирования сложных физических систем на квантовом уровне
  • Нерешаемые на обычном компьютере из-за вычислительной сложности

Основные проблемы при создании и эксплуатации квантовых компьютеров:


  • Декогеренция
  • Ошибки (декогеренции и вентильные)
  • Архитектура процессоров (полносвязные схемы кубитов)

Состояние дел на текущий момент:


  • По факту — самое начальное R&D.
  • РЕАЛЬНОЙ коммерческой эксплуатации еще нет (и непонятно, когда будет)

Что может помочь:


  • Какое-то физическое открытие, снижающее затраты на обвязку и эксплуатацию процессоров
  • Открытие чего-то, что на порядок увеличит время декогеренции и/или снизит число ошибок

На мой взгляд (исключительно личное мнение), в текущей научной парадигме знаний мы не добьемся значительных успехов в развитии квантовых технологий, тут нужен качественный прорыв в какой-либо области фундаментальной или прикладной науки, который даст толчок новым идеям и методам.

Ну а пока — нарабатываем опыт в квантовом программировании, собираем и создаем квантовые алгоритмы, тестируем идеи и прочее и прочее. Ждем прорыва.



(к оглавлению)

В этой статье мы с вами прошлись по основным вехам развития квантовых вычислений и квантовых компьютеров, разобрали принцип их работы, рассмотрели основные проблемы, стоящие перед инженерами при разработке и эксплуатации квантовых процессоров, а также посмотрели что на самом деле представляют из себя многокубитные компьютеры D-Wave и недавнее заявление Google о достижении квантового превосходства.

За кадром остались вопросы программирования квантовых компьютеров (языки, подходы, методы и т.д.) и вопросы, связанные с конкретной физической реализацией процессоров, как происходит управление кубитами, связывание, считывание и т.д. Возможно, это будет тема следующей статьи или статей.

Спасибо за внимание, надеюсь эта статья будет кому-нибудь полезной.

(С) Kruegger



(к оглавлению)

@Oxoron за вычитку и замечания по исходному тексту, а также за статью “Характеристики квантовых компьютеров”

@a5b за информационно-насыщенные комментарии к “Характеристики квантовых компьютеров”, да и не только к ней, которые во многом помогли мне разобраться с этим пазлом.

Всем авторам статей и публикаций, материалы которых были использованы при написании этой статьи.



(к оглавлению)



Статьи с Хабра (в случайном порядке)
Неотсортированные (но не менее интересные) статьи с просторов Сети
Курсы и лекции

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Сей­час мно­го гово­рят о новых тех­но­ло­ги­ях вычис­ле­ния — в част­но­сти, то и дело зву­чат сло­ва «кван­то­вые вычис­ле­ния», «кван­то­вый интер­нет» и даже «кван­то­вая крип­то­гра­фия». Посмот­рим, что это такое и нуж­но ли оно нам. Нач­нём с кван­то­во­го компьютера. 

Биты и кубиты

В обыч­ном ком­пью­те­ре все вычис­ле­ния осно­ва­ны на поня­тии «бит». Это такой эле­мент, кото­рый может при­ни­мать зна­че­ния 0 или 1. Физи­че­ски это реа­ли­зо­ва­но так:

  1. В ком­пью­те­ре есть деталь под назва­ни­ем тран­зи­стор. Пред­ставь­те, что это кран на тру­бе: если его вклю­чить, вода польёт­ся, если выклю­чить — остановится.
  2. В тран­зи­сто­ре вода — это элек­три­че­ство, и включение-выключение кра­на тоже зави­сит от элек­три­че­ства. Пред­ставь­те, что кра­ны соеди­не­ны меж­ду собой так, что вода из одно­го кра­на вклю­ча­ет или выклю­ча­ет дру­гой кран, — и так кас­ка­дом по цепочке.
  3. Тран­зи­сто­ры соеди­не­ны таким хит­рым обра­зом, что когда они вклю­ча­ют­ся и выклю­ча­ют­ся, на них мож­но про­из­во­дить мате­ма­ти­че­ские вычисления.
  4. Из-за того, что тран­зи­сто­ров очень мно­го (мил­ли­ар­ды), а рабо­та­ют они очень быст­ро (близ­ко к ско­ро­сти све­та), тран­зи­стор­ные ком­пью­те­ры могут очень быст­ро совер­шать мате­ма­ти­че­ские вычисления.
  5. Всё, что вы види­те в ком­пью­те­ре, — это про­из­вод­ные от вычис­ле­ний. Вы види­те окно, бук­вы, кар­тин­ки, а где-то в самой-самой глу­бине это про­сто сло­же­ние и вычи­та­ние, а ещё глуб­же — включение-выключение кра­нов с элек­три­че­ством на ско­ро­сти света. 

Тран­зи­стор в ком­пью­те­ре может при­ни­мать зна­че­ние 1 или 0, то есть «вклю­чён» или «выклю­чен». С точ­ки зре­ния ком­пью­тер­ной логи­ки, этот тран­зи­стор назы­ва­ет­ся битом. Это мини­маль­ная еди­ни­ца инфор­ма­ции в ком­пью­те­ре. Физи­че­ски бит может быть в про­цес­со­ре, на чипе памя­ти, на маг­нит­ном дис­ке, но суть одна: это какое-то физи­че­ское про­стран­ство, кото­рое опре­де­лён­но либо вклю­че­но, либо выключено.

Клю­че­вое сло­во здесь — «опре­де­лён­но». Про­грам­мист и инже­нер может точ­но узнать, в каком состо­я­нии нахо­дит­ся тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, ника­ких про­ме­жу­точ­ных состо­я­ний там не существует.

В кван­то­вом ком­пью­те­ре вме­сто битов — куби­ты. Куби­ты — это кван­то­вые части­цы, у кото­рых есть инте­рес­ная осо­бен­ность: кро­ме стан­дарт­ных 0 и 1 кубит может нахо­дить­ся меж­ду нулём и еди­ни­цей — это назы­ва­ют супер­по­зи­ци­ей. Нагляд­нее это вид­но на рисунке:


Кубит может при­ни­мать все зна­че­ния, кото­рые вид­ны на цвет­ной сфере 

Все решения уже известны

Ещё одна осо­бен­ность куби­тов — зави­си­мость зна­че­ния от изме­ре­ния. Это зна­чит, что про­грам­мист не узна­ет зна­че­ние куби­та до тех пор, пока его не изме­рит, а сам факт изме­ре­ния тоже вли­я­ет на зна­че­ние куби­та. Зву­чит стран­но, но это осо­бен­ность кван­то­вых частиц.

Имен­но бла­го­да­ря тому, что кубит нахо­дит­ся во всех состо­я­ни­ях одно­вре­мен­но до тех пор, пока его не изме­ри­ли, ком­пью­тер мгно­вен­но пере­би­ра­ет все воз­мож­ные вари­ан­ты реше­ния, пото­му что куби­ты свя­за­ны меж­ду собой. Полу­ча­ет­ся, что реше­ние ста­но­вит­ся извест­но сра­зу, как толь­ко вве­де­ны все дан­ные. Супер­по­зи­ция и даёт ту парал­лель­ность в вычис­ле­ни­ях, кото­рая уско­ря­ет рабо­ту алго­рит­мов в разы.

Вся слож­ность в том, что резуль­тат рабо­ты кван­то­во­го ком­пью­те­ра — это пра­виль­ный ответ с какой-то долей веро­ят­но­сти. И нуж­но стро­ить алго­рит­мы таким обра­зом, что­бы мак­си­маль­но при­бли­зить веро­ят­ность пра­виль­но­го отве­та к единице.


Рабо­чая тем­пе­ра­ту­ра внут­ри таких ком­пью­те­ров — минус 273 гра­ду­са по Цельсию 

Как делают кубиты и в чём сложность

Мак­си­маль­но упро­щён­но: что­бы полу­чить рабо­чий кубит, нуж­но взять один атом, мак­си­маль­но его зафик­си­ро­вать, огра­дить от посто­рон­них излу­че­ний и свя­зать с дру­гим ато­мом спе­ци­аль­ной кван­то­вой связью.

Чем боль­ше таких куби­тов свя­за­но меж­ду собой, тем менее ста­биль­но они рабо­та­ют. Для дости­же­ния «кван­то­во­го пре­вос­ход­ства» над обыч­ным ком­пью­те­ром нуж­но не менее 49 куби­тов — а это очень неустой­чи­вая система.

Основ­ная слож­ность — деко­ге­рен­ция. Это когда мно­го куби­тов зави­сят друг от дру­га и на них может повли­ять всё что угод­но: кос­ми­че­ские лучи, ради­а­ция, коле­ба­ния тем­пе­ра­ту­ры и все осталь­ные явле­ния окру­жа­ю­ще­го мира.

Такой «фазо­вый шум» — ката­стро­фа для кван­то­во­го ком­пью­те­ра, пото­му что он уни­что­жа­ет супер­по­зи­цию и застав­ля­ет куби­ты при­ни­мать огра­ни­чен­ные зна­че­ния. Кван­то­вый ком­пью­тер пре­вра­ща­ет­ся в обыч­ный — и очень медленный.

С деко­ге­рен­ци­ей мож­но бороть­ся раз­ны­ми спо­со­ба­ми. Напри­мер, ком­па­ния D-Wave, кото­рая про­из­во­дит кван­то­вые ком­пью­те­ры, охла­жда­ет ато­мы почти до абсо­лют­но­го нуля, что­бы отсечь все внеш­ние про­цес­сы. Поэто­му они такие боль­шие — почти всё место зани­ма­ет защи­та для кван­то­во­го процессора.


Кван­то­вый про­цес­сор на девя­ти куби­тах от Google 

Зачем нужны квантовые компьютеры

Одно из самых важ­ных при­ме­не­ний кван­то­во­го ком­пью­те­ра сей­час — раз­ло­же­ние на про­стые чис­ла. Дело в том, что вся совре­мен­ная крип­то­гра­фия осно­ва­на на том, что никто не смо­жет быст­ро раз­ло­жить чис­ло из 30–40 зна­ков (или боль­ше) на про­стые мно­жи­те­ли. На обыч­ном ком­пью­те­ре на это уйдёт мил­ли­ар­ды лет. Кван­то­вый ком­пью­тер смо­жет это сде­лать при­мер­но за 18 секунд.

Это озна­ча­ет, что тайн боль­ше не будет, пото­му что любые алго­рит­мы шиф­ро­ва­ния мож­но будет сра­зу взло­мать и полу­чить доступ к чему угод­но. Это каса­ет­ся все­го — от бан­ков­ских пере­во­дов до сооб­ще­ний в мес­сен­дже­ре. Воз­мож­но, насту­пит инте­рес­ный момент, когда обыч­ное шиф­ро­ва­ние пере­ста­нет рабо­тать, а кван­то­вое шиф­ро­ва­ние ещё не изобретут.

Ещё кван­то­вые ком­пью­те­ры отлич­но под­хо­дят для моде­ли­ро­ва­ния слож­ных ситу­а­ций, напри­мер, рас­чё­та физи­че­ских свойств новых эле­мен­тов на моле­ку­ляр­ном уровне. Это, воз­мож­но, поз­во­лит быст­рее нахо­дить новые лекар­ства или решать слож­ные ресур­со­ём­кие задачи.

Сей­час кван­то­вые ком­пью­те­ры все­го это­го не уме­ют — они слиш­ком слож­ные в про­из­вод­стве и очень неста­биль­ные в рабо­те. Мак­си­мум, что мож­но пока сде­лать, — зато­чить кван­то­вый ком­пью­тер под един­ствен­ный алго­ритм, что­бы полу­чить на нём колос­саль­ный выиг­рыш в про­из­во­ди­тель­но­сти. Как раз для этих целей их и заку­па­ют круп­ней­шие ком­па­нии — что­бы быст­рее решать одну-две самые важ­ные для себя задачи.

Что такое ботнет и как от него защититься

Что такое ботнет?

Ботнет или сеть ботов — это компьютерная сеть, состоящая из большого количества компьютеров, на которых скрытно установлено вредоносное ПО, позволяющее злоумышленникам удаленно выполнять любые действия с использованием вычислительных ресурсов зараженных машин. Сотни или даже тысячи зараженных компьютеров, как правило, используются для нелегальной и вредоносной деятельности — рассылки спама, вирусов, похищения личных данных или проведения DDoS-атак. На сегодняшний день ботнеты считаются одной из самых серьезных киберугроз.

Как появляются ботнеты?

Для того, чтобы ваш компьютер стал частью ботнета, он должен быть инфицирован специализированным вредоносным ПО, которое поддерживает контакт с удаленным сервером или с иным зараженным устройством, получая, таким образом, инструкции к действиям от злоумышленников, контролирующих данный ботнет. Кроме внушительных масштабов заражения, вредоносное ПО, используемое в целях создания ботнетов, по существу мало чем отличается от традиционных вредоносных программ.

Как распознать ботнет?

Обнаружить типичное для ботнета вредоносное ПО можно тем же самым способом, что и в случае со всеми иными вредоносными программами. Косвенными признаками могут быть медленная работа, странные действия, сообщения об ошибках или внезапный запуск вентилятора охлаждения во время того, как компьютер находится в режиме ожидания. Это возможные симптомы того, что кто-то удаленно использует ваш компьютер, ставший частью разветвленного ботнета.

Как удалить ПК из ботнета?

Доя того, чтобы удалить свой ПК из ботнета, необходимо удалить вредоносное ПО, с помощью которого злоумышленники осуществляют удаленный контроль за ним. Самым эффективным способом является антивирусное сканирование системы вашего компьютера, которое поможет обнаружить вредоносную программу и отстранить ее с компьютера.

Как избежать заражения вредоносным ПО, характерным для ботнета:
  • Установите качественное антивирусное решение на свой компьютер
  • Настройте автоматическое обновление всех сторонних программ
  • Будьте предельно осторожны при переходе по ссылкам, загрузке программ и открытии файлов
Иные способы защиты от риска стать частью ботнета:

Чтобы обезопасить свой компьютер от риска стать одним из ‘зомби’ в армии ботнета, старайтесь избегать любых подозрительных загрузок. Не переходите по ссылкам и не открывайте вложенных файлов из писем, отправители которых вам неизвестны, и будьте предельно внимательны при установке стороннего ПО на свой компьютер. Поддерживайте стороннее ПО обновленным и устанавливайте все самые свежие обновления операционной системы. Однако самое важное — это использование современной и качественной антивирусной защиты, например, антивируса Avast, который обеспечит надежную защиту компьютера от всех типов вредоносного ПО и поможет избежать инфицирования вашего компьютера и включения его в ботнет.

Что такое компьютер? — Определение из Техопедии

Что означает компьютер?

Компьютер — это машина или устройство, которое выполняет процессы, вычисления и операции на основе инструкций, предоставляемых программным или аппаратным обеспечением. Он имеет возможность принимать данные (ввод), обрабатывать их, а затем производить выходные данные.

Компьютеры также могут хранить данные для дальнейшего использования на соответствующих устройствах хранения и извлекать их, когда это необходимо.

Современные компьютеры — это электронные устройства, используемые для различных целей, от просмотра веб-страниц, написания документов, редактирования видео, создания приложений, игр в видеоигры и т. Д.

Они предназначены для выполнения приложений и предоставляют множество решений путем объединения интегрированных аппаратных и программных компонентов.

Техопедия объясняет компьютер

Самое раннее цифровое электронное устройство, которое можно назвать первым современным компьютером, — это Колосс. Построенный в 1943-44 годах, Colossus был разработан для взлома Lorenz SZ 40/42, немецкой шифровальной машины, которая использовалась для поддержки военной связи во время Второй мировой войны.

Устройство использовало 2400 электронных ламп для выполнения нескольких логических операций для декодирования зашифрованных данных.

Современные компьютеры бывают всех форм и размеров, чтобы выполнять широкий спектр различных функций. Хотя в первую очередь приходят на ум настольные и портативные компьютеры, многие другие менее сложные устройства, такие как продуктовые сканеры, банкоматы и смарт-телевизоры, также являются компьютерами.

Распространение смартфонов, игровых консолей, носимых и интеллектуальных устройств сделало компьютеры гораздо более доступными в нашей повседневной жизни.

Компьютер состоит из нескольких частей и компонентов, которые упрощают работу пользователя.

Компьютеры делятся на две основные категории:

Аппаратное обеспечение

Физическая структура, в которой находятся процессор компьютера, память, хранилище, порты связи и периферийные устройства. Каждый из этих компонентов (называемых устройствами) имеет различное назначение, которое может заключаться в приеме входных данных, хранении данных или отправке выходных данных.

Например, мышь и микрофон — это устройства ввода, используемые для записи действий пользователя и преобразования их в данные, которые передаются в системный блок.Жесткий диск — это блок хранения данных, в котором данные хранятся и доступны для других устройств.

Монитор или динамик — это устройства вывода, которые преобразуют обработанные данные в (соответственно) видео- и аудиосигналы.

Обычно основными компонентами, которые представляют собой минимум, позволяющий компьютеру функционировать, являются:

Процессор (ЦП)

Компонент, который обрабатывает и выполняет входные данные, полученные от оборудования и программного обеспечения.

Материнская плата

Материнская плата, обеспечивающая базовое соединение между всеми остальными аппаратными компонентами и устройствами (внутренними и внешними).

Память (RAM)

Пространство для временного хранения данных, в котором хранится информация, активно используемая ЦП.

Запоминающее устройство

Запоминающее устройство, на котором данные хранятся на постоянной основе. Он медленнее, но менее энергозависим, чем ОЗУ.

Блок питания

Это говорит само за себя: без питания ни одно электронное устройство не может работать!

Программное обеспечение

Все части компьютера, которые не являются строго физическими, такие как данные, программы, приложения, протоколы и т. Д., в широком смысле определяются как «программное обеспечение». Хотя программное обеспечение не имеет материальной формы, не менее важно получать информацию, кодировать, хранить и обрабатывать ее.

Компьютерное программное обеспечение включает в себя все исполняемые и неисполняемые данные, такие как документы, цифровые носители, библиотеки и онлайн-информацию. Операционная система (ОС) компьютера и все ее приложения также являются программным обеспечением.

Компьютер работает с программами, которые отправляются в его базовую аппаратную архитектуру для чтения, интерпретации и выполнения.

Компьютеры классифицируются в зависимости от вычислительной мощности, емкости, размера, мобильности и других факторов как персональные компьютеры (ПК), настольные компьютеры, портативные компьютеры, миникомпьютеры, карманные компьютеры и устройства, мэйнфреймы или суперкомпьютеры.

Портативный компьютер

: что это такое?

Портативный компьютер — это небольшой персональный компьютер. Они спроектированы так, чтобы быть более портативными, чем традиционные настольные компьютеры, и обладают многими из тех же возможностей. Ноутбуки можно сложить для транспортировки, они имеют встроенную клавиатуру и тачпад.

Большинство ноутбуков достаточно мощны для повседневного административного использования в бизнесе, дома или в школе. Однако, если пользователь выполняет графические операции, такие как 3D-рендеринг или кодирование фильмов, ему потребуется более продвинутый и мощный ноутбук. Какими бы продвинутыми ни были ноутбуки, топовые по-прежнему не могут конкурировать с высокопроизводительными настольными компьютерами и рабочими станциями, когда требуется вычислительная мощность.

Тип вашего ноутбука будет зависеть от вашей работы. Поскольку существует так много вариантов, важно знать, какие ноутбуки с разными характеристиками могут работать, чтобы вы могли выбрать подходящий для своего бизнеса и бюджета.

Что такое портативный компьютер?

Портативный компьютер меньше настольного компьютера, обычно менее трех дюймов в толщину и весит меньше, чем настольные компьютеры. Размер ноутбука делает его удобным для транспортировки в портфелях, рюкзаках и других сумках.

Устройство получило свое название от того, что им можно пользоваться, лежа на коленях человека, без необходимости использования стола или другой поверхности. Портативные компьютеры также могут называться портативными компьютерами, хотя под портативным компьютером обычно понимается компьютер, который меньше и легче портативного компьютера.

Как работает портативный компьютер?

Подобно персональным компьютерам, ноутбукам требуется источник питания — они могут быть подключены к розетке или работать от внутренней батареи. Портативные компьютеры можно использовать отдельно за столом или как настольный компьютер, подключив отдельный монитор, клавиатуру и мышь.

Эти небольшие компьютеры также можно подключить к док-станциям — устройствам, которые позволяют некоторым ноутбукам легко подключаться к периферийным устройствам, таким как мониторы и клавиатуры на столе, — а затем «отстыковывать» для удобного мобильного использования и транспортировки.

Такие компоненты, как процессоры, материнские платы, карты памяти, жесткие диски, видеокарты и интерфейсные устройства — все это элементы, из которых состоит портативный компьютер. Чем меньше эти компоненты, тем меньше и легче может быть ноутбук.

Однако недостатком меньшего размера является то, что меньшие компоненты, как правило, не могут работать так же быстро, как более крупные компоненты в определенных сценариях.

Производители компьютерных компонентов постоянно работают над уменьшением их размеров, сохраняя при этом производительность на максимально высоком уровне.Ноутбуки также рассчитаны на меньшее энергопотребление для работы, что также может снизить их возможности для интенсивной работы.

Эти факторы следует учитывать при выборе ноутбука для бизнеса или профессиональных нужд. Размер, необходимая производительность, операционная система и цена — все это аспекты, которые следует учитывать при выборе подходящего компьютера. Подходящий для вас зависит от того, как вы собираетесь его использовать.

Типы портативных компьютеров

Хотя нет конкретных типов ноутбуков, розничные продавцы обычно предоставляют им категории для потребителей, чтобы помочь им найти тот, который им подходит.Вот некоторые из этикеток, которые вы можете найти в розничной торговле:

  • Значение
  • Ежедневно
  • Игры
  • Профессиональный
  • Сверхпортативный или ноутбук

У недорогих ноутбуков обычно более низкая цена, с менее производительным оборудованием и меньшим объемом памяти и памяти для людей, которые выполняют только базовые вычисления, такие как несколько часов просмотра в Интернете, просмотра фильмов или написания статей.

Обычные ноутбуки могут иметь немного более высокую производительность с большим объемом памяти и памяти для людей, которые используют компьютеры больше, чем ценные пользователи.Это может быть тот, кто использует ноутбук для работы или учебы, но не требует значительной вычислительной мощности и хранилища для 3D-приложений, таких как 3D Max или игры.

Некоторые производители проектируют свои ноутбуки с возможностью обновления. Выбирая один, посмотрите, сможете ли вы установить больше памяти или места для хранения. Это может помочь ноутбукам более низкого уровня работать лучше при меньших затратах, чем покупка более производительных.

Игровые ноутбуки оснащены мобильными 3D-видеокартами и процессорами среднего и высокого класса, предназначенными для игр с интенсивным графическим отображением, при этом они могут выполнять все другие задачи, ожидаемые от компьютеров.

Профессиональные портативные компьютеры будут иметь графические карты, предназначенные для студийного использования, такого как создание и рендеринг трехмерной графики, анализ больших объемов данных или другое профессионально интенсивное использование. У них будут высокопроизводительные процессоры, больше памяти и больше хранилища для обработки требовательных рабочих нагрузок.

Сверхпортативные компьютеры и ноутбуки даже меньше ноутбуков. Обычно они жертвуют возможностями, периферийными портами и производительностью ради своего размера и цены.

Периферийные устройства

Ноутбуки имеют порты и другие интерфейсы, аналогичные настольным компьютерам, такие как USB-порты, сетевые интерфейсные карты, аудиоколонки, цифровые носители и слоты для карт памяти (например, устройства чтения SD-карт), которые часто встроены в портативный компьютер производителем. .Дополнительные периферийные устройства могут быть подключены к портативному компьютеру через доступные слоты расширения, через USB или последовательные порты или по беспроводной связи через соединение Bluetooth.

Сеть

У ноутбуков есть несколько способов подключения к сети. Беспроводное соединение или Wi-Fi — наиболее распространенный способ подключения ноутбука. Ноутбуки также могут иметь порты Ethernet, которые позволяют компьютеру подключаться к локальной сети (LAN) через кабель Ethernet.

Соединение Bluetooth — еще одно средство связи компьютера с устройствами или другими компьютерами.Например, мышь или клавиатуру Bluetooth можно подключить к ноутбуку по беспроводной сети. Ноутбук также может подключаться к смартфону через Bluetooth (это соединение также может быть выполнено через порт USB и кабель) для доступа в Интернет через мобильную сеть телефона. Это обычно называется «модем».

Ключевые выводы

  • Ноутбуки — это портативные компьютеры. Они имеют все те же компоненты и возможности традиционных настольных компьютеров, но меньше по размеру и могут складываться.
  • Ноутбуки обычно менее мощные, чем настольные компьютеры.
  • Есть разные категории ноутбуков, предназначенные для различного использования.
  • Многие ноутбуки поставляются с возможностью обновления определенных компонентов, чтобы адаптировать их к потребностям пользователя.

Что такое компьютер? | Вебопедия

Компьютер — это программируемая машина. Двумя основными характеристиками компьютера являются: он реагирует на определенный набор инструкций четко определенным образом и может выполнять предварительно записанный список инструкций (программу).

Определение современных компьютеров

Современные компьютеры бывают электронными и цифровыми. Фактические провода оборудования, транзисторы и схемы называются аппаратными средствами ; инструкции и данные называются , программное обеспечение .

Для всех компьютеров общего назначения требуются следующие аппаратные компоненты:

Помимо этих компонентов, многие другие позволяют базовым компонентам эффективно работать вместе. Например, каждому компьютеру требуется шина, по которой данные передаются от одной части компьютера к другой.

Классификация компьютеров: по размеру и мощности

Большинство людей ассоциируют персональный компьютер (ПК) с словосочетанием «компьютер». ПК — это небольшой и относительно недорогой компьютер, предназначенный для индивидуального использования. ПК основаны на микропроцессорной технологии, которая позволяет производителям размещать весь ЦП на одном кристалле.

Домашние персональные компьютеры можно использовать для множества различных приложений, включая игры, текстовый редактор, бухгалтерский учет и другие задачи.

Компьютеры обычно классифицируются по размеру и мощности следующим образом, хотя между ними существует значительное совпадение.Различия между компьютерными классификациями обычно становятся меньше по мере развития технологий, создавая более компактные, более мощные и недорогие компоненты.

  • Персональный компьютер : небольшой однопользовательский компьютер на базе микропроцессора. Помимо микропроцессора, персональный компьютер имеет клавиатуру для ввода данных, монитор для отображения информации и запоминающее устройство для сохранения данных.
  • Рабочая станция : мощный однопользовательский компьютер.Рабочая станция похожа на персональный компьютер, но имеет более мощный микропроцессор и более качественный монитор.
  • Миникомпьютер : многопользовательский компьютер, способный поддерживать от 10 до сотен пользователей одновременно.
  • Mainframe : мощный многопользовательский компьютер, способный поддерживать многие сотни или тысячи пользователей одновременно.
  • Суперкомпьютер : чрезвычайно быстрый компьютер, который может выполнять сотни миллионов инструкций в секунду.

    • Возникающей тенденцией, которая пытается выйти за рамки двоичных ограничений традиционных вычислений, являются квантовые вычисления

    Рекомендуемая литература: Учебное пособие по компьютерной архитектуре Webopedia представляет собой введение в основы компьютерных систем.

    Что такое компьютер? — Определение с сайта WhatIs.com

    Компьютер — это устройство, которое принимает информацию (в форме оцифрованных данных) и манипулирует ею для достижения определенного результата на основе программы, программного обеспечения или последовательности инструкций о том, как данные должны быть обработаны.

    Сложные компьютеры включают средства для хранения данных (включая программу, которая также является формой данных) в течение некоторого необходимого времени. Программа может быть неизменной и встроенной в аппаратное обеспечение компьютера (и называться логической схемой , , как на микропроцессорах), или различные программы могут быть предоставлены компьютеру (загружены в его хранилище и затем запущены администратором или пользователем). Сегодняшние компьютеры имеют оба вида программирования.

    Основные типы компьютеров

    Аналоговый компьютер — представляет данные в измеряемых величинах
    Настольный компьютер — персональный компьютер, который умещается на столе и часто используется для бизнеса или игр
    Цифровой компьютер — работает с числами, выраженными цифрами
    Гибридный компьютер — сочетает в себе функции как аналогового, так и цифрового компьютеры
    Портативный компьютер (ноутбук) — легко транспортируемый компьютер, который меньше чемодана.
    Мейнфрейм (большой железный) — компьютер — централизованный компьютер, используемый для крупномасштабных вычислений.
    Микрокомпьютер — обычно именуемый ПК (персональный компьютер).Использует один встроенный микропроцессор с полупроводниковым кристаллом.
    Миникомпьютер — устаревший термин для обозначения компьютера, который меньше мэйнфрейма и больше микрокомпьютера
    Нетбук — меньшая и менее мощная версия портативного компьютера
    Персональный компьютер (ПК) — цифровой компьютер, предназначенный для использования одним человеком в a time
    Смартфон — сотовый телефон со встроенным компьютером
    Суперкомпьютер — высокопроизводительный компьютер, работающий на чрезвычайно высоких скоростях
    Планшетный компьютер (планшетный ПК) — беспроводной персональный компьютер с сенсорным экраном
    Рабочая станция — оборудование, предназначенное для одного пользователь для выполнения специализированного технического / научного задания

    История современного компьютера

    Большинство историй современного компьютера начинается с аналитической машины, созданной Чарльзом Бэббиджем после математических идей Джорджа Буля, математика, который первым сформулировал принципы логики, присущие сегодняшним цифровым компьютерам.Говорят, что помощница и соавтор Бэббиджа, Ада Лавлейс, представила идеи программных циклов и подпрограмм и иногда считается первым программистом. Помимо механических калькуляторов, первые действительно полезные компьютеры начались с вакуумной лампы, ускоренной изобретением транзистора, который затем в большом количестве встроился в интегральные схемы, что в конечном итоге сделало возможным относительно недорогой персональный компьютер.

    Современные компьютеры по своей сути следуют идеям сохраненной программы, изложенной Джоном фон Нейманом в 1945 году.По сути, программа считывается компьютером по одной инструкции за раз, выполняется операция, а затем компьютер считывает следующую инструкцию.

    С середины 1900-х годов до настоящего времени развитие компьютеров делится на пять поколений. Хотя продолжительность года для каждого поколения варьируется в зависимости от справочного источника, наиболее известная временная шкала поколений представлена ​​ниже.

    1940 по 1956

    Компьютеры первого поколения были машинами размером с комнату, в которых использовались вакуумные лампы для схем и магнитные барабаны для ограниченного внутреннего хранилища.Эти машины использовали перфокарты для ввода данных и двоичный машинный код (язык). Примеры компьютеров первого поколения включают ABC (Atanasoff Berry Computer), Colossus, IBM 650 и EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer).

    с 1956 по 1963 год

    Компьютеры второго поколения заменили вакуумные лампы на транзисторы, использовали магнитную ленту для увеличения емкости, использовали BAL (базовый язык ассемблера) и продолжали использовать перфокарты для ввода.Транзисторы потребляли меньше энергии и выделяли меньше тепла, чем электронные лампы. Примеры компьютеров второго поколения включают IBM 7090, IBM 7094, IBM 1400 и UNIVAC (универсальный автоматический компьютер).

    1964 по 1971

    В компьютерах третьего поколения использовались ИС (интегральные схемы) с несколькими транзисторами и МОП-памятью (металл-оксид-полупроводник). Меньше, дешевле и быстрее, чем их предшественники, эти компьютеры использовали клавиатуру для ввода, мониторы для вывода и использовали языки программирования, такие как FORTRAN (перевод формул), COBOL (Common Business Oriented Language) и C-Language.Примеры компьютеров третьего поколения включают серии IBM 360 и IBM 370.

    с 1972 по 2010 год

    В компьютерах четвертого поколения использовались интегральные схемы и микропроцессоры с VLSI (очень крупномасштабная интеграция), RAM (оперативная память), ROM (постоянная память) и языки программирования высокого уровня, включая C и C ++. Создание и расширение всемирной паутины и облачных вычислений (возможность предоставлять размещенные услуги с использованием Интернета) значительно расширили вычислительные возможности в этот период.Примеры компьютеров четвертого поколения включают Macintosh от Apple и ПК от IBM.

    2010 г. и позже

    Компьютеры пятого поколения основаны на AI (искусственном интеллекте), используют крупномасштабные интегрированные микросхемы и более одного CPU (процессора). Компьютеры пятого поколения реагируют на ввод на естественном языке, решают очень сложные задачи, принимают решения с помощью логических (человеческих) рассуждений и используют квантовые вычисления и нанотехнологии (молекулярное производство). Компьютеры и программы пятого поколения позволяют нескольким программам (и компьютерам) одновременно работать над одной и той же задачей параллельно.

    Появление Интернета, облачных вычислений и передачи данных с высокой пропускной способностью позволяет быстро и эффективно распространять программы и данные по сети, в то время как прикладные программы и программное обеспечение делают компьютеры предпочтительными инструментами для таких вещей, как обработка текста, базы данных, электронные таблицы , презентации, ERP (планирование ресурсов предприятия), моделирование, образование, CMS (системы управления контентом), игры и инженерия.

    Компьютер Значение | 10 лучших определений компьютера

    Компьютер — это машина общего назначения, которая обрабатывает данные в соответствии с набором инструкций, временно хранящихся внутри.Компьютер и все подключенное к нему оборудование — это «железо». Инструкции, которые говорят компьютеру, что делать, — это «программное обеспечение». Программное обеспечение, которое управляет компьютером, называется «операционной системой», а программное обеспечение, которое вводит, обрабатывает и выводит данные для пользователя, называется «программой», «приложением». «или» приложение «. См. Операционную систему, приложение, как выбрать компьютер, концепцию хранимой программы и поколения компьютеров. ОЗУ и хранилище. Взаимодействие между временной памятью (ОЗУ) и постоянным хранилищем — вот как работают компьютеры.Инструкции (программное обеспечение) сначала записываются в ОЗУ, и компьютер выполняет их для ввода, обработки и вывода данных. ОЗУ является временным рабочим пространством, а хранилище является постоянным и включает любой жесткий диск, твердотельный накопитель (SSD), оптический диск. или USB-накопитель на том же компьютере или другом компьютере в сети. После внутренней обработки данных компьютер может отправить копию результатов из ОЗУ обратно в хранилище, на принтер или на другой компьютер в сети. Чем больше ОЗУ, тем с большим количеством программ и данных компьютер может быстро работать, а компьютеры начального уровня имеют как минимум два гигабайта ОЗУ.Чем больше места для хранения, тем больше данных можно сохранить. Компьютеры начального уровня обычно имеют не менее 512 ГБ (гигабайт) дискового хранилища или 128 ГБ хранилища SSD. Хранилище можно читать и записывать только большими блоками, называемыми «секторами», которые содержат сотни или тысячи байтов. Однако именно ОЗУ позволяет независимо управлять одним или несколькими байтами. Эта «однобайтовая адресация» является единственной причиной, по которой данные помещаются в ОЗУ для обработки. См. ОЗУ и хранилище по сравнению с памятью. Обработка (3 С) Компьютер выполняет всю обработку, «вычисляя», «сравнивая» и «копируя» данные в ОЗУ. Расчет — вычисление сумм и отслеживание Компьютер может складывать, вычитать, умножать и делить числа для вычисления денежных сумм, а также любых геометрических измерений. Вычислительные возможности компьютера позволяют ему отслеживать собственные внутренние итерации для множества задач. Сравнить — сопоставить один набор с другим Компьютер может просмотреть два набора данных и определить, равны ли они или какой набор имеет большее или меньшее значение. Сравнение выполняется для поиска, анализа и оценки данных для бесчисленных целей. Копирование — из одного места в другое Компьютер может переупорядочивать данные для организации и составления отчетов, копируя данные из одной области памяти в другую. Фактически, во Франции и Испании компьютер фактически называют «органайзером».

    Что такое квантовый компьютер?

    Технология использует квантовую физику для выполнения вычислений быстрее, чем когда-либо

    Квантовый компьютер IBM Q System One в исследовательском центре IBM в Нью-Йорке

    Misha Friedman / Getty Images

    Донна Лу

    Квантовые компьютеры — это машины, которые используют свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений.Это может быть чрезвычайно выгодно для определенных задач, где они могут значительно превзойти даже наши лучшие суперкомпьютеры.

    Классические компьютеры, в том числе смартфоны и ноутбуки, кодируют информацию в двоичных «битах», которые могут иметь значение 0 или 1. В квантовом компьютере основной единицей памяти является квантовый бит или кубит.

    Кубиты сделаны с использованием физических систем, таких как спин электрона или ориентация фотона. Эти системы могут одновременно иметь множество различных конфигураций, это свойство известно как квантовая суперпозиция.Кубиты также могут быть неразрывно связаны друг с другом с помощью явления, называемого квантовой запутанностью. В результате серия кубитов может одновременно представлять разные вещи.

    Например, восьми битов достаточно для классического компьютера для представления любого числа от 0 до 255. Но восьми кубитов достаточно, чтобы квантовый компьютер представлял каждое число от 0 до 255 одновременно. Нескольких сотен запутанных кубитов было бы достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной.

    Именно здесь квантовые компьютеры получают преимущество перед классическими. В ситуациях, когда существует большое количество возможных комбинаций, квантовые компьютеры могут рассматривать их одновременно. Примеры включают попытку найти простые множители очень большого числа или лучший маршрут между двумя местами.

    Однако также может быть множество ситуаций, когда классические компьютеры все равно будут превосходить квантовые. Таким образом, компьютеры будущего могут быть комбинацией обоих этих типов.

    На данный момент квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к потере квантовых свойств кубита. Этот процесс, известный как квантовая декогеренция, вызывает сбой системы, и это происходит тем быстрее, чем больше вовлечено частиц.

    Квантовым компьютерам необходимо защищать кубиты от внешнего вмешательства, либо физически изолировав их, поддерживая в холодном состоянии, либо подавляя их тщательно контролируемыми импульсами энергии.Дополнительные кубиты необходимы для исправления ошибок, которые закрадываются в систему.

    Только для подписчиков New Scientist

    Quantum Computing Definition

    Что такое квантовые вычисления?

    Квантовые вычисления — это область вычислений, ориентированная на развитие компьютерных технологий, основанных на принципах квантовой теории (которая объясняет поведение энергии и материала на атомном и субатомном уровнях). Используемые сегодня компьютеры могут кодировать информацию только в битах, принимающих значение 1 или 0, что ограничивает их возможности.

    С другой стороны, квантовые вычисления используют квантовые биты или кубиты. Он использует уникальную способность субатомных частиц, которая позволяет им существовать более чем в одном состоянии (т.е. 1 и 0 одновременно).

    Ключевые выводы

    • Квантовые вычисления — это исследование того, как использовать явления квантовой физики для создания новых способов вычислений.
    • Квантовые вычисления состоят из кубитов.
    • В отличие от обычного компьютерного бита, который может быть 0 или 1, кубит может быть любым из них или суперпозицией 0 и 1.
    • Мощность квантовых компьютеров растет экспоненциально с увеличением количества кубитов.
    • В этом отличие от классических компьютеров, в которых добавление транзисторов линейно увеличивает мощность.

    Понимание квантовых вычислений

    Суперпозиция и запутанность — две особенности квантовой физики, на которых основаны эти суперкомпьютеры. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять операции со скоростью, экспоненциально превышающей скорость обычных компьютеров, и при гораздо меньшем потреблении энергии.

    Область квантовых вычислений началась в 1980-х годах. Затем было обнаружено, что некоторые вычислительные задачи могут быть решены более эффективно с помощью квантовых алгоритмов, чем с их классическими аналогами.

    Квантовые вычисления могут внести большой вклад в области финансов, военного дела, разведки, разработки и открытия лекарств, аэрокосмического проектирования, коммунальных услуг (ядерный синтез), дизайна полимеров, искусственного интеллекта (ИИ) и поиска больших данных, а также цифрового производства.

    Его потенциал и прогнозируемый размер рынка привлекли к работе в области квантовых вычислений некоторые из самых известных технологических компаний, включая IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen и Amgen.

    40%

    Процент крупных компаний, планирующих к 2025 году создать инициативы в области квантовых вычислений, по данным Gartner.

    Квантовый компьютер vs.Классический компьютер

    Квантовые компьютеры обрабатывают информацию по-разному. В классических компьютерах используются транзисторы, которые имеют значение 1 или 0. В квантовых компьютерах используются кубиты, которые одновременно могут иметь значение 1 или 0. Количество связанных вместе кубитов экспоненциально увеличивает мощность квантовых вычислений. Между тем, соединение большего количества транзисторов увеличивает мощность только линейно.

    Классические компьютеры лучше всего подходят для повседневных задач, которые должен выполнять компьютер. Между тем квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования и анализа данных, например, для испытаний химических веществ или лекарств.Однако эти компьютеры необходимо держать в очень холодном состоянии. К тому же они намного дороже и сложнее в сборке.

    Достижения классических вычислений включают добавление памяти для ускорения работы компьютеров. Между тем квантовые компьютеры помогают решать более сложные задачи. Хотя квантовые компьютеры не могут работать с Microsoft Word лучше или быстрее, они могут быстрее решать сложные задачи.

    Например, разрабатываемый квантовый компьютер Google может помочь во многих процессах, таких как ускорение обучения машинному обучению или создание более энергоэффективных батарей.

    У квантовых вычислений есть ряд других приложений, включая безопасный обмен информацией. Другие методы включают борьбу с раком и различными проблемами со здоровьем, такими как рак, и разработка новых лекарств. Кроме того, квантовые компьютеры могут помочь улучшить радары и их способность обнаруживать такие вещи, как ракеты и самолеты. Другие области включают окружающую среду и использование квантовых вычислений для поддержания чистоты воды с помощью химических датчиков.

    Google в 2019 году доказал, что квантовый компьютер может решить проблему за считанные минуты, в то время как классическому компьютеру потребуется 10 000 лет.

    Реальный пример квантового компьютера

    Google (GOOG) тратит миллиарды долларов на свой план по созданию квантового компьютера к 2029 году. Компания открыла кампус в Калифорнии под названием Google AI, чтобы помочь ей достичь своей цели. Google инвестирует в эту технологию много лет. То же самое и с другими компаниями, такими как Honeywell International (HON) и International Business Machine (IBM). IBM ожидает, что в ближайшие годы удастся достичь основных этапов развития квантовых вычислений.

    Хотя некоторые компании создали персональные (хотя и дорогие) квантовые компьютеры, на коммерческой основе все еще нет ничего доступного. И есть интерес к квантовым вычислениям и их технологиям, и JPMorgan Chase и Visa изучают эту технологию. После разработки Google сможет запустить сервис квантовых вычислений через облако.

    Компании также могут получить доступ к квантовым технологиям, не создавая квантовый компьютер. IBM планирует создать к 2023 году квантовый компьютер на тысячу кубиков.На данный момент IBM разрешает доступ к своим машинам, если они являются частью ее квантовой сети. В сеть входят исследовательские организации, университеты и лаборатории.

    Microsoft также предлагает компаниям доступ к квантовым технологиям через платформу Azure Quantum. В этом отличие от Google, который не продает доступ к своим квантовым компьютерам.

    Часто задаваемые вопросы о квантовом компьютере

    Какая компания называлась «Quantum Computer Services, Inc.»?

    America Online (AOL) ранее была известна как Quantum Computer Services Inc.Впервые AOL начала свою деятельность в 1985 году как Quantum Computer Services. Компания была основана сотрудниками Control Video Corporation (CVC).

    Как построить квантовый компьютер?

    Создание квантового компьютера занимает много времени и стоит дорого. Google работает над созданием квантового компьютера в течение многих лет и потратил миллиарды долларов. Google рассчитывает, что квантовый компьютер будет готов к 2029 году, хотя IBM надеется, что к 2023 году у него появится квантовый компьютер на 1000 кубиков.

    Сколько стоит квантовый компьютер?

    Создание квантовых компьютеров по-прежнему стоит миллиарды. Однако китайская компания Shenzhen SpinQ Technology планирует продать потребителям настольный квантовый компьютер за 5000 долларов для школ и колледжей. В прошлом году компания начала продавать квантовый компьютер за 50 000 долларов.

    Насколько быстр квантовый компьютер?

    Квантовый компьютер во много раз быстрее классического компьютера и даже суперкомпьютера. Квантовый компьютер Google, Sycamore, провел расчеты, которые показали, что он в 158 раз быстрее, чем самый быстрый компьютер в мире, на саммите IBM 2019 года.

    Итог

    Квантовые вычисления отличаются от классических вычислений тем, как они работают и для чего используются.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *