Thursday, December 27, 2018

Что было до Большого взрыва: удивительная модель Вселенной


Василий Макаров

Команда физиков предложила новую модель того, как был устроен мир до Большого взрыва. По их мнению, наша Вселенная сообщается со своей зеркальной копией, где время идет задом наперед.

Незадолго до своей смерти Стивен Хоккинг в одном интервью сравнил пространственно-временные изменения, связанные с Большим взрывом, с Южным полюсом: «В мире нет ничего южнее Южного полюса — так же и до Большого взрыва не было ничего».

Однако другие физики утверждают, что существует нечто большее, чем пресловутый Большой взрыв. Некоторые предполагают, что «по ту сторону» этого события находится зеркальная Вселенная, где время движется в обратную сторону. Другие высказываются в пользу гипотезы «восстанавливающейся» Вселенной. Используя немного другой подход, физики Тим А. Кословски, Флавио Меркати и Дэвид Слоан придумали новую модель.

Суть концепта такова: в свое время физики обнаружили множество античастиц — антинейтрино, антипротоны, антигелий и так далее. Они задались закономерным вопросом: что было бы, если бы Вселенная состояла по большей части из антивещества? Как выглядел бы мир, звезды, планеты, живые существа?
Если просто подменить материю антиматерией в уравнениях, то никакого внятного результата не будет (хотя бы потому, что уравнения эти были созданы в рамках привычной нам Вселенной). Поэтому был разработан концепт «зеркального» мира, где все частицы будут вести себя как зеркальные копии самих себя. Полная инверсия. В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч даже получили Нобелевскую премию за эксперимент, доказывающий, что в таких условиях законы нашей Вселенной работать не будут.

Как поведет себя в таком случае время — тоже непонятно. Новая же модель не опровергает теорию относительности. Ее основа — так называемая «точка Януса», или янус-поинт. Она была названа в честь двуликого римского божества. Тяжело сказать, что она представляет собой (и существует ли) в физическом смысле.

Однако физики предположили, что при перемотке времени вспять Вселенная сначала сольется в двухмерный «блин», а затем вновь развернется в трехмерную структуру — только зеркально отраженную.

Почему это важно? С развитием прикладного использования физики и в частности квантовых технологий ученым необходимы модели, которые, к примеру, могли бы достоверно объяснить такое явление, как сингулярность. Точка Януса также хороша тем, что с ее помощью можно понять, откуда в нашей Вселенной берется антивещество, и спрогнозировать его дальнейшую динамику.

Tuesday, December 4, 2018

Квантовые вычисления

гуглеревод :)

https://www.linkedin.com/pulse/20-amazing-facts-quantum-computing-everyone-should-read-bernard-marr

Бернард Марр

...


1. Квантовые вычисления направлены на то, чтобы воспользоваться необычными свойствами, которые проявляют материя, когда мы начнем изучать его на уровне деталей ниже уровня атома - субатомного или квантового уровня.

2. В то время как обычный компьютер использует двоичные «биты» (один и ноль) в качестве процесса вычисления, квантовый компьютер использует квантовые биты, знает как кубиты, которые могут существовать одновременно в обоих состояниях, а также во многих других состояниях между ними.

3. Кубицы демонстрируют свойства квантового переплетения - явление, которое означает, что пары или группы частиц не могут быть измерены или описаны независимо друг от друга - они «запутаны», а их состояние зависит от состояния других частиц в группе.

4. Из-за факторов, которые до сих пор не полностью понятны, несмотря на все усилия Эйнштейна, Шредингера и многих других, поскольку, похоже, что частицы, связанные таким образом, могут передавать информацию между собой, хотя теоретически они могут быть неограниченным расстоянием Кроме.

5. Ученые-компьютерщики, работающие на квантовых компьютерах, считают, что в будущем можно будет использовать эти механизмы и создать компьютеры, которые будут в миллионы раз эффективнее всего того, что доступно сегодня.

Между тем, в реальном мире ...

6. Возможность квантовых вычислений была впервые предложена физиком Ричардом Фейнманом в 1982 году.

7. В 1994 году математик Питер Шоу продемонстрировал, как квантовые вычисления могут быть использованы для взлома общедоступных стандартов шифрования, многие из которых все еще используются сегодня.

8. DARPA представила онлайн первую в мире операционную квантовую сеть в 2003 году, открыв новые горизонты в области квантовых вычислений, а также защищенных коммуникаций.

9. В 2012 году в Ванкувере, Британская Колумбия, был создан первый в мире специализированный коммерческий бизнес, ориентированный на квантовые вычисления - 1Qbit.

10. IBM запустила Q, которая предлагает услуги по квантовым вычислениям с 5 кубитами через облако в 2016 году. В прошлом году она повысила до 20 кубитов мощности квантовой обработки.

11. Организации, которые, как известно, используют инфраструктуру квантовых вычислений D-Wave, включают Google, NASA и Lockheed Martin.

Защитники

12. Satya Nadella, генеральный директор Microsoft: «В мире заканчиваются вычислительные мощности. Закон Мура выздоравливает ... [нам нужны квантовые вычисления], чтобы создать все эти богатые опыты, о которых мы говорим, весь этот искусственный интеллект ».

13. Сет Ллойд, автор «Программирования Вселенной»: «Классическое вычисление похоже на сольный голос - одна линия чистых тонов, сменяющих друг друга. Квантовый расчет похож на симфонию - многие линии тонов мешают друг другу ».

14. Дэвид Дойче, физик из Центра квантовых вычислений, Оксфордский университет: «Квантовые вычисления станут первой технологией, позволяющей выполнять полезные задачи в сотрудничестве между параллельными юниверсами».

15. Джереми О'Брайен, физик и профессор-исследователь из Университета Бристоля: «Менее чем за 10 лет квантовые компьютеры начнут превзойти повседневные компьютеры, что приведет к прорыву в искусственном интеллекте, открытии новых фармацевтических препаратов и за его пределами. Очень высокая вычислительная мощность, предоставляемая квантовыми компьютерами, может разрушить традиционные предприятия и бросить вызов нашей кибербезопасности ».

16. Geordie Rose, технический директор D-Wave: к 2028 году будут созданы интеллектуальные машины, которые могут делать все, что могут сделать люди. Квантовые компьютеры сыграли бы решающую роль в создании этого нового типа интеллекта.

Умственные изгибы Квантовые факты

17. Квантовые вычисления требуют чрезвычайно низких температур, поскольку субатомные частицы должны быть как можно ближе к стационарному состоянию, которое должно быть измерено. Ядра квантовых компьютеров D-Wave работают на уровне -460 градусов f или -273 градусов c, что на 0,02 градуса от абсолютного нуля.

18. Квантовые вычисления часто описываются как «естественные». Это связано с тем, что, хотя мы не полностью понимаем их, механизмы, лежащие в основе реального мира (которые эволюционировали по природе), явно действуют на субатомном уровне. Моделируя это с помощью компьютеров, мы делаем огромный шаг ближе к тому, чтобы смоделировать естественный мир.

19. На квантовом уровне научная фантастика, похоже, становится реальностью. Частицы могут перемещаться назад или вперед во времени и телепортироваться (квантовое туннелирование) между двумя положениями.

Одно из возможных объяснений того, почему работают квантовые компьютеры, связано с параллельными юниверсами. Было высказано предположение, что кубиты могут существовать одновременно в двух состояниях, поскольку мы наблюдаем их одновременно в нескольких вселенных.

...
https://www.linkedin.com/pulse/20-amazing-facts-quantum-computing-everyone-should-read-bernard-marr

Sunday, December 2, 2018

Кубиты на языке квантового программирования Q#

любителям языков програмирования - немножко гуглтранса для ясности :)
http://www.quicklydone.com/2018/12/qubits-in-q.html

...




На этом рисунке каждая горизонтальная линия является кубитом, каждый из которых является операцией, а время течет слева направо.

Когда мы хотим разработать язык программирования для выражения квантового вычисления, естественно возникает вопрос о том, должны ли быть представлены кубиты на языке, и если да, то каким образом. ...

Квантовые состояния как линейные типы

... Подразумевается, что программный кубит представляет собой состояние кубита, а не фактический объект. ... квантовые вычисления работают, применяя операции к физическим объектам, а не к квантовым состояниям, поэтому абстракция не соответствует оперативной реальности...

Кубиты как непрозрачные ссылки

Альтернативный подход заключается в использовании непрозрачного типа данных, который представляет ссылку на конкретную квантовую систему с двумя состояниями, будь то физическую или логическую ... Q# следуют этой модели.

Квантовые вычисления по побочному эффекту

Представление, используемое в Q #, имеет интересную импликацию, что все фактические квантовые вычисления выполняются побочным эффектом. Невозможно напрямую взаимодействовать с квантовым состоянием компьютера; он вообще не имеет программного обеспечения. ... Фактически, квантовое состояние компьютера представляет собой непрозрачную глобальную переменную, которая недоступна, за исключением небольшого набора примитивов доступа (измерений) - и даже эти аксессоры имеют побочные эффекты в квантовом состоянии и, следовательно, действительно являются «мутаторами с результатами» чем истинные аксессоры.

В общем программировании использование побочных эффектов и глобального состояния обычно обескураживается. Для квантовых вычислений, с другой стороны, они, похоже, очень хорошо соответствуют реальной физической реальности. По этой причине мы решили, что эта абстракция была правильной для использования в Q#.

Saturday, November 24, 2018


Мировые константы "пи" и "e" в основных законах физики и физиологии

https://www.nkj.ru/archive/articles/4774/


Sunday, October 7, 2018

Существуют ли квантовые компьютеры на самом деле?

1

Что случилось?

Просто: В СМИ опять поднялась шумиха про квантовые компьютеры будущего.
Сложнее: В Google объявили, что принадлежащий компании квантовый компьютер D-Wave решил поставленную задачу в 100 миллионов раз быстрее, чем обычный компьютер. Эта новость стала поводом для нового обсуждения одного из самых ожидаемых технологических прорывов. Разработку настоящего квантового компьютера можно сравнить с мечтой о лекарстве от рака или болезни Альцгеймера, термоядерной энергии и колонизации Марса. «Медуза» попросила научного журналиста Сергея Немалевича объяснить, существуют ли уже настоящие квантовые компьютеры и чем они лучше обычных. 

2

Почему о квантовых компьютерах столько говорят?

Просто: Потому что они очень быстрые.
Сложнее: В не очень далеком будущем квантовые компьютеры могут стать необходимостью. Потребности человечества в производительности компьютерных процессоров уже сейчас обгоняют развитие классической электроники. Есть знаменитый закон Мура, описывающий скорость роста производительности процессоров: число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года. Сейчас этот закон уже не совсем выполняется — число транзисторов удваивается раз в 2,5 года. Так или иначе, производительность традиционных процессоров не может расти до бесконечности. Никто не знает, когда понадобится качественный скачок, но рано или поздно он обязательно понадобится. И создание квантового компьютера, способного решать некоторые важные вычислительные задачи гораздо быстрее обычного, — одно из возможных направлений развития. 

3

Что такое квантовый компьютер? Чем он отличается от обычного?

Просто: В обычных информация хранится в битах — нулях или единицах, а в квантовых — в кубитах. Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу. Благодаря этому теоретически квантовый компьютер может работать быстрее.
Сложнее: Как понятно из названия, квантовый компьютер использует феномены квантовой механики. В микромире, живущем по законам квантовой механики, возможны явления, немыслимые в привычном нам макромире. Например, частица может находиться в суперпозиции — сразу в двух состояниях. Есть популярная метафора: представьте подброшенную в воздух монету, которая одновременно и орел, и решка. Грубо говоря, примерно так же устроена работа кубита — основной единицы хранения информации в квантовом компьютере. 
Другой эффект называется квантовой зацепленностью: состояния двух частиц могут быть взаимосвязаны и меняться одновременно, даже если эти частицы находятся в разных уголках галактики. Благодаря квантовой зацепленности кубиты можно собирать в связанные между собой наборы. Если набор из N классических бит хранит последовательность из N нулей и единиц, то в регистре из N кубит записано несравнимо больше информации — суперпозиция всех возможных последовательностей из N нулей и единиц.
Поймав монету, мы видим, что она выпала либо орлом, либо решкой — вероятность 50 на 50. Так же, измеряя состояние кубита, мы получим ноль, либо один; только — в отличие от монеты — вероятности получения каждого из двух значений не равны. Вот эти вероятности и «записаны» в суперпозиции. А если измерить значение квантового регистра, получится только одна последовательность нулей и единиц, но, опять же, с некоторой вероятностью, которая — в виде коэффициента — хранилась в исходном квантовом состоянии.
Квантовая ячейка памяти содержит не конкретную единицу информации, а набор вероятностей получения любой возможной единицы информации при измерении. И если классический процессор за один такт изменяет последовательность из N нулей и единиц, то квантовый процессор изменяет набор из 2 в степени N вероятностей — в сущности, совершая экспоненциально больше работы. Это свойство называется квантовым параллелизмом, и теоретически квантовый процессор может работать экспоненциально быстрее классического. 

4

И как, получается?

Просто: Не особо.
Сложнее: На самом деле, почти никогда не получается. Во-первых, квантовые вычисления не дают абсолютно точного решения задачи — ответ оказывается правильным только с некоторой вероятностью, и коррекция возможной ошибки отнимает дополнительные вычислительные ресурсы. Во-вторых, когда имеешь дело не с понятными нулями и единицами, а с их громоздкими суперпозициями, приходится исхитряться, даже чтобы реализовать простейшие логические операции. Построение квантовых алгоритмов — теоретическая область, развивающаяся параллельно с попытками инженеров создать для них квантовые компьютеры. Успехов в этом направлении достигнуто больше, в частности, известно, что любой классический алгоритм можно перепрограммировать в квантовый, но число квантовых алгоритмов, которые будут заведомо работать намного быстрее классических (то есть возникнет «квантовое ускорение»), относительно невелико. Самые известные из них — алгоритм Гровера для решения задачи перебора и алгоритм Шора, позволяющий раскладывать число на сомножители. 

5

Так квантовые компьютеры существуют или нет?

Просто: Да, но такие простые, что их квантовость не дает никаких преимуществ. 
Сложнее: Квантовых компьютеров, которые способны решать любую задачу, пока не существует. Большинство исследований сейчас направлено не столько на построение действующих квантовых компьютеров, сколько на отработку базовых технологий, в первую очередь — создания кубитов. Время от времени на регистрах из нескольких кубитов запускаются какие-нибудь квантовые алгоритмы и решаются простенькие задачи, вроде разложения числа 143 на простые множители или осуществления перебора из четырех вариантов. Поскольку базовых проблем остается еще очень много, создавать системы больше, чем из пары десятков кубитов, не имеет особого смысла, а у устройств с меньшим количеством кубитов нет заметных преимуществ перед классическими компьютерами. Особняком здесь стоят устройства канадской компании D-Wave, последнее из которых — с 1152 кубитами внутри — наделало недавно столько шума.

6

Квантовые компьютеры никак не могут сделать — в чем проблема?

Просто: Квантовые системы очень чувствительны: чуть что, они лишаются своего квантового волшебства, а заодно и всех полезных свойств.
Сложнее: Любое «наблюдение» или «измерение», а в сущности, почти любой контакт с внешней средой приводит к тому, что квантовая система становится классической, это явление называется декогеренцией. Представьте подброшенную монетку, которая от столкновения с любой молекулой воздуха или даже от случайно упавшего на нее взгляда немедленно выпадает орлом или решкой. А уж если в системе несколько запутанных кубит, удержать их от декогеренции еще сложнее — это иногда сравнивают с попыткой поставить множество карандашей вертикально на кончики остро отточенных грифелей. Качественная изоляция квантовой системы от внешней среды — не только инженерно сложная, но и дорогостоящая задача. Даже первые прототипы квантовых вычислителей с несколькими кубитами по размерам напоминают компьютеры середины прошлого века и стоят миллионы долларов. Сейчас разрабатывается несколько конкурирующих технологий реализации кубитов, и самая главная задача — как можно дольше удержать их от декогеренции. 

7

D-Wave продвинулась дальше других?

Просто: Да, они продвинулись дальше других, но в основном в области маркетинга — хорошо продают свои продукты. 
Сложнее: Не особо. Канадская компания D-Wave имеет удивительную историю. В 1999 году физик-инженер и чемпион мира по борьбе джиу-джитсу Джорди Роуз прочитал популярную книгу про квантовые вычисления и увлекся этой идеей. О практической реализации квантовых компьютеров тогда еще мало кто помышлял, но Роуз умудрился привлечь финансирование на создание прототипа квантового вычислителя — не имея ни ноу-хау, ни технологий. Почти все разработки D-Wave вела чужими руками, зато каждый созданный прототип упаковывался в черную коробку (точнее — шкаф) с красивым логотипом, который потом громко представляли на рынке как действующий квантовый компьютер. Научное сообщество морщилось, однако коммерческие гиганты, в том числе Lockheed Martin и Google, устройства D-Wave покупали, не жалея десятков миллионов долларов — на всякий случай. Споры о том, что именно находится в черных ящиках с логотипом D-Wave — и можно ли это назвать квантовым компьютером, не утихают до сих пор.

8

Чем устройства D-Wave отличаются от тех, что разрабатывают конкуренты?

Просто: Легче сказать, чем они похожи — в них есть кубиты и их почему-то называют квантовыми компьютерами. В остальном почти ничего общего.
Сложнее: Хотя в этих устройствах тоже есть кубиты, они выстроены в специфическую прихотливую архитектуру. В сущности, D-Wave умеет решать одну-единственную оптимизационную задачу, которая соответствует естественной эволюции лежащей в ее основе квантовой системы. Машину нельзя непосредственно заставить сложить два числа, выполнить простейшую логическую операцию, на ней нельзя запустить квантовый алгоритм Шора. Все, что она умеет делать — симулировать саму себя, как если бы для решения задачки из школьного учебника про движение двух поездов навстречу друг другу использовалась система, состоящая их двух настоящих поездов и секундомера. Любопытно, что долго никто не мог даже доказать, что работа D-Wave действительно использует явления квантового мира. Убедиться в этом воочию невозможно (как уже говорилось, квантовые эффекты нельзя наблюдать — они сразу становятся классическими), так что единственный способ — удостовериться, что устройство способно сделать то, на что не способны классические системы, например, работать намного быстрее них. И именно это наконец удалось сделать исследователям из Google.

9

Так это правда, что D-Wave работает в сто миллионов раз быстрее обычного компьютера?

Просто: Правда. Как и то, что улитка доползет до соседней комнаты быстрее вас, если вы решите попутно обогнуть экватор.
Сложнее: Это правда, но только если сравнивать работу D-Wave с работой классического алгоритма, имитирующего то, что происходит внутри D-Wave по обычным физическим законам. Возвращаясь к примеру с задачкой про поезда, такой алгоритм бы буквально моделировал движение двух поездов, всякий раз проверяя, не встретились ли они. Разумеется, есть способ решить ту же задачу проще и быстрее — подставив нужные значения переменных в несложную формулу. Так же и с D-Wave: машина решила задачу поиска минимума с помощью так называемого квантового отжига, команда Google сравнила результат с работой алгоритма имитации квантового отжига, и да — получилось в сто миллионов раз быстрее. Но для того же вычисления есть другой классический алгоритм Селби, который выполняет его быстрее, чем D-Wave. Об этом, кстати, прямо говорится в статье специалистов Google. Другими словами, D-Wave работает быстрее, когда решает одну узкоспециальную задачу и только если сравнивать ее с работой одного неоптимального классического алгоритма. С практической точки зрения, никакого смысла в этом нет, вожделенного квантового ускорения тоже не наблюдается.

10

Выходит, Google всех надул?

Просто: Нет. Скорее Google убедился, что не надули его.
Сложнее: Отнюдь, все эти подробности явно описаны в статье. Если кто-то кого-то и надул, то это журналисты, поспешившие сообщить о технологической революции. А Google нужно было убедиться, что купленная ими машина хотя бы и впрямь является квантовой — для этого нужно было сравнить скорость ее работы именно с неоптимальной классической имитацией квантового отжига. Теперь никто не сомневается, что в работе D-Wave участвует квантовое явление, а если точнее — так называемый туннельный эффект. Но никто не сомневается, что системе D-Wave не суждено совершить настоящую революцию в квантовых вычислениях — она слишком специфически устроена, ее преимущества очень редко проявляются, с ней не работают уже придуманные квантовые алгоритмы. Скорее всего, по-настоящему большие новости придут не со стороны канадского стартапа, а от одной из сильных академических лабораторий, например, под руководством Джона Мартиниза в университете Санта-Барбары или Криса Монро в университете Мэриленда.
Автор: Сергей Немалевич

https://meduza.io/cards/suschestvuyut-li-kvantovye-kompyutery-na-samom-dele
15 декабря 2015