От битов к кубитам: как квантовые технологии меняют будущее информатики

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова» Московский промышленно-экономический колледж От битов к кубитам: как квантовые технологии меняют будущее информатики Выполнили: Студенты группы Ю19/20 Погребной Д. П. Южаков С. В. Исаев Б. Р. Москва, 2025

Основы квантовых вычислений Квантовый объект – объект квантового мира, который: Имеет определённое 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 В квантовых компьютерах в качестве носителей информации используются квантовые объекты, а для проведения вычислений объекты должны быть соединены в квантовую систему. Квантовая система – система запутанных квантовых объектов, которая обладает 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

Основы квантовых вычислений В обычном компьютере с ролью логической единицы справляется бит, принимающий значения либо 0, либо 1. В квантовом компьютере для этого придумали кубит, чтобы описывать состояние квантового объекта

Основы квантовых вычислений Сутью квантовых вычислений (реализации цепочки квантовых вентилей над системой связанных кубитов) является тот факт, что вычисление происходит во всех параллельных мирах одновременно 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 Чтобы производить вычисления нам нужна система кубитов (квантовых объектов), которая создаётся при помощи запутывания кубитов

Алгоритмы квантовых вычислений Наиболее известные на сегодняшний день алгоритмы это: Алгоритм Шора (который нацелен на решение задачи разложения чисел на простые множители) Алгоритм Гровера (решает задачу перебора вариантов) Алгоритм Дойча — Йожи (отвечает на вопрос, постоянная функция или сблансированная

Проблемы квантовых компьютеров Чувствительность к окружению и взаимодействию с окружением Накопление ошибок при вычислениях Сложности с начальной инициализации состояний кубитов Сложности с созданием многокубитных систем Ошибки декогеренции (максимальное время жизни квантовой системы из нескольких запутанных кубитов, в течение которого она сохраняет свои квантовые свойства и может быть использована для произведения вычислений), обусловлены сложностью системы и взаимодействием с внешней средой Ошибки считывания финального состояния (результата)

Текущие достижения Достижения в области квантовых компьютеров Основные прорывы: IBM: Представлены процессоры Condor (1121 кубит) и Heron (133 кубита) Heron показал в 3-5 раз лучшую эффективность в подавлении ошибок Обновлена “дорожная карта” развития квантовых технологий до 2033 года Google: Прорыв в квантовой коррекции ошибок Разработка квантово-устойчивого шифрования Подготовка к переходу на новую криптографию IonQ: Анонсированы системы Forte Enterprise и Tempo Возможность установки в обычные дата-центры Интеграция квантовых технологий в корпоративную инфраструктуру Atom Computing: Создание квантового компьютера с 1180 кубитами Превышение предыдущего рекорда (433 кубита у IBM Osprey)

Научные достижения: Протокол запутывания фотонов: Успешное запутывание микроволновых и оптических фотонов Развитие методов работы с квантовыми частицами Передача информации между чипами: Достижение надежности 99,999993% Рекордные скорости передачи данных Возможность создания более мощных квантовых систем Ключевые вызовы: Квантовая декогеренция: Сложность поддержания состояния суперпозиции Влияние окружающей среды на кубиты Проблемы с ошибками вычислений Подавление квантового шума: Фундаментальное влияние на стабильность системы Необходимость улучшения алгоритмов коррекции Эти достижения открывают новые перспективы для развития квантовых технологий, хотя многие технические проблемы еще предстоит решить для широкого практического применения.

Влияние квантовых технологий на информатику 1. Революция в алгоритмах и языках программирования Создание специализированных языков программирования (Qiskit, Quipper) Необходимость разработки гибридных подходов для классических и квантовых систем Изменение парадигмы вычислений и подходов к решению задач по программированию ИТ-специалистам предстоит адаптироваться к этим изменениям и освоить новые технологии для создания инновационных решений будущего.

Влияние квантовых технологий на информатику 2. Трансформация криптографии Угроза существующим методам шифрования Разработка квантово-устойчивых криптографических протоколов Внедрение квантового распределения ключей (QKD) Создание новых стандартов безопасности данных

Влияние квантовых технологий на информатику 3. Изменение подходов к разработке ПО Создание новых методологий программирования Разработка инструментов для квантового тестирования Появление гибридных решений, сочетающих классические и квантовые вычисления Необходимость пересмотра существующих алгоритмов

Влияние квантовых технологий на информатику 4. Развитие искусственного интеллекта Ускорение обучения нейронных сетей Улучшение обработки больших данных Решение сложных оптимизационных задач Развитие новых направлений в машинном обучении

Влияние квантовых технологий на информатику 5. Влияние на образование Добавление квантовых вычислений в учебные программы Создание новых курсов по квантовому программированию Подготовка специалистов в области квантовой информатики Развитие междисциплинарных направлений

Перспективы развития Ближайшие 5-10 лет: Специализированные решения: Оптимизационные задачи Моделирование сложных химических процессов Разработка новых лекарственных препаратов Оценка финансовых рисков Оптимизация инвестиционных портфелей Интеграция с существующими системами: Создание гибридных решений Взаимодействие с традиционными суперкомпьютерами Интеграция с облачными платформами 10-15 лет: Развитие квантовой криптографии: Создание новых систем защиты информации Разработка квантово-устойчивых алгоритмов Внедрение квантовой связи Масштабирование технологий: Увеличение количества стабильных кубитов Улучшение систем коррекции ошибок Создание более надежных квантовых процессоров Долгосрочные перспективы (40-50 лет): Революционные изменения: Полное внедрение квантовых технологий Существенное ускорение вычислений Решение задач, недоступных классическим компьютерам Отраслевые трансформации: Медицина: создание новых лекарств Финансы: революционные методы анализа Криптография: новая парадигма безопасности Материаловедение: разработка инновационных материалов