Квантовые компьютеры и суперкомпьютеры: в чем разница?

За последние несколько десятилетий вычислительная техника прошла невероятно долгий путь. Мы переживаем технологическую революцию, когда машины с каждым годом становятся все более совершенными. Два особенно передовых изобретения, суперкомпьютер и квантовый компьютер, имеют массу применений и потенциал. Но в чем разница между суперкомпьютером и квантовым компьютером и что лучше?

Что такое суперкомпьютер?

Суперкомпьютеры — это огромные системы, которые могут охватывать целые комнаты. Эти машины не похожи на обычные настольные ПК или ноутбуки. Скорее, суперкомпьютеры состоят из больших групп процессоров, работающих вместе для достижения определенной цели.

Суперкомпьютеры впервые появились в 1960-х годах после создания CDC (Control Data Corporation) 6600. Это считается первым когда-либо созданным суперкомпьютером, который был примерно в десять раз мощнее стандартных компьютеров того времени. Но с тех пор дела пошли очень далеко.

Современные суперкомпьютеры, мягко говоря, чрезвычайно мощные. Но, конечно, все это относительно. CDC 6600 был феноменом в вычислительной технике, но сегодня в нем не было ничего особенного. В конце концов, CDC 7600 затмил его всего за полвека. Так что имейте это в виду, рассматривая сегодняшнюю мощь суперкомпьютеров.

Как и ваш собственный ПК, суперкомпьютеры могут обрабатывать и хранить данные, но не только. Эти машины могут выполнять невероятно сложные вычисления и симуляции, которые никогда не были бы доступны людям или компьютерам, которые мы все используем в нашей повседневной жизни. Они также могут быстро выполнять процессы, выполнение которых обычному компьютеру может занять месяцы или годы.

Например, современный суперкомпьютер может предсказывать результат ядерного взрыва, создавать очень сложные модели мозга и даже моделировать происхождение Вселенной. Возможности этих машин несколько ошеломляют, и они доказали свою полезность в самых разных отраслях.

Но по своей сути суперкомпьютеры имеют те же гайки и болты, что и обычные компьютеры. Разница в том, что эти компьютеры огромны и состоят из тысяч или сотен тысяч ЦП (центральных процессоров) и, следовательно, обладают гораздо большей вычислительной мощностью, чем ваш стандартный ПК. Компьютер, который вы используете ежедневно, вероятно, имеет несколько ядер ЦП, а некоторые — только одно. Итак, представьте, чего можно было бы добиться, если бы его мощность была увеличена во много-много раз.

Суперкомпьютеры увлекательны, но невероятно дороги в создании и обслуживании. В один суперкомпьютер можно вложить миллионы долларов, а для его работы требуется огромное количество электроэнергии.

И даже у этих высокотехнологичных машин есть свои ограничения. В частности, возможности суперкомпьютеров ограничены их размером. Сегодняшние суперкомпьютеры уже огромны, и их эксплуатация стоит больших денег. Таким образом, чем больше становится суперкомпьютер, тем дороже он становится.

Кроме того, суперкомпьютеры выделяют огромное количество тепла, которое необходимо отводить, чтобы предотвратить перегрев. В общем, использование суперкомпьютеров — очень дорогой и изнурительный процесс. Кроме того, есть некоторые проблемы, которые суперкомпьютеры не могут решить просто потому, что они слишком сложны.

Тем не менее, относительно новый игрок в компьютерной игре может иметь возможность превзойти суперкомпьютеры и достичь того, чего они не могут: квантовых компьютеров.

Что такое квантовый компьютер?

Концепция квантовых вычислений впервые возникла в 1980-х годах. За это время такие пионеры, как Ричард Бениофф, Ричард Фейнман и Юрий Манин, внесли свой вклад в развитие теории квантовых вычислений. Но в то время квантовые вычисления были просто идеей и никогда не применялись в реальных условиях.

Восемнадцать лет спустя, в 1998 году, Исаак Чуанг, Нил Гершенфельд и Марк Кубинец создали первый квантовый компьютер. Скорость обработки этого компьютера рудиментарна по сравнению с современными самыми передовыми квантовыми компьютерами, но разработка этой первой в своем роде машины была не чем иным, как революцией.

Как вы можете видеть на изображении выше, квантовые компьютеры не похожи на обычные компьютеры. Это потому, что они работают совершенно по-разному. В то время как компьютеры и суперкомпьютеры используют двоичный код для хранения информации, квантовые компьютеры используют крошечные единицы, известные как кубиты (или квантовые биты).

Кубиты невообразимо малы. Они состоят из еще более мелких квантовых систем, таких как протоны и электроны, фундаментальные компоненты атомов. Что хорошо в кубитах, так это то, что они могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Давайте разберем это.

Двоичный код — это просто двоичный код. Это означает, что биты могут существовать только в виде нуля или единицы, что может ограничивать выполнение сложных процессов. С другой стороны, кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, известных как квантовая суперпозиция. Кубиты также могут достигать квантовой запутанности, при которой пары кубитов соединяются друг с другом.

Используя квантовую суперпозицию, квантовые компьютеры могут одновременно рассматривать несколько конфигураций кубитов, что значительно упрощает решение очень сложных задач. А благодаря квантовой запутанности два кубита могут находиться в одном и том же состоянии и влиять друг на друга математически предсказуемым образом. Это способствует вычислительной способности квантовых компьютеров.

В целом, способность учитывать несколько состояний одновременно дает квантовым компьютерам возможность выполнять чрезвычайно сложные вычисления и запускать сложные симуляции.

В настоящее время над разработкой квантовых компьютеров работают различные компании, в том числе IBM и Google. Например, согласно Новый ученый, в 2019 году Google заявила, что ее квантовый компьютер Sycamore по своим возможностям превосходит суперкомпьютер. Google заявил, что за 200 секунд Sycamore может решить вычисление, на выполнение которого у суперкомпьютера уйдет 10 000 лет.

Но всего через два года, опять же, согласно Новый ученыйв Китае был разработан неквантовый алгоритм, который позволял обычным компьютерам решать ту же задачу всего за несколько часов, а это значит, что и суперкомпьютер тоже сможет ее решить.

Итак, над всей областью квантовых вычислений нависло большое «если». Эта технология все еще находится на ранней стадии, и ей еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем на нее можно будет положиться в качестве альтернативы суперкомпьютерам.

Квантовые компьютеры невероятно сложно построить и запрограммировать, и они по-прежнему имеют высокий уровень ошибок. Кроме того, нынешняя вычислительная мощность квантовых компьютеров делает их совершенно непригодными для типичных приложений. В результате квантовые вычисления должны пройти через множество проблем, прежде чем они станут надежной и широко используемой технологией.

Суперкомпьютеры сейчас в тренде

Хотя у квантовых компьютеров есть потенциал значительно превзойти суперкомпьютеры, это все еще в значительной степени гипотетично. Однажды мы можем увидеть, как квантовые вычисления достигнут точки, когда суперкомпьютеры больше не нужны. Нельзя отрицать, что в этой области уже сделано огромное количество разработок. Но на данный момент квантовые компьютеры все еще находятся на ранней стадии, и могут пройти десятилетия, прежде чем они станут массовыми.