1. Главная /
  2. Читать /
  3. Квантовый компьютер с жёстким диском из ДНК. Как вам такое?

Квантовый компьютер с жёстким диском из ДНК. Как вам такое?

Читать | 11 сентября 2019

Перевод: Командная работа

Редактура: Вероника Рис

Возможно, вы уже слышали о том, что квантовые компьютеры вскоре должны перевернуть весь мир. Учёные-физики считают, что эти устройства будут достаточно быстрыми, чтобы взломать любой метод шифрования из тех, что используют банки сегодня. Благодаря продвинутому искусственному интеллекту в квантовые компьютеры можно будет поместить полную периодическую таблицу химических элементов и все законы квантовой механики, и также они смогут разработать самый эффективный на сегодняшний день фотоэлемент.

Всё это ожидает нас в ближайшем будущем: уже в этом месяце в журнале Nature появилась статья, в которой исследователи Google отметили, что ожидают старта продаж квантовых компьютеров через пять лет, и сама компания хочет создать и протестировать 49-кубитный квантовый процессор ближе к концу этого года. Некоторые эксперты считают, что 50-кубитный компьютер может превзойти любой обычный компьютер.

Но есть одна большая проблема — изначально на квантовом компьютере нельзя сохранять или дублировать информацию. Его вычислительная мощность бесполезна, если нет возможности создать резервную копию своей работы. Можно конвертировать квантовые данные и перенести их на обычные запоминающие устройства, но все эти данные будут занимать огромный объём свободного места. Поэтому физики в поисках надёжных и максимально компактных жёстких дисков из новых материалов, в том числе из ДНК.

Квантовые компьютеры настолько мощные именно из-за плотности данных. Классический компьютер считывает, хранит и управляет только битами 1 и 0. Квантовый же компьютер использует кубиты, крошечные квантовые объекты, которые могут быть в двух состояниях — и в 1, и в 0 — одновременно, если не смотреть на них. И если управлять квантовой частицей в суперпозиции двух состояний, то можно выполнять сразу несколько задач параллельно, что ускоряет определенные вычисления в геометрической прогрессии. Это не сделает Netflix лучше, а Microsoft Excel — удобнее, но запуск алгоритмов поиска или моделирование сложных систем, таких как органические материалы и человеческий мозг, будет намного быстрее.

Но у квантовой механики свои недостатки. Ее законы разрешают суперпозицию, но при этом запрещают копирование квантовой частицы. «Это называется теоремой запрета клонирования», — говорит физик Стефани Симмонс из Университета Саймона Фрейзера в Канаде. Скажем, квантовый компьютер программирует атом на определённое квантовое состояние, которое представляет собой набор чисел. Физически невозможно, чтобы он запрограммировал другой атом на то же квантовое состояние.

Поэтому Симмонс предлагает альтернативный способ хранения квантовых данных. Во-первых, нужно преобразовать их в двоичные данные — перевести числа, описывающие квантовую суперпозицию, в простые единицы и нули. Потом нужно сохранить эти преобразованные данные в классическом формате хранения (на жёстких дисках). Сверхкомпактная информация, потому что размер каждого файла с квантовыми данными с 49-кубитного компьютера будет весить как 40 тысяч видеороликов.

По словам Симмонс, чтобы хранить настолько большой объём данных, разработчикам квантовых компьютеров нужны новые технологии хранения. Жёсткие диски недостаточно вместительны на данный момент. Один квантовый файл на твердотельном накопителе занимал бы область размером с печать.

Поэтому один из альтернативных вариантов решения проблемы — ДНК. В этом месяце в журнале Science вышел материал, в котором учёные продемонстрировали метод хранения 215 петабайт или 215 миллионов гигабайт в одном грамме ДНК. При такой плотности всю информацию, которой владеет человечество на сегодняшний день, можно было бы уместить всего в пару грузовых пикапов. В отличие от стандартных накопителей, которые хранят данные только на двухмерной поверхности, ДНК представляет собой трехмерную молекулу. Это дополнительное измерение позволяет ДНК хранить гораздо больше на единицу площади.

И к тому же ДНК может прослужить очень долго. «Вспомните компакт-диски 90-х годов, — говорит автор исследования Янив Эрлих, специалист по компьютерным технологиям и геномики в Колумбийском университете. — Скорее всего, на них уже есть пара царапин, и вы уже не можете точно прочитать данные. Но ДНК может хранить информацию намного дольше. Мы можем читать ДНК скелетов тысячелетней давности с высочайшей точностью».

Другая сверхкомпактная технология кодирует биты в отдельные атомы. На прошлой неделе исследователи из IBM опубликовали статью, в которой заявили, что они смогли записать один бит информации в одном атоме и успешно прочитали с него данные. Для этого они установили атомы гольмия на микросхему и с помощью электронного устройства управляли направлением собственного магнитного поля, создаваемого каждым атомом. Они обнаружили, что могут управлять атомами самостоятельно, когда те находятся на расстоянии нанометра друг от друга. Таким образом, в принципе, можно кодировать один бит на атом. «Это максимальная плотность», — говорит физик IBM Крис Лутц. Промышленные жёсткие диски хранят по меньшей мере 100 000 атомов, и даже пара оснований ДНК состоит из 30 атомов.

Этим двум методам, как и самим квантовым компьютерам, нужны годы прежде, чем стать коммерческой технологией. ДНК дорого синтезировать и долго читать. И чтобы хранить данные в отдельных атомах, они должны находиться в температуре, близкой к абсолютному нулю, иначе атомы будут мешать друг другу и перезаписывать свои данные. Кроме того, придётся разработать алгоритмы эффективного сжатия и конвертирования квантовых данных в двоичные, а затем разработать аппаратное обеспечение для выполнения этих алгоритмов.

Несмотря на то, что Google собирается запустить собственный 49-кубитный квантовый компьютер, до сих пор непонятен процесс создания резервных копий информации на них. «Я вижу огромные сложности у нас впереди», — говорит Симмонс. Потому что, если квантовые компьютеры не смогут создавать резервные копии собственных данных, автосохранение уже не сможет нам помочь.

Также по теме