Ce poate face un computer cuantic? Calculatoare cuantice - ce sunt acestea? Principiul de funcționare și fotografia unui computer cuantic. Descoperire sau farsă științifică

Potrivit experților, foarte curând, în 10 ani, microcircuitele din computere vor ajunge la măsurători atomice. Pare logic că vine era computerelor cuantice, cu ajutorul căreia viteză sisteme de calcul poate crește cu mai multe ordine de mărime.

Ideea calculatoarelor cuantice este relativ nouă: în 1981, Paul Benioff a descris pentru prima dată teoretic principiile de funcționare a unei mașini cuantice Turing.

În anii 1930, Alan Turing a descris pentru prima dată un dispozitiv teoretic care a fost bandă nesfârșită împărțită în celule mici. Fiecare celulă poate conține caracterul 1 sau 0 sau rămâne goală.

Dispozitivul de control se deplasează de-a lungul benzii, citind caractere și scriind altele noi. Dintr-un set de astfel de simboluri este compilat un program pe care mașina trebuie să-l execute.

ÎN mașină cuantică Turing propus de Benioff, principiile de funcționare rămân aceleași, cu diferența că atât banda cât și dispozitiv de control sunt într-o stare cuantică.

Aceasta înseamnă că simbolurile de pe bandă pot fi nu numai 0 și 1, ci și suprapuneri ale ambelor numere, adică 0 și 1 în același timp. Astfel, dacă o mașină Turing clasică este capabilă să efectueze un singur calcul la un moment dat, atunci o mașină cuantică efectuează mai multe calcule în paralel.

Calculatoarele de astăzi funcționează pe același principiu ca și mașinile Turing obișnuite - cu biți care se află în una din cele două stări: 0 sau 1. Calculatoarele cuantice nu au astfel de restricții: informațiile din ele sunt criptate în biți cuantici (qubiți), care pot conține suprapunere. a ambelor state.

Lucrează la o parte a computerului cuantic D-Wave

©D-Wave Systems

Sistemele fizice care implementează qubiții pot fi atomi, ioni, fotoni sau electroni care au două stări cuantice. De fapt, dacă faci purtători de informații despre particule elementare, le poți folosi pentru a construi memoria calculatoruluiși procesoare de nouă generație.

Datorită suprapunerii qubiților, calculatoarele cuantice sunt proiectate inițial să funcționeze calcul paralel. Acest paralelism, conform fizicianului David Deutsch, permite calculatoarelor cuantice să efectueze milioane de calcule simultan, în timp ce procesoarele moderne lucrează cu unul singur.

Un computer cuantic de 30 de qubiți va avea putere egală cu un supercomputer care operează la 10 teraflopi (trilioane de operații pe secundă). Puterea modernului computere desktop măsurată în doar gigaflopi (miliarde de operații pe secundă).

Un alt fenomen mecanic cuantic important care poate fi implicat în calculatoarele cuantice se numește „încurcare”. Principala problemă cu citirea informațiilor din particulele cuantice este că în timpul procesului de măsurare acestea își pot schimba starea într-un mod complet imprevizibil.

De fapt, dacă citim informații dintr-un qubit în stare de suprapunere, vom obține doar 0 sau 1, dar niciodată ambele numere în același timp. Aceasta înseamnă că, în loc de unul cuantic, vom avea de-a face cu un computer clasic normal.

Pentru a rezolva această problemă, oamenii de știință trebuie să utilizeze măsurători care nu distrug sistemul cuantic. Încurcarea cuantică oferă o soluție potențială.

În fizica cuantică, dacă aplicați o forță externă la doi atomi, aceștia pot fi „încurcați” împreună în așa fel încât unul dintre atomi să aibă proprietățile celuilalt. Acest lucru, la rândul său, va duce la faptul că, de exemplu, atunci când se măsoară spinul unui atom, geamănul său „încurcat” va lua imediat spinul opus.

Această proprietate a particulelor cuantice permite fizicienilor să cunoască valoarea unui qubit fără a-l măsura direct.

Într-o zi, computerele cuantice ar putea înlocui cipurile de siliciu, la fel cum tranzistorii au înlocuit tuburile cu vid. in orice caz tehnologii moderne nu permit încă construcția de computere cuantice cu drepturi depline.

Asamblarea procesorului cuantic D-Wave Two

©D-Wave Systems

Cu toate acestea, în fiecare an cercetătorii anunță noi progrese în domeniu. tehnologii cuanticeși sperăm că într-o zi computerele cuantice le vor putea depăși pe cele convenționale continuă să devină mai puternice.

1998

Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au reușit pentru prima dată să distribuie un qubit între trei spinuri nucleare în fiecare moleculă de alanină lichidă sau moleculă de tricloretilenă. Această distribuție a făcut posibilă utilizarea „încurcăturii” pentru analiza nedistructivă a informațiilor cuantice.

2000

În martie, oamenii de știință de la Laboratorul Național Los Alamos au anunțat crearea unui computer cuantic de 7 qubiți într-o singură picătură de lichid.

2001

Demonstrarea calculului algoritmului Shor de către specialiști de la IBM și Universitatea Stanford pe un computer cuantic de 7 qubiți.

2005

Institutul de Optică Cuantică și Informații Cuantice de la Universitatea din Innsbruck a fost primul care a creat un qubit (o combinație de 8 qubiți) folosind capcane de ioni.

2007

Compania canadiană D-Wave a demonstrat primul computer cuantic de 16 qubiți capabil să rezolve întreaga linie sarcini și puzzle-uri, cum ar fi Sudoku.

Din 2011, D-Wave a oferit pentru 11 milioane de dolari computerul cuantic D-Wave One cu un chipset de 128 de qubiți care îndeplinește o singură sarcină - optimizare discretă.

Supercalculatoarele avansate sunt deja capabile să efectueze zeci de cvadrilioane de operații pe secundă. Dar există o serie de probleme pe care nu le pot rezolva. Să dăm un exemplu.

Suntem înconjurați de tehnologii criptografice peste tot: acestea sunt folosite în mesagerie instant sau tranzacții cu carduri bancare, criptomonede, cu depozitare în siguranță date și așa mai departe. Informațiile sunt criptate continuu atunci când sunt trimise și decriptate după ce sunt primite, astfel încât să poată fi citite doar de cei cărora le sunt destinate. Mânca diverse sisteme criptare (AES, RSA), dar toate se bazează cumva pe utilizarea factorizării (descompunerea în factori primi).

Ce fel de numere prime credeți că am înmulțit pentru a obține numărul de mai jos, care este cheia de criptare de 2048 de biți (cu cheile generate din algoritmul RSA, destinatarii fac schimb pentru a semna mesaje secrete cu ajutorul lor)?

Nu vă deranjați: aflați care dintre ele numere prime au terminat - Sarcina herculeană. Dar este dificil nu numai pentru tine, ci și pentru un computer clasic. Dacă folosim totul putere de calculîn lume, soluția sa va dura un miliard de ani! Dar un computer cuantic ar putea rezolva asta în 100 de secunde. Viteza lui frenetică îi va permite să facă asta.

O creștere atât de gravă a vitezei de rezolvare a problemelor, apropo, va atrage după sine o restructurare a întregului sistem financiar global, deoarece fără o criptare fiabilă pur și simplu nu va putea funcționa (este o glumă - oricine are un computer cuantic vor putea falsifica informații că dețin orice sumă de bani).

Dacă inventarea unui computer cuantic va presupune schimbări atât de mari, poate că ar fi mai bine să ne descurcăm cu totul fără el? Cu greu, pentru că beneficiile unor astfel de mașini sunt incomparabil mai mari decât bătăile de cap. Supercalculatoarele binare existente sunt foarte puternice, dar, în ciuda performanțelor lor impresionante, este puțin probabil ca acestea să poată rezolva toate problemele pe care oamenii intenționează să le pună în față.

Astăzi, de exemplu, aproximativ 35% din timpul supercalculatorului este petrecut rezolvând probleme din domeniul chimiei cuantice și al științei materialelor: calcularea comportamentului moleculelor individuale necesită cantități enorme de resurse de calcul (și vorbim doar despre acele probleme pentru care deja știi cum să le rezolvi).

Pe lângă aceasta, există o serie de probleme pe care computerele clasice le vor lua milioane de ani pentru a le rezolva, sau care nu pot fi încă rezolvate deloc, nici măcar teoretic. Deci, pentru a înțelege exact cum va decurge, de exemplu, cutare sau cutare reacție chimică, trebuie să țineți cont de procesele cuantice implicate în ea, iar acest lucru se poate face doar cu ajutorul unui computer cuantic. Dacă are succes, acest lucru le va oferi oamenilor posibilitatea de a studia amănunțit (și, prin urmare, de a repeta) fenomene precum fotosinteza.

De ce sunt computerele cuantice atât de puternice? Principalul lucru care îi deosebește de cei binari clasici este utilizarea qubiților, care, spre deosebire de biți, pot lua simultan două valori: 0 și 1. Această „dualitate” asigură paralelismul calculelor cuantice, deoarece nu mai este necesar să se trece prin toate stările posibile ale sistemului. Un set de doar 30 de qubiți poate forma 230 (adică mai mult de un miliard) secvențe binare - acesta este exact numărul de biți necesar pentru a le procesa simultan. Doar o economie cosmică de spațiu, energie și timp!

Pe un computer cuantic cu o putere de 100-200 de qubiți, am putea construi simulări precise ale proceselor chimice complexe: cum ar fi, de exemplu, fixarea azotului - conversia azotului conținut în atmosferă în compuși care conțin azot. Această reacție este utilizată pe scară largă pentru a produce amoniac, care este necesar pentru a produce îngrășăminte critice pentru hrănirea populației în continuă creștere a lumii. Procesul industrial de producere a amoniacului a rămas practic neschimbat în ultimul secol și este foarte consumator de energie: producția lui necesită între 1% și 3% din rezervele mondiale de gaze naturale. Folosind un computer cuantic suficient de puternic, prin simulare, oamenii de știință ar putea selecta catalizatori mai eficienți care ar ajuta să facă reacția mai puțin consumatoare de energie.

Datorită unui computer cuantic, probleme precum căutarea vieții inteligente în Univers, dezvoltarea de noi metode de transmitere a energiei bazate pe supraconductori, diagnosticarea cancerului în stadii anterioare, modelarea moleculelor de ADN și crearea de substanțe care vor ajuta la curățarea aerului de poluanții nocivi pot fi rezolvat. Puterea mare de calcul a computerelor cuantice poate ajuta serios la crearea de noi medicamente eficiente.

Este încurajator faptul că omenirea se apropie de crearea unui computer cuantic cu drepturi depline - corporațiile globale investesc în acest domeniu de mult timp. În special, sistemele de qubit topologice create la Microsoft au demonstrat deja capacitatea de a menține o stare cuantică pentru o lungă perioadă de timp fără trucuri suplimentare, precum și de a crește la dimensiuni. computer cu drepturi depline. Și la sfârșitul anului trecut, compania a introdus un limbaj de programare pentru un computer cuantic.

O idee care părea pură science-fiction acum 30 de ani a devenit acum realitate. Cine știe, poate că în următorul deceniu vom fi martori nouă eră tehnologii digitale iar un computer cuantic va transforma lumea noastră dincolo de recunoaștere, oferind oamenilor oportunități la care înainte nu puteau decât să viseze.

Astfel de mașini sunt pur și simplu necesare acum în orice domeniu: medicină, aviație, explorarea spațiului. În prezent, dezvoltarea calculatoarelor bazate pe fizica cuantică și tehnologii de calcul. Elementele de bază ale unui astfel de dispozitiv de calcul nu sunt încă disponibile utilizatori obișnuițiși sunt acceptate ca ceva de neînțeles. La urma urmei, nu toată lumea este familiarizată cu proprietățile fotonice ale particulelor elementare și ale atomilor. Pentru a înțelege măcar puțin cum funcționează acest computer, trebuie să cunoașteți și să înțelegeți principiile elementare ale mecanicii cuantice. În cea mai mare parte, acest computer coerent este dezvoltat pentru NASA.

O mașină convențională efectuează operații folosind biți clasici, care pot lua valorile 0 sau 1. Pe de altă parte, o mașină de calcul fotonică folosește biți sau qubiți coerenți. Ele pot prelua valorile 1 și 0 în același timp. Aceasta este ceea ce dă astfel tehnologia calculatoarelor puterea lor superioară de calcul. Există mai multe tipuri de obiecte de calcul care pot fi folosite ca qubiți.

1. Nucleul unui atom.
2. Electron.

Toți electronii au un câmp magnetic, de regulă, arată ca niște magneți mici și această proprietate se numește spin. Dacă le plasați într-un câmp magnetic, se vor adapta la el în același mod în care o face un ac de busolă. Aceasta este poziția cu cea mai scăzută energie, așa că o putem numi zero sau spin scăzut. Dar este posibil să redirecționați electronul către starea „unu” sau spre spinul superior. Dar asta necesită energie. Dacă scoateți sticla din busolă, puteți redirecționa săgeata într-o direcție diferită, dar aceasta necesită forță.

Există două accesorii: spin low și high, care corespund clasicului 1 și respectiv 0. Dar adevărul este că obiectele fotonice pot fi în două poziții în același timp. Când este măsurată rotirea, aceasta va fi fie în sus, fie în jos. Dar înainte de măsurare, electronul va exista într-o așa-numită suprapunere cuantică, în care acești coeficienți indică probabilitatea relativă ca electronul să se afle într-o stare sau alta.

Este destul de dificil de imaginat cum acest lucru oferă mașinilor de coerență puterea lor de calcul incredibilă fără a lua în considerare interacțiunea a doi qubiți. Acum există patru stări posibile pentru acești electroni. ÎN exemplu tipic doi biți sunt necesari doar doi biți de informație. Deci doi qubit conțin patru tipuri de informații. Aceasta înseamnă că trebuie să cunoașteți patru numere pentru a cunoaște poziția sistemului. Și dacă faci trei rotiri, obții opt prevederi diferite, iar într-o versiune tipică vor fi necesari trei biți. Se pare că cantitatea de informații conținute în N qubiți este egală cu 2N biți standard. Functie exponentiala spune că, dacă, de exemplu, există 300 de qubiți, atunci va trebui să creați suprapuneri nebunești complexe în care toți cei 300 de qubiți vor fi interconectați. Apoi obținem 2300 de biți clasici, care este egal cu numărul de particule din întregul univers. Rezultă că este necesar să se creeze o succesiune logică care să facă posibilă obținerea unui rezultat de calcul care poate fi măsurat. Adică format doar din accesorii standard. Se pare că o mașină coerentă nu este un înlocuitor pentru cele convenționale. Ele sunt mai rapide doar în calcule în care este posibil să se utilizeze toate suprapozițiile disponibile. Și dacă doriți doar să vizionați un videoclip de înaltă calitate, să discutați pe internet sau să scrieți un articol pentru serviciu, un computer fotonic nu vă va oferi priorități.

Acest videoclip descrie procesul unui computer cuantic.

Dacă vorbim în cuvinte simple, atunci sistemul coerent este conceput nu pentru viteza de calcul, ci pentru suma necesară pentru a obține rezultate care vor apărea în cadrul unitate minimă timp.

Funcționarea unui computer clasic se bazează pe procesarea informațiilor folosind cipuri și tranzistori de siliciu. Ei folosesc cod binar, care la rândul său este format din unu și zero. O mașină coerentă funcționează pe baza suprapunerii. În loc de biți, se folosesc qubiți. Acest lucru vă permite nu numai să faceți rapid, ci și să faceți calcule cât mai precis posibil.

Care va fi cel mai puternic sistem de calcul fotonic? De exemplu, dacă un computer fotonic are un sistem de treizeci de qubiți, atunci puterea sa va fi de 10 trilioane de operații de calcul pe secundă. În prezent, cel mai puternic computer pe doi biți numără un miliard de operațiuni pe secundă.

Un grup mare de oameni de știință din tari diferite a elaborat un plan conform căruia dimensiunile aparatului fotonic vor fi apropiate de dimensiunile unui teren de fotbal. El va fi cel mai puternic din lume. Acesta va fi un fel de structură făcută din module, care este plasată în vid. Interiorul fiecărui modul este câmpuri electrice ionizate. Cu ajutorul lor se vor forma anumite părți ale circuitului care vor efectua acțiuni logice simple. Un exemplu de astfel de tehnologie de calcul fotonic este dezvoltat la Universitatea Sussex din Anglia. Cost estimat pentru acest moment peste 130 de milioane de dolari.

În urmă cu zece ani, D-Wave a introdus primul computer coerent din lume, care constă din 16 qubiți. Fiecare qubit constă la rândul său dintr-un cristal de niobiu, care este plasat într-un inductor. Curentul electric furnizat bobinei creează un câmp magnetic. Apoi, schimbă calitatea de membru în care se află qubitul. Cu ajutorul unei astfel de mașini, puteți afla cu ușurință cât de sintetic medicamente interacționează cu proteinele din sânge.
Sau va fi posibilă identificarea unei boli precum cancerul într-un stadiu mai devreme.

Acest videoclip conține discuții pe tema „De ce are nevoie lumea de un computer cuantic”. Nu uitați să lăsați comentariile, întrebările și doar

Salutare din nou tuturor cititorilor blogului meu! Ieri, câteva povești despre un computer „cuantic” au apărut din nou în știri. Noi suntem din curs şcolar fizicienii știu că un cuantic este o anumită porțiune identică de energie, există și sintagma „salt cuantic”, adică o tranziție instantanee de la un anumit nivel de energie la unul și mai mare. nivel inalt.. Să ne dăm seama împreună ce este un computer cuantic și ce ne așteaptă pe toți când apare această mașină minune

Prima dată am devenit interesat de acest subiect în timp ce priveam filme despre Edward Snowden. După cum știți, acest cetățean american a colectat câțiva terabytes de informații confidențiale (dovezi compromițătoare) despre activitățile serviciilor de informații americane, le-a criptat temeinic și le-a postat pe internet. „Dacă, a spus el, mi se întâmplă ceva, informațiile vor fi descifrate și astfel vor deveni disponibile pentru toată lumea.”

Calculul a fost că această informație era „fierbinte” și ar fi relevantă pentru încă zece ani. Și poate fi decriptat cu putere de calcul modernă în nu mai puțin de zece sau mai mulți ani. Calculatorul cuantic, conform așteptărilor dezvoltatorilor, va face față acestei sarcini în aproximativ douăzeci și cinci de minute Criptografii sunt în panică. Acesta este genul de salt „cuantic” care ne așteaptă în curând, prieteni.

Principiile de funcționare a unui computer cuantic pentru manechine

Din moment ce vorbim despre fizica cuantică, să vorbim puțin despre asta. Nu voi intra în buruieni, prieteni. Sunt un „ceainic”, nu un fizician cuantic. Acum aproximativ o sută de ani, Einstein și-a publicat teoria relativității. Toate oameni desteptiÎn acel moment au fost surprinși de câte paradoxuri și lucruri incredibile erau în el. Așadar, toate paradoxurile lui Einstein care descriu legile lumii noastre sunt doar bâlbâiala inocentă a unui copil de cinci ani, în comparație cu ceea ce se întâmplă la nivelul atomilor și moleculelor.

Înșiși „fizicienii cuantici”, care descriu fenomenele care au loc la nivelurile de electroni și molecule, spun cam așa: „Este incredibil. Acest lucru nu poate fi adevărat. Dar așa este. Nu ne întrebați cum funcționează totul. Nu știm cum sau de ce. Doar ne uităm. Dar funcționează. Acest lucru a fost dovedit experimental. Iată formulele, dependențele și înregistrările experimentelor.”

Deci, care este diferența dintre un computer convențional și un computer cuantic? La urma urmei, un computer obișnuit funcționează și cu electricitate, iar electricitatea este o grămadă de particule foarte mici - electroni?

Calculatoarele noastre funcționează pe principiul fie „Da”, fie „Nu”. Dacă există curent în fir, acesta este „Da” sau „Unul”. Dacă există curent „Nu” în fir, atunci este „Zero”. Opțiunea de valoare „1” și „0” este o unitate de stocare a informațiilor numită „Bit”.. Un octet este de 8 biți și așa mai departe și așa mai departe...

Acum imaginați-vă procesorul, pe care există 800 de milioane de astfel de „fire”, pe fiecare dintre care un astfel de „zero” sau „unu” apare și dispare într-o secundă. Și vă puteți imagina mental cum procesează informațiile. Citiți textul acum, dar de fapt este o colecție de zerouri și unu.

Prin forță brută și calcule, computerul dvs. prelucrează cererile dvs. în Yandex, le caută pe cele de care aveți nevoie până când rezolvă problema și, prin eliminare, ajunge la capătul celei de care aveți nevoie. Afișează fonturi și imagini pe monitor într-o formă pe care o putem citi... Până acum, sper să nu fie nimic complicat? Și imaginea este și zerouri și unu.

Acum, prieteni, imaginați-vă pentru o secundă un model al nostru sistem solar. Soarele este în centru și Pământul zboară în jurul lui. Știm că la un moment dat se află întotdeauna într-un anumit punct din spațiu și într-o secundă va zbura cu treizeci de kilometri mai departe.

Deci, modelul atomului este și planetar, unde atomul se rotește și el în jurul nucleului. Dar s-a dovedit, prieteni, de către băieți deștepți în ochelari, că atomul, spre deosebire de Pământ, este simultan și mereu în toate locurile... Peste tot și nicăieri în același timp. Și au numit acest fenomen minunat „suprapunere”. Pentru a cunoaște mai bine alte fenomene ale fizicii cuantice, vă sugerez să vizionați un film științific popular în care într-un limbaj simplu vorbește despre lucruri complexe într-un mod destul de original.

Hai sa continuăm. Și acum bitul „nostru” este înlocuit cu un bit cuantic. Se mai numește și „Qubit”. De asemenea, are doar două stări inițiale„zero” și „unu”. Dar, din moment ce natura sa este „cuantică”, poate prelua SIMULTAN toate valorile intermediare posibile. Și, în același timp, fii în ei. Acum nu trebuie să calculați succesiv valorile, să le sortați... sau să căutați mult timp în baza de date. Sunt deja cunoscuți dinainte, imediat. Calculele sunt efectuate în paralel.

Primii algoritmi „cuantici” pentru calcule matematice au fost inventate de matematicianul englez Peter Shor în 1997. Când le-a arătat lumii, toți criptografii au devenit foarte încordați, pentru că cifrurile existente„divizat” de acest algoritm în câteva minute Dar nu existau computere care să funcționeze conform algoritmului cuantic la acel moment.

De atunci, pe de o parte, se lucrează pentru a crea un sistem fizic în care ar funcționa un bit cuantic. Adică „hardware”. Pe de altă parte, ei vin deja cu protecție împotriva hacking-ului cuantic și a decriptării datelor.

Ce acum? Și așa arată procesor cuantic sub un microscop de 9 qubit de la Google.

Chiar ne-au depășit? 9 qubiți sau conform celor „vechi” 15 biți, acest lucru nu este încă atât de mult. Plus costul mare, masa probleme tehniceȘi un timp scurt„viața” cuantelor. Dar amintiți-vă că la început au fost 8 biți, apoi au apărut 16 procesoare de biți...Așa va fi cu acestea...

Calculatorul cuantic în Rusia - mit sau realitate?

Dar noi? Dar nu ne-am născut în spatele aragazului. Aici am dezgropat o fotografie a primului cubit rusesc la microscop. El este într-adevăr singurul de aici.

De asemenea, arată ca un fel de „buclă” în care se întâmplă ceva ce nu ne este încă cunoscut. Este îmbucurător să ne gândim că ai noștri, cu sprijinul statului, își dezvoltă pe al lor. Deci, evoluțiile interne nu mai sunt un mit. Acesta este viitorul nostru. Vom vedea cum va fi.

Cele mai recente știri despre computerul cuantic de 51 de qubiți al Rusiei

Iată noutățile pentru această vară. Băieții noștri (cinste și laudă lor!) au dezvoltat cel mai puternic computer din lume (!) cuantic (!) 51 qubiți (!) adică. Cel mai interesant lucru este că înainte de aceasta Google și-a anunțat computerul de 49 de qubiți. Și au estimat că ar fi terminat într-o lună și ceva. Și ai noștri au decis să arate un procesor cuantic gata făcut, de 51 de qubiți... Bravo! Asta e cursa care merge. Măcar putem ține pasul. Pentru că este de așteptat mare descoperireîn știință, când aceste sisteme funcționează. Iată o fotografie a persoanei care a prezentat dezvoltarea noastră la forumul internațional „cuantic”.

Numele acestui om de știință este Mihail Lukin. Astăzi numele lui este în centrul atenției. Este imposibil să creezi singur un astfel de proiect, înțelegem asta. El și echipa sa au creat cel mai puternic computer sau procesor cuantic din lume astăzi(!). Iată ce au de spus oamenii competenți despre asta:

« Calculator cuantic funcționând, este mult mai rău decât o bombă atomică”, notează Serghei Belousov, co-fondatorul Centrului Cuantic Rus. - El (Mikhail Lukin) a făcut un sistem care are cei mai mulți qubiți. Doar în cazul în care. În acest moment, cred că este de două ori mai mulți qubiți decât oricine altcineva. Și a făcut în mod special 51 de qubiți, nu 49. Pentru că Google a tot spus că vor face 49.”

Cu toate acestea, Lukin însuși și șeful laboratorului cuantic Google, John Martinez, nu se consideră concurenți sau rivali. Oamenii de știință sunt convinși că principalul lor rival este natura, iar scopul lor principal este dezvoltarea tehnologiilor și implementarea lor pentru a avansa umanitatea într-o nouă etapă de dezvoltare.

„Este greșit să ne gândim la asta ca la o cursă”, spune pe bună dreptate John Martinez. - Avem o adevărată cursă cu natura. Pentru că este foarte dificil să creezi un computer cuantic. Și este emoționant că cineva a reușit să creeze un sistem cu așa ceva o cantitate mare qubiți Până acum, 22 de qubiți este maximul pe care l-am putea face. Chiar dacă ne-am folosit toată magia și profesionalismul.”

Da, toate acestea sunt foarte interesante. Dacă ne amintim de analogii, atunci când a fost inventat tranzistorul, nimeni nu ar fi putut ști că computerele vor funcționa pe această tehnologie 70 de ani mai târziu. Într-una singură procesor modern numărul lor ajunge la 700 de milioane.. Primul computer cântărea multe tone și ocupa suprafețe mari. Dar calculatoare personale au apărut oricum - mult mai târziu...

Cred că deocamdată nu ar trebui să ne așteptăm ca dispozitive din această clasă să apară în magazinele noastre în viitorul apropiat. Mulți îi așteaptă. În special minerii de criptomonede se ceartă mult despre asta. Oamenii de știință îl privesc cu speranță, iar militarii îl privesc cu mare atenție. Potențialul acestei dezvoltări, așa cum o înțelegem, nu este complet clar.

Este clar doar că atunci când totul va începe să funcționeze, va trage înainte cu ea întreaga industrie intensivă în cunoștințe. Treptat, noi tehnologii, noi industrii, software nou.. Timpul se va arăta. Dacă doar propriul nostru computer cuantic, dat nouă la naștere, nu dezamăgește oamenii - acesta este capul nostru. Deci, nu vă grăbiți să vă aruncați gadgeturile la coșul de gunoi încă. Vă vor servi mult timp. Scrie dacă articolul a fost interesant. Întoarce-te des. La revedere!

Lumea este în pragul unei alte revoluții cuantice. Primul computer cuantic va rezolva instantaneu problemele pentru care sunt cele mai puternice aparat modern acum petrece ani de zile. Care sunt aceste sarcini? Cine beneficiază și cine este amenințat de utilizarea masivă a algoritmilor cuantici? Ce este o suprapunere de qubiți, cum au învățat oamenii să găsească soluție optimă fără a trece prin trilioane de opțiuni? Răspundem la aceste întrebări sub titlul „Doar despre complex”.

Înainte de teoria cuantică, era în uz teoria clasică radiatie electromagnetica. În 1900, omul de știință german Max Planck, care el însuși nu credea în cuante și le considera un construct fictiv și pur teoretic, a fost nevoit să admită că energia unui corp încălzit este emisă în porțiuni - cuante; Astfel, ipotezele teoriei au coincis cu observațiile experimentale. Și cinci ani mai târziu, marele Albert Einstein a recurs la aceeași abordare atunci când a explicat efectul fotoelectric: la iradierea cu lumină, un curent electric a apărut în metale! Este puțin probabil că Planck și Einstein și-ar fi putut imagina că prin munca lor pun bazele noua stiinta- mecanica cuantică, care va fi menită să ne transforme lumea dincolo de recunoaștere și care în secolul XXI oamenii de știință se vor apropia de a crea un computer cuantic.

La început, mecanica cuantică a făcut posibilă explicarea structurii atomului și a ajutat la înțelegerea proceselor care au loc în interiorul acestuia. De în general visul de lungă durată al alchimiștilor de a transforma atomii unor elemente în atomi ai altora (da, chiar și în aur) s-a împlinit. Iar celebra formulă a lui Einstein E=mc2 a dus la apariția energiei nucleare și, în consecință, a bombei atomice.

Procesor cuantic de cinci qubiți de la IBM

Mai departe mai mult. Datorită muncii lui Einstein și fizicianului englez Paul Dirac, în a doua jumătate a secolului XX a fost creat un laser - de asemenea o sursă cuantică de lumină ultra-pură, colectată într-un fascicul îngust. Cercetarea cu laser a adus Premiul Nobel la mai mult de o duzină de oameni de știință, iar laserele în sine și-au găsit aplicația în aproape toate domeniile activității umane - de la tăietoare industriale și pistoale cu laser la scanere de coduri de bare și corectarea vederii. Cam în aceeași oră se plimbau cercetare activă semiconductori - materiale cu care puteți controla cu ușurință fluxul de curent electric. Pe baza lor, au fost create primele tranzistoare - acestea au devenit ulterior principalele elemente de construcție electronice moderne, fără de care nu ne mai putem imagina viața.

Dezvoltarea dispozitivelor electronice a făcut posibilă rezolvarea rapidă și eficientă a multor probleme. calculatoare- calculatoare. Iar reducerea treptată a dimensiunii și costului lor (datorită producției în masă) a deschis calea pentru computere în fiecare casă. Odată cu apariția Internetului, dependența noastră de sisteme informatice, inclusiv pentru comunicare, a devenit și mai puternică.

Richard Feynman

Dependența este în creștere, puterea de calcul este în continuă creștere, dar a sosit momentul să recunoaștem că, în ciuda capacităților lor impresionante, computerele nu au reușit să rezolve toate problemele pe care suntem gata să le punem în fața. Celebrul fizician Richard Feynman a fost unul dintre primii care a vorbit despre asta: în 1981, la o conferință, a declarat că era fundamental imposibil să se calculeze cu exactitate un sistem fizic real pe computerele obișnuite. Totul ține de natura sa cuantică! Efectele la microscală sunt ușor explicate de mecanica cuantică și foarte puțin explicate de mecanica clasică cu care suntem obișnuiți: descrie comportamentul obiectelor mari. Atunci, ca alternativă, Feynman a propus utilizarea calculatoarelor cuantice pentru a calcula sistemele fizice.

Ce este un computer cuantic și cum este diferit de computerele cu care suntem obișnuiți? Totul este despre modul în care prezentăm informațiile.

Dacă în calculatoarele convenționale biții - zerouri și unu - sunt responsabili pentru această funcție, atunci în computerele cuantice ei sunt înlocuiți cu biți cuantici (abreviați ca qubiți). Qubit-ul în sine este un lucru destul de simplu. Are încă două valori fundamentale (sau stări, după cum le place să spună mecanica cuantică) pe care le poate lua: 0 și 1. Cu toate acestea, datorită unei proprietăți a obiectelor cuantice numită „suprapoziție”, un qubit poate prelua toate valorile. care sunt o combinație a celor fundamentale. Mai mult, natura sa cuantică îi permite să fie în toate aceste stări în același timp.

Acesta este paralelismul calculului cuantic cu qubiți. Totul se întâmplă deodată - nu mai trebuie să treci prin toate opțiuni posibile stările sistemului, care este exact ceea ce face un computer obișnuit. Cautat de baze de date mari date, compilare traseu optim, dezvoltarea de noi medicamente sunt doar câteva exemple de probleme a căror soluție poate fi accelerată de mai multe ori prin algoritmi cuantici. Acestea sunt problemele în care puteți găsi răspunsul corect pe care trebuie să îl sortați o cantitate mare Opțiuni.

În plus, puterea de calcul și volumele uriașe nu mai sunt necesare pentru a descrie starea exactă a sistemului. memorie cu acces aleator, deoarece pentru a calcula un sistem de 100 de particule, 100 de qubiți sunt suficienți, nu trilioane de trilioane de biți. Mai mult, pe măsură ce numărul de particule crește (ca în realitate sisteme complexe) această diferență devine și mai semnificativă.

Una dintre problemele de căutare s-a remarcat prin aparenta sa inutilitate - descompunerea numere mariîn factori primi (adică divizibili cu un număr întreg numai prin ei înșiși și unul). Aceasta se numește „factorizare”. Adevărul este că calculatoare obișnuite Ele pot înmulți numere destul de repede, chiar și pe cele foarte mari. Cu toate acestea, cu problema expansiunii inverse un numar mare, rezultat din înmulțirea a două numere prime, calculatoarele obișnuite fac față foarte prost factorilor inițiali. De exemplu, pentru factorizarea unui număr de 256 de cifre în doi factori, chiar computer puternic va dura mai bine de o duzină de ani. Dar un algoritm cuantic care poate rezolva această problemă în câteva minute a fost inventat în 1997 de matematicianul englez Peter Shor.

Odată cu apariția algoritmului lui Shor, comunitatea științifică s-a confruntat cu o problemă serioasă. La sfârșitul anilor 1970, pe baza complexității problemei de factorizare, oamenii de știință criptografici au creat un algoritm de criptare a datelor care a devenit larg răspândit. În special, cu ajutorul acestui algoritm au început să protejeze datele de pe Internet - parole, corespondență personală, tranzacții bancare și financiare. Și după mulți ani de utilizare cu succes, s-a dovedit brusc că informațiile criptate în acest fel devin o țintă ușoară pentru algoritmul lui Shor care rulează pe un computer cuantic. Decriptarea cu ajutorul ei devine o chestiune de câteva minute. Un lucru era bun: un computer cuantic pe care să poată fi rulat algoritmul mortal nu fusese încă creat.

Între timp, în întreaga lume, zeci de grupuri științifice și laboratoare au început să studieze studii experimentale qubiți și posibilitățile de a crea un computer cuantic din aceștia. La urma urmei, una este să inventezi teoretic un qubit și alta este să-l aduci în realitate. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să se găsească un sistem fizic adecvat cu două niveluri cuantice care să poată fi folosite ca stări de bază ale qubitului - zero și unu. Feynman însuși, în articolul său de pionierat, a propus folosirea în aceste scopuri laturi diferite fotoni, dar primii qubiți creați experimental au fost ioni capturați în capcane speciale în 1995. Ionii au fost urmați de mulți alții implementari fizice: nuclee atomice, electroni, fotoni, defecte în cristale, circuite supraconductoare - toate au îndeplinit cerințele.

Această diversitate avea meritele ei. Conduse de concurență intensă, diverse grupuri științifice au creat tot mai mulți qubiți perfecți și au construit din ce în ce mai mulți din ei. circuite complexe. Au existat doi parametri competitivi principali pentru qubiți: durata de viață a acestora și numărul de qubiți care ar putea fi făcuți să funcționeze împreună.

Angajații Laboratorului de Sisteme Cuantice Artificiale

Durata de viață a qubiților a determinat cât timp a fost stocată starea cuantică fragilă în ei. Aceasta, la rândul său, a determinat câte operații de calcul ar putea fi efectuate pe qubit înainte ca acesta să „murească”.

Pentru munca eficienta algoritmii cuantici aveau nevoie nu doar de un qubit, ci de cel puțin o sută și să lucreze împreună. Problema a fost că qubitilor nu prea le plăcea să fie unul lângă altul și au protestat reducându-și dramatic durata de viață. Pentru a ocoli această incompatibilitate a qubiților, oamenii de știință au fost nevoiți să recurgă la tot felul de trucuri. Și totuși, până în prezent, oamenii de știință au reușit să obțină maximum una sau două duzini de qubiți pentru a lucra împreună.

Deci, spre bucuria criptografilor, un computer cuantic este încă un lucru al viitorului. Deși nu este deloc atât de departe pe cât ar fi putut părea cândva, deoarece atât cele mai mari corporații precum Intel, IBM și Google, cât și statele individuale, pentru care crearea unui computer cuantic este o chestiune de importanță strategică, sunt implicat activ în crearea acestuia.

Nu rata prelegerea: