Istoria calculatoarelor cuantice. Calculatoare cuantice - ce sunt acestea? Principiul de funcționare și fotografia unui computer cuantic

Candidat la Științe Fizice și Matematice L. FEDICHKIN (Institutul de Fizică și Tehnologie al Academiei Ruse de Științe.

Folosind legile mecanicii cuantice, este posibil să se creeze un tip fundamental de computer nou, care va permite rezolvarea unor probleme care sunt inaccesibile chiar și celor mai puternice supercalculatoare moderne. Viteza multor calcule complexe va crește brusc; mesajele trimise prin linii de comunicare cuantică vor fi imposibil de interceptat sau copiat. Astăzi, prototipurile acestor computere cuantice ale viitorului au fost deja create.

Matematician și fizician american de origine maghiară Johann von Neumann (1903-1957).

Fizicianul teoretic american Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Matematicianul american Peter Shor, specialist în domeniul calculului cuantic. El a propus un algoritm cuantic pentru factorizarea rapidă a numerelor mari.

Bit cuantic sau qubit. Stările corespund, de exemplu, direcției de rotație a nucleului atomic în sus sau în jos.

Un registru cuantic este un lanț de biți cuantici. Porțile cuantice de unul sau doi qubiți efectuează operații logice pe qubiți.

INTRODUCERE SAU PUȚIN DESPRE PROTECȚIA INFORMAȚIILOR

Ce program crezi că a vândut cele mai multe licențe din lume? Nu voi risca să insist că știu răspunsul corect, dar cu siguranță știu unul greșit: acesta Nu orice versiune de Microsoft Windows. Cel mai comun sistem de operare este înaintea unui produs modest de la RSA Data Security, Inc. - un program care implementează algoritmul de criptare a cheii publice RSA, numit după autorii săi - matematicienii americani Rivest, Shamir și Adelman.

Faptul este că algoritmul RSA este încorporat în majoritatea sistemelor de operare comerciale, precum și în multe alte aplicații utilizate în diverse dispozitive - de la smart carduri la telefoane mobile. În special, este disponibil și în Microsoft Windows, ceea ce înseamnă că este cu siguranță mai răspândit decât acest popular sistem de operare. Pentru a detecta urme de RSA, de exemplu, în browserul Internet Explorer (un program pentru vizualizarea paginilor www pe Internet), trebuie doar să deschideți meniul „Ajutor”, să intrați în submeniul „Despre Internet Explorer” și să vizualizați lista de produse utilizate din alte companii. Un alt browser comun, Netscape Navigator, folosește și algoritmul RSA. În general, este dificil să găsești o companie cunoscută care lucrează în domeniul tehnologiei înalte și care să nu cumpere licență pentru acest program. Astăzi, RSA Data Security, Inc. a vândut deja peste 450 de milioane(!) de licențe.

De ce a fost algoritmul RSA atât de important?

Imaginați-vă că trebuie să schimbați rapid un mesaj cu o persoană aflată departe. Datorită dezvoltării internetului, un astfel de schimb a devenit disponibil pentru majoritatea oamenilor astăzi - trebuie doar să aveți un computer cu un modem sau o placă de rețea. Desigur, atunci când faceți schimb de informații prin rețea, doriți să păstrați mesajele secrete față de străini. Cu toate acestea, este imposibil să protejați complet o linie lungă de comunicație împotriva interceptării. Aceasta înseamnă că atunci când mesajele sunt trimise, acestea trebuie să fie criptate, iar atunci când sunt primite, trebuie să fie decriptate. Dar cum puteți să înțelegeți cu interlocutorul dvs. ce cheie veți folosi? Dacă trimiteți cheia cifrului pe aceeași linie, un atacator care interceptează cu urechea o poate intercepta cu ușurință. Desigur, puteți transmite cheia printr-o altă linie de comunicare, de exemplu, trimiteți-o prin telegramă. Dar această metodă este de obicei incomodă și, în plus, nu întotdeauna de încredere: cealaltă linie poate fi, de asemenea, accesată. Este bine dacă dvs. și destinatarul dvs. știți dinainte că veți face schimb de criptare și, prin urmare, vă dați reciproc cheile în avans. Dar dacă, de exemplu, doriți să trimiteți o ofertă comercială confidențială unui posibil partener de afaceri sau să cumpărați un produs care vă place într-un nou magazin online folosind un card de credit?

În anii 1970, pentru a rezolva această problemă, s-au propus sisteme de criptare care utilizează două tipuri de chei pentru același mesaj: public (nu este necesar să fie păstrat secret) și privat (strict secret). Cheia publică este folosită pentru a cripta mesajul, iar cheia privată este folosită pentru a-l decripta. Trimiți corespondentului tău o cheie publică, iar el o folosește pentru a-și cripta mesajul. Tot ce poate face un atacator care a interceptat o cheie publică este să-și cripteze e-mailul cu ea și să-l transmită cuiva. Dar nu va putea descifra corespondența. Tu, cunoscând cheia privată (inițial este stocată la tine), poți citi cu ușurință mesajul care ți se adresează. Pentru a cripta mesajele de răspuns, veți folosi cheia publică trimisă de corespondentul dvs. (și va păstra cheia privată corespunzătoare pentru el).

Aceasta este exact schema criptografică folosită în algoritmul RSA, cea mai comună metodă de criptare cu cheie publică. Mai mult, pentru a crea o pereche de chei publice și private, se utilizează următoarea ipoteză importantă. Dacă există două mari (pentru a fi scrise mai mult de o sută de cifre zecimale) simplu numerele M și K, atunci găsirea produsului lor N=MK nu va fi dificilă (nici măcar nu este nevoie să aveți un computer pentru asta: o persoană destul de atentă și răbdătoare va putea înmulți astfel de numere cu un pix și hârtie). Dar pentru a rezolva problema inversă, adică cunoscând un număr mare N, descompuneți-l în factori primi M și K (așa-numitii problema de factorizare) - aproape imposibil! Exact aceasta este problema pe care o va întâmpina un atacator dacă decide să „hack” algoritmul RSA și să citească informațiile criptate cu acesta: pentru a afla cheia privată, cunoscând cheia publică, va trebui să calculeze M sau K .

Pentru a testa validitatea ipotezei despre complexitatea practică a factorizării numerelor mari, au fost și încă se desfășoară concursuri speciale. Descompunerea unui număr de doar 155 de cifre (512 biți) este considerată o înregistrare. Calculele au fost efectuate în paralel pe multe computere timp de șapte luni în 1999. Dacă această sarcină ar fi efectuată pe un singur computer personal modern, ar necesita aproximativ 35 de ani de timp de calculator! Calculele arată că, folosind chiar și o mie de stații de lucru moderne și cel mai bun algoritm de calcul cunoscut astăzi, un număr de 250 de cifre poate fi factorizat în aproximativ 800 de mii de ani, iar un număr de 1000 de cifre în 10-25 (!) ani. (Pentru comparație, vârsta Universului este de ~10-10 ani.)

Prin urmare, algoritmii criptografici precum RSA, care funcționează pe chei suficient de lungi, au fost considerați absolut fiabili și au fost utilizați în multe aplicații. Și totul a fost bine până atunci ...până când au apărut computerele cuantice.

Se dovedește că folosind legile mecanicii cuantice, este posibil să se construiască calculatoare pentru care problema factorizării (și multe altele!) nu va fi dificilă. Se estimează că un computer cuantic cu doar aproximativ 10 mii de biți cuantici de memorie poate transforma un număr de 1000 de cifre în factori primi în doar câteva ore!

CUM A ÎNCEPUT TOTUL?

Abia la mijlocul anilor 1990, teoria calculatoarelor cuantice și a calculului cuantic s-a stabilit ca un nou domeniu al științei. Așa cum se întâmplă adesea cu ideile grozave, este dificil să identificăm cu precizie inițiatorul. Aparent, matematicianul maghiar J. von Neumann a fost primul care a atras atenția asupra posibilității dezvoltării logicii cuantice. Cu toate acestea, la acel moment, nu fuseseră încă create computere cuantice, ci și obișnuite, clasice. Și odată cu apariția acestuia din urmă, principalele eforturi ale oamenilor de știință au vizat în primul rând găsirea și dezvoltarea de noi elemente pentru ei (tranzistoare și apoi circuite integrate), și nu crearea de dispozitive de calcul fundamental diferite.

În anii 1960, fizicianul american R. Landauer, care lucra la IBM, a încercat să atragă atenția lumii științifice asupra faptului că calculele sunt întotdeauna un proces fizic, ceea ce înseamnă că este imposibil să înțelegem limitele capacităților noastre de calcul fără precizând ce implementare fizică corespund. Din păcate, la acea vreme, opinia dominantă în rândul oamenilor de știință era că calculul era un fel de procedură logică abstractă care ar trebui studiată de matematicieni, nu de fizicieni.

Pe măsură ce computerele au devenit mai răspândite, oamenii de știință cuantici au ajuns la concluzia că era practic imposibil să se calculeze direct starea unui sistem în evoluție format din doar câteva zeci de particule care interacționează, cum ar fi o moleculă de metan (CH 4). Acest lucru se explică prin faptul că, pentru a descrie pe deplin un sistem complex, este necesar să se păstreze în memoria computerului un număr exponențial de mare (din punct de vedere al numărului de particule) de variabile, așa-numitele amplitudini cuantice. A apărut o situație paradoxală: cunoscând ecuația evoluției, cunoscând cu suficientă acuratețe toate potențialele de interacțiune ale particulelor între ele și starea inițială a sistemului, este aproape imposibil să-i calculăm viitorul, chiar dacă sistemul este format doar din 30 de electroni într-un puț de potențial și este disponibil un supercalculator cu RAM, al cărui număr de biți este egal cu numărul de atomi din regiunea vizibilă a Universului (!). Și, în același timp, pentru a studia dinamica unui astfel de sistem, puteți pur și simplu efectua un experiment cu 30 de electroni, plasându-i într-un anumit potențial și stare inițială. Acest lucru, în special, a fost remarcat de matematicianul rus Yu I. Manin, care în 1980 a subliniat necesitatea dezvoltării unei teorii a dispozitivelor de calcul cuantic. În anii 1980, aceeași problemă a fost studiată de fizicianul american P. Benev, care a arătat clar că un sistem cuantic poate efectua calcule, precum și de savantul englez D. Deutsch, care a dezvoltat teoretic un computer cuantic universal care este superior acestuia. omologul clasic.

Câștigătorul Premiului Nobel pentru fizică, R. Feynman, binecunoscut cititorilor obișnuiți de Science and Life, a atras multă atenție asupra problemei dezvoltării computerelor cuantice. Datorită apelului său de autoritate, numărul specialiștilor care au acordat atenție calculului cuantic a crescut de multe ori.

Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp, a rămas neclar dacă puterea de calcul ipotetică a unui computer cuantic ar putea fi folosită pentru a accelera soluționarea problemelor practice. Dar în 1994, un matematician american și angajat al Lucent Technologies (SUA) P. Shor a uimit lumea științifică propunând un algoritm cuantic care permite factorizarea rapidă a numerelor mari (importanța acestei probleme a fost deja discutată în introducere). În comparație cu cea mai bună metodă clasică cunoscută astăzi, algoritmul cuantic al lui Shor oferă o accelerare multiplă a calculelor și, cu cât numărul factorizat este mai lung, cu atât câștigul de viteză este mai mare. Algoritmul de factorizare rapidă prezintă un mare interes practic pentru diverse agenții de informații care au acumulat bănci de mesaje necriptate.

În 1996, colegul lui Shore de la Lucent Technologies L. Grover a propus un algoritm cuantic pentru căutare rapidă într-o bază de date neordonată. (Un exemplu de astfel de baze de date este o carte telefonică în care numele abonaților nu sunt aranjate alfabetic, ci într-o manieră arbitrară.) Sarcina de căutare, selectare a elementului optim dintre numeroasele opțiuni este foarte des întâlnită în domeniul economic, militar, probleme de inginerie și în jocurile pe calculator. Algoritmul lui Grover permite nu numai să accelereze procesul de căutare, ci și să dubleze aproximativ numărul de parametri luați în considerare la alegerea optimului.

Crearea reală a calculatoarelor cuantice a fost îngreunată în esență de singura problemă serioasă - erori sau interferențe. Faptul este că același nivel de interferență strică procesul de calcul cuantic mult mai intens decât calculul clasic. P. Shor a schițat modalități de a rezolva această problemă în 1995, dezvoltând o schemă pentru codificarea stărilor cuantice și corectarea erorilor din acestea. Din păcate, subiectul corectării erorilor în calculatoarele cuantice este pe atât de important, pe atât de complex de tratat în acest articol.

DISPOZITIV AL UNUI CALCULATOR CUANTUM

Înainte de a vă spune cum funcționează un computer cuantic, să ne amintim principalele caracteristici ale sistemelor cuantice (vezi și „Știința și viața” nr. 8, 1998; nr. 12, 2000).

Pentru a înțelege legile lumii cuantice, nu ar trebui să se bazeze direct pe experiența de zi cu zi. În modul obișnuit (în înțelegerea de zi cu zi), particulele cuantice se comportă numai dacă le „privim” în mod constant sau, mai strict vorbind, măsuram constant starea în care se află. Dar de îndată ce ne „întoarcem” (nu mai observăm), particulele cuantice trec imediat dintr-o stare foarte specifică în mai multe forme diferite simultan. Adică, un electron (sau orice alt obiect cuantic) va fi parțial situat într-un punct, parțial într-un altul, parțial într-un al treilea etc. Aceasta nu înseamnă că este împărțit în felii, ca o portocală. Atunci ar fi posibil să izolați în mod fiabil o parte a electronului și să măsurați sarcina sau masa acestuia. Dar experiența arată că, după măsurare, electronul se dovedește întotdeauna a fi „în siguranță” într-un singur punct, în ciuda faptului că înainte de aceasta a reușit să fie aproape peste tot în același timp. Această stare a unui electron, atunci când este situat în mai multe puncte din spațiu simultan, se numește suprapunerea stărilor cuanticeși sunt de obicei descrise de funcția de undă, introdusă în 1926 de către fizicianul german E. Schrödinger. Modulul valorii funcției de undă în orice punct, la pătrat, determină probabilitatea de a găsi o particulă în acel punct la un moment dat. După măsurarea poziției unei particule, funcția ei de undă pare să se micșoreze (se prăbușește) până la punctul în care particula a fost detectată și apoi începe să se răspândească din nou. Proprietatea particulelor cuantice de a fi în mai multe stări simultan, numită paralelism cuantic, a fost folosit cu succes în calculul cuantic.

Bit cuantic

Celula de bază a unui computer cuantic este un bit cuantic sau, pe scurt, qubit(q-bit). Aceasta este o particulă cuantică care are două stări de bază, care sunt desemnate 0 și 1 sau, așa cum este obișnuit în mecanica cuantică, și. Două valori ale qubitului pot corespunde, de exemplu, stărilor fundamentale și excitate ale atomului, direcțiilor în sus și în jos ale rotației nucleului atomic, direcției curentului în inelul supraconductor, două poziții posibile ale electronul din semiconductor etc.

Registrul cuantic

Registrul cuantic este structurat aproape la fel ca cel clasic. Acesta este un lanț de biți cuantici pe care pot fi efectuate operații logice pe unul și doi biți (similar cu utilizarea operațiilor NOT, 2I-NOT etc. într-un registru clasic).

Stările de bază ale unui registru cuantic format din L qubiți includ, ca și în cel clasic, toate secvențele posibile de zerouri și uni de lungime L. Pot exista 2 L combinații diferite în total. Ele pot fi considerate o înregistrare a numerelor în formă binară de la 0 la 2 L -1 și notate. Cu toate acestea, aceste stări de bază nu epuizează toate valorile posibile ale registrului cuantic (spre deosebire de cel clasic), deoarece există și stări de suprapunere definite de amplitudini complexe legate de condiția de normalizare. Un analog clasic pentru cele mai multe valori posibile ale unui registru cuantic (cu excepția celor de bază) pur și simplu nu există. Stările unui registru clasic sunt doar o umbră jalnică a întregii bogății de stări a unui computer cuantic.

Imaginează-ți că registrului i se aplică o influență externă, de exemplu, impulsurile electrice sunt aplicate unei părți a spațiului sau sunt direcționate fasciculele laser. Dacă este un registru clasic, un impuls, care poate fi considerat o operație de calcul, va schimba L variabile. Dacă acesta este un registru cuantic, atunci același puls se poate converti simultan în variabile. Astfel, un registru cuantic este, în principiu, capabil să prelucreze informații de câteva ori mai rapid decât omologul său clasic. De aici este imediat clar că registrele cuantice mici (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Este de remarcat, totuși, că există o clasă de probleme pentru care algoritmii cuantici nu oferă o accelerare semnificativă în comparație cu cei clasici. Unul dintre primii care au arătat acest lucru a fost matematicianul rus Yu Ozhigov, care a construit o serie de exemple de algoritmi care, în principiu, nu pot fi accelerați de un singur ciclu de ceas pe un computer cuantic.

Cu toate acestea, nu există nicio îndoială că calculatoarele care funcționează conform legile mecanicii cuantice reprezintă o etapă nouă și decisivă în evoluția sistemelor de calcul. Rămâne doar să le construim.

CALCULATELE CUANTICE AZI

Prototipuri de calculatoare cuantice există deja astăzi. Adevărat, până acum a fost posibil din punct de vedere experimental să se asambleze doar registre mici constând din doar câțiva biți cuantici. Astfel, recent un grup condus de fizicianul american I. Chang (IBM) a anunțat asamblarea unui computer cuantic pe 5 biți. Fără îndoială, acesta este un mare succes. Din păcate, sistemele cuantice existente nu sunt încă capabile să ofere calcule fiabile, deoarece sunt fie slab controlate, fie foarte susceptibile la zgomot. Cu toate acestea, nu există restricții fizice privind construirea unui computer cuantic eficient, este necesar doar depășirea dificultăților tehnologice.

Există mai multe idei și propuneri despre cum să faci biți cuantici fiabili și ușor de controlat.

I. Chang dezvoltă ideea de a folosi spinurile nucleelor unor molecule organice ca qubiți.

Cercetătorul rus M.V Feigelman, care lucrează la Institutul de Fizică Teoretică, numit după. L.D. Landau RAS, propune asamblarea registrelor cuantice din inele supraconductoare miniaturale. Fiecare inel joacă rolul unui qubit, iar stările 0 și 1 corespund direcției curentului electric din inel - în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic. Astfel de qubiți pot fi comutați folosind un câmp magnetic.

La Institutul de Fizică și Tehnologie al Academiei Ruse de Științe, un grup condus de academicianul K. A. Valiev a propus două opțiuni pentru plasarea qubiților în structurile semiconductoare. În primul caz, rolul unui qubit este jucat de un electron într-un sistem de două puțuri de potențial create de o tensiune aplicată mini-electrodului de pe suprafața semiconductorului. Stările 0 și 1 sunt pozițiile electronului într-una dintre aceste godeuri. Qubit-ul este comutat prin schimbarea tensiunii pe unul dintre electrozi. Într-o altă versiune, qubit-ul este nucleul unui atom de fosfor încorporat într-un anumit punct al semiconductorului. Stările 0 și 1 - direcțiile spinului nuclear de-a lungul sau împotriva câmpului magnetic extern. Controlul se realizează folosind acțiunea combinată a impulsurilor magnetice de frecvență de rezonanță și impulsuri de tensiune.

Astfel, cercetările sunt în desfășurare activă și se poate presupune că în viitorul foarte apropiat - în aproximativ zece ani - va fi creat un computer cuantic eficient.

O privire în viitor

Astfel, este foarte posibil ca în viitor calculatoarele cuantice să fie fabricate folosind metode tradiționale ale tehnologiei microelectronice și să conțină mulți electrozi de control, care amintesc de un microprocesor modern. Pentru a reduce nivelul de zgomot, care este critic pentru funcționarea normală a unui computer cuantic, primele modele vor trebui, aparent, să fie răcite cu heliu lichid. Este probabil ca primele computere cuantice să fie dispozitive voluminoase și scumpe, care nu vor încăpea pe un birou și sunt întreținute de un personal numeros de programatori de sisteme și ajustatori hardware în haine albe. În primul rând, doar agențiile guvernamentale vor avea acces la ele, apoi organizațiile comerciale bogate. Dar era computerelor convenționale a început cam în același mod.

Ce se va întâmpla cu computerele clasice? Vor muri? Cu greu. Atât computerele clasice, cât și cele cuantice au propriile lor domenii de aplicare. Deși, cel mai probabil, rata de piață se va deplasa treptat către cea din urmă.

Introducerea calculatoarelor cuantice nu va duce la rezolvarea unor probleme clasice fundamental de nerezolvat, ci doar va accelera unele calcule. În plus, comunicarea cuantică va deveni posibilă - transferul de qubiți la distanță, ceea ce va duce la apariția unui fel de Internet cuantic. Comunicarea cuantică va face posibilă asigurarea unei conexiuni sigure (prin legile mecanicii cuantice) a tuturor între ei, de la interceptări. Informațiile dvs. stocate în bazele de date cuantice vor fi protejate mai sigur de copiere decât sunt acum. Firmele care produc programe pentru calculatoare cuantice le vor putea proteja de orice copiere, inclusiv ilegală.

Pentru o înțelegere mai profundă a acestui subiect, puteți citi articolul de recenzie al lui E. Riffel și V. Polak, „Fundamentals of Quantum Computing”, publicat în revista rusă „Quantum Computers and Quantum Computing” (nr. 1, 2000). (Apropo, acesta este primul și până acum singurul jurnal din lume dedicat calculului cuantic. Informații suplimentare despre aceasta pot fi găsite pe internet la http://rcd.ru/qc.). Odată ce ați stăpânit această lucrare, veți putea citi articole științifice despre calculul cuantic.

Va fi necesară o pregătire matematică preliminară ceva mai mare atunci când citiți cartea lui A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly „Classical and Quantum Computations” (Moscova: MTsNMO-CheRo, 1999).

O serie de aspecte fundamentale ale mecanicii cuantice, esențiale pentru efectuarea calculelor cuantice, sunt discutate în cartea lui V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev „Teleportarea cuantică - un miracol obișnuit” (Izhevsk: RHD, 2000).

Editura RCD se pregătește să publice o traducere a recenziei lui A. Steen despre calculatoarele cuantice ca o carte separată.

Următoarea literatură va fi utilă nu numai din punct de vedere educațional, ci și din punct de vedere istoric:

1) Yu. I. Manin. Calculabil și incalculabil.

M.: Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Fundamentele matematice ale mecanicii cuantice.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simularea fizicii pe computere // Calculator cuantic și calcul cuantic:

sat. în 2 volume - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, p. 96-123.

4) R. Feynman. Calculatoare cuantice mecanice

// Ibid., p. 123.-156.

Vezi problema pe aceeași temă

Săptămâna trecută a apărut știrea că Google a făcut un progres în dezvoltarea unui computer cuantic -
compania a înțeles cum va face față unui astfel de computer
cu propriile tale greșeli. Despre computerele cuantice se vorbește de câțiva ani: era, de exemplu, pe coperta revistei Time. Dacă apar astfel de computere, va fi o descoperire asemănătoare cu apariția computerelor clasice - sau chiar mai gravă. Look At Me explică de ce computerele cuantice sunt grozave și ce anume a făcut Google.

Ce este un computer cuantic?

Un computer cuantic este un mecanism aflat la intersecția dintre informatică și fizica cuantică, cea mai complexă ramură a fizicii teoretice. Richard Feynman, unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului al XX-lea, a spus odată: „Dacă crezi că înțelegi fizica cuantică, atunci nu o înțelegi”. Prin urmare, vă rugăm să rețineți că următoarele explicații sunt incredibil de simplificate. Oamenii petrec mulți ani încercând să înțeleagă fizica cuantică.

Fizica cuantică se ocupă de particule elementare mai mici decât un atom. Modul în care aceste particule sunt structurate și modul în care se comportă contrazice multe dintre ideile noastre despre Univers. O particulă cuantică poate fi în mai multe locuri în același timp - și în mai multe stări în același timp. Imaginați-vă că ați aruncat o monedă: în timp ce este în aer, nu vă puteți da seama dacă va apărea cu cap sau coadă; Această monedă este ca capul și coada în același timp. Cam așa se comportă particulele cuantice. Acesta se numește principiul suprapunerii.

Un computer cuantic este încă un dispozitiv ipotetic care va folosi principiul suprapunerii (și alte proprietăți cuantice)
pentru calcule. Un computer obișnuit funcționează folosind tranzistori,
care percep orice informație ca zero și unu. Codul binar poate descrie întreaga lume - și poate rezolva orice problemă din ea. Analogul cuantic al unui bit clasic se numește cot. (qubit, qu - de la cuvântul quantum, quantum). Folosind principiul suprapunerii, un cot poate fi simultan
în starea 0 și 1 - și acest lucru nu numai că va crește semnificativ puterea în comparație cu computerele tradiționale, dar vă va permite și să rezolvați probleme neașteptate,
de care computerele convenționale nu sunt capabile.

Principiul suprapunerii este singurul lucru
Pe ce se vor baza calculatoarele cuantice?

Nu. Datorită faptului că computerele cuantice există doar în teorie, oamenii de știință încă speculează doar cum vor funcționa ele exact. De exemplu, se crede că computerele cuantice vor folosi, de asemenea, încrucișarea cuantică.
Acesta este un fenomen pe care Albert Einstein l-a numit „cel misterios” ( el a fost în general împotriva teoriei cuantice, deoarece aceasta nu se potrivește cu teoria sa a relativității). Sensul fenomenului este că două particule din Univers pot fi interconectate și invers: să spunem, dacă helicitatea
(există o astfel de caracteristică a stării particulelor elementare, nu vom intra în detalii) prima particulă este pozitivă, apoi helicitatea celei de-a doua va fi întotdeauna negativă și invers. Acest fenomen este numit „înfiorător” din două motive. În primul rând, această conexiune funcționează instantaneu, mai rapid decât viteza luminii. În al doilea rând, particulele încurcate pot fi localizate la orice distanță unele de altele.
unul de celălalt: de exemplu, la diferite capete ale Căii Lactee.

Cum poate fi folosit un computer cuantic?

Oamenii de știință caută aplicații pentru calculatoarele cuantice și în același timp își dau seama cum să le construiască. Principalul lucru este că un computer cuantic va fi capabil să optimizeze foarte rapid informațiile și, în general, să lucreze cu date mari pe care le acumulăm, dar nu înțelegem încă cum să le folosim.

Să ne imaginăm această opțiune (foarte simplificat, desigur): Sunteți pe cale să trageți cu un arc într-o țintă și trebuie să calculați cât de sus să țintiți pentru a lovi. Să presupunem că trebuie să calculați înălțimea de la 0 la 100 cm Un computer convențional va calcula fiecare traiectorie pe rând: mai întâi 0 cm, apoi 1 cm, apoi 2 cm și așa mai departe. Calculatorul cuantic va calcula toate opțiunile în același timp - și va produce instantaneu pe cea care vă va permite să atingeți ținta. Astfel puteți optimiza multe procese:
din medicină (să zicem, pentru a diagnostica cancerul mai devreme)înaintea aviației (de exemplu, creați piloți automati mai complexi).

Există, de asemenea, o versiune că un astfel de computer va fi capabil să rezolve probleme de care un computer obișnuit pur și simplu nu este capabil - sau care ar necesita mii de ani de calcule. Un computer cuantic va putea lucra cu cele mai complexe simulări: de exemplu, să calculeze dacă există ființe inteligente în Univers, altele decât oamenii. Este posibil ca crearea calculatoarelor cuantice să conducă
la apariția inteligenței artificiale. Imaginați-vă ce a făcut apariția computerelor convenționale lumii noastre - computerele cuantice ar putea fi aproximativ aceeași descoperire.

Cine dezvoltă computere cuantice?

Toate. Guverne, armata, companii de tehnologie. Crearea unui computer cuantic va fi benefică pentru aproape oricine. De exemplu, printre documentele publicate de Edward Snowden, au existat informații că NSA are un proiect numit „Infiltrarea țintelor complexe”, care include crearea unui computer cuantic pentru criptarea informațiilor. Microsoft este serios implicat în calculatoarele cuantice - au început primele cercetări în acest domeniu în 2007. IBM se dezvoltă și în urmă cu câțiva ani a anunțat că a creat un cip cu trei qubiți. În cele din urmă, Google și NASA colaborează
cu compania D-Wave, care spune că deja produce
„primul procesor cuantic comercial” (sau mai degrabă al doilea, acum modelul lor se numește D-Wave Two), dar încă nu funcționează ca unul cuantic -
Să vă reamintim că ele nu există.

Cât de aproape suntem de a crea
calculator cuantic?

Nimeni nu poate spune sigur. Știri despre descoperirile tehnologice (ca și știrile recente despre Google) apar constant, dar putem fi foarte departe
de la un computer cuantic cu drepturi depline și foarte aproape de acesta. Să presupunem că există studii care arată că este suficient să creezi un computer
cu câteva sute de coți, astfel încât să funcționeze ca un computer cuantic cu drepturi depline. D-Wave susține că a creat un procesor de 84 de qubiți -
dar criticii care și-au analizat procesorul spun că funcționează,
ca un computer clasic, nu ca unul cuantic. Google colaborează
cu D-Wave, ei cred că procesorul lor este pur și simplu în fazele incipiente de dezvoltare și în cele din urmă va funcționa ca unul cuantic. Oricum, acum
Calculatoarele cuantice au o problemă principală - erorile. Orice computer face greșeli, dar cele clasice le pot face față cu ușurință - dar computerele cuantice nu fac încă. Odată ce cercetătorii descoperă bug-urile, apariția unui computer cuantic va fi la doar câțiva ani distanță.

Ce face dificilă corectarea erorilor?
în calculatoarele cuantice?

Pentru a simplifica, erorile din calculatoarele cuantice pot fi împărțite în două niveluri. Prima sunt greșelile pe care le face orice computer, inclusiv cele clasice. O eroare poate apărea în memoria computerului atunci când 0 se schimbă involuntar la 1 din cauza zgomotului extern - de exemplu, raze cosmice sau radiații. Aceste erori sunt ușor de rezolvat; toate datele sunt verificate pentru astfel de modificări. Și Google s-a confruntat recent cu această problemă în computerele cuantice: au stabilizat un lanț de nouă qubiți
și a salvat-o de greșeli. Cu toate acestea, există o avertizare la această descoperire: Google s-a ocupat de erorile clasice în calculul clasic. Există un al doilea nivel de eroare în calculatoarele cuantice și este mult mai dificil de înțeles și explicat.

Cubitii sunt extrem de instabili, sunt supuși decoerenței cuantice - aceasta este o întrerupere a comunicării în cadrul unui sistem cuantic sub influența mediului. Procesorul cuantic trebuie izolat cât mai mult posibil de influențele mediului (deși decoerența apare uneori ca urmare a proceselor interne) pentru a reduce erorile la minimum. În același timp, erorile cuantice nu pot fi eliminate complet, dar dacă sunt destul de rare, un computer cuantic poate funcționa. În același timp, unii cercetători cred că 99% din puterea unui astfel de computer va fi direcționată
pentru a elimina erorile, dar restul de 1% este suficient pentru a rezolva orice probleme.
Potrivit fizicianului Scott Aaronson, realizarea Google poate fi considerată a treia
cu jumătate din cei șapte pași necesari pentru a crea un computer cuantic - cu alte cuvinte, suntem la jumătatea drumului.

29 ianuarie 2017

Pentru mine, expresia „calculator cuantic” este comparabilă, de exemplu, cu „motor fotonic”, adică este ceva foarte complex și fantastic. Cu toate acestea, citesc în știri acum: „un computer cuantic este vândut oricui îl dorește”. Este ciudat, acum înseamnă altceva prin această expresie sau este doar un fals?

Să aruncăm o privire mai atentă...

CUM A ÎNCEPUT TOTUL?

Pe măsură ce computerele au devenit mai răspândite, oamenii de știință cuantici au ajuns la concluzia că era practic imposibil să se calculeze direct starea unui sistem în evoluție format din doar câteva zeci de particule care interacționează, cum ar fi o moleculă de metan (CH4). Acest lucru se explică prin faptul că, pentru a descrie pe deplin un sistem complex, este necesar să se păstreze în memoria computerului un număr exponențial de mare (din punct de vedere al numărului de particule) de variabile, așa-numitele amplitudini cuantice. A apărut o situație paradoxală: cunoscând ecuația evoluției, cunoscând cu suficientă acuratețe toate potențialele de interacțiune ale particulelor între ele și starea inițială a sistemului, este aproape imposibil să-i calculăm viitorul, chiar dacă sistemul este format doar din 30 de electroni într-un puț de potențial și este disponibil un supercalculator cu RAM, al cărui număr de biți este egal cu numărul de atomi din regiunea vizibilă a Universului (!). Și, în același timp, pentru a studia dinamica unui astfel de sistem, puteți pur și simplu efectua un experiment cu 30 de electroni, plasându-i într-un anumit potențial și stare inițială. Acest lucru, în special, a fost remarcat de matematicianul rus Yu I. Manin, care în 1980 a subliniat necesitatea dezvoltării unei teorii a dispozitivelor de calcul cuantic. În anii 1980, aceeași problemă a fost studiată de fizicianul american P. Benev, care a arătat clar că un sistem cuantic poate efectua calcule, precum și de savantul englez D. Deutsch, care a dezvoltat teoretic un computer cuantic universal care este superior acestuia. omologul clasic.

Câștigătorul Premiului Nobel pentru fizică R. Feynman a atras multă atenție asupra problemei dezvoltării computerelor cuantice. Datorită apelului său de autoritate, numărul specialiștilor care au acordat atenție calculului cuantic a crescut de multe ori.

Baza algoritmului lui Shor: capacitatea qubiților de a stoca mai multe valori simultan)

Pentru a spune în cuvinte simple: " un sistem cuantic produce un rezultat care este corect doar cu o anumită probabilitate. Cu alte cuvinte, dacă numărați 2+2, atunci 4 va ieși doar într-un anumit grad de precizie. Nu vei primi niciodată exact 4. Logica procesorului său nu seamănă deloc cu procesorul cu care suntem obișnuiți.

Există metode de calculare a rezultatului cu o precizie predeterminată, desigur cu o creștere a timpului de calculator.
Această caracteristică determină lista sarcinilor. Și această caracteristică nu este promovată, iar publicul are impresia că un computer cuantic este la fel ca un PC obișnuit (aceleași 0 și 1), doar rapid și scump. Acest lucru nu este în principiu adevărat.

Da, și încă ceva - pentru un computer cuantic și pentru calculul cuantic în general, mai ales pentru a utiliza „puterea și viteza” calculului cuantic, sunt necesari algoritmi și modele speciali dezvoltate special pentru specificul calculului cuantic. Prin urmare, dificultatea utilizării unui computer cuantic constă nu numai în disponibilitatea hardware-ului, ci și în dezvoltarea unor metode de calcul noi, neutilizate până acum. "

Și acum să trecem din nou la implementarea practică a unui computer cuantic: un procesor comercial D-Wave de 512 qubiți există deja de ceva timp și chiar este vândut!!!

Acum, s-ar părea că aceasta este o adevărată descoperire!!! Și un grup de oameni de știință de renume în jurnalul la fel de reputat Physical Review mărturisește în mod convingător că efectele de încurcătură cuantică au fost într-adevăr descoperite în D-Wave.

În consecință, acest dispozitiv are tot dreptul să fie numit un computer cuantic real, arhitectura sa permite o creștere suplimentară a numărului de qubiți și, prin urmare, are perspective minunate pentru viitor... (T. Lanting et al. Entanglement in; un Procesor de recoacere cuantică REVIZIE FIZICĂ X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

Adevărat, puțin mai târziu, un alt grup de oameni de știință reputați din nu mai puțin reputata jurnal Science, care a studiat același sistem de calcul D-Wave, l-a evaluat pur practic: cât de bine își îndeplinește acest dispozitiv funcțiile de calcul. Și acest grup de oameni de știință, la fel de amănunțit și de convingător ca primul, demonstrează că în testele reale de verificare care sunt potrivite optim pentru acest design, computerul cuantic D-Wave nu oferă niciun câștig de viteză în comparație cu computerele convenționale, clasice. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Definiting and detecting quantum speedup. SCIENCE, iunie 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

De fapt, nu existau sarcini pentru „mașinăria viitorului” costisitoare, dar specializată, în care să-și poată demonstra superioritatea cuantică. Cu alte cuvinte, sensul însuși al eforturilor foarte costisitoare de a crea un astfel de dispozitiv este în mare îndoială...
Rezultatele sunt următoarele: acum în comunitatea științifică nu mai există nicio îndoială că în procesorul computerului D-Wave funcționarea elementelor are loc de fapt pe baza efectelor cuantice reale între qubiți.

Dar (și acesta este un DAR extrem de serios) caracteristicile cheie în designul procesorului D-Wave sunt de așa natură încât în timpul funcționării reale, toată fizica sa cuantică nu oferă niciun câștig în comparație cu un computer puternic obișnuit care are un software special adaptat. pentru a rezolva probleme de optimizare.

Mai simplu spus, nu numai că oamenii de știință care au testat D-Wave până acum nu au reușit să vadă o singură problemă din lumea reală în care un computer cuantic și-ar putea demonstra în mod convingător superioritatea computațională, dar chiar și compania producătoare în sine nu are idee care ar putea fi acea problemă. ..

Este vorba despre caracteristicile de design ale procesorului D-Wave de 512 qubiți, care este asamblat din grupuri de 8 qubiți. În același timp, în cadrul acestor grupuri de 8 qubiți, toți comunică direct între ele, dar între aceste grupuri conexiunile sunt foarte slabe (ideal, TOȚI qubiții procesorului ar trebui să comunice direct între ei). Acest lucru, desigur, reduce FOARTE semnificativ complexitatea construirii unui procesor cuantic... DAR, acest lucru dă naștere la o mulțime de alte probleme care au ca rezultat, în cele din urmă, echipamente criogenice, care sunt foarte costisitoare de operat, răcind circuitul la ultra-scăzut. temperaturile.

Deci, ce ne oferă ei acum?

Compania canadiană D-Wave a anunțat începutul vânzărilor computerului său cuantic D-Wave 2000Q, anunțat în septembrie anul trecut. Aderând la propria sa versiune a Legii lui Moore, conform căreia numărul de tranzistori de pe un circuit integrat se dublează la fiecare doi ani, D-Wave a plasat 2.048 de qubiți pe QPU (unitatea de procesare cuantică). Dinamica creșterii numărului de qubiți pe un procesor în ultimii ani arată astfel:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

În plus, spre deosebire de procesoarele, procesoarele și GPU-urile tradiționale, dublarea qubiților este însoțită nu de o creștere de 2 ori, ci de o creștere de 1000 de ori a performanței. În comparație cu un computer cu o arhitectură tradițională și o configurație de CPU single-core și GPU de 2500 de nuclee, diferența de performanță este de la 1.000 la 10.000 de ori. Toate aceste cifre sunt cu siguranță impresionante, dar există câteva „dar”.

În primul rând, D-Wave 2000Q este extrem de scump - 15 milioane de dolari. Este un dispozitiv destul de masiv și complex. Creierul său este un procesor format dintr-un metal neferos numit niobiu, ale cărui proprietăți supraconductoare (necesare pentru calculatoarele cuantice) apar în vid la temperaturi apropiate de zero absolut sub 15 milikelvin (adică de 180 de ori mai mică decât temperatura din spațiul cosmic).

Menținerea unei astfel de temperaturi extrem de scăzute necesită multă energie, 25 kW. Dar totuși, conform producătorului, aceasta este de 100 de ori mai mică decât supercomputerele tradiționale cu performanță echivalentă. Deci, performanța D-Wave 2000Q per watt de energie consumată este de 100 de ori mai mare. Dacă compania reușește să continue să urmeze „Legea lui Moore”, atunci în computerele sale viitoare această diferență va crește exponențial, menținând în același timp consumul de energie la nivelul actual.

În primul rând, computerele cuantice au un scop foarte specific. În cazul lui D-Wave 2000Q vorbim despre așa-numitul. calculatoare adiabatice și rezolvarea problemelor de normalizare cuantică. Acestea apar în special în următoarele domenii:

Învățare automată:

Detectarea anomaliilor statistice
— găsirea modelelor comprimate
— recunoașterea imaginilor și modelelor
— formarea rețelelor neuronale
— verificarea și aprobarea software-ului
— clasificarea datelor fără structură
— diagnosticarea erorilor din circuit

Securitate și planificare

Detectarea virușilor și piratarea rețelei
— distribuirea resurselor și găsirea căilor optime
— determinarea apartenenței la un set
— analiza proprietăților diagramei
— factorizarea numerelor întregi (utilizată în criptografie)

Modelare financiară

Identificarea instabilității pieței
— dezvoltarea strategiilor de tranzacționare
— optimizarea traiectoriilor de tranzacționare
— optimizarea prețului activelor și a acoperirii împotriva riscurilor
— optimizarea portofoliului

Asistență medicală și medicină

Detectarea fraudei (probabil legată de asigurările de sănătate)
— generarea de terapie medicamentoasă țintită (“molecular targeted”)
— optimizarea tratamentului [cancerului] prin radioterapie
— crearea de modele proteice.

Primul cumpărător al D-Wave 2000Q a fost TDS (Temporal Defense Systems), o companie angajată în domeniul securității cibernetice. În general, produsele D-Wave sunt folosite de astfel de companii și instituții precum Lockheed Martin, Google, NASA Ames Research Center, Universitatea din California de Sud și Laboratorul Național Los Alamos al Departamentului de Energie al SUA.

Astfel, vorbim de o tehnologie rară (D-Wave este singura companie din lume care produce mostre comerciale de calculatoare cuantice) și costisitoare, cu o aplicație destul de îngustă și specifică. Dar rata de creștere a productivității sale este uimitoare, iar dacă această dinamică continuă, atunci datorită calculatoarelor adiabatice ale D-Wave (la care alte companii se pot alătura în timp), ne putem aștepta la descoperiri reale în știință și tehnologie în următorii ani. Un interes deosebit este combinarea calculatoarelor cuantice cu o tehnologie atât de promițătoare și în dezvoltare rapidă precum inteligența artificială - mai ales că un specialist atât de autoritar precum Andy Rubin vede viitorul în asta.

Da, apropo, știați că IBM Corporation a permis utilizatorilor de Internet să se conecteze la computerul cuantic universal pe care l-a construit gratuit și să experimenteze cu algoritmi cuantici. Dispozitivul nu va fi suficient de puternic pentru a sparge sistemele criptografice cu cheie publică, dar dacă planurile IBM se vor concretiza, calculatoarele cuantice mai sofisticate sunt chiar după colț.

Calculatorul cuantic pe care IBM l-a pus la dispoziție conține cinci qubiți: patru sunt folosiți pentru a lucra cu date, iar al cincilea este folosit pentru a corecta erorile în timpul calculelor. Corectarea erorilor este principala inovație de care dezvoltatorii săi sunt mândri. Va facilita creșterea numărului de qubiți în viitor.

IBM subliniază că computerul său cuantic este universal și este capabil să execute orice algoritm cuantic. Acest lucru îl deosebește de computerele cuantice adiabatice pe care D-Wave le dezvoltă. Calculatoarele cuantice adiabatice sunt concepute pentru a găsi soluția optimă a funcțiilor și nu sunt potrivite pentru alte scopuri.

Se crede că calculatoarele cuantice universale vor permite rezolvarea unor probleme pe care computerele convenționale nu le pot face. Cel mai faimos exemplu al unei astfel de probleme este factorizarea numerelor în factori primi. Un computer obișnuit, chiar și unul foarte rapid, ar dura sute de ani pentru a găsi factorii primi ai unui număr mare. Un computer cuantic le va găsi folosind algoritmul lui Shor aproape la fel de repede ca înmulțirea numerelor întregi.

Incapacitatea de a factoriza rapid numerele în factori primi stă la baza sistemelor criptografice cu cheie publică. Dacă învață să efectueze această operație la viteza pe care o promit algoritmii cuantici, atunci cea mai mare parte a criptografiei moderne va trebui să fie uitată.

Este posibil să rulați algoritmul lui Shor pe un computer cuantic IBM, dar până când vor fi mai mulți qubiți, acest lucru va fi de puțin folos. În următorii zece ani, acest lucru se va schimba. Până în 2025, IBM intenționează să construiască un computer cuantic care să conțină de la cincizeci la o sută de qubiți. Potrivit experților, chiar și cu cincizeci de qubiți, calculatoarele cuantice vor putea rezolva unele probleme practice.

Iată câteva informații mai interesante despre tehnologia computerelor: citiți cum, dar se dovedește și că este posibil și ce este

Pentru a dezvălui mai mult sau mai puțin pe deplin esența tehnologiilor computerizate cuantice, să ne atingem mai întâi de istoria teoriei cuantice.
Ea a luat naștere datorită a doi oameni de știință ale căror rezultate de cercetare au fost distinse cu premii Nobel: descoperirea cuantii de către M. Planck în 1918 și descoperirea fotonului de către A. Einstein în 1921.
Anul în care s-a născut ideea unui computer cuantic a fost 1980, când Benioff a reușit să demonstreze cu succes în practică corectitudinea teoriei cuantice.
Ei bine, primul prototip al unui computer cuantic a fost creat de Gershenfeld și Chuang în 1998 la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MTI). Același grup de cercetători a creat modele mai avansate în următorii doi ani.

Pentru un nespecialist, un computer cuantic este ceva absolut fantastic la scară este o mașină de calcul, în fața căreia un computer obișnuit este ca un abac în fața unui computer. Și, desigur, acesta este ceva foarte departe de a fi realizat.
Pentru o persoană care este asociată cu calculatoarele cuantice, acesta este un dispozitiv ale cărui principii generale de funcționare sunt mai mult sau mai puțin clare, dar există o mulțime de probleme care trebuie rezolvate înainte de a putea fi implementat în hardware, iar acum multe laboratoare din jur. lumea le folosește încercând să depășească obstacolele.
Au existat progrese în tehnologia cuantică în trecut de către companii private, inclusiv IBM și DWays.
Ei raportează în mod regulat despre cele mai recente evoluții în acest domeniu chiar și astăzi. Cercetările sunt efectuate în principal de oameni de știință japonezi și americani. Japonia, în căutarea sa de lider mondial în domeniul hardware și software, cheltuiește sume uriașe de bani pentru dezvoltări în acest domeniu. Potrivit vicepreședintelui Hewlett-Packard, până la 70% din toate cercetările au fost efectuate în țara soarelui răsare. Calculatoarele cuantice sunt unul dintre pașii companiei lor concentrate pentru a câștiga conducerea pe piața globală.

Ce explică dorința de a stăpâni aceste tehnologii? Avantajele lor semnificative incontestabile față de computerele cu semiconductor!

CE ESTE?

Un computer cuantic este un dispozitiv de calcul care funcționează pe baza mecanicii cuantice.
Astăzi, un computer cuantic la scară largă este un dispozitiv ipotetic care nu poate fi creat având în vedere datele disponibile în teoria cuantică.

Un computer cuantic nu folosește algoritmi clasici pentru calcule, ci procese mai complexe de natură cuantică, care sunt numite și algoritmi cuantici. Acești algoritmi folosesc efecte mecanice cuantice: încrucișarea cuantică și paralelismul cuantic.

Pentru a înțelege de ce este nevoie de un computer cuantic, este necesar să ne imaginăm principiul funcționării acestuia.
În timp ce un computer convențional funcționează prin efectuarea de operații secvențiale pe zerouri și unități, un computer cuantic folosește inele de film supraconductor. Curentul poate curge prin aceste inele în direcții diferite, astfel încât un lanț de astfel de inele poate implementa simultan multe mai multe operațiuni cu zerouri și unu.
Puterea mare este principalul avantaj al unui computer cuantic. Din păcate, aceste inele sunt supuse chiar și celor mai mici influențe externe, în urma cărora direcția curentului se poate schimba, iar în acest caz calculele se dovedesc a fi incorecte.

DIFERENTA UNUI CALCULATOR CUANTUM DE UN CONVENTIONAL

Principala diferență dintre computerele cuantice și cele convenționale este că stocarea, procesarea și transmiterea datelor nu au loc folosind „biți”, ci „qubiți” - pur și simplu, „biți cuantici”. Ca un bit obișnuit, un qubit poate fi în stările familiare „|0>” și „|1>”, și în plus - în starea de suprapunere A·|0> + B·|1>, unde A și B sunt numere complexe care îndeplinesc condiția | A |2 + | B |2 = 1.

TIPURI DE CALCULORE CUANTICE

Există două tipuri de calculatoare cuantice. Ambele se bazează pe fenomene cuantice, doar de o ordine diferită.

calculatoare bazate pe cuantificarea fluxului magnetic pe baza încălcărilor de supraconductivitate - joncțiuni Josephson. Efectul Josephson este deja folosit pentru a face amplificatoare liniare, convertoare analog-digitale, SQUID și corelatoare. Aceeași bază de elemente este folosită în proiect pentru a crea un computer petaflop (1015 op./s). A fost obținută experimental o frecvență de ceas de 370 GHz, care în viitor poate fi crescută la 700 GHz. Cu toate acestea, timpul de defazare al funcțiilor de undă din aceste dispozitive este comparabil cu timpul de comutare al supapelor individuale și, de fapt, deja familiar. element de bază este implementat pe principii noi, cuantice - flip-flops, registre și alte elemente logice.

Un alt tip de calculatoare cuantice, numite și calculatoare cuantice coerente, necesită menținerea coerenței funcțiilor de undă ale qubiților utilizați pe tot parcursul timpului de calcul - de la început până la sfârșit (un qubit poate fi orice sistem mecanic cuantic cu două niveluri de energie dedicate). Ca rezultat, pentru unele probleme, puterea de calcul a calculatoarelor cuantice coerente este proporțională cu 2N, unde N este numărul de qubiți din computer. Este din urmă tip de dispozitiv care se referă atunci când vorbim despre computere cuantice.

CALCULATELE CUANTICE ACUM

Dar calculatoarele cuantice mici sunt create astăzi. Compania D-Wave Systems lucrează în mod deosebit activ în această direcție, care a creat un computer cuantic de 16 qubiți în 2007. Acest computer a făcut față cu succes sarcinii de a așeza oaspeții la masă, pe baza faptului că unii dintre ei nu s-au plăcut. Acum compania D-Wave Systems continuă dezvoltarea calculatoarelor cuantice.

Un grup de fizicieni din Japonia, China și SUA a reușit pentru prima dată să construiască un computer cuantic folosind arhitectura von Neumann - adică cu o separare fizică a procesorului cuantic și a memoriei cuantice. În prezent, pentru implementarea practică a calculatoarelor cuantice (calculatoare bazate pe proprietățile neobișnuite ale obiectelor mecanicii cuantice), fizicienii folosesc diferite tipuri de obiecte și fenomene exotice - ioni capturați într-o capcană optică, rezonanță magnetică nucleară. Pentru noua lucrare, oamenii de știință s-au bazat pe circuite supraconductoare miniaturale - posibilitatea de a implementa un computer cuantic folosind astfel de circuite a fost descrisă în Nature în 2008.

Calculatorul asamblat de oamenii de știință a constat dintr-o memorie cuantică, al cărei rol era jucat de două rezonatoare cu microunde, un procesor de doi qubiți conectați printr-un autobuz (rolul său a fost jucat și de un rezonator, iar qubiții erau circuite supraconductoare), și dispozitive pentru ștergerea datelor. Folosind acest computer, oamenii de știință și-au dat seama doi algoritmi principali- așa-numita transformată Fourier cuantică și conjuncție folosind elemente logice cuantice Toffoli:

Primul algoritm este un analog cuantic al transformatei Fourier discrete. Caracteristica sa distinctivă este un număr mult mai mic (de ordinul n2) de elemente funcționale la implementarea algoritmului în comparație cu analogul său (de ordinul n 2n). Transformata Fourier discretă este utilizată într-o varietate de domenii ale activității umane - de la studiul ecuațiilor diferențiale parțiale până la compresia datelor.

La rândul lor, porțile logice cuantice Toffoli sunt elemente de bază din care, cu unele cerințe suplimentare, se poate obține orice funcție (program) booleană. O trăsătură distinctivă a acestor elemente este reversibilitatea lor, care, din punct de vedere fizic, permite, printre altele, să minimizeze generarea de căldură a dispozitivului.

Potrivit oamenilor de știință, sistemul pe care l-au creat are un avantaj remarcabil - este ușor scalabil. Astfel, poate servi ca un fel de bloc pentru viitoarele computere. Potrivit cercetătorilor, noile rezultate demonstrează în mod clar promisiunea noii tehnologii.

Un computer cuantic nu este doar un computer de generație viitoare, este mult mai mult decât atât. Nu doar din punctul de vedere al utilizării celor mai noi tehnologii, ci și din punctul de vedere al posibilităților sale nelimitate, incredibile, fantastice, capabile nu doar să schimbe lumea oamenilor, ci chiar... să creeze o altă realitate. .

După cum știți, computerele moderne folosesc memoria reprezentată în cod binar: 0 și 1. La fel ca în codul Morse - punct și titlu. Folosind două caractere, puteți cripta orice informație variind combinațiile acestora.

Există miliarde din acești biți în memoria unui computer modern. Dar fiecare dintre ele poate fi într-una din două stări - fie zero, fie una. Ca un bec: fie aprins, fie stins.

Un bit cuantic (qubit) este cel mai mic element de stocare a informațiilor într-un computer al viitorului. Unitatea de informație dintr-un computer cuantic poate fi acum nu numai zero sau unu, dar ambele in acelasi timp.

O celulă efectuează două acțiuni, două - patru, patru - șaisprezece, etc. Acesta este motivul pentru care sistemele cuantice pot funcționa de două ori mai repede și cu cantități mai mari de informații decât cele moderne.

Pentru prima dată, oamenii de știință de la Centrul cuantic din Rusia (RCC) și de la Laboratorul de metamateriale supraconductoare au „măsurat” un qubit (Q-bit).

Din punct de vedere tehnic, un qubit este un inel metalic cu un diametru de câțiva microni cu tăieturi, depus pe un semiconductor. Inelul este răcit la temperaturi foarte scăzute, astfel încât să devină un supraconductor. Să presupunem că curentul care curge prin inel merge în sensul acelor de ceasornic - acesta este 1. Împotriva - 0. Adică două stări obișnuite.

Radiația cu microunde a fost trecută prin inel. La ieșirea din inel a acestei radiații s-a măsurat defazajul curentului. S-a dovedit că întregul sistem poate fi localizat atât în două principale, cât și în stare mixta: ambele in acelasi timp!!!În știință, acesta se numește principiul suprapunerii.

Un experiment al oamenilor de știință ruși (oameni de știință din alte țări au efectuat altele similare) a dovedit că qubitul are dreptul la viață. Crearea qubitului a condus la idee și a adus oamenii de știință mai aproape de visul de a crea un computer cuantic optic. Tot ce rămâne este să-l proiectezi și să-l creezi. Dar nu totul este atât de simplu...

Dificultăți și probleme în crearea unui computer cuantic

Dacă trebuie, de exemplu, să calculați un miliard de opțiuni într-un computer modern, atunci trebuie să „defilați” un miliard de cicluri similare. Există o diferență fundamentală cu un computer cuantic: poate calcula toate aceste opțiuni în același timp.
Unul dintre principiile principale pe care va funcționa un computer cuantic este principiul suprapunerii și nu poate fi numit altceva decât magic!
Înseamnă că aceeași persoană poate fi în locuri diferite în același timp. Fizicienii glumesc: „Dacă teoria cuantică nu te șochează, atunci nu o înțelegi”.

Aspectul computerelor cuantice care sunt create astăzi este izbitor de diferit de cele clasice. Arată... încă ca o lună:

Un astfel de design, constând din piese de cupru și aur, serpentine de răcire și alte părți caracteristice, desigur, nu se potrivește creatorilor săi. Una dintre sarcinile principale ale oamenilor de știință este să o facă compactă și ieftină. Pentru ca acest lucru să se întâmple, trebuie rezolvate mai multe probleme.

Problema unu - instabilitatea suprapunerilor

Toate aceste suprapuneri cuantice sunt foarte „blande”. De îndată ce începi să le privești, de îndată ce încep să interacționeze cu alte obiecte, sunt imediat distruse. Ele devin, parcă, clasice. Aceasta este una dintre cele mai importante probleme în crearea unui computer cuantic.

Problema a doua - este necesară o răcire puternică

Al doilea obstacol este realizarea unei funcționări stabile a unui computer cuantic. în forma pe care o avem astăzi, necesită o răcire puternică. Puternic, aceasta este crearea de echipamente în care temperatura este menținută aproape de zero absolut - minus 273 de grade Celsius! Prin urmare, acum prototipurile unor astfel de computere, cu instalațiile lor criogenice-vid, arată foarte greoaie:

Cu toate acestea, oamenii de știință sunt încrezători că în curând toate problemele tehnice vor fi rezolvate și într-o zi calculatoarele cuantice cu o putere de calcul enormă le vor înlocui pe cele moderne.

Câteva soluții tehnice pentru a rezolva probleme

Până în prezent, oamenii de știință au găsit o serie de soluții semnificative pentru a rezolva problemele de mai sus. Aceste descoperiri tehnologice, rezultatul muncii complexe și uneori îndelungate, intense ale oamenilor de știință, merită tot respectul.

Cel mai bun mod de a îmbunătăți performanța qubitului... diamante

Totul seamănă foarte mult cu celebra melodie despre fete și diamante. Principalul lucru la care lucrează oamenii de știință acum este să crească durata de viață qubit, precum și „a face” un computer cuantic să funcționeze la temperaturi normale. Da, comunicarea între calculatoarele cuantice necesită diamante! Pentru toate acestea, a fost necesară crearea și utilizarea diamantelor artificiale de o transparență extrem de ridicată. Cu ajutorul lor, au reușit să prelungească durata de viață a unui qubit la două secunde. Aceste realizări modeste: două secunde de viață qubit și funcționarea computerului la temperatura camerei, sunt de fapt o revoluție în știință.

Esența experimentului omului de știință francez Serge Haroche se bazează pe faptul că a fost capabil să arate lumii întregi că lumina (un flux cuantic de fotoni) care trece între două oglinzi special create de el nu își pierde starea cuantică.

Forțând lumina să parcurgă 40.000 km între aceste oglinzi, el a stabilit că totul s-a întâmplat fără a-și pierde starea cuantică. Lumina este formată din fotoni și până acum nimeni nu a putut să-și dea seama dacă își pierd starea cuantică atunci când parcurg o anumită distanță. Laureatul Nobel Serge Haroche: „ Un foton este în mai multe locuri în același timp, am reușit să înregistrăm asta.” De fapt acesta este principiul suprapunerii. „În lumea noastră mare, acest lucru este imposibil. Dar în lumea micro există legi diferite”, spune Arosh.

În interiorul cavității se aflau atomi clasici care pot fi măsurați. Pe baza comportamentului atomilor, fizicianul a învățat să identifice și să măsoare particulele cuantice evazive. Înainte de experimentele lui Harosh, se credea că observarea cuantelor era imposibilă. După experiment, au început să vorbească despre cucerirea fotonilor, adică despre apropierea erei calculatoarelor cuantice.

De ce mulți așteaptă cu nerăbdare crearea unui generator cuantic cu drepturi depline, în timp ce alții se tem de el

Calculatorul cuantic va oferi omenirii oportunități enorme

Un computer cuantic va deschide posibilități infinite pentru umanitate. De exemplu, va contribui la crearea inteligenței artificiale, despre care scriitorii de science-fiction s-au bucurat atât de mult timp. Sau simulează universul. În întregime. Conform celor mai conservatoare prognoze, ne va permite să privim dincolo de limitele posibilului. Să ne imaginăm o lume în care poți simula absolut orice vrei: proiectează o moleculă, metal super-puternic, descompune rapid plasticul, vine cu remedii pentru boli incurabile. Aparatul va simula întreaga noastră lume, până la ultimul atom. Puteți chiar simula o altă lume, chiar și una virtuală.

Un computer cuantic ar putea deveni o armă a Apocalipsei

Mulți oameni, care au aprofundat în esența tehnologiei cuantice, se tem de ea din diverse motive. Deja acum, computerizarea și toate tehnologiile legate de computere sperie omul obișnuit. Este suficient să ne amintim scandalurile despre modul în care serviciile speciale, folosind programe încorporate în PC-uri și chiar în aparatele de uz casnic, organizează supravegherea și colectarea de date despre consumatorii lor. De exemplu, multe țări au interzis cunoscutii ochelari - la urma urmei, aceștia sunt un mijloc ideal pentru filmare și supraveghere sub acoperire. Deja acum, cu siguranță, fiecare rezident al oricărei țări, și cu atât mai mult un utilizator de pe Internet, este introdus într-o bază de date. Mai mult, și în mod destul de realist, anumite servicii își pot calcula fiecare acțiune pe internet.

Dar nu vor exista secrete pentru calculatoarele cuantice! Deloc. Toată securitatea computerelor se bazează pe numere de parole foarte lungi. Un computer obișnuit i-ar lua un milion de ani pentru a obține cheia codului. Dar cu ajutorul quantum, oricine poate face acest lucru instantaneu. Se dovedește că lumea va deveni complet nesigură: la urma urmei, în lumea modernă totul este controlat de computere: transferuri bancare, zboruri cu avionul, burse de valori, arme nucleare cu rachete! Deci, se dovedește: cine deține informațiile deține Lumea. Oricine este primul este Dumnezeu. Un computer cuantic va deveni mai puternic decât orice sistem de arme. O nouă cursă a înarmărilor poate începe (sau a început deja) pe Pământ, doar că acum nu nucleară, ci computerizată.

Dumnezeu sa ne ajute sa iesim in siguranta din ea...