Principiul de funcționare al procesorului cuantic. Calculator cuantic - ce este în cuvinte simple, principiu de funcționare

Cantitatea de informații din lume crește anual cu 30%. Numai în ultimii cinci ani, umanitatea a fost produs mai multe date decât în ​​toată istoria anterioară. Apar sistemele Internet of Things, în care fiecare senzor trimite și primește cantități uriașe de date în fiecare secundă, iar analiștii prevăd că numărul lucrurilor conectate la Internet va depăși în curând numărul de utilizatori umani. Aceste cantități colosale de informații trebuie stocate undeva și procesate cumva.

Acum există deja supercalculatoare cu o capacitate de peste 50 de petaflops (1 petaflops = 1 mie de trilioane de operații pe secundă). Totuși, mai devreme sau mai târziu vom atinge limita fizică a posibilei puteri a procesoarelor. Desigur, supercalculatoarele vor putea în continuare să crească în dimensiune, dar aceasta nu este o soluție la problemă, deoarece dimensiunea își va atinge în cele din urmă limitele. Potrivit oamenilor de știință, legea lui Moore va înceta în curând să se aplice, iar umanitatea va avea nevoie de dispozitive noi, mult mai puternice și tehnologii de procesare a datelor. Prin urmare, marile companii IT lucrează deja la crearea unui tip de computer revoluționar complet nou, a cărui putere va fi de sute de ori mai mare decât cea pe care o avem astăzi. Acesta este un computer cuantic. Experții promit că, mulțumită acesteia, este posibil să se găsească un remediu pentru cancer, să găsească instantaneu infractorii analizând filmările camerei și să simuleze molecule de ADN. Acum este greu de imaginat ce alte probleme va fi capabil să rezolve.

Microsoft încearcă să fie în fruntea dezvoltării în acest domeniu, studiind-o de douăzeci de ani, pentru că oricine este primul care creează un computer cuantic va primi un avantaj competitiv incontestabil. Mai mult, compania nu numai că lucrează la crearea de hardware, dar a introdus recent și un limbaj de programare pe care dezvoltatorii îl pot folosi. De fapt, foarte puțini oameni se pot lăuda că înțeleg principiile de funcționare ale acestui dispozitiv revoluționar; pentru cei mai mulți dintre noi este ceva din science fiction. Deci ce este el?

Una dintre cele mai importante părți ale unui computer, de care depinde direct puterea sa, este procesorul, care, la rândul său, constă dintr-un număr mare de tranzistori. Tranzistoarele sunt cele mai simple părți ale sistemului, sunt oarecum asemănătoare cu comutatoarele și pot fi doar în două poziții: fie „pornit”, fie „oprit”. Din combinațiile acestor poziții se formează codul binar, format din zerouri și unu, pe care se bazează toate limbajele de programare.

În consecință, cu cât computerul este mai puternic, cu atât sunt necesari mai mulți tranzistori pentru funcționarea acestuia. Producătorii își reduc în mod constant dimensiunea, încercând să încapă cât mai mulți în procesoare. De exemplu, există miliarde în noul Xbox One X.

Acum dimensiunea unui tranzistor este de 10 milimicroni, adică o sută de miimi de milimetru. Dar într-o zi va fi atinsă o limită fizică, mai mică decât tranzistorul pur și simplu nu poate fi realizat. Pentru a evita o criză în dezvoltarea IT, oamenii de știință lucrează la crearea unui computer care va funcționa pe un principiu complet diferit - cuantic. Tranzistoarele care vor alcătui un computer cuantic pot fi în două poziții în același timp: „pornit” și „oprit” și, în consecință, pot fi atât unu, cât și zero simultan, aceasta se numește „superpunere”.

Dacă luăm 4 tranzistori standard (biți), atunci aceștia, lucrând împreună, pot crea 16 combinații diferite de unu și zero. Pe rand.

Dacă luăm în considerare 4 tranzistoare cuantice (qubiți), atunci pot fi toate cele 16 combinații în același timp. Acesta este un economisitor imens de spațiu și timp!

Dar, desigur, crearea de qubiți este foarte, foarte dificilă. Oamenii de știință trebuie să se ocupe de particule subatomice care se supun legile mecanicii cuantice, dezvoltând o abordare complet nouă a programării și limbajului.

Există diferite tipuri de qubiți. Experții Microsoft, de exemplu, lucrează la crearea de qubiți topologici. Sunt incredibil de fragile și ușor distruse de cele mai mici unde sonore sau radiații termice. Pentru o funcționare stabilă, acestea trebuie să fie în mod constant la o temperatură de –273°C. Cu toate acestea, au și o serie de avantaje față de alte tipuri: informațiile stocate în ele sunt practic fără erori și, în consecință, un computer cuantic creat pe baza qubiților topologici va fi un sistem ultra-fiabil.

Calculatorul cuantic al Microsoft este format din trei niveluri principale: primul nivel este computerul cuantic în sine, care conține qubiți și este situat în mod constant la o temperatură apropiată de zero absolut; următorul nivel este un computer criogenic - acesta este, de asemenea, un tip complet nou de computer care controlează cuantica și funcționează la o temperatură de –268°C; ultimul nivel este un computer, la care o persoană poate deja să lucreze și controlează întregul sistem. Astfel de computere vor fi de 100-300 de ori mai puternice decât cele mai avansate supercomputere care există astăzi.

Astăzi, lumea s-a apropiat mai mult ca niciodată de inventarea unui computer cuantic real: există o înțelegere a principiului funcționării acestuia, prototipuri. Iar în momentul în care puterea computerelor convenționale de a procesa toată informația existentă pe Pământ încetează să fie suficientă, va apărea un computer cuantic, marcând o eră complet nouă a tehnologiei digitale.

În ultimele decenii, computerele s-au dezvoltat foarte repede. De fapt, în memoria unei generații, au trecut de la cele voluminoase pe bază de lămpi care ocupă încăperi uriașe la tablete în miniatură. Memoria și viteza au crescut rapid. Dar a venit momentul în care au apărut sarcini care nu puteau controla chiar și computerele moderne super-puternice.

Ce este un computer cuantic?

Apariția de noi sarcini dincolo de capacitățile computerelor convenționale ne-a forțat să căutăm noi oportunități. Și, ca alternativă la computerele convenționale, au apărut computerele cuantice. Un computer cuantic este o tehnologie de calcul bazată pe elemente de mecanică cuantică. Principiile de bază ale mecanicii cuantice au fost formulate la începutul secolului trecut. Apariția sa a făcut posibilă rezolvarea multor probleme din fizică care nu puteau găsi soluții în fizica clasică.

Deși teoria cuantică este deja la al doilea secol, ea rămâne totuși de înțeles doar pentru un cerc restrâns de specialiști. Există însă și rezultate reale ale mecanicii cuantice, cu care suntem deja obișnuiți - tehnologie laser, tomografie. Și la sfârșitul secolului trecut, teoria calculului cuantic a fost dezvoltată de fizicianul sovietic Yu. Manin. Cinci ani mai târziu, David Deutsch a dezvăluit ideea unei mașini cuantice.

Există un computer cuantic?

Dar implementarea ideilor s-a dovedit a nu fi atât de simplă. Din când în când, apar rapoarte că a fost creat un alt computer cuantic. Giganții din domeniul tehnologiei informației lucrează la dezvoltarea unei astfel de tehnologii informatice:

1. D-Wave este o companie din Canada care a fost prima care a produs calculatoare cuantice operaționale. Cu toate acestea, există o dezbatere între experți cu privire la cât de cuantice sunt cu adevărat aceste computere și ce avantaje oferă.
2. IBM a creat un computer cuantic și a deschis accesul la acesta pentru utilizatorii de internet pentru a experimenta cu algoritmi cuantici. Până în 2025, compania intenționează să creeze un model capabil să rezolve probleme practice.
3. Google a anunțat lansarea în acest an a unui computer capabil să demonstreze superioritatea cuantică față de computerele convenționale.
4. În mai 2017, oamenii de știință chinezi din Shanghai au anunțat că au creat cel mai puternic computer cuantic din lume, depășind de 24 de ori analogii în frecvența de procesare a semnalului.
5. În iulie 2017, la Conferința de la Moscova privind tehnologiile cuantice, a fost anunțat că a fost creat un computer cuantic de 51 de qubiți.

Cum diferă un computer cuantic de unul convențional?

Diferența fundamentală dintre un computer cuantic este abordarea acestuia față de procesul de calcul.

1. Într-un procesor convențional, toate calculele se bazează pe biți care au două stări, 1 sau 0. Adică, toată munca se rezumă la analizarea unei cantități uriașe de date pentru a determina dacă îndeplinesc condițiile specificate. Un computer cuantic se bazează pe qubiți (biți cuantici). Caracteristica lor este capacitatea de a fi în starea 1, 0 și, de asemenea, 1 și 0 în același timp.
2. Capacitățile unui computer cuantic cresc semnificativ, deoarece nu este nevoie să căutați răspunsul dorit printre mulți. În acest caz, răspunsul este selectat dintre opțiunile deja disponibile cu o anumită probabilitate de potrivire.

Pentru ce este folosit un computer cuantic?

Principiul unui computer cuantic, construit pe alegerea unei soluții cu un grad suficient de probabilitate și capacitatea de a găsi o astfel de soluție de multe ori mai rapid decât computerele moderne, determină scopurile utilizării acesteia. În primul rând, apariția acestui tip de tehnologie de calcul îi îngrijorează pe criptografi. Acest lucru se datorează capacității computerului cuantic de a calcula cu ușurință parolele. Astfel, cel mai puternic computer cuantic creat de oamenii de știință ruso-americani este capabil să obțină chei pentru sistemele de criptare existente.

Există și probleme aplicate mai utile pentru calculatoarele cuantice, acestea sunt legate de comportamentul particulelor elementare, genetică, asistență medicală, piețe financiare, protejarea rețelelor de viruși, inteligență artificială și multe altele pe care computerele convenționale nu le pot rezolva încă.

Cum funcționează un computer cuantic?

Proiectarea unui computer cuantic se bazează pe utilizarea qubiților. Următoarele sunt utilizate în prezent ca execuții fizice ale qubiților:

• inele din supraconductori cu jumperi, cu curent multidirectional;
• atomi individuali expuși la raze laser;
• ioni;
• fotoni;
• Se dezvoltă opțiuni pentru utilizarea nanocristalelor semiconductoare.

Calculator cuantic - principiu de funcționare

Dacă există certitudine în modul în care funcționează un computer clasic, atunci întrebarea cum funcționează un computer cuantic nu este ușor de răspuns. Descrierea funcționării unui computer cuantic se bazează pe două expresii care sunt obscure pentru majoritatea:

• principiul suprapunerii– vorbim de qubiți care pot fi simultan în pozițiile 1 și 0. Acest lucru vă permite să efectuați mai multe calcule în același timp, mai degrabă decât să sortați opțiuni, ceea ce oferă un câștig mare în timp;
• legatura cuantica- un fenomen remarcat de A. Einstein, care constă în interrelaţionarea a două particule. Cu cuvinte simple, dacă una dintre particule are helicitate pozitivă, atunci a doua capătă instantaneu helicitate pozitivă. Această relație are loc indiferent de distanță.

Cine a inventat computerul cuantic?

Baza mecanicii cuantice a fost conturată chiar la începutul secolului trecut ca ipoteză. Dezvoltarea sa este asociată cu atât de geniali fizicieni precum Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. În 1980, Yu. Antonov a propus ideea posibilității calculului cuantic. Un an mai târziu, Richard Feineman a modelat teoretic primul computer cuantic.

Acum, crearea calculatoarelor cuantice este în stadiu de dezvoltare și este chiar greu de imaginat de ce este capabil un computer cuantic. Dar este absolut clar că stăpânirea acestei direcții va aduce oamenilor multe noi descoperiri în toate domeniile științei, le va permite să se uite în lumea micro și macro și să învețe mai multe despre natura minții și genetică.

Salutare din nou tuturor cititorilor blogului meu! Ieri, câteva povești despre un computer „cuantic” au apărut din nou în știri. Știm de la cursul de fizică din școală că un cuantic este o anumită porțiune egală de energie, există și sintagma „salt cuantic”, adică o tranziție instantanee de la un anumit nivel de energie la un nivel și mai înalt.. Să ne dăm seama împreună. ce este un computer cuantic și ce Așteptăm cu toții ca această mașină minune să apară

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 manechin

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. În urmă cu aproximativ o sută de ani, Einstein și-a publicat teoria relativității. Toți oamenii deștepți din acea vreme 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 electronilor și moleculelor, 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 sistemului nostru 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 propun să vizionați un film științific popular care vorbește despre lucruri complexe într-un limbaj simplu și într-o formă destul de originală.

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 mai 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 inventați de matematicianul englez Peter Shore în 1997. Când le-a arătat lumii, toți criptografii au devenit foarte tensionați, deoarece cifrurile existente sunt „crăpate” de acest algoritm în câteva minute, dar nu existau computere care să folosească algoritmul 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 un procesor cuantic sub un microscop de 9 qubiți 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 ridicat, o mulțime de probleme tehnice și „durata de viață” scurtă a cuantelor. Dar amintiți-vă că mai întâi au fost procesoare pe 8 biți, apoi au apărut procesoare pe 16 biți... La fel se va întâmpla și 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 din Rusia

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 asta 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 se așteaptă o mare descoperire în știință atunci 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:

« Un computer cuantic funcțional este mult mai teribil decât o bombă atomică”, notează Serghei Belousov, co-fondatorul Centrului Cuantic din Rusia. - El (Mikhail Lukin) a creat 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 tehnologiei și implementarea acesteia 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 atât de mulți 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. Numai într-un procesor modern, numărul acestora ajunge la 700 de milioane.Primul computer cântărea multe tone și ocupa suprafețe mari. Dar computerele personale au apărut încă - 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 cu ea întreaga industrie intensivă în cunoștințe. Noi tehnologii, noi industrii, noi software vor apărea treptat.. Timpul va spune. 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. Vă vor servi mult timp. Scrie dacă articolul a fost interesant. Întoarce-te des. La revedere!

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?

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 în cazul ideilor 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 sunt acestea.corespunde. 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 (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 să efectuați 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)

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 computerelor cuantice a fost îngreunată 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.

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.PHYSICAL REVIEW 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, însuși sensul 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 ale designului 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 USD 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-și 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

Detectarea instabilității pieței
— dezvoltarea strategiilor de tranzacționare
— optimizarea traiectoriilor de tranzacționare
— optimizarea prețului activelor și a acoperirii
— 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 gratuit la computerul cuantic universal pe care l-a construit și să experimenteze 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 plănuiește 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