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

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 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 (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, iar cu cât numărul este mai lung factorizat, 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.

Pentru a spune în cuvinte simple: " un sistem cuantic produce un rezultat care este corect numai cu o anumită probabilitate. Cu alte cuvinte, dacă numărați 2+2, atunci 4 va ieși doar cu 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, 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 în designul procesorului D-Wave sunt de așa natură încât, în funcționare reală, toată fizica sa cuantică nu oferă niciun câștig în comparație cu un computer obișnuit puternic, care are un software special adaptat pentru 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

Detectarea 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 la orizont.

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, acesta 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

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?

Imaginează-ți că trebuie să schimbi rapid un mesaj cu o persoană care se află 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 poți să cadă tu și interlocutorul tău de acord asupra cheii pe care o vei 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: publice (nu necesită secret) și private (strict secrete). Cheia publică este folosită pentru a cripta mesajul, iar cheia privată este folosită pentru a-l decripta. Îi trimiteți corespondentului 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?

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 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.

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

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. 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 ale 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 cu frecvență de rezonanță și impulsuri de tensiune.

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

Privind spre 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? Greu. Atât computerele clasice, cât și cele cuantice au propriile lor domenii de aplicare. Deși, cel mai probabil, raportul de pe piață se va deplasa treptat către acesta 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

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 manechine

Din moment ce vorbim despre fizica cuantică, să vorbim puțin despre asta. Nu voi intra în buruieni, prieteni. Sunt un „ceainic”, nu un fizician cuantic. Acum aproximativ o sută de ani, Einstein și-a publicat teoria relativității. 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 de electroni și molecule, spun cam așa: „Este incredibil. Acest lucru nu poate fi adevărat. Dar asta e adevărat. 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”. Varianta 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 eliminarea, 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 deja 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.

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

Primii algoritmi „cuantici” pentru calcule matematice au fost 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 al Rusiei

Iată noutățile pentru această vară. Băieții noștri (cinste și laudă lor!) au dezvoltat cel mai puternic computer din lume (!) cuantic (!) 51 qubiți (!) adică. Cel mai interesant lucru este că înainte de 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 lor 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 înainte cu ea întreaga industrie intensivă în cunoștințe. Noi tehnologii, noi industrii, noi software-uri 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!

Cu doar cinci ani în urmă, doar specialiștii din domeniul fizicii cuantice știau despre calculatoarele cuantice. Cu toate acestea, în ultimii ani, numărul publicațiilor pe Internet și în publicațiile de specialitate dedicate calculului cuantic a crescut exponențial. Subiectul calculului cuantic a devenit popular și a generat multe opinii diferite, care nu corespund întotdeauna realității.
În acest articol vom încerca să vorbim cât mai clar despre ce este un computer cuantic și în ce stadiu se află evoluțiile moderne din acest domeniu.

Capacități limitate ale computerelor moderne

Despre computerele cuantice și despre calculul cuantic se vorbește adesea ca o alternativă la tehnologiile cu siliciu pentru crearea de microprocesoare, ceea ce, în general, nu este în întregime adevărat. De fapt, de ce trebuie să căutăm o alternativă la tehnologia computerizată modernă? După cum arată întreaga istorie a industriei computerelor, puterea de calcul a procesoarelor crește exponențial. Nicio altă industrie nu se dezvoltă într-un ritm atât de rapid. De regulă, când vorbesc despre rata de creștere a puterii de calcul a procesoarelor, ei amintesc de așa-numita lege a lui Gordon Moore, derivată în aprilie 1965, adică la doar șase ani de la inventarea primului circuit integrat (IC) .

La solicitarea revistei Electronics, Gordon Moore a scris un articol dedicat aniversării a 35 de ani de la publicație. El a făcut o predicție despre cum se vor dezvolta dispozitivele semiconductoare în următorii zece ani. După ce a analizat ritmul de dezvoltare a dispozitivelor semiconductoare și a factorilor economici în ultimii șase ani, adică din 1959, Gordon Moore a sugerat că până în 1975 numărul de tranzistori dintr-un circuit integrat va fi de 65 de mii.

De fapt, conform prognozei lui Moore, numărul de tranzistori dintr-un singur cip era de așteptat să crească de peste o mie de ori în zece ani. În același timp, acest lucru însemna că în fiecare an numărul de tranzistori dintr-un cip trebuia să se dubleze.

Ulterior, s-au făcut ajustări la legea lui Moore (pentru a o corela cu realitatea), dar sensul nu s-a schimbat: numărul de tranzistori din microcircuite crește exponențial. Desigur, creșterea densității tranzistorilor pe un cip este posibilă numai prin reducerea dimensiunii tranzistorilor înșiși. În acest sens, o întrebare relevantă este: în ce măsură poate fi redusă dimensiunea tranzistoarelor? Deja acum, dimensiunile elementelor individuale de tranzistor din procesoare sunt comparabile cu cele atomice, de exemplu, lățimea stratului de dioxid care separă dielectricul de poartă de canalul de transfer al sarcinii este de doar câteva zeci de straturi atomice. Este clar că există o limită pur fizică care face imposibilă reducerea în continuare a dimensiunii tranzistorilor. Chiar dacă presupunem că în viitor vor avea o geometrie și o arhitectură puțin diferite, teoretic este imposibil să se creeze un tranzistor sau un element similar cu o dimensiune mai mică de 10 -8 cm (diametrul unui atom de hidrogen) și o funcționare. frecvență mai mare de 10 15 Hz (frecvența tranzițiilor atomice). Prin urmare, fie că ne place sau nu, este inevitabil ziua în care Legea lui Moore va trebui să fie arhivată (cu excepția cazului în care, desigur, este corectată încă o dată).

Posibilitățile limitate de creștere a puterii de calcul a procesoarelor prin reducerea dimensiunii tranzistorilor este doar unul dintre blocajele procesoarelor clasice cu siliciu.

După cum vom vedea mai târziu, calculatoarele cuantice nu reprezintă în niciun caz o încercare de a rezolva problema miniaturizării elementelor de bază ale procesoarelor.

Rezolvarea problemei miniaturizării tranzistoarelor, căutarea de noi materiale pentru crearea elementului de bază a microelectronicii, căutarea de noi principii fizice pentru dispozitive cu dimensiuni caracteristice comparabile cu lungimea de undă De Broglie, care are o valoare de aproximativ 20 nm - aceste probleme au fost pe ordinea de zi de aproape două decenii. Ca rezultat al soluției lor, a fost dezvoltată nanotehnologia. O problemă serioasă cu care se confruntă în timpul tranziției către domeniul dispozitivelor nanoelectronice este reducerea disipării de energie în timpul operațiilor de calcul. Ideea posibilității operațiunilor „reversibile logic” care nu sunt însoțite de disiparea energiei a fost exprimată pentru prima dată de R. Landauer în 1961. Un pas semnificativ în rezolvarea acestei probleme a fost făcut în 1982 de Charles Bennett, care a demonstrat teoretic că un computer digital universal poate fi construit pe porți reversibile logic și termodinamic în așa fel încât energia să fie disipată doar datorită proceselor periferice ireversibile de introducere a informațiilor. în mașină (pregătirea stării inițiale) și, în consecință, ieșirea din aceasta (citirea rezultatului). Porțile universale reversibile tipice includ porțile Fredkin și Toffoli.

O altă problemă cu computerele clasice constă în arhitectura von Neumann însăși și în logica binară a tuturor procesoarelor moderne. Toate computerele, de la motorul analitic al lui Charles Babbage la supercalculatoarele moderne, se bazează pe aceleași principii (arhitectura von Neumann) care au fost dezvoltate în anii 40 ai secolului trecut.

Orice computer la nivel de software operează cu biți (variabile care iau valoarea 0 sau 1). Folosind porți logice, se efectuează operații logice pe biți, ceea ce vă permite să obțineți o anumită stare finală la ieșire. Modificarea stării variabilelor se face folosind un program care definește o secvență de operații, fiecare dintre ele utilizând un număr mic de biți.

Procesoarele tradiționale execută programe secvenţial. În ciuda existenței unor sisteme multiprocesoare, procesoare multi-core și diverse tehnologii care vizează creșterea nivelului de paralelism, toate calculatoarele construite pe baza arhitecturii von Neumann sunt dispozitive cu un mod secvenţial de execuție a instrucțiunilor. Toate procesoarele moderne implementează următorul algoritm pentru procesarea comenzilor și datelor: preluarea comenzilor și a datelor din memorie și executarea instrucțiunilor pe datele selectate. Acest ciclu se repetă de multe ori și cu o viteză extraordinară.

Cu toate acestea, arhitectura von Neumann limitează capacitatea de a crește puterea de calcul a computerelor moderne. Un exemplu tipic de sarcină care depășește capacitățile computerelor moderne este descompunerea unui număr întreg în factori primi (un factor prim este un factor care este divizibil cu el însuși și 1 fără rest).

Dacă doriți să factorizați un număr în factori primi X, având n caractere în notație binară, atunci modalitatea evidentă de a rezolva această problemă este să încercați să o împărțiți secvențial în numere de la 2 la. Pentru a face acest lucru, va trebui să parcurgeți 2 n/2 opțiuni. De exemplu, dacă luați în considerare un număr care are 100.000 de caractere (în notație binară), atunci va trebui să parcurgeți 3x10 15.051 opțiuni. Dacă presupunem că este necesar un ciclu de procesor pentru o căutare, atunci la o viteză de 3 GHz, va dura timp pentru a depăși vârsta planetei noastre pentru a căuta prin toate numerele. Există, totuși, un algoritm inteligent care rezolvă aceeași problemă în exp( n 1/3) pași, dar chiar și în acest caz, niciun supercomputer modern nu poate face față sarcinii de factorizare a unui număr cu un milion de cifre.

Problema factorizării unui număr în factori primi aparține clasei de probleme despre care se spune că nu sunt rezolvate în timp polinomial (problema NP-completă - Polinomial nedeterministă-timp complet). Astfel de probleme sunt incluse în clasa problemelor necalculabile în sensul că nu pot fi rezolvate pe calculatoare clasice într-un polinom de timp în funcție de numărul de biți n, reprezentând sarcina. Dacă vorbim despre descompunerea unui număr în factori primi, atunci pe măsură ce numărul de biți crește, timpul necesar pentru rezolvarea problemei crește exponențial, nu polinom.

Privind în viitor, observăm că calculul cuantic este asociat cu perspectivele de rezolvare a problemelor NP-complete în timp polinomial.

Fizica cuantică

Desigur, fizica cuantică este strâns legată de ceea ce se numește baza elementară a computerelor moderne. Cu toate acestea, când vorbim despre un computer cuantic, este pur și simplu imposibil să eviți menționarea unor termeni specifici ai fizicii cuantice. Înțelegem că nu toată lumea a studiat legendarul volum al treilea din „Fizica teoretică” de L.D Landau și E.M. Lifshitz, iar pentru multe concepte precum funcția de undă și ecuația Schrödinger sunt ceva din cealaltă lume. În ceea ce privește aparatul matematic specific al mecanicii cuantice, acestea sunt formule solide și cuvinte obscure. Prin urmare, vom încerca să aderăm la un nivel general accesibil de prezentare, evitând, dacă este posibil, analiza tensorială și alte specificități ale mecanicii cuantice.

Pentru marea majoritate a oamenilor, mecanica cuantică este dincolo de înțelegere. Ideea nu este atât în aparatul matematic complex, cât în faptul că legile mecanicii cuantice sunt ilogice și nu au o asociere subconștientă - sunt imposibil de imaginat. Cu toate acestea, analiza ilogicității mecanicii cuantice și nașterea paradoxală a logicii armonioase din această ilogicitate este soarta filozofilor pe care vom atinge aspectele mecanicii cuantice doar în măsura necesară pentru a înțelege esența calculului cuantic.

Istoria fizicii cuantice a început pe 14 decembrie 1900. În această zi, fizicianul german și viitorul laureat al Premiului Nobel Max Planck a raportat la o reuniune a Societății de Fizică din Berlin despre descoperirea fundamentală a proprietăților cuantice ale radiației termice. Așa a apărut în fizică conceptul de cuantum de energie și, printre alte constante fundamentale, constanta lui Planck.

Descoperirea lui Planck și teoria efectului fotoelectric a lui Albert Einstein, care a apărut apoi în 1905, precum și crearea în 1913 a primei teorii cuantice a spectrelor atomice de către Niels Bohr au stimulat crearea și dezvoltarea rapidă ulterioară a teoriei cuantice și a studiilor experimentale cuantice. fenomene.

Deja în 1926, Erwin Schrödinger a formulat celebra sa ecuație de undă, iar Enrico Fermi și Paul Dirac au obținut o distribuție statistică cuantică pentru un gaz de electroni, ținând cont de umplerea stărilor cuantice individuale.

În 1928, Felix Bloch a analizat problema mecanică cuantică a mișcării unui electron într-un câmp periodic extern al unei rețele cristaline și a arătat că spectrul de energie electronică dintr-un solid cristalin are o structură de bandă. De fapt, acesta a fost începutul unei noi direcții în fizică - teoria stării solide.

Întregul secol al XX-lea este o perioadă de dezvoltare intensivă a fizicii cuantice și a tuturor acelor ramuri ale fizicii pentru care teoria cuantică a devenit progenitoare.

Apariția calculului cuantic

Ideea de a utiliza calculul cuantic a fost exprimată pentru prima dată de matematicianul sovietic Yu.I. Manin în 1980 în celebra sa monografie „Computable and Incomputable”. Este adevărat, interesul pentru opera sa a apărut abia doi ani mai târziu, în 1982, după publicarea unui articol pe aceeași temă de către fizicianul teoretician american, laureatul Nobel Richard Feynman. El a observat că anumite operații mecanice cuantice nu pot fi transferate exact pe un computer clasic. Această observație l-a determinat să creadă că astfel de calcule ar putea fi mai eficiente dacă sunt efectuate folosind operații cuantice.

Luați în considerare, de exemplu, problema mecanică cuantică a schimbării stării unui sistem cuantic format din n se învârte într-o anumită perioadă de timp. Fără a aprofunda în detaliile aparatului matematic al teoriei cuantice, observăm că starea generală a sistemului de la n spinii sunt descriși de un vector în spațiu complex 2n-dimensional, iar schimbarea stării sale este descrisă de o matrice unitară de dimensiunea 2nx2n. Dacă perioada de timp luată în considerare este foarte scurtă, atunci matricea este structurată foarte simplu și fiecare dintre elementele sale este ușor de calculat, cunoscând interacțiunea dintre rotiri. Dacă trebuie să cunoașteți schimbarea stării sistemului pe o perioadă lungă de timp, atunci trebuie să înmulțiți astfel de matrici, iar acest lucru necesită un număr exponențial de mare de operații. Din nou ne confruntăm cu o problemă PN-completă, nerezolvabilă în timp polinomial pe calculatoarele clasice. În prezent, nu există nicio modalitate de a simplifica acest calcul și este probabil ca simularea mecanicii cuantice să fie o problemă matematică exponențial dificilă. Dar dacă computerele clasice nu sunt capabile să rezolve probleme cuantice, atunci poate că ar fi indicat să folosim sistemul cuantic în sine în acest scop? Și dacă acest lucru este într-adevăr posibil, sistemele cuantice sunt potrivite pentru rezolvarea altor probleme de calcul? Întrebări similare au fost luate în considerare de Feynman și Manin.

Deja în 1985, David Deutsch a propus un model matematic specific al unei mașini cuantice.

Cu toate acestea, până la mijlocul anilor 90, domeniul calculului cuantic s-a dezvoltat destul de lent. Implementarea practică a calculatoarelor cuantice s-a dovedit a fi foarte dificilă. În plus, comunitatea științifică a fost pesimistă cu privire la faptul că operațiile cuantice ar putea accelera soluționarea anumitor probleme de calcul. Acest lucru a continuat până în 1994, când matematicianul american Peter Shor a propus un algoritm de descompunere pentru un computer cuantic. n-numar cifra in factori primi intr-un polinom de timp in functie de n(algoritm de factorizare cuantică). Algoritmul de factorizare cuantică a lui Shor a devenit unul dintre principalii factori care au condus la dezvoltarea intensivă a metodelor de calcul cuantic și apariția unor algoritmi care permit rezolvarea unor probleme NP.

Firește, se pune întrebarea: de ce, de fapt, algoritmul de factorizare cuantică propus de Shor a dus la astfel de consecințe? Faptul este că problema descompunerii unui număr în factori primi este direct legată de criptografie, în special de popularele sisteme de criptare RSA. Cu capacitatea de a factoriza un număr în factori primi în timp polinomial, un computer cuantic ar putea teoretic decripta mesajele codificate folosind mulți algoritmi criptografici populari, cum ar fi RSA. Până acum, acest algoritm a fost considerat relativ fiabil, deoarece o modalitate eficientă de factorizare a numerelor în factori primi pentru un computer clasic este în prezent necunoscută. Shor a venit cu un algoritm cuantic care vă permite să factorizați n-numar digital pt n 3 (log n) k pași ( k=const). Desigur, implementarea practică a unui astfel de algoritm ar putea avea consecințe mai mult negative decât pozitive, deoarece a făcut posibilă selectarea cheilor pentru criptare, falsificarea semnăturilor electronice etc. Cu toate acestea, implementarea practică a unui computer cuantic real este încă departe și, prin urmare, în următorii zece ani nu există nicio teamă că codurile pot fi rupte folosind calculatoarele cuantice.

Ideea de calcul cuantic

Deci, după o scurtă descriere a istoriei calculului cuantic, putem trece la considerarea însăși esența acesteia. Ideea (dar nu și implementarea sa) de calcul cuantic este destul de simplă și interesantă. Dar chiar și pentru o înțelegere superficială a acesteia, este necesar să ne familiarizați cu unele concepte specifice ale fizicii cuantice.

Înainte de a lua în considerare conceptele cuantice generalizate ale vectorului de stare și ale principiului de suprapunere, să luăm în considerare un exemplu simplu de foton polarizat. Un foton polarizat este un exemplu de sistem cuantic cu două niveluri. Starea de polarizare a unui foton poate fi specificată de un vector de stare care determină direcția de polarizare. Polarizarea unui foton poate fi îndreptată în sus sau în jos, deci se vorbește despre două stări principale, sau de bază, care sunt notate cu |1 și |0.

Aceste notații (notații sutien/pisica) au fost introduse de Dirac și au o definiție strict matematică (vectori de stare de bază), care determină regulile de lucru cu ele, totuși, pentru a nu pătrunde în jungla matematică, nu le vom lua în considerare. subtilități în detaliu.

Revenind la fotonul polarizat, observăm că, după cum arată baza, am putea alege nu numai orizontală și verticală, ci și orice direcție de polarizare reciproc ortogonală. Sensul stărilor de bază este că orice polarizare arbitrară poate fi exprimată ca o combinație liniară de stări de bază, adică a|1+b|0. Deoarece ne interesează doar direcția de polarizare (mărimea polarizării nu este importantă), vectorul de stare poate fi considerat unitate, adică |a| 2 +|b| 2 = 1.

Acum, să generalizăm exemplul cu polarizarea fotonului la orice sistem cuantic cu două niveluri.

Să presupunem că avem un sistem cuantic arbitrar cu două niveluri, care este caracterizat de stări ortogonale de bază |1 și |0. Conform legilor (postulatelor) mecanicii cuantice (principiul suprapunerii), stările posibile ale unui sistem cuantic vor fi și suprapoziții y = a|1+b|0, unde a și b sunt numere complexe numite amplitudini. Rețineți că nu există un analog al stării de suprapunere în fizica clasică.

Unul dintre postulatele fundamentale ale mecanicii cuantice afirmă că, pentru a măsura starea unui sistem cuantic, acesta trebuie distrus. Adică, orice proces de măsurare din fizica cuantică încalcă starea inițială a sistemului și o transferă într-o stare nouă. Nu este atât de ușor de înțeles această afirmație și, prin urmare, să ne oprim asupra ei mai detaliat.

În general, conceptul de măsurare în fizica cuantică joacă un rol deosebit și nu trebuie considerat ca o măsurătoare în sensul clasic. O măsurare a unui sistem cuantic are loc ori de câte ori acesta intră în interacțiune cu un obiect „clasic”, adică un obiect care respectă legile fizicii clasice. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, starea sistemului cuantic se schimbă, iar natura și amploarea acestei schimbări depind de starea sistemului cuantic și, prin urmare, poate servi ca caracteristică cantitativă a acestuia.

În acest sens, un obiect clasic este de obicei numit dispozitiv, iar despre procesul său de interacțiune cu un sistem cuantic se vorbește despre o măsurătoare. Trebuie subliniat că aceasta nu înseamnă deloc procesul de măsurare la care participă observatorul. Prin măsurare în fizica cuantică înțelegem orice proces de interacțiune între obiectele clasice și cuantice care are loc în plus față de și independent de orice observator. Clarificarea rolului măsurării în fizica cuantică îi aparține lui Niels Bohr.

Deci, pentru a măsura un sistem cuantic, este necesar să se acționeze cumva asupra lui cu un obiect clasic, după care starea sa inițială va fi perturbată. În plus, se poate argumenta că, în urma măsurării, sistemul cuantic va fi transferat la una dintre stările sale de bază. De exemplu, pentru a măsura un sistem cuantic cu două niveluri, este necesar cel puțin un obiect clasic cu două niveluri, adică un obiect clasic care poate lua două valori posibile: 0 și 1. În timpul procesului de măsurare, starea cuantiei sistemul va fi transformat într-unul dintre vectorii de bază, iar dacă obiectul clasic ia o valoare egală cu 0, atunci obiectul cuantic este transformat în starea |0, iar dacă obiectul clasic ia o valoare egală cu 1, atunci obiectul cuantic se transformă în starea |1.

Astfel, deși un sistem cuantic cu două niveluri poate fi într-un număr infinit de stări de suprapunere, ca rezultat al măsurării, este nevoie doar de una dintre cele două stări de bază posibile. Modulul de amplitudine la pătrat |a| 2 determină probabilitatea detectării (măsurării) a sistemului în starea de bază |1, iar pătratul modulului de amplitudine |b| 2 - în starea de bază |0.

Cu toate acestea, să revenim la exemplul nostru cu un foton polarizat. Pentru a măsura starea unui foton (polarizarea acestuia), avem nevoie de un dispozitiv clasic cu o bază clasică (1,0). Atunci starea de polarizare a fotonului a|1+b|0 va fi definită ca 1 (polarizare orizontală) cu probabilitate |a| 2 și ca 0 (polarizare verticală) cu probabilitatea |b| 2.

Deoarece măsurarea unui sistem cuantic îl duce la una dintre stările de bază și, prin urmare, distruge suprapunerea (de exemplu, în timpul măsurării se obține o valoare egală cu |1), aceasta înseamnă că în urma măsurării sistemul cuantic pleacă. într-o nouă stare cuantică și la următoarea măsurătoare obținem valoarea |1 cu 100% probabilitate.

Vectorul de stare al unui sistem cuantic cu două niveluri se mai numește și funcție de undă a stărilor cuantice y ale sistemului cu două niveluri sau, în interpretarea calculului cuantic, un qubit (bit cuantic, qubit). Spre deosebire de un bit clasic, care poate lua doar două valori logice, un qubit este un obiect cuantic, iar numărul stărilor sale determinat de suprapunere este nelimitat. Cu toate acestea, subliniem încă o dată că rezultatul măsurării unui qubit ne conduce întotdeauna la una dintre cele două valori posibile.

Acum luați în considerare un sistem de doi qubiți. Măsurarea fiecăruia dintre ele poate da o valoare clasică a obiectului de 0 sau 1. Prin urmare, un sistem de doi qubiți are patru stări clasice: 00, 01, 10 și 11. Analog cu acestea sunt stările cuantice de bază: |00, |01, |10 și |11. Vectorul de stare cuantică corespunzător este scris ca o|00+b|01+ c|10+ d|11, unde | o| 2 - probabilitatea în timpul măsurării de a obține valoarea 00, | b| 2 - probabilitatea obținerii valorii 01 etc.

În general, dacă un sistem cuantic este format din L qubiți, atunci are 2 L posibile stări clasice, fiecare dintre acestea putând fi măsurată cu o anumită probabilitate. Funcția de stare a unui astfel de sistem cuantic se va scrie astfel:

unde | n- stări cuantice de bază (de exemplu, starea |001101 și | cn| 2 - probabilitatea de a fi în starea de bază | n.

Pentru a schimba starea de suprapunere a unui sistem cuantic, este necesar să se implementeze o influență externă selectivă asupra fiecărui qubit. Din punct de vedere matematic, o astfel de transformare este reprezentată de matrici unitare de mărime 2 L x2 L. Ca rezultat, se va obține o nouă stare de suprapunere cuantică.

Structura unui computer cuantic

Transformarea pe care am considerat-o a stării de suprapunere a unui sistem cuantic format din L qubits este în esență un model de computer cuantic. Luați în considerare, de exemplu, un exemplu mai simplu de implementare a calculului cuantic. Să presupunem că avem un sistem de L qubits, fiecare dintre care este ideal izolat de lumea exterioară. În fiecare moment de timp, putem alege arbitrar doi qubiți și acționăm asupra lor cu o matrice unitară de dimensiunea 4x4. Secvența unor astfel de influențe este un fel de program pentru un computer cuantic.

Pentru a utiliza un circuit cuantic pentru calcul, trebuie să fiți capabil să introduceți date de intrare, să efectuați calculul și să citiți rezultatul. Prin urmare, schema de circuit a oricărui computer cuantic (vezi figura) trebuie să includă următoarele blocuri funcționale: un registru cuantic pentru intrarea datelor, un procesor cuantic pentru conversia datelor și un dispozitiv pentru citirea datelor.

Un registru cuantic este o colecție de un anumit număr L qubiți Înainte de a introduce informații în computer, toți qubiții registrului cuantic trebuie aduși la stările de bază |0. Această operație se numește pregătire sau inițializare. În continuare, anumiți qubiți (nu toți) sunt supuși unei influențe externe selective (de exemplu, folosind impulsuri ale unui câmp electromagnetic extern controlat de un computer clasic), care modifică valoarea qubiților, adică trec de la starea |0 la stare |1. În acest caz, starea întregului registru cuantic va intra într-o suprapunere a stărilor de bază | n s, adică starea registrului cuantic la momentul inițial de timp va fi determinată de funcția:

Este clar că această stare de suprapunere poate fi folosită pentru reprezentarea binară a unui număr n.

Într-un procesor cuantic, datele de intrare sunt supuse unei secvențe de operații logice cuantice, care, din punct de vedere matematic, sunt descrise printr-o transformare unitară care acționează asupra stării întregului registru. Ca rezultat, după un anumit număr de cicluri de procesor cuantic, starea cuantică inițială a sistemului devine o nouă suprapunere a formei:

Vorbind despre procesorul cuantic, trebuie să facem o notă importantă. Se pare că pentru a construi orice calcul, sunt suficiente doar două operații booleene logice de bază. Folosind operații cuantice de bază, este posibil să se imite funcționarea porților logice obișnuite din care sunt făcute computerele. Deoarece legile fizicii cuantice la nivel microscopic sunt liniare și reversibile, dispozitivele logice cuantice corespunzătoare care efectuează operații cu stările cuantice ale qubiților individuali (porți cuantice) se dovedesc a fi reversibile din punct de vedere logic și termodinamic. Porțile cuantice sunt similare cu porțile clasice reversibile corespunzătoare, dar, spre deosebire de acestea, sunt capabile să efectueze operații unitare asupra suprapunerilor de stări. Implementarea operațiilor logice unitare pe qubiți se presupune a fi efectuată folosind influențe externe adecvate controlate de calculatoare clasice.

Structura schematică a unui computer cuantic

După implementarea transformărilor într-un computer cuantic, noua funcție de suprapunere este rezultatul calculelor într-un procesor cuantic. Rămâne doar să numărăm valorile obținute, pentru care se măsoară valoarea sistemului cuantic. Ca rezultat, se formează o succesiune de zerouri și unu și, datorită naturii probabilistice a măsurătorilor, poate fi orice. Astfel, un computer cuantic poate da orice răspuns cu o oarecare probabilitate. În acest caz, o schemă de calcul cuantic este considerată corectă dacă răspunsul corect este obținut cu o probabilitate suficient de apropiată de unitate. Repetând calculele de mai multe ori și alegând răspunsul care apare cel mai des, puteți reduce probabilitatea de eroare la o cantitate arbitrar mică.

Pentru a înțelege modul în care computerele clasice și cuantice diferă în funcționarea lor, să ne amintim ce stochează în memorie un computer clasic. L biți care se modifică în timpul fiecărui ciclu de procesor. Într-un computer cuantic, memoria (registrul de stare) stochează valori L qubiti, cu toate acestea, sistemul cuantic este într-o stare care este o suprapunere a întregii baze 2 L stări, iar o schimbare a stării cuantice a sistemului produsă de un procesor cuantic afectează toate cele 2 L stări de bază simultan. În consecință, într-un computer cuantic, puterea de calcul este obținută prin implementarea calculelor paralele și, teoretic, un computer cuantic poate funcționa exponențial mai rapid decât un circuit clasic.

Se crede că pentru a implementa un computer cuantic la scară largă, superioară ca performanță oricărui computer clasic, indiferent de principiile fizice pe care funcționează, trebuie îndeplinite următoarele cerințe de bază:

un sistem fizic care este un computer cuantic la scară largă trebuie să conţină un număr suficient de mare L>103 qubiți clar distinși pentru efectuarea de operații cuantice relevante;
este necesar să se asigure suprimarea maximă a efectelor de distrugere a suprapunerii stărilor cuantice cauzate de interacțiunea sistemului qubit cu mediul, în urma căreia executarea algoritmilor cuantici poate deveni imposibilă. Timpul de distrugere a unei suprapuneri de stări cuantice (timp de decoerență) trebuie să fie de cel puțin 104 ori mai mare decât timpul necesar pentru a efectua operații cuantice de bază (timp de ciclu). Pentru a face acest lucru, sistemul qubit trebuie să fie cuplat destul de lejer la mediul său;
este necesar să se asigure măsurarea cu fiabilitate suficient de mare a stării sistemului cuantic la ieșire. Măsurarea stării cuantice finale este una dintre principalele provocări ale calculului cuantic.

Aplicații practice ale calculatoarelor cuantice

Pentru utilizare practică, nu a fost creat încă un singur computer cuantic care să satisfacă toate condițiile de mai sus. Cu toate acestea, în multe țări dezvoltate, se acordă o atenție deosebită dezvoltării computerelor cuantice și se investesc zeci de milioane de dolari anual în astfel de programe.

În prezent, cel mai mare computer cuantic este format din doar șapte qubiți. Acest lucru este suficient pentru a implementa algoritmul lui Shor și pentru a factoriza numărul 15 în factori primi de 3 și 5.

Dacă vorbim despre posibile modele de calculatoare cuantice, atunci, în principiu, sunt destul de multe. Primul computer cuantic care a fost creat în practică a fost un spectrometru de rezonanță magnetică nucleară pulsată (RMN) de înaltă rezoluție, deși, desigur, nu a fost considerat un computer cuantic. Abia când a apărut conceptul de computer cuantic, oamenii de știință și-au dat seama că un spectrometru RMN era o variantă a unui computer cuantic.

Într-un spectrometru RMN, spinurile nucleelor moleculei studiate formează qubiți. Fiecare nucleu are propria frecvență de rezonanță într-un anumit câmp magnetic. Când un nucleu este expus unui puls la frecvența sa de rezonanță, acesta începe să evolueze, în timp ce nucleele rămase nu experimentează niciun impact. Pentru a forța un alt nucleu să evolueze, trebuie să luați o frecvență de rezonanță diferită și să îi dați un impuls. Astfel, acțiunea pulsată asupra nucleelor la o frecvență de rezonanță reprezintă un efect selectiv asupra qubiților. Mai mult, molecula are o legătură directă între spini, deci este o pregătire ideală pentru un computer cuantic, iar spectrometrul în sine este un procesor cuantic.

Primele experimente asupra spinurilor nucleare a doi atomi de hidrogen în moleculele de 2,3-dibromotiofen SCH:(CBr) 2:CH și pe trei spini nucleari - unul în atomul de hidrogen H și doi în izotopii carbonului 13 C în moleculele de tricloretilenă CCl 2:CHCl - au fost puse în scenă în 1997 la Oxford (Marea Britanie).

În cazul utilizării unui spectrometru RMN, este important ca pentru a influența selectiv spinurile nucleare ale unei molecule, este necesar ca aceștia să difere semnificativ în ceea ce privește frecvențele de rezonanță. Ulterior, operațiunile cuantice au fost efectuate într-un spectrometru RMN cu numărul de qubiți 3, 5, 6 și 7.

Principalul avantaj al unui spectrometru RMN este că poate folosi un număr mare de molecule identice. Mai mult, fiecare moleculă (mai precis, nucleele atomilor din care constă) este un sistem cuantic. Secvențele de impulsuri de radiofrecvență, acționând ca anumite porți logice cuantice, efectuează transformări unitare ale stărilor spinilor nucleari corespunzători simultan pentru toate moleculele. Adică, influența selectivă asupra unui qubit individual este înlocuită de accesul simultan la qubiții corespunzători din toate moleculele unui ansamblu mare. Un astfel de computer se numește computer cuantic de ansamblu. Astfel de computere pot funcționa la temperatura camerei, iar timpul de decoerență al stărilor cuantice ale spinurilor nucleare este de câteva secunde.

În domeniul RMN al calculatoarelor cuantice pe lichide organice, cel mai mare progres a fost realizat până în prezent. Acestea se datorează în principal tehnicii de spectroscopie RMN pulsată bine dezvoltată, care permite efectuarea diferitelor operații pe suprapuneri coerente ale stărilor de spin nuclear și posibilității de a utiliza în acest scop spectrometre RMN standard care funcționează la temperatura camerei.

Principala limitare a calculatoarelor cuantice RMN este dificultatea inițializării stării inițiale într-un registru cuantic. Cert este că într-un ansamblu mare de molecule starea inițială a qubiților este diferită, ceea ce complică aducerea sistemului la starea inițială.

O altă limitare a calculatoarelor cuantice RMN se datorează faptului că semnalul măsurat la ieșirea sistemului scade exponențial odată cu creșterea numărului de qubiți. L. În plus, numărul de qubiți nucleari dintr-o singură moleculă cu frecvențe de rezonanță foarte variate este limitat. Acest lucru duce la faptul că calculatoarele cuantice RMN nu pot avea mai mult de zece qubiți. Acestea ar trebui considerate doar ca prototipuri ale viitoarelor calculatoare cuantice, utile pentru testarea principiilor calculului cuantic și testarea algoritmilor cuantici.

O altă versiune a unui computer cuantic se bazează pe utilizarea capcanelor de ioni, când rolul qubiților este nivelul energetic al ionilor captați de capcanele de ioni, care sunt creați în vid printr-o anumită configurație a câmpului electric în condiții de răcire cu laser. la temperaturi foarte scăzute. Primul prototip al unui computer cuantic bazat pe acest principiu a fost propus în 1995. Avantajul acestei abordări este că este relativ simplu să controlezi individual qubiții individuali. Principalele dezavantaje ale computerelor cuantice de acest tip sunt necesitatea de a crea temperaturi ultra-scăzute, de a asigura stabilitatea stării ionilor din lanț și numărul limitat posibil de qubiți - nu mai mult de 40.

Sunt posibile și alte scheme pentru calculatoare cuantice, a căror dezvoltare este în prezent în curs. Cu toate acestea, vor mai trece cel puțin încă zece ani până când adevăratele computere cuantice vor fi create în sfârșit.

Lumea este în pragul unei alte revoluții cuantice. Primul computer cuantic va rezolva instantaneu probleme pe care cel mai puternic dispozitiv modern ia în prezent ani de zile să le rezolve. Care sunt aceste sarcini? Cine beneficiază și cine este amenințat de utilizarea masivă a algoritmilor cuantici? Ce este o suprapunere de qubits, cum au învățat oamenii să găsească soluția optimă fără a trece prin miliarde de opțiuni? Răspundem la aceste întrebări sub titlul „Doar despre complex”.

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

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

Procesor cuantic de cinci qubiți de la IBM

Mai departe - mai mult. Datorită muncii lui Einstein și fizicianului englez Paul Dirac, în a doua jumătate a secolului XX a fost creat un laser - de asemenea o sursă cuantică de lumină ultra-pură colectată într-un fascicul îngust. Cercetarea cu laser a adus Premiul Nobel la mai mult de o duzină de oameni de știință, iar laserele în sine și-au găsit aplicația în aproape toate domeniile activității umane - de la tăietoare industriale și pistoale cu laser la scanere de coduri de bare și corectarea vederii. Aproximativ în același timp, au fost în curs de desfășurare cercetări active asupra semiconductorilor - materiale cu care fluxul de curent electric poate fi ușor controlat. Pe baza lor, au fost create primele tranzistoare - au devenit ulterior principalele elemente de construcție ale electronicii moderne, fără de care nu ne mai putem imagina viața.

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

Richard Feynman

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

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

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

Acesta este paralelismul calculului cuantic cu qubiți. Totul se întâmplă odată - nu mai este nevoie să parcurgeți toate opțiunile posibile pentru stările sistemului și exact asta face un computer obișnuit. Căutarea prin baze de date mari, elaborarea unei rute optime, dezvoltarea de noi medicamente sunt doar câteva exemple de probleme care pot fi rezolvate de multe ori mai rapid prin algoritmi cuantici. Acestea sunt acele sarcini în care să găsiți răspunsul corect de care aveți nevoie pentru a trece printr-un număr mare de opțiuni.

În plus, pentru a descrie starea exactă a sistemului, nu mai sunt necesare putere de calcul uriașă și cantități de RAM, deoarece pentru a calcula un sistem de 100 de particule, 100 de qubiți sunt de ajuns, și nu trilioane de trilioane de biți. Mai mult, pe măsură ce numărul de particule crește (ca și în sistemele complexe reale), această diferență devine și mai semnificativă.

Una dintre problemele de enumerare s-a remarcat prin aparenta sa inutilitate - descompunerea numerelor mari în factori primi (adică divizibile doar cu ele însele și unul). Aceasta se numește „factorizare”. Cert este că computerele obișnuite pot înmulți numere destul de repede, chiar și pe cele foarte mari. Cu toate acestea, calculatoarele convenționale fac față foarte prost problemei inverse a descompunerii unui număr mare rezultat din înmulțirea a două numere prime în factorii lor inițiali. De exemplu, pentru a factoriza un număr de 256 de cifre în doi factori, chiar și cel mai puternic computer va avea nevoie de mai mult de o duzină de ani. Dar un algoritm cuantic care poate rezolva această problemă în câteva minute a fost inventat în 1997 de matematicianul englez Peter Shor.

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

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

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

Angajații Laboratorului de Sisteme Cuantice Artificiale

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

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

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

Nu rata prelegerea: