Máy tính lượng tử có thể làm được gì? Máy tính lượng tử - chúng là gì? Nguyên lý hoạt động và hình ảnh của máy tính lượng tử. Trò lừa bịp mang tính đột phá hoặc khoa học

Theo các chuyên gia, chẳng bao lâu nữa, trong 10 năm nữa, vi mạch trong máy tính sẽ đạt tới mức đo lường nguyên tử. Có vẻ hợp lý khi thời đại của máy tính lượng tử đang đến, với sự trợ giúp của tốc độ hệ thống máy tính có thể tăng lên vài bậc độ lớn.

Ý tưởng về máy tính lượng tử còn khá mới: vào năm 1981, Paul Benioff lần đầu tiên mô tả về mặt lý thuyết các nguyên lý hoạt động của máy Turing lượng tử.

Vào những năm 1930, Alan Turing lần đầu tiên mô tả một thiết bị lý thuyết băng vô tận được chia thành các ô nhỏ. Mỗi ô có thể chứa ký tự 1 hoặc 0 hoặc để trống.

Thiết bị điều khiển di chuyển dọc theo băng, đọc ký tự và viết ký tự mới. Từ một tập hợp các ký hiệu như vậy, một chương trình được biên dịch và máy phải thực thi.

TRONG máy lượng tử Turing do Benioff đề xuất, các nguyên tắc hoạt động vẫn giữ nguyên, với sự khác biệt là cả băng và thiết bị điều khiểnđang ở trạng thái lượng tử.

Điều này có nghĩa là các ký hiệu trên băng không chỉ có thể là 0 và 1 mà còn có thể là chồng chất của cả hai số, tức là 0 và 1 cùng một lúc. Do đó, nếu một máy Turing cổ điển chỉ có khả năng thực hiện một phép tính tại một thời điểm, thì máy lượng tử sẽ thực hiện một số phép tính song song.

Máy tính ngày nay hoạt động theo nguyên tắc giống như máy Turing thông thường - với các bit ở một trong hai trạng thái: 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử không có hạn chế nào như vậy: thông tin trong chúng được mã hóa thành bit lượng tử (qubit), có thể chứa sự chồng chất của cả hai bang.

Làm việc trên một phần của máy tính lượng tử D-Wave

©Hệ thống D-Wave

Các hệ thống vật lý thực hiện qubit có thể là nguyên tử, ion, photon hoặc electron có hai trạng thái lượng tử. Trên thực tế, nếu bạn tạo ra các vật mang thông tin cho các hạt cơ bản, bạn có thể sử dụng chúng để xây dựng bộ nhớ máy tính và bộ vi xử lý thế hệ mới.

Nhờ sự chồng chất của qubit, máy tính lượng tử bước đầu được thiết kế để thực hiện tính toán song song. Sự song song này, theo nhà vật lý David Deutsch, cho phép máy tính lượng tử thực hiện đồng thời hàng triệu phép tính, trong khi các bộ xử lý hiện đại chỉ làm việc với một phép tính.

Một máy tính lượng tử 30 qubit sẽ có sức mạnh tương đương với một siêu máy tính hoạt động ở tốc độ 10 teraflop (nghìn tỷ phép tính mỗi giây). Sức mạnh hiện đại máy tính để bànđược đo chỉ bằng gigaflop (tỷ phép tính mỗi giây).

Một hiện tượng cơ học lượng tử quan trọng khác có thể liên quan đến máy tính lượng tử được gọi là “sự vướng víu”. Vấn đề chính của việc đọc thông tin từ các hạt lượng tử là trong quá trình đo, chúng có thể thay đổi trạng thái một cách hoàn toàn không thể đoán trước được.

Trên thực tế, nếu đọc thông tin từ một qubit ở trạng thái chồng chất, chúng ta sẽ chỉ nhận được 0 hoặc 1 chứ không bao giờ nhận được cả hai số cùng một lúc. Điều này có nghĩa là thay vì máy tính lượng tử, chúng ta sẽ làm việc với một máy tính cổ điển thông thường.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học phải sử dụng các phép đo không phá hủy hệ lượng tử. Sự vướng víu lượng tử cung cấp một giải pháp tiềm năng.

Trong vật lý lượng tử, nếu bạn tác dụng một ngoại lực lên hai nguyên tử, chúng có thể "vướng víu" vào nhau theo cách mà một trong hai nguyên tử có những đặc tính của nguyên tử kia. Điều này, đến lượt nó, sẽ dẫn đến một thực tế là, chẳng hạn, khi đo spin của một nguyên tử, cặp song sinh “vướng víu” của nó sẽ ngay lập tức lấy spin ngược lại.

Đặc tính này của các hạt lượng tử cho phép các nhà vật lý biết giá trị của một qubit mà không cần đo trực tiếp.

Một ngày nào đó, máy tính lượng tử có thể thay thế chip silicon, giống như bóng bán dẫn thay thế ống chân không. Tuy nhiên công nghệ hiện đại vẫn chưa cho phép xây dựng máy tính lượng tử chính thức.

Lắp ráp bộ xử lý máy tính lượng tử D-Wave Two

©Hệ thống D-Wave

Tuy nhiên, hàng năm các nhà nghiên cứu đều công bố những tiến bộ mới trong lĩnh vực này. công nghệ lượng tử, và hy vọng một ngày nào đó máy tính lượng tử có thể vượt qua máy tính thông thường tiếp tục phát triển mạnh mẽ hơn.

1998

Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts lần đầu tiên đã thành công trong việc phân phối một qubit giữa ba spin hạt nhân trong mỗi phân tử alanine hoặc phân tử trichloroethylene lỏng. Sự phân bố này cho phép sử dụng “sự vướng víu” để phân tích thông tin lượng tử một cách không phá hủy.

2000

Vào tháng 3, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã công bố việc tạo ra một máy tính lượng tử 7 qubit chỉ trong một giọt chất lỏng.

2001

Trình diễn tính toán thuật toán Shor của các chuyên gia từ IBM và Đại học Stanford trên máy tính lượng tử 7 qubit.

2005

Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Lượng tử tại Đại học Innsbruck là cơ quan đầu tiên tạo ra qubit (sự kết hợp của 8 qubit) bằng cách sử dụng bẫy ion.

2007

Công ty D-Wave của Canada đã trình diễn máy tính lượng tử 16 qubit đầu tiên có khả năng giải quyết toàn bộ dòng nhiệm vụ và câu đố, chẳng hạn như Sudoku.

Kể từ năm 2011, D-Wave đã chào bán máy tính lượng tử D-Wave One với giá 11 triệu USD với chipset 128 qubit chỉ thực hiện một nhiệm vụ - tối ưu hóa rời rạc.

Các siêu máy tính tiên tiến đã có khả năng thực hiện hàng chục triệu triệu phép tính mỗi giây. Nhưng có một số vấn đề mà họ không thể giải quyết được. Hãy đưa ra một ví dụ.

Chúng ta được bao quanh bởi các công nghệ mật mã ở khắp mọi nơi: chúng được sử dụng trong các tin nhắn tức thời hoặc các giao dịch với thẻ ngân hàng, tiền điện tử, với lưu trữ an toàn dữ liệu và như vậy. Thông tin được mã hóa liên tục khi nó được gửi và giải mã sau khi nhận được để chỉ những người có mục đích sử dụng nó mới có thể đọc được. Ăn hệ thống khác nhau mã hóa (AES, RSA), nhưng tất cả chúng đều dựa trên việc sử dụng hệ số hóa (phân tách thành thừa số nguyên tố).

Bạn nghĩ chúng tôi đã nhân loại số nguyên tố nào để có được số bên dưới, đó là khóa mã hóa 2048 bit (với các khóa được tạo từ Thuật toán RSA, người nhận trao đổi để ký tin nhắn bí mật với sự giúp đỡ của họ)?

Đừng bận tâm: hãy tìm hiểu xem cái nào số nguyên tố chúng đã được hoàn thành - Nhiệm vụ nặng nề. Nhưng nó khó không chỉ với bạn mà còn với cả một chiếc máy tính cổ điển. Nếu chúng ta sử dụng mọi thứ khả năng tính toán trên thế giới, giải pháp của nó sẽ mất một tỷ năm! Nhưng một máy tính lượng tử có thể giải quyết nó trong 100 giây. Tốc độ điên cuồng của anh ấy sẽ cho phép anh ấy làm điều này.

Nhân tiện, tốc độ giải quyết vấn đề tăng lên nghiêm trọng như vậy sẽ kéo theo việc tái cấu trúc toàn bộ hệ thống tài chính toàn cầu, bởi vì nếu không có mã hóa đáng tin cậy, nó sẽ không thể hoạt động (đùa đấy - ai có máy tính lượng tử không? sẽ có thể làm giả thông tin rằng họ sở hữu bất kỳ số tiền nào).

Nếu việc phát minh ra máy tính lượng tử sẽ kéo theo những thay đổi quy mô lớn như vậy, có lẽ sẽ tốt hơn nếu không có nó hoàn toàn? Hầu như không, bởi vì lợi ích của những chiếc máy như vậy lớn hơn nhiều so với rắc rối. Các siêu máy tính nhị phân hiện tại rất mạnh mẽ, nhưng mặc dù có hiệu suất ấn tượng nhưng chúng khó có thể giải quyết được tất cả các vấn đề mà con người dự định đặt ra.

Ví dụ, ngày nay, khoảng 35% thời gian của siêu máy tính được dành để giải quyết các vấn đề trong lĩnh vực hóa học lượng tử và khoa học vật liệu: việc tính toán hành vi của từng phân tử đòi hỏi một lượng tài nguyên máy tính khổng lồ (và chúng ta chỉ đang nói về những vấn đề mà chúng ta đã giải quyết được). biết cách giải quyết chúng).

Ngoài ra, có một số vấn đề mà máy tính cổ điển phải mất hàng triệu năm mới giải được hoặc chưa thể giải được, kể cả về mặt lý thuyết. Vì vậy, để hiểu chính xác phản ứng hóa học này sẽ diễn ra như thế nào, chẳng hạn, bạn cần phải tính đến các quá trình lượng tử liên quan đến nó và điều này chỉ có thể được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính lượng tử. Nếu thành công, điều này sẽ mang lại cho mọi người cơ hội nghiên cứu kỹ lưỡng (và do đó lặp lại) các hiện tượng như quang hợp.

Tại sao máy tính lượng tử lại mạnh mẽ đến vậy? Điều chính giúp phân biệt chúng với các mã nhị phân cổ điển là việc sử dụng qubit, không giống như bit, có thể đồng thời nhận hai giá trị: 0 và 1. “Tính đối ngẫu” này đảm bảo tính song song của các phép tính lượng tử, bởi vì không còn cần thiết phải đi qua tất cả các trạng thái có thể có của hệ thống. Một tập hợp chỉ 30 qubit có thể tạo thành 2 chuỗi nhị phân 30 (nghĩa là hơn một tỷ) - đây chính xác là số bit cần thiết để xử lý chúng đồng thời. Chỉ là một sự tiết kiệm vũ trụ về không gian, năng lượng và thời gian!

Trên máy tính lượng tử có công suất 100-200 qubit, chúng ta có thể xây dựng mô phỏng chính xác của các quá trình hóa học phức tạp: chẳng hạn như quá trình cố định nitơ - sự chuyển đổi nitơ có trong khí quyển thành các hợp chất chứa nitơ. Phản ứng này được sử dụng rộng rãi để sản xuất amoniac, chất cần thiết để sản xuất phân bón quan trọng nhằm nuôi sống dân số ngày càng tăng trên thế giới. Quy trình công nghiệp sản xuất amoniac hầu như không thay đổi trong thế kỷ qua và tiêu tốn nhiều năng lượng: sản xuất nó đòi hỏi từ 1% đến 3% trữ lượng khí đốt tự nhiên của thế giới. Sử dụng một máy tính lượng tử đủ mạnh, thông qua mô phỏng, các nhà khoa học có thể chọn chất xúc tác hiệu quả hơn giúp phản ứng tiêu tốn ít năng lượng hơn.

Nhờ máy tính lượng tử, các vấn đề như tìm kiếm sự sống thông minh trong Vũ trụ, phát triển các phương pháp truyền năng lượng mới dựa trên chất siêu dẫn, chẩn đoán ung thư ở giai đoạn sớm, lập mô hình phân tử DNA và tạo ra các chất giúp làm sạch không khí khỏi các chất ô nhiễm có hại có thể được giải quyết. đã giải quyết. Khả năng tính toán cao của máy tính lượng tử có thể giúp ích rất nhiều cho việc tạo ra các loại thuốc mới hiệu quả.

Điều đáng khích lệ là nhân loại đang tiến gần hơn đến việc tạo ra một máy tính lượng tử hoàn chỉnh - các tập đoàn toàn cầu đã đầu tư vào lĩnh vực này từ lâu. Đặc biệt, các hệ thống qubit tôpô do Microsoft tạo ra đã cho thấy khả năng duy trì trạng thái lượng tử trong thời gian dài mà không cần thêm thủ thuật nào, cũng như mở rộng quy mô theo kích thước. máy tính hoàn chỉnh. Và vào cuối năm ngoái, công ty đã giới thiệu ngôn ngữ lập trình cho máy tính lượng tử.

Một ý tưởng tưởng chừng như khoa học viễn tưởng thuần túy cách đây 30 năm nay đã trở thành hiện thực. Ai biết được, có thể trong thập kỷ tới chúng ta sẽ chứng kiến kỷ nguyên mới công nghệ số và máy tính lượng tử sẽ biến đổi thế giới của chúng ta đến mức không thể nhận ra, mang đến cho mọi người những cơ hội mà trước đây họ chỉ có thể mơ ước.

Những cỗ máy như vậy hiện nay đơn giản là cần thiết trong bất kỳ lĩnh vực nào: y học, hàng không, thám hiểm không gian. Hiện nay, sự phát triển của máy tính dựa trên vật lý lượng tử và công nghệ điện toán. Những điều cơ bản của một thiết bị điện toán như vậy vẫn chưa có sẵn người dùng thông thường và được chấp nhận như một điều gì đó không thể hiểu được. Suy cho cùng, không phải ai cũng quen thuộc với tính chất quang tử của các hạt và nguyên tử cơ bản. Để hiểu ít nhất một chút về cách thức hoạt động của máy tính này, bạn cần biết và hiểu các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử. Phần lớn, chiếc máy tính mạch lạc này đang được phát triển cho NASA.

Một máy thông thường thực hiện các hoạt động bằng cách sử dụng các bit cổ điển, có thể lấy các giá trị 0 hoặc 1. Mặt khác, máy tính quang tử sử dụng các bit hoặc qubit kết hợp. Chúng có thể đảm nhận các giá trị 1 và 0 cùng một lúc. Đây là những gì mang lại như vậy công nghệ máy tính sức mạnh tính toán vượt trội của họ. Có một số loại đối tượng tính toán có thể được sử dụng làm qubit.

1. Hạt nhân của một nguyên tử.
2. Điện tử.

Tất cả các electron đều có từ trường, theo quy luật, chúng trông giống như những nam châm nhỏ và đặc tính này được gọi là spin. Nếu bạn đặt chúng trong từ trường, chúng sẽ điều chỉnh theo cách giống như kim la bàn. Đây là vị trí có năng lượng thấp nhất nên chúng ta có thể gọi nó là độ xoáy bằng 0 hoặc độ xoáy thấp. Nhưng có thể chuyển hướng electron sang trạng thái “một” hoặc tới spin trên cùng. Nhưng điều này đòi hỏi năng lượng. Nếu bạn tháo kính ra khỏi la bàn, bạn có thể chuyển hướng mũi tên theo hướng khác, nhưng điều này cần có lực.

Có hai phụ kiện: độ xoáy thấp và độ xoáy cao, tương ứng với mức 1 và 0 cổ điển. Nhưng thực tế là các vật thể quang tử có thể ở hai vị trí cùng một lúc. Khi đo độ xoáy, nó sẽ lên hoặc xuống. Nhưng trước khi đo, electron sẽ tồn tại ở trạng thái gọi là chồng chất lượng tử, trong đó các hệ số này biểu thị xác suất tương đối để electron ở trạng thái này hay trạng thái khác.

Thật khó để tưởng tượng làm thế nào điều này mang lại cho các cỗ máy kết hợp sức mạnh tính toán đáng kinh ngạc mà không xem xét sự tương tác của hai qubit. Hiện nay có bốn trạng thái có thể có của các electron này. TRONG ví dụ điển hình hai bit chỉ cần hai bit thông tin. Vì vậy, hai qubit chứa bốn loại thông tin. Điều này có nghĩa là bạn cần biết bốn con số để biết vị trí của hệ thống. Và nếu bạn thực hiện ba lần quay, bạn sẽ nhận được tám quy định khác nhau và trong một phiên bản điển hình sẽ cần ba bit. Hóa ra lượng thông tin chứa trong N qubit bằng 2N bit tiêu chuẩn. hàm số mũ nói rằng, chẳng hạn, nếu có 300 qubit, thì bạn sẽ phải tạo ra các sự chồng chất cực kỳ phức tạp trong đó tất cả 300 qubit sẽ được kết nối với nhau. Sau đó, chúng ta nhận được 2300 bit cổ điển, bằng số lượng hạt trong toàn bộ vũ trụ. Theo đó, cần phải tạo ra một trình tự logic để có thể thu được kết quả tính toán có thể đo lường được. Đó là, chỉ bao gồm các phụ kiện tiêu chuẩn. Hóa ra một cỗ máy mạch lạc không phải là sự thay thế cho những cỗ máy thông thường. Chúng chỉ nhanh hơn trong việc tính toán khi có thể sử dụng tất cả các phép xếp chồng có sẵn. Và nếu bạn chỉ muốn xem video chất lượng cao, trò chuyện trên Internet hoặc viết một bài báo cho công việc, máy tính photon sẽ không ưu tiên cho bạn.

Video này mô tả quá trình của một máy tính lượng tử.

Nếu chúng ta nói chuyện nói một cách đơn giản, thì hệ thống nhất quán được thiết kế không phải cho tốc độ tính toán mà cho khối lượng bắt buộcđể đạt được kết quả sẽ xảy ra trong vòng đơn vị tối thiểu thời gian.

Hoạt động của máy tính cổ điển dựa trên việc xử lý thông tin bằng chip silicon và bóng bán dẫn. Họ dùng mã nhị phân, lần lượt bao gồm các số một và số không. Một cỗ máy mạch lạc hoạt động trên cơ sở chồng chất. Thay vì bit, qubit được sử dụng. Điều này cho phép bạn không chỉ nhanh chóng mà còn thực hiện các phép tính chính xác nhất có thể.

Hệ thống tính toán photon mạnh nhất sẽ là gì? Ví dụ: nếu một máy tính quang tử có hệ thống 30 qubit thì sức mạnh của nó sẽ là 10 nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Hiện nay, máy tính hai bit mạnh nhất có thể đếm được một tỷ phép tính mỗi giây.

Một nhóm lớn các nhà khoa học từ Những đất nước khác nhauđã phát triển một kế hoạch theo đó kích thước của bộ máy quang tử sẽ gần bằng kích thước của một sân bóng đá. Anh ấy sẽ là người mạnh nhất thế giới. Đây sẽ là một loại cấu trúc được tạo thành từ các mô-đun, được đặt trong chân không. Bên trong mỗi mô-đun là điện trường bị ion hóa. Với sự giúp đỡ của họ, một số phần nhất định của mạch sẽ được hình thành để thực hiện các hành động logic đơn giản. Một ví dụ về công nghệ điện toán quang tử như vậy đang được phát triển tại Đại học Sussex ở Anh. Ước tính chi phí cho khoảnh khắc này hơn 130 triệu đô la.

Mười năm trước, D-Wave đã giới thiệu máy tính kết hợp đầu tiên trên thế giới, bao gồm 16 qubit. Mỗi qubit lần lượt bao gồm một tinh thể niobi, được đặt trong một cuộn cảm. Dòng điện chạy vào cuộn dây tạo ra một từ trường. Tiếp theo, nó thay đổi tư cách thành viên nơi đặt qubit. Với sự trợ giúp của một chiếc máy như vậy, bạn có thể dễ dàng tìm ra cách tổng hợp các loại thuốc tương tác với protein máu.
Hoặc có thể xác định được một căn bệnh như ung thư ở giai đoạn sớm hơn.

Video này bao gồm các cuộc thảo luận về chủ đề “Tại sao thế giới cần máy tính lượng tử”. Đừng quên để lại ý kiến, câu hỏi của bạn và chỉ

Xin chào một lần nữa tới tất cả độc giả của blog của tôi! Hôm qua, một vài câu chuyện về máy tính “lượng tử” lại một lần nữa xuất hiện trên bản tin. Chúng tôi đến từ khóa học Các nhà vật lý biết rằng lượng tử là một phần năng lượng giống hệt nhau, còn có cụm từ “bước nhảy lượng tử”, tức là sự chuyển tức thời từ một mức năng lượng nhất định sang mức năng lượng cao hơn nữa cấp độ cao.. Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu máy tính lượng tử là gì và điều gì đang chờ đợi chúng ta khi cỗ máy thần kỳ này xuất hiện

Lần đầu tiên tôi quan tâm đến chủ đề này khi xem phim về Edward Snowden. Như bạn đã biết, công dân Mỹ này đã thu thập hàng terabyte thông tin bí mật (bằng chứng thỏa đáng) về hoạt động của các cơ quan tình báo Hoa Kỳ, mã hóa kỹ lưỡng và đăng lên Internet. “Anh ấy nói, nếu có bất cứ điều gì xảy ra với tôi, thông tin sẽ được giải mã và do đó mọi người đều có thể truy cập được.”

Tính toán cho thấy thông tin này rất “nóng” và sẽ còn phù hợp trong mười năm nữa. Và nó có thể được giải mã bằng sức mạnh tính toán hiện đại trong không dưới mười năm hoặc hơn. Máy tính lượng tử, theo mong đợi của các nhà phát triển, sẽ xử lý nhiệm vụ này trong khoảng 25 phút. Đây là loại bước nhảy vọt “lượng tử” đang chờ đợi chúng ta sớm thôi, các bạn ạ.

Nguyên lý hoạt động của máy tính lượng tử dành cho người giả

Vì chúng ta đang nói về vật lý lượng tử nên hãy nói một chút về nó. Tôi sẽ không đi vào đám cỏ dại đâu, các bạn. Tôi là một “ấm trà”, không phải nhà vật lý lượng tử. Khoảng một trăm năm trước, Einstein đã công bố thuyết tương đối của mình. Tất cả người thông minh Lúc đó họ rất ngạc nhiên vì trong đó có bao nhiêu nghịch lý và những điều khó tin. Vì vậy, tất cả những nghịch lý của Einstein mô tả các quy luật của thế giới chúng ta chỉ là lời bập bẹ hồn nhiên của một đứa trẻ năm tuổi so với những gì đang diễn ra ở cấp độ nguyên tử và phân tử.

Bản thân các “nhà vật lý lượng tử”, những người mô tả các hiện tượng xảy ra ở cấp độ electron và phân tử, đã nói điều gì đó như thế này: “Điều này thật không thể tin được. Điều này không thể là sự thật. Nhưng nó là như vậy. Đừng hỏi chúng tôi mọi chuyện diễn ra như thế nào. Chúng tôi không biết làm thế nào hoặc tại sao. Chúng tôi chỉ đang xem thôi. Nhưng nó đã có tác dụng. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Đây là các công thức, phụ thuộc và hồ sơ thí nghiệm.”

Vậy sự khác biệt giữa máy tính thông thường và máy tính lượng tử là gì? Suy cho cùng, một chiếc máy tính thông thường cũng chạy bằng điện, và điện là một tập hợp các hạt rất nhỏ - electron?

Máy tính của chúng tôi hoạt động theo nguyên tắc “Có” hoặc “Không”. Nếu có dòng điện trong dây thì đó là “Có” hoặc “Một”. Nếu có dòng điện “Không” trong dây thì đó là “Không”. Tùy chọn giá trị "1" và "0" là một đơn vị lưu trữ thông tin được gọi là "Bit".. Một byte là 8 bit, v.v., v.v....

Bây giờ hãy tưởng tượng bộ xử lý của bạn, trên đó có 800 triệu “dây” như vậy, trên mỗi dây có số “0” hoặc “một” xuất hiện và biến mất sau một giây. Và bạn có thể hình dung trong đầu cách anh ấy xử lý thông tin. Bây giờ bạn đang đọc văn bản, nhưng trên thực tế nó là một tập hợp các số không và số một.

Bằng sức mạnh và tính toán mạnh mẽ, máy tính của bạn xử lý các yêu cầu của bạn trong Yandex, tìm kiếm những yêu cầu bạn cần cho đến khi giải quyết được vấn đề và bằng cách loại bỏ, sẽ tìm đến phần cuối của yêu cầu bạn cần. Hiển thị phông chữ và hình ảnh trên màn hình ở dạng chúng ta có thể đọc được... Cho đến nay, tôi hy vọng không có gì phức tạp? Và hình ảnh cũng là số không và số một.

Bây giờ, các bạn, hãy tưởng tượng một chút về mô hình của chúng ta hệ mặt trời. Mặt trời ở trung tâm và Trái đất bay xung quanh nó. Chúng ta biết rằng tại một thời điểm nhất định, nó luôn ở một điểm nhất định trong không gian và trong một giây nữa nó sẽ bay xa hơn ba mươi km.

Vì vậy, mô hình nguyên tử cũng mang tính hành tinh, trong đó nguyên tử cũng quay quanh hạt nhân. Nhưng thưa các bạn, điều đã được CHỨNG MINH rằng, bởi những người thông minh đeo kính, rằng nguyên tử, không giống như Trái đất, ở đồng thời và luôn ở mọi nơi... Mọi nơi và không nơi nào cùng một lúc. Và họ gọi hiện tượng tuyệt vời này là “chồng chất”. Để hiểu rõ hơn về các hiện tượng khác của vật lý lượng tử, tôi khuyên bạn nên xem một bộ phim khoa học nổi tiếng trong đó bằng ngôn ngữ đơn giản nói về những điều phức tạp theo một cách khá độc đáo.

Tiếp tục đi. Và bây giờ bit “của chúng tôi” được thay thế bằng bit lượng tử. Nó còn được gọi là "Qubit". Anh cũng chỉ có hai trạng thái ban đầu"không" và "một". Tuy nhiên, vì bản chất của nó là “lượng tử” nên nó có thể ĐỒNG THỜI đảm nhận tất cả các giá trị trung gian có thể có. Và đồng thời ở trong họ. Giờ đây, bạn không cần phải tính toán tuần tự các giá trị, sắp xếp chúng... hoặc tìm kiếm lâu trong cơ sở dữ liệu. Họ đã được biết trước, ngay lập tức. Tính toán được thực hiện song song.

Các thuật toán "lượng tử" đầu tiên dành cho Tính toán toán họcđược phát minh bởi nhà toán học người Anh Peter Shor vào năm 1997. Khi anh ấy cho cả thế giới xem chúng, tất cả các nhà mật mã đều trở nên rất căng thẳng, bởi vì mật mã hiện có“chia cắt” bằng thuật toán này trong vài phút, nhưng thời đó chưa có máy tính nào hoạt động theo thuật toán lượng tử.

Kể từ đó, một mặt, công việc đã được tiến hành để tạo ra một hệ thống vật lý trong đó bit lượng tử sẽ hoạt động. Đó là "phần cứng". Mặt khác, họ đã đưa ra giải pháp bảo vệ chống lại hack lượng tử và giải mã dữ liệu.

Gì bây giờ? Và nó trông như thế này bộ xử lý lượng tử dưới kính hiển vi 9 qubit của Google.

Họ đã thực sự vượt qua chúng ta chưa? 9 qubit hay theo 15 bit “cũ” thì con số này vẫn chưa phải là quá nhiều. Cộng với chi phí cao, khối lượng vấn đề kỹ thuật Và một khoảng thời gian ngắn“sự sống” của lượng tử. Nhưng hãy nhớ rằng lúc đầu có 8 bit, sau đó xuất hiện 16 bit bộ xử lý bit...Nó sẽ như vậy với những thứ này...

Máy tính lượng tử ở Nga - huyền thoại hay hiện thực?

Con chung tôi thi Sao? Nhưng chúng ta không sinh ra sau bếp lò. Ở đây tôi đã tìm được bức ảnh về chiếc Cubit đầu tiên của Nga dưới kính hiển vi. Anh ấy thực sự là người duy nhất ở đây.

Nó cũng giống như một loại “vòng lặp” trong đó có điều gì đó đang xảy ra mà chúng ta chưa biết. Thật vui khi nghĩ rằng của chúng tôi, với sự hỗ trợ của nhà nước, đang phát triển của riêng họ. Vì vậy, sự phát triển trong nước không còn là chuyện hoang đường nữa. Đây là tương lai của chúng tôi. Chúng ta sẽ xem nó sẽ như thế nào.

Tin tức mới nhất về máy tính lượng tử 51 qubit của Nga

Đây là tin tức cho mùa hè này. Những người của chúng tôi (vinh dự và khen ngợi họ!) đã phát triển máy tính lượng tử (!) mạnh nhất thế giới (!) 51 qubit (!) tức là. Điều thú vị nhất là trước đó Google đã công bố máy tính 49 qubit của mình. Và họ ước tính họ sẽ hoàn thành nó trong khoảng một tháng nữa. Và chúng tôi đã quyết định giới thiệu bộ xử lý lượng tử 51 qubit được làm sẵn... Hoan hô! Đó là cuộc đua đang diễn ra. Ít nhất chúng ta có thể theo kịp. Bởi vì nó được mong đợi bước đột phá lớn trong khoa học, khi những hệ thống này hoạt động. Đây là bức ảnh của người trình bày sự phát triển của chúng tôi tại diễn đàn quốc tế “lượng tử”.

Tên của nhà khoa học này là Mikhail Lukin. Hôm nay tên của anh ấy đang được chú ý. Không thể một mình tạo ra một dự án như vậy, chúng tôi hiểu điều này. Ông và nhóm của mình đã tạo ra máy tính hoặc bộ xử lý lượng tử mạnh nhất thế giới hiện nay (!). Đây là những gì những người có thẩm quyền nói về điều này:

« Máy tính lượng tử Khi hoạt động, nó còn tệ hơn nhiều so với một quả bom nguyên tử”, Sergei Belousov, người đồng sáng lập Trung tâm Lượng tử Nga, lưu ý. - Anh ấy (Mikhail Lukin) đã tạo ra một hệ thống có nhiều qubit nhất. Chỉ trong trường hợp. Tại thời điểm này, tôi nghĩ con số đó nhiều hơn gấp đôi so với bất kỳ ai khác. Và anh ấy đặc biệt tạo ra 51 qubit chứ không phải 49. Bởi vì Google liên tục nói rằng họ sẽ tạo ra 49.”

Tuy nhiên, bản thân Lukin và người đứng đầu phòng thí nghiệm lượng tử Google, John Martinez, không coi mình là đối thủ hay đối thủ. Các nhà khoa học tin chắc rằng đối thủ chính của họ là thiên nhiên và mục tiêu chính của họ là phát triển công nghệ và triển khai nó để đưa nhân loại lên một giai đoạn phát triển mới.

John Martinez nói đúng: “Thật sai lầm khi coi đây là một cuộc đua. - Chúng ta có một cuộc chạy đua thực sự với thiên nhiên. Bởi vì việc tạo ra một chiếc máy tính lượng tử thực sự rất khó khăn. Và thật thú vị khi ai đó đã tạo ra được một hệ thống như vậy một lượng lớn qubit Cho đến nay, 22 qubit là mức tối đa chúng tôi có thể làm. Mặc dù chúng tôi đã sử dụng tất cả phép thuật và tính chuyên nghiệp của mình.”

Vâng, tất cả điều này rất thú vị. Nếu chúng ta nhớ lại sự tương tự, khi bóng bán dẫn được phát minh, không ai có thể biết rằng máy tính sẽ hoạt động dựa trên công nghệ này 70 năm sau. Chỉ trong một bộ xử lý hiện đại số lượng của chúng lên tới 700 triệu.. Chiếc máy tính đầu tiên nặng nhiều tấn và chiếm diện tích lớn. Nhưng những máy tính cá nhân dù sao thì họ cũng đã xuất hiện - rất lâu sau đó...

Tôi nghĩ rằng hiện tại chúng ta không nên mong đợi các thiết bị thuộc loại này sẽ xuất hiện trong các cửa hàng của chúng ta trong tương lai gần. Nhiều người đang chờ đợi họ. Đặc biệt là những người khai thác tiền điện tử tranh luận rất nhiều về điều này. Các nhà khoa học nhìn anh với niềm hy vọng, và những người quân nhân nhìn anh với ánh mắt chăm chú. Tiềm năng của sự phát triển này, theo chúng tôi hiểu, vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.

Chỉ rõ ràng là khi tất cả bắt đầu hoạt động, nó sẽ kéo toàn bộ ngành công nghiệp giàu tri thức tiến lên cùng với nó. phần mềm mới.. Thời gian sẽ hiển thị. Giá như chiếc máy tính lượng tử của chúng ta được tặng cho chúng ta khi mới sinh ra không làm mọi người thất vọng - đây chính là cái đầu của chúng ta. Vì vậy, đừng vội vứt đồ dùng của bạn vào thùng rác. Họ sẽ phục vụ bạn trong một thời gian dài. Viết nếu bài viết thú vị. Hãy quay lại thường xuyên. Tạm biệt!

Thế giới đang trên bờ vực của một cuộc cách mạng lượng tử khác. Máy tính lượng tử đầu tiên sẽ ngay lập tức giải quyết các vấn đề mà sức mạnh mạnh nhất thiết bị hiện đại bây giờ đã trải qua nhiều năm. Những nhiệm vụ này là gì? Ai được lợi và ai bị đe dọa khi sử dụng ồ ạt các thuật toán lượng tử? Sự chồng chất của qubit là gì, mọi người học cách tìm ra nó như thế nào giải pháp tối ưu mà không phải trải qua hàng nghìn tỷ lựa chọn? Chúng tôi trả lời những câu hỏi này dưới tiêu đề “Đơn giản là về sự phức tạp”.

Trước lý thuyết lượng tử, lý thuyết cổ điển đã được sử dụng bức xạ điện từ. Năm 1900, nhà khoa học người Đức Max Planck, người không tin vào lượng tử và coi chúng là một cấu trúc hư cấu và thuần túy lý thuyết, đã buộc phải thừa nhận rằng năng lượng của một vật thể nóng lên được phát ra theo từng phần - lượng tử; Vì vậy, các giả định của lý thuyết trùng hợp với các quan sát thực nghiệm. Và 5 năm sau, Albert Einstein vĩ đại đã sử dụng cách tiếp cận tương tự khi giải thích hiệu ứng quang điện: khi chiếu ánh sáng vào, một dòng điện xuất hiện trong kim loại! Khó có khả năng Planck và Einstein có thể tưởng tượng được rằng với công trình nghiên cứu của mình, họ đã đặt nền móng cho khoa học mới- cơ học lượng tử, có mục đích biến đổi thế giới của chúng ta đến mức không thể nhận ra, và trong thế kỷ 21, các nhà khoa học sẽ tiến gần đến việc tạo ra một máy tính lượng tử.

Lúc đầu, cơ học lượng tử có thể giải thích cấu trúc của nguyên tử và giúp hiểu được các quá trình xảy ra bên trong nó. Qua nhìn chungƯớc mơ từ lâu của các nhà giả kim là biến nguyên tử của một số nguyên tố này thành nguyên tử của nguyên tố khác (vâng, thậm chí thành vàng) đã thành hiện thực. Và công thức nổi tiếng của Einstein E=mc2 đã dẫn đến sự xuất hiện của năng lượng hạt nhân và hậu quả là bom nguyên tử.

Bộ xử lý lượng tử 5 qubit của IBM

Hơn nữa. Nhờ công trình của Einstein và nhà vật lý người Anh Paul Dirac, tia laser đã được tạo ra vào nửa sau thế kỷ 20 - cũng là nguồn lượng tử của ánh sáng siêu tinh khiết được thu thập thành một chùm tia hẹp. Nghiên cứu về laser đã mang lại giải thưởng Nobel cho hơn chục nhà khoa học và bản thân laser cũng đã tìm thấy ứng dụng của chúng trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động của con người - từ máy cắt công nghiệp và súng laser đến máy quét mã vạch và điều chỉnh thị lực. Cùng lúc đó họ đang đi bộ nghiên cứu tích cực chất bán dẫn - vật liệu mà bạn có thể dễ dàng kiểm soát dòng chảy của dòng điện. Trên cơ sở đó, các bóng bán dẫn đầu tiên đã được tạo ra - sau này chúng trở thành thành phần xây dựng chính thiết bị điện tử hiện đại, nếu không có nó chúng ta không thể tưởng tượng được cuộc sống của mình nữa.

Sự phát triển của các thiết bị điện tử đã giúp giải quyết nhiều vấn đề một cách nhanh chóng và hiệu quả. máy tính- máy tính. Và việc giảm dần kích thước cũng như giá thành của chúng (do sản xuất hàng loạt) đã mở đường cho việc đưa máy tính đến mọi nhà. Với sự ra đời của Internet, sự phụ thuộc của chúng ta vào hệ thống máy tính, bao gồm cả giao tiếp, thậm chí còn trở nên mạnh mẽ hơn.

Richard Feynman

Sự phụ thuộc ngày càng tăng, sức mạnh tính toán không ngừng tăng lên, nhưng đã đến lúc phải thừa nhận rằng, mặc dù có khả năng ấn tượng nhưng máy tính vẫn chưa thể giải quyết được tất cả các vấn đề mà chúng ta sẵn sàng đặt ra trước mắt. Nhà vật lý nổi tiếng Richard Feynman là một trong những người đầu tiên nói về điều này: vào năm 1981, tại một hội nghị, ông đã tuyên bố rằng về cơ bản là không thể tính toán chính xác một hệ vật lý thực trên máy tính thông thường. Đó là tất cả về bản chất lượng tử của nó! Các hiệu ứng vi mô có thể dễ dàng được giải thích bằng cơ học lượng tử và được giải thích rất kém bằng cơ học cổ điển mà chúng ta quen thuộc: nó mô tả hành vi của các vật thể lớn. Khi đó, như một giải pháp thay thế, Feynman đề xuất sử dụng máy tính lượng tử để tính toán các hệ vật lý.

Máy tính lượng tử là gì và nó khác với những máy tính chúng ta quen thuộc như thế nào? Đó là tất cả về cách chúng tôi trình bày thông tin.

Nếu trong máy tính thông thường, các bit - số 0 và số 1 - chịu trách nhiệm về chức năng này, thì trong máy tính lượng tử, chúng được thay thế bằng bit lượng tử (viết tắt là qubit). Bản thân qubit là một thứ khá đơn giản. Nó vẫn có hai giá trị cơ bản (hoặc trạng thái, như cơ học lượng tử hay nói) mà nó có thể nhận: 0 và 1. Tuy nhiên, nhờ một đặc tính của vật thể lượng tử gọi là “chồng chất”, một qubit có thể nhận tất cả các giá trị ​​đó là sự kết hợp của những cái cơ bản. Hơn nữa, bản chất lượng tử của nó cho phép nó ở tất cả các trạng thái này cùng một lúc.

Đây là sự song song của điện toán lượng tử với qubit. Mọi thứ xảy ra cùng một lúc - bạn không cần phải trải qua mọi thứ nữa những lựa chọn khả thi trạng thái của hệ thống, đó chính xác là những gì một máy tính thông thường làm. Tìm kiếm bởi cơ sở dữ liệu lớn dữ liệu, biên soạn tuyến đường tối ưu, sự phát triển của các loại thuốc mới chỉ là một vài ví dụ về các vấn đề mà lời giải của chúng có thể được tăng tốc gấp nhiều lần nhờ các thuật toán lượng tử. Đây là những vấn đề cần tìm ra câu trả lời đúng mà bạn cần phải giải quyết số lượng lớn tùy chọn.

Ngoài ra, sức mạnh và khối lượng tính toán khổng lồ không còn cần thiết để mô tả trạng thái chính xác của hệ thống. bộ nhớ truy cập tạm thời, vì để tính toán một hệ gồm 100 hạt thì 100 qubit là đủ chứ không phải hàng nghìn tỷ nghìn tỷ bit. Hơn nữa, khi số lượng hạt tăng lên (như trong thực tế hệ thống phức tạp) sự khác biệt này càng trở nên đáng kể hơn.

Một trong những vấn đề tìm kiếm nổi bật vì sự vô dụng rõ ràng của nó - sự phân rã số lượng lớn thành thừa số nguyên tố (nghĩa là chỉ chia hết cho một số nguyên cho chính nó và một). Điều này được gọi là "nhân tố hóa". Sự thật là máy tính thông thường Chúng có thể nhân các số khá nhanh, thậm chí là những số rất lớn. Tuy nhiên, với bài toán khai triển nghịch đảo số lượng lớn, do phép nhân hai số nguyên tố, máy tính thông thường xử lý rất kém các thừa số ban đầu. Ví dụ: để phân tích một số có 256 chữ số thành hai thừa số, thậm chí máy tính mạnh mẽ sẽ mất hơn chục năm. Nhưng một thuật toán lượng tử có thể giải quyết vấn đề này trong vài phút đã được phát minh vào năm 1997 bởi nhà toán học người Anh Peter Shor.

Với sự ra đời của thuật toán Shor, cộng đồng khoa học phải đối mặt với một vấn đề nghiêm trọng. Trở lại cuối những năm 1970, dựa trên mức độ phức tạp của bài toán nhân tử hóa, các nhà khoa học mật mã đã tạo ra một thuật toán mã hóa dữ liệu ngày càng phổ biến. Đặc biệt, với sự trợ giúp của thuật toán này, họ bắt đầu bảo vệ dữ liệu trên Internet - mật khẩu, thư từ cá nhân, giao dịch ngân hàng và tài chính. Và sau nhiều năm sử dụng thành công, hóa ra thông tin được mã hóa theo cách này lại trở thành mục tiêu dễ dàng cho thuật toán của Shor chạy trên máy tính lượng tử. Việc giải mã với sự trợ giúp của nó chỉ mất vài phút. Có một điều tốt: một máy tính lượng tử có thể chạy thuật toán chết người vẫn chưa được tạo ra.

Trong khi đó, trên khắp thế giới, hàng chục nhóm khoa học và phòng thí nghiệm bắt đầu nghiên cứu nghiên cứu thực nghiệm qubit và khả năng tạo ra một máy tính lượng tử từ chúng. Xét cho cùng, về mặt lý thuyết, việc phát minh ra qubit là một chuyện, còn việc biến nó thành hiện thực lại là một chuyện khác. Để làm được điều này, cần phải tìm ra một hệ vật lý phù hợp với hai mức lượng tử có thể được sử dụng làm trạng thái cơ bản của qubit - không và một. Bản thân Feynman, trong bài báo tiên phong của mình, đã đề xuất sử dụng cho những mục đích này các mặt khác nhau photon, nhưng qubit đầu tiên được tạo ra bằng thực nghiệm là các ion bị giữ lại trong các bẫy đặc biệt vào năm 1995. Ion được theo sau bởi nhiều người khác triển khai vật lý: hạt nhân nguyên tử, electron, photon, khuyết tật trong tinh thể, mạch siêu dẫn - tất cả đều đáp ứng yêu cầu.

Sự đa dạng này có giá trị của nó. Được thúc đẩy bởi sự cạnh tranh khốc liệt, các nhóm khoa học khác nhau đã tạo ra ngày càng nhiều qubit hoàn hảo và ngày càng xây dựng được nhiều hơn từ chúng. mạch phức tạp. Có hai tham số cạnh tranh chính đối với qubit: thời gian tồn tại của chúng và số lượng qubit có thể được tạo ra để hoạt động cùng nhau.

Nhân viên Phòng thí nghiệm Hệ thống lượng tử nhân tạo

Tuổi thọ của các qubit xác định trạng thái lượng tử mong manh được lưu trữ trong chúng trong bao lâu. Đến lượt nó, điều này xác định có bao nhiêu thao tác tính toán có thể được thực hiện trên qubit trước khi nó “chết”.

Vì công việc hiệu quả Các thuật toán lượng tử không chỉ cần một qubit mà còn cần ít nhất một trăm qubit và hoạt động cùng nhau. Vấn đề là các qubit không thực sự thích ở cạnh nhau và phản đối bằng cách giảm đáng kể thời gian tồn tại của chúng. Để giải quyết sự không tương thích này của qubit, các nhà khoa học đã phải dùng đến đủ loại thủ thuật. Chưa hết, cho đến nay, các nhà khoa học đã cố gắng đạt được tối đa một hoặc hai chục qubit để hoạt động cùng nhau.

Vì vậy, trước sự vui mừng của các nhà mật mã, máy tính lượng tử vẫn là một thứ của tương lai. Mặc dù nó không hề xa vời như trước đây, bởi vì cả những tập đoàn lớn nhất như Intel, IBM và Google, cũng như các quốc gia riêng lẻ mà việc tạo ra máy tính lượng tử là vấn đề có tầm quan trọng chiến lược, đều đang tích cực tham gia vào việc tạo ra nó.

Đừng bỏ lỡ bài giảng: