Thực đơn
trang chủĐiện thoại

Qubit cho máy tính lượng tử là gì? Máy tính lượng tử sẽ thay đổi thế giới như thế nào Các loại máy tính lượng tử

Trong những thập kỷ gần đây, máy tính đã phát triển rất nhanh. Trên thực tế, trong ký ức của một thế hệ, chúng đã chuyển từ những chiếc đèn cồng kềnh chiếm những căn phòng rộng lớn thành những chiếc máy tính bảng thu nhỏ. Trí nhớ và tốc độ tăng lên nhanh chóng. Nhưng thời điểm đó đã đến khi xuất hiện những nhiệm vụ nằm ngoài tầm kiểm soát của ngay cả những chiếc máy tính hiện đại siêu mạnh.

Máy tính lượng tử là gì?

Sự xuất hiện của những nhiệm vụ mới vượt quá khả năng của máy tính thông thường buộc chúng ta phải tìm kiếm những cơ hội mới. Và, để thay thế cho máy tính thông thường, máy tính lượng tử đã xuất hiện. Máy tính lượng tử là một công nghệ điện toán dựa trên các yếu tố của cơ học lượng tử. Các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử đã được hình thành vào đầu thế kỷ trước. Sự xuất hiện của nó giúp giải được nhiều bài toán trong vật lý mà vật lý cổ điển không thể tìm ra lời giải.

Mặc dù lý thuyết lượng tử đã bước sang thế kỷ thứ hai nhưng nó vẫn chỉ có thể hiểu được đối với một nhóm nhỏ các chuyên gia. Nhưng cũng có những kết quả thực sự của cơ học lượng tử mà chúng ta đã quen thuộc - công nghệ laser, chụp cắt lớp. Và vào cuối thế kỷ trước, lý thuyết tính toán lượng tử đã được phát triển bởi nhà vật lý Liên Xô Yu Manin. Năm năm sau, David Deutsch tiết lộ ý tưởng về cỗ máy lượng tử.

Máy tính lượng tử có tồn tại không?

Nhưng việc thực hiện các ý tưởng hóa ra không đơn giản như vậy. Thỉnh thoảng có báo cáo cho rằng một máy tính lượng tử khác đã được tạo ra. Về sự phát triển như vậy công nghệ máy tính Có những ông lớn trong lĩnh vực công nghệ thông tin:

  1. D-Wave là một công ty đến từ Canada, là công ty đầu tiên sản xuất máy tính lượng tử hoạt động được. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều tranh cãi giữa các chuyên gia về mức độ lượng tử thực sự của những chiếc máy tính này và những ưu điểm mà chúng mang lại.
  2. IBM đã tạo ra một máy tính lượng tử và mở quyền truy cập vào nó cho người dùng Internet để thử nghiệm các thuật toán lượng tử. Đến năm 2025, công ty có kế hoạch tạo ra một mô hình có khả năng giải quyết các vấn đề thực tế.
  3. Google đã công bố phát hành trong năm nay một loại máy tính có khả năng chứng minh tính ưu việt của lượng tử so với máy tính thông thường.
  4. Vào tháng 5 năm 2017, các nhà khoa học Trung Quốc ở Thượng Hải tuyên bố rằng họ đã tạo ra máy tính lượng tử mạnh nhất thế giới, vượt xa các máy tương tự về tần số xử lý tín hiệu tới 24 lần.
  5. Vào tháng 7 năm 2017, tại Hội nghị Moscow về công nghệ lượng tử Có thông báo rằng một máy tính lượng tử 51 qubit đã được tạo ra.

Máy tính lượng tử khác với máy tính thông thường như thế nào?

Sự khác biệt cơ bản Máy tính lượng tử trong cách tiếp cận quá trình tính toán.

  1. TRONG bộ xử lý thông thường tất cả các phép tính đều dựa trên các bit tồn tại ở hai trạng thái 1 hoặc 0. Nghĩa là, tất cả công việc đều được chuyển sang phân tích lượng lớn dữ liệu về việc tuân thủ các điều kiện quy định. Một máy tính lượng tử hoạt động dựa trên qubit (bit lượng tử). Đặc điểm của chúng là khả năng ở trạng thái 1, 0, cũng như 1 và 0 cùng một lúc.
  2. Khả năng của máy tính lượng tử tăng lên đáng kể vì không cần phải tìm kiếm câu trả lời mong muốn trong số nhiều câu trả lời. Trong trường hợp này, câu trả lời được chọn từ các tùy chọn đã có sẵn với xác suất trùng khớp nhất định.

Máy tính lượng tử dùng để làm gì?

Nguyên lý của máy tính lượng tử, được xây dựng dựa trên việc chọn một giải pháp có đủ xác suất và khả năng tìm ra giải pháp đó nhanh hơn nhiều lần so với máy tính hiện đại, xác định mục đích sử dụng của nó. Trước hết, sự xuất hiện của loại công nghệ điện toán này khiến các nhà mật mã lo lắng. Điều này là do khả năng tính toán mật khẩu dễ dàng của máy tính lượng tử. Như vậy, chiếc máy tính lượng tử mạnh nhất do các nhà khoa học Mỹ gốc Nga tạo ra có khả năng lấy được chìa khóa của hệ thống hiện có mã hóa.

Còn nhiều cái hữu ích hơn bài toán ứng dụngđối với máy tính lượng tử, chúng liên quan đến hoạt động của các hạt cơ bản, di truyền, chăm sóc sức khỏe, thị trường tài chính, bảo vệ mạng khỏi virus, trí tuệ nhân tạo và nhiều vấn đề khác mà máy tính thông thường chưa giải quyết được.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Thiết kế của máy tính lượng tử dựa trên việc sử dụng qubit. Những điều sau đây hiện được sử dụng làm hoạt động thực thi vật lý của qubit:

  • các vòng làm bằng chất siêu dẫn có dây nhảy, có dòng điện đa chiều;
  • từng nguyên tử tiếp xúc với chùm tia laser;
  • ion;
  • photon;
  • Các phương án sử dụng tinh thể nano bán dẫn đang được phát triển.

Máy tính lượng tử - nguyên lý hoạt động

Nếu có sự chắc chắn về cách thức hoạt động của một máy tính cổ điển, thì câu hỏi về cách thức hoạt động của máy tính lượng tử không dễ trả lời. Mô tả hoạt động của máy tính lượng tử dựa trên hai cụm từ mà hầu hết mọi người đều mơ hồ:

  • Nguyên lý chồng chất– chúng ta đang nói về các qubit có thể đồng thời ở vị trí 1 và 0. Điều này cho phép bạn thực hiện một số phép tính cùng lúc, thay vì sắp xếp theo các tùy chọn, điều này mang lại lợi ích lớn về thời gian;
  • rối lượng tử- một hiện tượng được A. Einstein ghi nhận, bao gồm sự tương tác của hai hạt. Nói nói một cách đơn giản, nếu một trong các hạt có độ xoắn dương thì hạt thứ hai ngay lập tức sẽ có độ xoắn dương. Mối quan hệ này xảy ra bất kể khoảng cách.

Ai đã phát minh ra máy tính lượng tử?

Cơ sở của cơ học lượng tử đã được vạch ra vào đầu thế kỷ trước như một giả thuyết. Sự phát triển của nó gắn liền với các nhà vật lý lỗi lạc như Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. Năm 1980, Yu. Antonov đề xuất ý tưởng về khả năng tính toán lượng tử. Một năm sau, Richard Feineman đã mô hình hóa chiếc máy tính lượng tử đầu tiên về mặt lý thuyết.

Hiện nay việc tạo ra máy tính lượng tử đang trong giai đoạn phát triển và thậm chí rất khó để tưởng tượng máy tính lượng tử có khả năng như thế nào. Nhưng hoàn toàn rõ ràng rằng việc nắm vững hướng này sẽ mang đến cho con người nhiều khám phá mới trong mọi lĩnh vực khoa học, cho phép họ nhìn vào thế giới vi mô và vĩ mô, đồng thời tìm hiểu thêm về bản chất của tâm trí và di truyền.

Khoa học không đứng yên và dường như những gì ngày hôm qua được coi là thần bí lại ngày nay là một thực tế không thể phủ nhận. Vì vậy hiện nay, huyền thoại về thế giới song song có thể trở thành sự thật phổ biến trong tương lai. Người ta tin rằng nghiên cứu trong lĩnh vực tạo ra máy tính lượng tử sẽ giúp đạt được tuyên bố này. Nhật Bản đang dẫn đầu; hơn 70% tổng số nghiên cứu đến từ đất nước này. Bản chất của khám phá này dễ hiểu hơn đối với những người theo cách này hay cách khác có mối liên hệ với vật lý. Nhưng hầu hết chúng tôi đã tốt nghiệp Trung học phổ thông, trong đó sách giáo khoa lớp 11 đề cập đến một số vấn đề của vật lý lượng tử.

Nơi mọi chuyện bắt đầu

Chúng ta hãy nhớ lại rằng sự khởi đầu được đặt ra bởi hai khám phá chính mà các tác giả của chúng đã được trao giải Nobel. Năm 1918, Max Planck phát hiện ra lượng tử và Albert Einstein vào năm 1921 photon. Ý tưởng tạo ra một chiếc máy tính lượng tử bắt nguồn từ năm 1980, khi sự thật của lý thuyết lượng tử được chứng minh. Và những ý tưởng chỉ bắt đầu được đưa vào thực tế vào năm 1998. Công việc quy mô lớn và đồng thời khá hiệu quả chỉ được thực hiện trong 10 năm qua.

Các nguyên tắc cơ bản rất rõ ràng, nhưng với mỗi bước tiến về phía trước, mọi thứ đều phát sinh nhiều vấn đề hơn, việc giải quyết vấn đề này mất khá nhiều thời gian, mặc dù nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đang nghiên cứu vấn đề này. Yêu cầu đối với một máy tính như vậy là rất cao, vì độ chính xác của phép đo phải rất cao và số lượng tác động bên ngoài phải được giảm thiểu, mỗi tác động đó sẽ làm biến dạng hoạt động của hệ lượng tử.

TẠI SAO BẠN CẦN MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ?

Máy tính lượng tử dựa trên cái gì?

Mọi người, ở mức độ lớn hơn hoặc ít hơn, đều có ý tưởng về cách hoạt động của một máy tính thông thường. Ý nghĩa của nó là sử dụng mã hóa nhị phân, nơi có sẵn giá trị nhất địnhđiện áp được lấy là 1 và việc không có 0. , được biểu thị bằng 0 hoặc 1, được coi là một bit. Hoạt động của máy tính lượng tử gắn liền với khái niệm spin. Vật lý bị giới hạn đối với ai? kiến thức trường học, có thể khẳng định sự tồn tại của ba hạt cơ bản và sự có mặt của các đặc tính đơn giản như khối lượng và điện tích.

Nhưng các nhà vật lý không ngừng bổ sung thêm vào lớp các hạt cơ bản và đặc tính của chúng, một trong số đó là spin. Và một hướng nhất định của spin của hạt được lấy bằng 1 và hướng ngược lại của nó là 0. Điều này tương tự như thiết kế của một bóng bán dẫn. Phần tử chính sẽ được gọi là bit lượng tử hoặc qubit. Nó có thể là photon, nguyên tử, ion và hạt nhân nguyên tử.

Điều kiện chính ở đây là sự hiện diện của hai trạng thái lượng tử. Thay đổi trạng thái của một bit cụ thể trong máy tính thông thường không dẫn đến sự thay đổi ở những hạt khác, nhưng trong máy tính lượng tử, việc thay đổi một hạt sẽ dẫn đến sự thay đổi trạng thái của các hạt khác. Sự thay đổi này có thể được kiểm soát và hãy tưởng tượng rằng có hàng trăm hạt như vậy.

Chỉ cần tưởng tượng năng suất của một chiếc máy như vậy sẽ tăng lên bao nhiêu lần. Nhưng việc tạo ra một tổng thể máy tính mới nhất- đây chỉ là giả thuyết, còn phải chờ xem công việc lớn các nhà vật lý trong lĩnh vực cơ học lượng tử gọi là cơ học nhiều vật thể. Máy tính lượng tử mini đầu tiên bao gồm 16 qubit. TRONG Gần đây Máy tính sử dụng 512 qubit đã được ra mắt nhưng chúng đã được sử dụng để tăng tốc độ thực hiện các phép tính phức tạp. Quipper là ngôn ngữ được thiết kế dành riêng cho những máy như vậy.

Trình tự các thao tác được thực hiện

Trong việc tạo ra một máy tính thế hệ mới, có bốn hướng khác nhau ở chỗ chúng hoạt động như các qubit logic:

  1. hướng quay của các hạt hình thành nên cơ sở của nguyên tử;
  2. sự hiện diện hay vắng mặt của cặp Cooper ở một vị trí xác định trong không gian;
  3. electron bên ngoài ở trạng thái nào?
  4. trạng thái khác nhau của photon.

Bây giờ chúng ta hãy xem mạch hoạt động của máy tính. Để bắt đầu, hãy lấy một số qubit và viết chúng ra thông số ban đầu. Các phép biến đổi được thực hiện bằng các phép toán logic và giá trị kết quả, là kết quả đầu ra của máy tính, được ghi lại. Các dây là qubit và các phép biến đổi được tạo thành từ các khối logic. Một bộ xử lý như vậy đã được đề xuất bởi D. Deutsch, người vào năm 1995 đã có thể tạo ra một chuỗi có khả năng thực hiện bất kỳ phép tính nào ở cấp độ lượng tử. Nhưng hệ thống như vậy tạo ra các lỗi nhỏ, có thể giảm đi đôi chút bằng cách tăng số lượng thao tác liên quan đến thuật toán.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào?

Chúng ta đã đạt được những gì?

Cho đến nay, chỉ có hai loại máy tính lượng tử được phát triển nhưng khoa học vẫn không đứng yên. Hoạt động của cả hai máy đều dựa trên hiện tượng lượng tử:

  1. liên quan đến tính siêu dẫn. Khi nó bị vi phạm, lượng tử hóa được quan sát;
  2. dựa trên một tính chất như tính mạch lạc. Tốc độ tính toán của những máy tính như vậy tăng gấp đôi so với số lượng qubit.

Loại thứ hai được coi là ưu tiên trong lĩnh vực tạo ra máy tính lượng tử.

Thành tựu của các nước khác nhau

Tóm lại, những thành tựu đạt được trong 10 năm qua là rất đáng kể. Chúng ta có thể lưu ý rằng máy tính hai qubit được tạo ra ở Mỹ với phần mềm. Họ cũng có thể sản xuất một máy tính hai qubit với tinh thể kim cương. Trong vai trò của qubit, hướng quay của các hạt nitơ và các thành phần của nó: hạt nhân và electron đã được sử dụng. Để cung cấp khả năng bảo vệ đáng kể, một hệ thống rất phức tạp đã được phát triển cho phép nó đưa ra kết quả với độ chính xác 95%.

ICQT 2017. John Martinis, Google: Máy tính lượng tử: Cuộc sống sau định luật Moore

Tại sao tất cả điều này là cần thiết?

Việc tạo ra máy tính lượng tử đã được thảo luận. Những chiếc máy tính này không phải là kết quả của những gì họ đang phấn đấu mà là họ đã tìm được người mua. Công ty quốc phòng Mỹ Lockheed Martin đã trả 10 triệu USD. Việc mua lại của họ có khả năng tìm ra lỗi chương trình phức tạp nhấtđược cài đặt trên máy bay chiến đấu F-35. Google muốn tung ra các chương trình học máy sau khi mua lại.

Tương lai

Trong quá trình phát triển máy tính lượng tử rất quan tâm các công ty lớn và nhà nước. Nó sẽ dẫn đến những khám phá mới trong lĩnh vực phát triển thuật toán mật mã. Thời gian sẽ quyết định liệu điều này có lợi cho nhà nước hay tin tặc. Nhưng công việc tạo và nhận dạng khóa mật mã sẽ được thực hiện ngay lập tức. Nhiều vấn đề liên quan đến thẻ ngân hàng sẽ được giải quyết.

Tin nhắn sẽ được gửi từ tốc độ cực lớn và sẽ không có vấn đề gì khi liên hệ với bất kỳ điểm nào trên khối cầu, và thậm chí có thể hơn thế nữa.

Một chiếc máy tính như vậy sẽ giúp làm điều này, đặc biệt là trong việc giải mã mã di truyền. Điều này sẽ dẫn đến việc giải quyết nhiều vấn đề y tế.

Và tất nhiên, nó sẽ mở ra cánh cửa dẫn đến vùng đất chứa đựng những bí mật huyền bí và những thế giới song song.

Những cú sốc lớn đang chờ đợi chúng ta. Mọi thứ chúng ta quen thuộc chỉ là một phần của thế giới đã được đặt tên Thực tế lượng tử. Chúng sẽ giúp bạn vượt ra ngoài thế giới vật chất, đó là nguyên lý hoạt động của máy tính lượng tử.

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học L. FEDICHKIN (Viện Vật lý và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga.

Sử dụng các định luật cơ học lượng tử, về cơ bản có thể tạo ra kiểu mới máy tính, điều này sẽ cho phép giải quyết một số vấn đề mà ngay cả những siêu máy tính hiện đại mạnh mẽ nhất cũng không thể tiếp cận được. Tốc độ của nhiều người sẽ tăng mạnh tính toán phức tạp; các tin nhắn được gửi qua đường truyền lượng tử sẽ không thể bị chặn hoặc sao chép. Ngày nay, nguyên mẫu của những chiếc máy tính lượng tử trong tương lai này đã được tạo ra.

Nhà toán học và vật lý học người Mỹ gốc Hungary Johann von Neumann (1903-1957).

Nhà vật lý lý thuyết người Mỹ Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Nhà toán học người Mỹ Peter Shor, chuyên gia trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Đề xuất thuật toán lượng tử cho hệ số hóa nhanh số lượng lớn.

Bit lượng tử hay qubit. Ví dụ, các trạng thái tương ứng với hướng quay của hạt nhân nguyên tử lên hoặc xuống.

Thanh ghi lượng tử là một chuỗi các bit lượng tử. Cổng lượng tử qubit đơn hoặc đôi thực hiện các phép toán logic trên qubit.

GIỚI THIỆU HOẶC MỘT CHÚT VỀ BẢO VỆ THÔNG TIN

Bạn nghĩ chương trình nào được bán trên thế giới? số lớn nhất giấy phép? Tôi sẽ không mạo hiểm khẳng định rằng tôi biết câu trả lời đúng, nhưng tôi chắc chắn biết một câu trả lời sai: câu hỏi này Không bất kỳ Phiên bản Microsoft Các cửa sổ. Hệ điều hành phổ biến nhất đi trước một sản phẩm khiêm tốn của RSA Data Security, Inc. - một chương trình thực hiện thuật toán mã hóa với khóa công khai RSA, được đặt theo tên của các tác giả của nó - các nhà toán học người Mỹ Rivest, Shamir và Adelman.

Thực tế là thuật toán RSA được tích hợp trong hầu hết các hệ điều hành thương mại cũng như nhiều ứng dụng khác được sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau- từ thẻ thông minh đến điện thoại cầm tay. Đặc biệt, nó còn có sẵn ở Microsoft Windows, có nghĩa là nó rõ ràng là phổ biến hơn mức phổ biến này hệ điều hành. Để phát hiện dấu vết của RSA, ví dụ, trong Trình duyệt Internet Explorer (chương trình xem các trang www trên Internet), chỉ cần mở menu “Trợ giúp”, nhập menu con “Giới thiệu” trình duyệt web IE) và xem danh sách các sản phẩm đã qua sử dụng của các công ty khác. Một trình duyệt phổ biến khác, Netscape Navigator, cũng sử dụng thuật toán RSA. Nói chung khó tìm được công ty có tên tuổi hoạt động trong lĩnh vực này công nghệ cao, sẽ không mua giấy phép cho chương trình này. Ngày nay, RSA Data Security, Inc. đã bán được hơn 450 triệu giấy phép (!).

Tại sao thuật toán RSA lại quan trọng đến vậy?

Hãy tưởng tượng bạn cần nhanh chóng trao đổi tin nhắn với một người ở xa. Nhờ sự phát triển của Internet, việc trao đổi như vậy ngày nay đã trở nên dễ dàng đối với hầu hết mọi người - bạn chỉ cần có một máy tính có modem hoặc thẻ kết nối. Đương nhiên, khi trao đổi thông tin qua mạng, bạn muốn giữ bí mật tin nhắn của mình với người lạ. Tuy nhiên, không thể bảo vệ hoàn toàn đường dây liên lạc dài khỏi bị nghe lén. Điều này có nghĩa là khi tin nhắn được gửi đi, chúng phải được mã hóa và khi nhận được, chúng phải được giải mã. Nhưng làm thế nào bạn và người đối thoại có thể thống nhất được bạn sẽ sử dụng phím nào? Nếu bạn gửi khóa tới mật mã trên cùng một dòng, kẻ tấn công nghe lén có thể dễ dàng chặn nó. Tất nhiên, bạn có thể truyền khóa qua một số đường dây liên lạc khác, chẳng hạn như gửi nó bằng điện tín. Nhưng phương pháp này thường bất tiện và hơn nữa, không phải lúc nào cũng đáng tin cậy: đường dây bên kia cũng có thể bị nghe lén. Sẽ rất tốt nếu bạn và người nhận biết trước rằng bạn sẽ trao đổi mã hóa và do đó đã đưa trước cho nhau khóa. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu, chẳng hạn, bạn muốn gửi một đề nghị thương mại bí mật cho một đối tác kinh doanh tiềm năng hoặc mua một sản phẩm bạn thích trong một cửa hàng trực tuyến mới bằng thẻ tín dụng?

Vào những năm 1970, để giải quyết vấn đề này, các hệ thống mã hóa đã đề xuất sử dụng hai loại khóa cho cùng một thông điệp: công khai (không bắt buộc phải giữ bí mật) và riêng tư (bí mật tuyệt đối). Khóa chung được sử dụng để mã hóa tin nhắn và khóa riêng được sử dụng để giải mã nó. Bạn gửi cho đối tác của mình một khóa công khai và anh ta sử dụng nó để mã hóa tin nhắn của mình. Tất cả những gì kẻ tấn công đã chặn được khóa công khai có thể làm là mã hóa email của mình bằng khóa đó và chuyển tiếp cho ai đó. Nhưng anh ta sẽ không thể giải mã được thư từ. Bạn, biết khóa riêng(ban đầu nó được lưu trữ bên mình), bạn có thể dễ dàng đọc tin nhắn gửi cho mình. Để mã hóa tin nhắn trả lời, bạn sẽ sử dụng khóa chung do đối tác của bạn gửi (và anh ta sẽ giữ khóa riêng tương ứng cho mình).

Đây chính xác là sơ đồ mật mã được sử dụng trong thuật toán RSA, phương pháp mã hóa khóa công khai phổ biến nhất. Hơn nữa, để tạo một cặp khóa chung và khóa riêng, giả thuyết quan trọng sau đây được sử dụng. Nếu có hai số lớn (yêu cầu viết hơn một trăm chữ số thập phân) đơn giản các số M và K, thì việc tìm tích của chúng N=MK sẽ không khó (bạn thậm chí không cần phải có máy tính để làm việc này: một người khá cẩn thận và kiên nhẫn sẽ có thể nhân những số như vậy bằng bút và giấy). Nhưng để giải bài toán ngược, tức là biết con số lớn N, phân tích nó thành các thừa số nguyên tố M và K (gọi là vấn đề nhân tử hóa) - gần như không thể! Đây chính xác là vấn đề mà kẻ tấn công sẽ gặp phải nếu quyết định “hack” thuật toán RSA và đọc thông tin được mã hóa bằng nó: để tìm ra khóa riêng, biết khóa chung, anh ta sẽ phải tính M hoặc K .

Để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết về độ phức tạp thực tế của việc phân tích số lớn, các cuộc thi đặc biệt đã và đang được tổ chức. Việc phân tách chỉ một số có 155 chữ số (512 bit) được coi là một bản ghi. Việc tính toán được thực hiện song song trên nhiều máy tính trong bảy tháng vào năm 1999. Nếu nhiệm vụ này được thực hiện trên một máy hiện đại máy tính cá nhân, sẽ mất khoảng 35 năm thời gian của máy tính! Các tính toán cho thấy rằng thậm chí bằng cách sử dụng một nghìn máy trạm hiện đại và thuật toán điện toán tốt nhất hiện nay, một số có 250 chữ số có thể được phân tích thành thừa số trong khoảng 800 nghìn năm và một số có 1000 chữ số trong 10-25 (!) Năm. (Để so sánh, tuổi của Vũ trụ là ~10 10 năm.)

Đó là lý do tại sao thuật toán mật mã, tương tự như RSA, hoạt động với các khóa đủ dài, được coi là hoàn toàn đáng tin cậy và được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Và mọi thứ đều ổn cho đến lúc đó ...cho đến khi máy tính lượng tử xuất hiện.

Hóa ra là bằng cách sử dụng các định luật cơ học lượng tử, có thể chế tạo các máy tính mà vấn đề nhân tử hóa (và nhiều vấn đề khác!) Sẽ không quá khó khăn. Người ta ước tính rằng một máy tính lượng tử chỉ có khoảng 10 nghìn bit bộ nhớ lượng tử có thể phân tích một số có 1000 chữ số thành thừa số nguyên tố chỉ trong vài giờ!

MỌI VIỆC ĐÃ BẮT ĐẦU THẾ NÀO?

Phải đến giữa những năm 1990, lý thuyết về máy tính lượng tử và điện toán lượng tử mới được xác lập như khu vực mới Khoa học. Như thường lệ với những ý tưởng tuyệt vời, rất khó để xác định chính xác người khởi xướng. Rõ ràng, nhà toán học Hungary J. von Neumann là người đầu tiên thu hút sự chú ý đến khả năng phát triển logic lượng tử. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, không chỉ máy tính lượng tử mà cả máy tính cổ điển thông thường vẫn chưa được tạo ra. Và với sự ra đời của thiết bị sau này, nỗ lực chính của các nhà khoa học chủ yếu nhằm vào việc tìm kiếm và phát triển các phần tử mới cho chúng (bóng bán dẫn, sau đó là mạch tích hợp) chứ không phải để tạo ra các thiết bị điện toán khác nhau về cơ bản.

Vào những năm 1960, nhà vật lý người Mỹ R. Landauer, người từng làm việc tại IBM, đã cố gắng thu hút sự chú ý của thế giới khoa học về một thực tế là các phép tính luôn là một vấn đề khó khăn. quá trình vật lý, có nghĩa là không thể hiểu được giới hạn khả năng tính toán của chúng ta nếu không chỉ định thực hiện vật lý chúng khớp nhau. Thật không may, vào thời điểm đó, quan điểm thống trị của các nhà khoa học cho rằng tính toán là một loại thủ tục logic trừu tượng cần được nghiên cứu bởi các nhà toán học chứ không phải các nhà vật lý.

Khi máy tính trở nên phổ biến hơn, các nhà khoa học lượng tử đi đến kết luận rằng thực tế không thể tính toán trực tiếp trạng thái của một hệ đang tiến hóa chỉ gồm vài chục hạt tương tác, chẳng hạn như phân tử metan (CH 4). Điều này được giải thích là do đối với mô tả đầy đủ hệ thống phức tạp cần phải lưu trữ trong bộ nhớ máy tính một số lượng biến lớn theo cấp số nhân (về số lượng hạt), cái gọi là biên độ lượng tử. Một tình huống nghịch lý đã nảy sinh: biết phương trình tiến hóa, biết đủ chính xác tất cả khả năng tương tác của các hạt với nhau và trạng thái ban đầu của hệ, gần như không thể tính toán được tương lai của nó, ngay cả khi hệ chỉ bao gồm 30 electron trong một giếng thế và có một siêu máy tính với ĐẬP, số bit của nó bằng số lượng nguyên tử trong vùng khả kiến ​​của Vũ trụ (!). Đồng thời, để nghiên cứu động lực học của một hệ thống như vậy, bạn chỉ cần thực hiện một thí nghiệm với 30 electron, đặt chúng ở trạng thái ban đầu và thế năng nhất định. Đặc biệt, điều này đã được nhà toán học người Nga Yu I. Manin lưu ý, người vào năm 1980 đã chỉ ra sự cần thiết phải phát triển một lý thuyết về lượng tử. Thiết bị tính toán. Vào những năm 1980, vấn đề tương tự đã được nghiên cứu bởi nhà vật lý người Mỹ P. Benev, người đã chỉ ra rõ ràng rằng một hệ lượng tử có thể thực hiện các phép tính, cũng như nhà khoa học người Anh D. Deutsch, người đã phát triển về mặt lý thuyết một máy tính lượng tử phổ quát vượt trội hơn máy tính lượng tử của nó. đối tác cổ điển.

Người đoạt giải Nobel về vật lý R. Feynman, được nhiều độc giả thường xuyên của Khoa học và Đời sống biết đến, đã thu hút nhiều sự chú ý đến vấn đề phát triển máy tính lượng tử. Nhờ lời kêu gọi có thẩm quyền của ông, số lượng chuyên gia quan tâm đến điện toán lượng tử đã tăng lên gấp nhiều lần.

Nhưng vẫn trong một khoảng thời gian dài Vẫn chưa rõ liệu sức mạnh tính toán giả định của máy tính lượng tử có thể được sử dụng để tăng tốc giải pháp hay không vấn đề thực tế. Nhưng vào năm 1994, một nhà toán học người Mỹ và nhân viên của Lucent Technologies (Mỹ) P. Shor đã khiến thế giới khoa học choáng váng khi đề xuất một thuật toán lượng tử cho phép phân tích nhanh các số lớn (tầm quan trọng của vấn đề này đã được thảo luận trong phần giới thiệu). So với phương pháp cổ điển tốt nhất được biết đến hiện nay, thuật toán lượng tử của Shor cung cấp khả năng tăng tốc tính toán gấp nhiều lần và số được phân tích càng dài thì tốc độ tăng càng lớn. Thuật toán phân tích nhanh là mối quan tâm thực tế lớn đối với các cơ quan tình báo khác nhau đã tích lũy hàng loạt tin nhắn không được mã hóa.

Năm 1996, đồng nghiệp của Shor tại Lucent Technologies L. Grover đã đề xuất một thuật toán lượng tử tìm kiếm nhanh trong cơ sở dữ liệu không có thứ tự. (Một ví dụ về cơ sở dữ liệu như vậy là danh bạ điện thoại, trong đó họ của người đăng ký không được sắp xếp theo thứ tự bảng chữ cái mà ngẫu nhiên.) Bài toán tìm kiếm, lựa chọn phần tử tối ưu giữa vô số phương án rất thường gặp trong các bài toán kinh tế, quân sự, kỹ thuật, trong trò chơi máy tính. Thuật toán của Grover không chỉ cho phép tăng tốc quá trình tìm kiếm mà còn tăng gấp đôi số lượng tham số được tính đến khi chọn mức tối ưu.

Việc tạo ra máy tính lượng tử thực sự bị cản trở bởi vấn đề nghiêm trọng duy nhất - lỗi hoặc nhiễu. Thực tế là mức độ can thiệp tương tự sẽ làm hỏng quá trình tính toán lượng tử mạnh hơn nhiều so với tính toán cổ điển. P. Shor đã vạch ra những cách giải quyết vấn đề này vào năm 1995, phát triển một sơ đồ mã hóa các trạng thái lượng tử và sửa các lỗi trong đó. Thật không may, chủ đề sửa lỗi trong máy tính lượng tử cũng quan trọng vì nó rất phức tạp để đề cập trong bài viết này.

THIẾT BỊ MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ

Trước khi cho bạn biết máy tính lượng tử hoạt động như thế nào, chúng ta hãy nhớ lại các đặc điểm chính của hệ lượng tử (xem thêm “Khoa học và Cuộc sống” số 8, 1998; số 12, 2000).

Để hiểu được pháp luật thế giới lượng tử không nên dựa trực tiếp vào kinh nghiệm hàng ngày. Theo cách thông thường (theo cách hiểu thông thường), các hạt lượng tử chỉ hành xử nếu chúng ta liên tục “nhìn trộm” chúng, hay nói đúng hơn là liên tục đo trạng thái của chúng. Nhưng ngay khi chúng ta “quay đi” (ngưng quan sát), các hạt lượng tử ngay lập tức chuyển từ một trạng thái rất cụ thể sang nhiều dạng khác nhau cùng một lúc. Nghĩa là, một electron (hoặc bất kỳ vật thể lượng tử nào khác) sẽ nằm một phần ở điểm này, một phần ở điểm khác, một phần ở điểm thứ ba, v.v. Điều này không có nghĩa là nó được chia thành các lát, giống như một quả cam. Khi đó có thể cô lập một cách đáng tin cậy một phần nào đó của electron và đo điện tích hoặc khối lượng của nó. Nhưng kinh nghiệm cho thấy rằng sau khi đo, electron luôn tỏ ra “an toàn và bình yên” tại một điểm duy nhất, mặc dù thực tế là trước đó nó đã có mặt ở hầu hết mọi nơi cùng một lúc. Trạng thái này của electron khi nó cùng lúc ở nhiều điểm trong không gian được gọi là sự chồng chất của các trạng thái lượng tử và thường được mô tả bằng hàm sóng, được nhà vật lý người Đức E. Schrödinger đưa ra vào năm 1926. Mô đun giá trị của hàm sóng tại một điểm bất kỳ, bình phương, xác định xác suất tìm thấy một hạt tại điểm đó trong khoảnh khắc này. Sau khi đo vị trí của một hạt, hàm sóng của nó dường như co lại (sụp đổ) đến điểm mà hạt được phát hiện, và sau đó bắt đầu lan ra trở lại. Tính chất của hạt lượng tử là ở nhiều trạng thái đồng thời, gọi là song song lượng tử, đã được sử dụng thành công trong tính toán lượng tử.

Bit lượng tử

Tế bào cơ bản của máy tính lượng tử là bit lượng tử, hay gọi tắt là qubit(q-bit). Đây là một hạt lượng tử có hai trạng thái cơ bản, được ký hiệu là 0 và 1 hoặc, theo thông lệ trong cơ học lượng tử, và. Hai giá trị của qubit có thể tương ứng, ví dụ, với trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của nguyên tử, hướng lên và xuống của spin của hạt nhân nguyên tử, hướng của dòng điện trong vòng siêu dẫn, hai vị trí có thể có của electron trong chất bán dẫn, v.v.

đăng ký lượng tử

Thanh ghi lượng tử có cấu trúc gần giống như thanh ghi cổ điển. Đây là một chuỗi bit lượng tử trên đó có thể thực hiện các phép toán logic một và hai bit (tương tự như việc sử dụng các phép toán NOT, 2I-NOT, v.v. trong thanh ghi cổ điển).

Các trạng thái cơ bản của thanh ghi lượng tử được hình thành bởi L qubit bao gồm, giống như trong trạng thái cổ điển, tất cả các chuỗi có thể có gồm các số 0 và các chuỗi có độ dài L. Tổng cộng có thể có 2 L kết hợp khác nhau. Chúng có thể được coi là bản ghi các số ở dạng nhị phân từ 0 đến 2 L -1 và được chỉ định. Tuy nhiên, các trạng thái cơ bản này không làm cạn kiệt tất cả các giá trị có thể có của thanh ghi lượng tử (không giống như trạng thái cổ điển), vì cũng có các trạng thái chồng chất được xác định bởi các biên độ phức tạp liên quan đến điều kiện chuẩn hóa. Đơn giản là không tồn tại một chất tương tự cổ điển cho hầu hết các giá trị có thể có của thanh ghi lượng tử (ngoại trừ những giá trị cơ bản). Các trạng thái của một thanh ghi cổ điển chỉ là cái bóng đáng thương của toàn bộ các trạng thái phong phú của một máy tính lượng tử.

Hãy tưởng tượng rằng một tác động bên ngoài được áp dụng cho thanh ghi, ví dụ, các xung điện được áp dụng cho một phần của không gian hoặc các chùm tia laze được định hướng. Nếu là một thanh ghi cổ điển, một xung có thể được coi là một thao tác tính toán sẽ làm thay đổi L biến. Nếu đây là một thanh ghi lượng tử thì xung tương tự có thể đồng thời chuyển đổi thành các biến. Do đó, về nguyên tắc, một thanh ghi lượng tử có khả năng xử lý thông tin nhanh hơn nhiều lần so với thanh ghi cổ điển của nó. Từ đây có thể thấy ngay rằng các thanh ghi lượng tử nhỏ (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.

Tuy nhiên, điều đáng chú ý là có một loại bài toán mà thuật toán lượng tử không mang lại khả năng tăng tốc đáng kể so với các thuật toán cổ điển. Một trong những người đầu tiên chỉ ra điều này là nhà toán học người Nga Yu Ozhigov, người đã xây dựng một số ví dụ về thuật toán mà về nguyên tắc, không thể tăng tốc chỉ bằng một chu kỳ đồng hồ trên máy tính lượng tử.

Tuy nhiên, không còn nghi ngờ gì nữa, máy tính hoạt động theo các định luật cơ học lượng tử là một giai đoạn mới và mang tính quyết định trong quá trình phát triển của hệ thống máy tính. Tất cả những gì còn lại là xây dựng chúng.

MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ HIỆN NAY

Nguyên mẫu của máy tính lượng tử đã tồn tại ngày nay. Đúng, cho đến nay về mặt thực nghiệm người ta chỉ có thể lắp ráp các thanh ghi nhỏ chỉ bao gồm một vài bit lượng tử. Vì vậy, mới đây một nhóm do nhà vật lý người Mỹ I. Chang (IBM) dẫn đầu đã công bố việc lắp ráp một máy tính lượng tử 5 bit. Không còn nghi ngờ gì nữa, đây là một thành công lớn. Thật không may, các hệ lượng tử hiện tại vẫn chưa có khả năng cung cấp các phép tính đáng tin cậy, vì chúng được kiểm soát kém hoặc rất dễ bị nhiễu. Tuy nhiên, không có hạn chế vật lý nào trong việc xây dựng một máy tính lượng tử hiệu quả; chỉ cần vượt qua những khó khăn về công nghệ.

Có một số ý tưởng và đề xuất về cách tạo ra các bit lượng tử đáng tin cậy và dễ điều khiển.

I. Chang phát triển ý tưởng sử dụng spin của hạt nhân của một số phân tử hữu cơ làm qubit.

Nhà nghiên cứu người Nga M.V. Feigelman, làm việc tại Viện Vật lý lý thuyết mang tên. L.D. Landau RAS, đề xuất lắp ráp các thanh ghi lượng tử từ các vòng siêu dẫn thu nhỏ. Mỗi vòng đóng vai trò là một qubit và trạng thái 0 và 1 tương ứng với hướng của dòng điện trong vòng - theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Những qubit như vậy có thể được chuyển đổi bằng từ trường.

Tại Viện Vật lý và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, một nhóm do Viện sĩ K. A. Valiev dẫn đầu đã đề xuất hai phương án đặt qubit trong cấu trúc bán dẫn. Trong trường hợp đầu tiên, vai trò của qubit được thực hiện bởi một electron trong hệ thống gồm hai giếng thế được tạo ra bởi điện áp đặt vào các điện cực mini trên bề mặt chất bán dẫn. Trạng thái 0 và 1 là vị trí của electron trong một trong các giếng này. Qubit được chuyển đổi bằng cách thay đổi điện áp trên một trong các điện cực. Trong một phiên bản khác, qubit là hạt nhân của nguyên tử phốt pho được nhúng vào một điểm nhất định của chất bán dẫn. Trạng thái 0 và 1 - hướng quay của hạt nhân dọc theo hoặc ngược chiều với từ trường bên ngoài. Việc điều khiển được thực hiện bằng cách sử dụng tác động kết hợp của các xung từ có tần số cộng hưởng và xung điện áp.

Do đó, nghiên cứu đang được tiến hành tích cực và có thể giả định rằng trong tương lai rất gần - trong 10 năm nữa - một máy tính lượng tử hiệu quả sẽ được tạo ra.

NHÌN VÀO TƯƠNG LAI

Như vậy, rất có thể trong tương lai, máy tính lượng tử sẽ được chế tạo bằng phương pháp công nghệ vi điện tử truyền thống và chứa nhiều điện cực điều khiển, gợi nhớ đến một bộ vi xử lý hiện đại. Để giảm độ ồn, yếu tố quan trọng đối với hoạt động bình thường của máy tính lượng tử, các mô hình đầu tiên rõ ràng sẽ phải được làm mát bằng helium lỏng. Có khả năng những chiếc máy tính lượng tử đầu tiên sẽ là những thiết bị cồng kềnh và đắt tiền, không thể đặt vừa trên bàn làm việc và được bảo trì bởi một đội ngũ lớn gồm các lập trình viên hệ thống và người điều chỉnh phần cứng mặc áo khoác trắng. Đầu tiên, chỉ các cơ quan chính phủ mới có quyền truy cập vào chúng, sau đó là các tổ chức thương mại giàu có. Nhưng kỷ nguyên của máy tính thông thường cũng bắt đầu theo cách tương tự.

Điều gì sẽ xảy ra với máy tính cổ điển? Liệu họ có chết đi không? Khắc nghiệt. Cả máy tính cổ điển và lượng tử đều có lĩnh vực ứng dụng riêng. Mặc dù, rất có thể, tỷ lệ trên thị trường sẽ dần chuyển dịch về phía sau.

Sự ra đời của máy tính lượng tử sẽ không dẫn đến việc giải quyết các vấn đề cổ điển về cơ bản không thể giải được mà chỉ tăng tốc độ một số phép tính. Ngoài ra, giao tiếp lượng tử sẽ trở nên khả thi - việc truyền qubit qua khoảng cách xa, điều này sẽ dẫn đến sự xuất hiện của một loại Internet lượng tử. Truyền thông lượng tử sẽ giúp cung cấp kết nối an toàn (theo định luật cơ học lượng tử) giữa mọi người với nhau mà không bị nghe lén. Thông tin của bạn được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu lượng tử sẽ được bảo vệ khỏi bị sao chép một cách đáng tin cậy hơn hiện tại. Các công ty sản xuất chương trình cho máy tính lượng tử sẽ có thể bảo vệ chúng khỏi mọi hành vi sao chép, kể cả bất hợp pháp.

Để hiểu sâu hơn về chủ đề này, bạn có thể đọc bài viết đánh giá của E. Riffel và V. Polak, “Cơ bản về tính toán lượng tử,” đăng trên tạp chí Nga “Máy tính lượng tử và tính toán lượng tử” (số 1, 2000). (Nhân tiện, đây là tạp chí đầu tiên và duy nhất trên thế giới dành riêng cho điện toán lượng tử. Thông tin bổ sung về nó có thể được tìm thấy trên Internet tại http://rcd.ru/qc.). Khi đã thành thạo công việc này, bạn sẽ có thể đọc các bài báo khoa học về điện toán lượng tử.

Sẽ cần phải chuẩn bị toán học sơ bộ hơn một chút khi đọc cuốn sách “Tính toán cổ điển và lượng tử” của A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly (Moscow: MTsNMO-CheRo, 1999).

Một số khía cạnh cơ bản của cơ học lượng tử, cần thiết để thực hiện các phép tính lượng tử, được thảo luận trong cuốn sách của V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev “Dịch chuyển tức thời lượng tử - một phép lạ thông thường” (Izhevsk: RHD, 2000).

Nhà xuất bản RCD đang chuẩn bị xuất bản bản dịch bài đánh giá của A. Steen về máy tính lượng tử dưới dạng một cuốn sách riêng.

Các tài liệu sau đây sẽ hữu ích không chỉ về mặt giáo dục mà còn về mặt lịch sử:

1) Yu. I. Manin. Tính toán được và không thể tính toán được.

M.: Sov. đài phát thanh, 1980

2) J. von Neumann. Cơ sở toán học của cơ học lượng tử.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Mô phỏng vật lý trên máy tính // Máy tính lượng tử và điện toán lượng tử:

Đã ngồi. gồm 2 tập - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, tr. 96-123.

4) R. Feynman. Máy tính cơ học lượng tử

// Như trên., tr. 123.-156.

Xem vấn đề cùng chủ đề

Điện toán lượng tử, ít nhất là về mặt lý thuyết, đã được nói đến trong nhiều thập kỷ. Các loại máy móc hiện đại, sử dụng cơ học phi cổ điển để xử lý lượng dữ liệu không thể tưởng tượng được, là một bước đột phá lớn. Theo các nhà phát triển, việc triển khai của họ có lẽ là công nghệ phức tạp nhất từng được tạo ra. Bộ xử lý lượng tử hoạt động ở cấp độ vật chất mà nhân loại mới biết được khoảng 100 năm trước. Tiềm năng của tính toán như vậy là rất lớn. Việc sử dụng những tính chất kỳ lạ của lượng tử sẽ tăng tốc độ tính toán, nhờ đó nhiều bài toán hiện nằm ngoài khả năng của máy tính cổ điển sẽ được giải quyết. Và không chỉ trong lĩnh vực hóa học và khoa học vật liệu. Phố Wall cũng quan tâm.

Đầu tư vào tương lai

CME Group đã đầu tư vào 1QB Information Technologies Inc., có trụ sở tại Vancouver, chuyên phát triển phần mềm cho bộ xử lý lượng tử. Các nhà đầu tư cho biết, điện toán như vậy có thể sẽ có tác động lớn nhất đến các ngành xử lý khối lượng lớn dữ liệu nhạy cảm với thời gian. Một ví dụ về những người tiêu dùng như vậy là các tổ chức tài chính. Goldman Sachs đầu tư vào D-Wave Systems và In-Q-Tel được CIA tài trợ. Công ty đầu tiên tạo ra những cỗ máy thực hiện cái gọi là “ủ lượng tử”, tức là giải quyết các vấn đề tối ưu hóa ở mức độ thấp bằng cách sử dụng bộ xử lý lượng tử. Intel cũng đang đầu tư vào công nghệ này, mặc dù họ coi việc triển khai nó là vấn đề của tương lai.

Tại sao điều này là cần thiết?

Lý do khiến điện toán lượng tử trở nên thú vị là vì sự kết hợp hoàn hảo của nó với học máy. Đây hiện là ứng dụng chính cho các tính toán như vậy. Một phần ý tưởng của máy tính lượng tử là sử dụng một thiết bị vật lý để tìm ra giải pháp. Đôi khi khái niệm này được giải thích bằng ví dụ về trò chơi Angry Birds. Để mô phỏng trọng lực và sự tương tác của các vật thể va chạm, CPU của máy tính bảng sử dụng các phương trình toán học. Bộ xử lý lượng tử biến cách tiếp cận này thành hiện thực. Họ "ném" một vài con chim và xem điều gì sẽ xảy ra. Những con chim được ghi lại trên một vi mạch, chúng bị ném, quỹ đạo tối ưu là gì? Sau đó, tất cả các giải pháp khả thi, hoặc ít nhất là một sự kết hợp rất lớn giữa chúng, đều được kiểm tra và đưa ra câu trả lời. Trong máy tính lượng tử không có nhà toán học, thay vào đó là các định luật vật lý.

Làm thế nào nó hoạt động?

Các khối xây dựng cơ bản của thế giới chúng ta là cơ học lượng tử. Nếu bạn nhìn vào các phân tử, lý do chúng hình thành và duy trì trạng thái ổn định là do sự tương tác giữa các quỹ đạo electron của chúng. Tất cả các phép tính cơ học lượng tử đều có trong mỗi phép tính đó. Số lượng của chúng tăng theo cấp số nhân với số lượng electron mô phỏng. Ví dụ, đối với 50 electron, có thể có từ 2 đến 50 tùy chọn. Đây là một hiện tượng nên ngày nay không thể tính toán được. Việc kết nối lý thuyết thông tin với vật lý có thể chỉ ra cách giải quyết những vấn đề như vậy. Một máy tính 50 qubit có thể làm được điều này.

Bình minh của một kỷ nguyên mới

Theo Landon Downs, chủ tịch và đồng sáng lập của 1QBit, bộ xử lý lượng tử là khả năng khai thác sức mạnh tính toán của thế giới hạ nguyên tử, có ý nghĩa to lớn trong việc thu được vật liệu mới hoặc tạo ra thuốc mới. Có một sự thay đổi từ mô hình khám phá sang một kỷ nguyên thiết kế mới. Ví dụ, điện toán lượng tử có thể được sử dụng để mô hình hóa các chất xúc tác loại bỏ carbon và nitơ khỏi khí quyển và từ đó giúp ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu.

Đi đầu trong sự tiến bộ

Cộng đồng phát triển công nghệ vô cùng hào hứng và năng động. Các nhóm trên khắp thế giới trong các công ty khởi nghiệp, tập đoàn, trường đại học và phòng thí nghiệm của chính phủ đang chạy đua để chế tạo những cỗ máy sử dụng các phương pháp khác nhau để xử lý thông tin lượng tử. Chip qubit siêu dẫn và qubit ion bị bẫy đã được các nhà nghiên cứu từ Đại học Maryland và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ tạo ra. Microsoft đang phát triển một phương pháp tiếp cận tôpô có tên là Trạm Q, nhằm mục đích khai thác một anion phi Abelian vẫn chưa được chứng minh một cách thuyết phục là tồn tại.

Năm của một bước đột phá có thể xảy ra

Và điều này chỉ là khởi đầu. Tính đến cuối tháng 5 năm 2017, số lượng bộ xử lý lượng tử rõ ràng làm được điều gì đó nhanh hơn hoặc tốt hơn máy tính cổ điển là bằng không. Một sự kiện như vậy sẽ thiết lập “ưu thế lượng tử”, nhưng nó vẫn chưa xảy ra. Mặc dù rất có thể điều này có thể xảy ra trong năm nay. Hầu hết những người trong cuộc đều nói rằng nhóm được yêu thích rõ ràng là nhóm Google do giáo sư vật lý John Martini của UC Santa Barbara dẫn đầu. Mục tiêu của nó là đạt được tính ưu việt về mặt tính toán bằng cách sử dụng bộ xử lý 49 qubit. Vào cuối tháng 5 năm 2017, nhóm đã thử nghiệm thành công chip 22 qubit như một bước trung gian để tháo rời một siêu máy tính cổ điển.

Tất cả đã bắt đầu từ đâu?

Ý tưởng sử dụng cơ học lượng tử để xử lý thông tin đã có từ hàng chục năm nay. Một trong những sự kiện quan trọng xảy ra vào năm 1981, khi IBM và MIT cùng tổ chức một hội nghị về vật lý của máy tính. Nhà vật lý nổi tiếng đề xuất xây dựng một máy tính lượng tử. Theo ông, cơ học lượng tử nên được sử dụng để mô hình hóa. Và đây là một nhiệm vụ tuyệt vời vì nó có vẻ không dễ dàng chút nào. Nguyên lý hoạt động của bộ xử lý lượng tử dựa trên một số tính chất kỳ lạ của nguyên tử - sự chồng chất và sự vướng víu. Một hạt có thể ở hai trạng thái cùng một lúc. Tuy nhiên, khi đo, nó sẽ chỉ xuất hiện ở một trong số đó. Và không thể dự đoán được cái nào, ngoại trừ dưới góc độ lý thuyết xác suất. Hiệu ứng này là cơ sở của thí nghiệm tưởng tượng về con mèo của Schrödinger, nó vừa sống vừa chết trong một chiếc hộp cho đến khi một người quan sát lén nhìn trộm. Không có gì trong cuộc sống hàng ngày hoạt động theo cách này. Tuy nhiên, khoảng 1 triệu thí nghiệm được tiến hành kể từ đầu thế kỷ 20 cho thấy sự chồng chất có tồn tại. Và bước tiếp theo là tìm ra cách sử dụng khái niệm này.

Bộ xử lý lượng tử: mô tả công việc

Các bit cổ điển có thể nhận giá trị 0 hoặc 1. Nếu bạn chuyển chuỗi của chúng qua “cổng logic” (AND, OR, NOT, v.v.), bạn có thể nhân số, vẽ hình ảnh, v.v. Một qubit có thể nhận các giá trị 0, 1 hoặc cả hai cùng lúc. Giả sử, nếu 2 qubit bị vướng víu thì điều này khiến chúng có mối tương quan hoàn hảo. Bộ xử lý lượng tử có thể sử dụng cổng logic. T.n. Ví dụ, cổng Hadamard đặt qubit ở trạng thái chồng chất hoàn hảo. Khi sự chồng chất và sự vướng víu được kết hợp với các cổng lượng tử được đặt khéo léo, tiềm năng của điện toán hạ nguyên tử bắt đầu bộc lộ. 2 qubit cho phép bạn khám phá 4 trạng thái: 00, 01, 10 và 11. Nguyên lý hoạt động của bộ xử lý lượng tử là việc thực hiện một thao tác logic giúp có thể làm việc với tất cả các vị trí cùng một lúc. Và số trạng thái khả dụng là 2 lũy thừa của số qubit. Vì vậy, nếu bạn tạo ra một máy tính lượng tử phổ quát 50 qubit, về mặt lý thuyết bạn có thể khám phá tất cả 1,125 triệu triệu kết hợp cùng một lúc.

Lời khen ngợi

Bộ xử lý lượng tử ở Nga được nhìn nhận hơi khác một chút. Các nhà khoa học từ MIPT và Trung tâm lượng tử Nga đã tạo ra “qudits”, là một số qubit “ảo” với các mức “năng lượng” khác nhau.

Biên độ

Bộ xử lý lượng tử có ưu điểm là cơ học lượng tử dựa trên biên độ. Biên độ tương tự như xác suất, nhưng chúng cũng có thể là số âm và số phức. Vì vậy, nếu bạn cần tính xác suất của một sự kiện, bạn có thể cộng biên độ của tất cả các phương án có thể có cho sự phát triển của chúng. Ý tưởng đằng sau điện toán lượng tử là cố gắng điều chỉnh nó sao cho một số đường dẫn đến câu trả lời sai có biên độ dương và một số có biên độ âm, để chúng triệt tiêu lẫn nhau. Và những đường dẫn đến câu trả lời đúng sẽ có biên độ cùng pha với nhau. Bí quyết là sắp xếp mọi thứ mà không cần biết trước câu trả lời nào là đúng. Vì vậy, bản chất hàm mũ của các trạng thái lượng tử, kết hợp với khả năng giao thoa giữa biên độ dương và âm, là một ưu điểm của kiểu tính toán này.

Thuật toán Shor

Có rất nhiều vấn đề mà máy tính không thể giải quyết được. Ví dụ, mã hóa. Vấn đề là không dễ tìm ra thừa số nguyên tố của một số có 200 chữ số. Ngay cả khi máy tính xách tay của bạn chạy phần mềm tuyệt vời, bạn có thể phải đợi nhiều năm để tìm ra câu trả lời. Vì vậy, một cột mốc quan trọng khác trong điện toán lượng tử là thuật toán được xuất bản năm 1994 bởi Peter Shore, hiện là giáo sư toán học tại MIT. Phương pháp của ông là tìm ra các thừa số của một số lớn bằng máy tính lượng tử chưa tồn tại. Về cơ bản, thuật toán thực hiện các thao tác trỏ đến các khu vực có câu trả lời đúng. Năm sau, Shor phát hiện ra phương pháp sửa lỗi lượng tử. Sau đó, nhiều người nhận ra rằng đây là một cách tính toán khác, trong một số trường hợp có thể mạnh hơn. Sau đó, các nhà vật lý ngày càng quan tâm đến việc tạo ra các qubit và cổng logic giữa chúng. Và bây giờ, hai thập kỷ sau, nhân loại đang trên đà tạo ra một chiếc máy tính lượng tử hoàn chỉnh.

Tuần trước có tin Google đã đạt được bước đột phá trong việc phát triển máy tính lượng tử -
công ty hiểu một chiếc máy tính như vậy sẽ đối phó như thế nào
với những sai lầm của chính bạn. Máy tính lượng tử đã được nhắc đến trong nhiều năm: ví dụ như nó xuất hiện trên trang bìa tạp chí Time. Nếu những chiếc máy tính như vậy xuất hiện, đó sẽ là một bước đột phá tương tự như sự xuất hiện của những chiếc máy tính cổ điển - hoặc thậm chí còn nghiêm trọng hơn. Look At Me giải thích tại sao máy tính lượng tử lại tuyệt vời và chính xác những gì Google đã làm.

Máy tính lượng tử là gì?


Máy tính lượng tử là một cơ chế giao thoa giữa khoa học máy tính và vật lý lượng tử, nhánh phức tạp nhất của vật lý lý thuyết. Richard Feynman, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỷ 20, từng nói: “Nếu bạn nghĩ rằng bạn hiểu vật lý lượng tử thì bạn không hiểu nó”. Vì vậy, xin lưu ý rằng những giải thích sau đây được đơn giản hóa một cách đáng kinh ngạc. Người ta dành nhiều năm cố gắng tìm hiểu vật lý lượng tử.

Vật lý lượng tử đề cập đến các hạt cơ bản nhỏ hơn nguyên tử. Cách các hạt này được cấu trúc và cách chúng hành xử mâu thuẫn với nhiều ý tưởng của chúng ta về Vũ trụ. Một hạt lượng tử có thể ở nhiều nơi cùng lúc - và ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Hãy tưởng tượng rằng bạn tung một đồng xu: khi nó ở trên không, bạn không thể biết liệu nó sẽ ngửa hay sấp; Đồng xu này giống như đầu và đuôi cùng một lúc. Đây đại khái là cách các hạt lượng tử hành xử. Đây được gọi là nguyên tắc chồng chất.

Máy tính lượng tử vẫn là một thiết bị giả định sẽ sử dụng nguyên lý chồng chất (và các tính chất lượng tử khác)
cho các tính toán. Một máy tính thông thường hoạt động bằng cách sử dụng bóng bán dẫn,
những người coi bất kỳ thông tin nào là số không và số một. Mã nhị phân có thể mô tả toàn bộ thế giới - và giải quyết mọi vấn đề trong đó. Chất tương tự lượng tử của một bit cổ điển được gọi là cubit. (qubit, qu - từ chữ lượng tử, lượng tử). Sử dụng nguyên lý xếp chồng, một cubit có thể đồng thời được
ở trạng thái 0 và 1 - và điều này không chỉ tăng sức mạnh đáng kể so với máy tính truyền thống mà còn cho phép bạn giải quyết các sự cố không mong muốn,
mà máy tính thông thường không thể làm được.

Nguyên lý chồng chất là điều duy nhất
Máy tính lượng tử sẽ dựa trên cơ sở gì?


KHÔNG. Do máy tính lượng tử chỉ tồn tại trên lý thuyết nên các nhà khoa học vẫn chỉ đang suy đoán xem chúng sẽ hoạt động chính xác như thế nào. Ví dụ, người ta tin rằng máy tính lượng tử cũng sẽ sử dụng sự vướng víu lượng tử.
Đây là hiện tượng mà Albert Einstein gọi là "điều kỳ lạ" ( nói chung ông phản đối thuyết lượng tử vì nó không phù hợp với thuyết tương đối của ông). Ý nghĩa của hiện tượng này là hai hạt trong Vũ trụ có thể liên kết với nhau và ngược lại: giả sử, nếu độ xoắn
(có một đặc điểm trạng thái như vậy của các hạt cơ bản, chúng ta sẽ không đi sâu vào chi tiết) hạt thứ nhất dương thì độ xoắn của hạt thứ hai sẽ luôn âm và ngược lại. Hiện tượng này được gọi là “đáng sợ” vì hai lý do. Thứ nhất, kết nối này hoạt động ngay lập tức, nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Thứ hai, các hạt vướng víu có thể nằm ở bất kỳ khoảng cách nào với nhau.
với nhau: ví dụ như ở hai đầu khác nhau của Dải Ngân hà.

Làm thế nào một máy tính lượng tử có thể được sử dụng?


Các nhà khoa học đang tìm kiếm ứng dụng cho máy tính lượng tử, đồng thời tìm cách chế tạo chúng. Điều quan trọng là máy tính lượng tử sẽ có thể tối ưu hóa thông tin rất nhanh và thường hoạt động với dữ liệu lớn mà chúng ta tích lũy nhưng chưa hiểu cách sử dụng.

Hãy tưởng tượng tùy chọn này (tất nhiên là rất đơn giản): Bạn chuẩn bị bắn cung vào một mục tiêu và bạn cần tính toán độ cao để nhắm bắn. Giả sử bạn cần tính chiều cao từ 0 đến 100 cm. Một máy tính thông thường sẽ lần lượt tính toán từng quỹ đạo: đầu tiên là 0 cm, sau đó là 1 cm, sau đó là 2 cm, v.v. Máy tính lượng tử sẽ tính toán tất cả các tùy chọn cùng lúc - và ngay lập tức tạo ra tùy chọn cho phép bạn bắn trúng mục tiêu. Bằng cách này bạn có thể tối ưu hóa nhiều quy trình:
từ y học (nói, để chẩn đoán ung thư sớm hơn) trước hàng không (ví dụ: tạo các chế độ lái tự động phức tạp hơn).

Ngoài ra còn có một phiên bản mà một chiếc máy tính như vậy sẽ có thể giải quyết các vấn đề mà một chiếc máy tính thông thường đơn giản là không có khả năng giải quyết được - hoặc phải mất hàng nghìn năm tính toán. Một máy tính lượng tử sẽ có thể hoạt động với các mô phỏng phức tạp nhất: ví dụ: tính toán xem có sinh vật thông minh nào trong Vũ trụ ngoài con người hay không. Có thể việc tạo ra máy tính lượng tử sẽ dẫn tới
đến sự xuất hiện của trí tuệ nhân tạo. Hãy tưởng tượng sự ra đời của máy tính thông thường đã gây ra những gì cho thế giới của chúng ta - máy tính lượng tử có thể mang lại bước đột phá tương tự.

Ai đang phát triển máy tính lượng tử?


Tất cả. Chính phủ, quân đội, công ty công nghệ. Việc tạo ra một máy tính lượng tử sẽ mang lại lợi ích cho hầu hết mọi người. Ví dụ, trong số các tài liệu do Edward Snowden công bố, có thông tin cho biết NSA có một dự án tên là “Xâm nhập các mục tiêu phức tạp”, bao gồm việc tạo ra một máy tính lượng tử để mã hóa thông tin. Microsoft tham gia nghiêm túc vào máy tính lượng tử - họ bắt đầu nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực này vào năm 2007. IBM đang phát triển và vài năm trước đã thông báo rằng họ đã tạo ra một con chip có ba qubit. Cuối cùng, Google và NASA đang hợp tác
với công ty D-Wave, công ty cho biết họ đã sản xuất
"bộ xử lý lượng tử thương mại đầu tiên" (hay đúng hơn là cái thứ hai, bây giờ mô hình của họ được gọi là D-Wave Two), nhưng nó chưa hoạt động giống lượng tử -
Hãy để chúng tôi nhắc nhở bạn rằng chúng không tồn tại.

Chúng ta đã tiến gần tới mức nào để tạo ra
Máy tính lượng tử?


Không ai có thể nói chắc chắn. Tin tức về đột phá công nghệ (như tin tức gần đây về Google) xuất hiện liên tục, nhưng chúng ta có thể ở rất xa
từ một máy tính lượng tử chính thức và rất gần với nó. Giả sử có những nghiên cứu cho thấy rằng chỉ cần tạo ra một chiếc máy tính là đủ
với vài trăm cubit để nó hoạt động như một máy tính lượng tử chính thức. D-Wave tuyên bố đã tạo ra bộ xử lý 84 qubit -
nhưng những nhà phê bình đã phân tích bộ xử lý của họ nói rằng nó hoạt động,
giống như một chiếc máy tính cổ điển, không giống như một chiếc máy tính lượng tử. Google cộng tác
với D-Wave, họ tin rằng bộ xử lý của họ chỉ đang ở giai đoạn phát triển ban đầu và cuối cùng sẽ hoạt động giống như một bộ xử lý lượng tử. Dù sao bây giờ
Máy tính lượng tử có một vấn đề chính - lỗi. Bất kỳ máy tính nào cũng mắc lỗi, nhưng máy tính cổ điển có thể dễ dàng xử lý chúng - nhưng máy tính lượng tử thì chưa. Một khi các nhà nghiên cứu tìm ra lỗi, sự ra đời của máy tính lượng tử sẽ chỉ còn vài năm nữa.

Điều gì gây khó khăn cho việc sửa lỗi?
trong máy tính lượng tử?


Để đơn giản hóa, lỗi trong máy tính lượng tử có thể được chia thành hai cấp độ. Đầu tiên là những sai lầm mà bất kỳ chiếc máy tính nào cũng mắc phải, kể cả những chiếc máy tính cổ điển. Lỗi có thể xuất hiện trong bộ nhớ của máy tính khi 0 vô tình thay đổi thành 1 do tiếng ồn bên ngoài - ví dụ: tia vũ trụ hoặc bức xạ. Những lỗi này rất dễ giải quyết; tất cả dữ liệu đều được kiểm tra những thay đổi đó. Và Google vừa mới giải quyết vấn đề này trong máy tính lượng tử: họ đã ổn định chuỗi chín qubit
và cứu cô ấy khỏi những sai lầm. Tuy nhiên, có một điều cần lưu ý đối với bước đột phá này: Google đã xử lý các lỗi kinh điển trong điện toán cổ điển. Có một mức độ lỗi thứ hai trong máy tính lượng tử và nó khó hiểu và khó giải thích hơn nhiều.

Cubit cực kỳ không ổn định, chúng có thể bị mất kết hợp lượng tử - đây là sự gián đoạn giao tiếp trong hệ lượng tử dưới tác động của môi trường. Bộ xử lý lượng tử phải được cách ly càng nhiều càng tốt khỏi những ảnh hưởng của môi trường (mặc dù sự mất mạch lạc đôi khi xảy ra do các quá trình nội bộ)để hạn chế sai sót ở mức tối thiểu. Đồng thời, các lỗi lượng tử không thể được loại bỏ hoàn toàn nhưng nếu chúng được làm ở mức đủ hiếm thì máy tính lượng tử có thể hoạt động được. Đồng thời, một số nhà nghiên cứu tin rằng 99% sức mạnh của một chiếc máy tính như vậy sẽ được chuyển hướng
để loại bỏ lỗi, nhưng 1% còn lại cũng đủ để giải quyết mọi vấn đề.
Theo nhà vật lý Scott Aaronson, thành tựu của Google có thể coi là thành tựu thứ ba
với một nửa trong số bảy bước cần thiết để tạo ra một máy tính lượng tử - nói cách khác, chúng ta đã đi được nửa chặng đường.