Ý tưởng chính của máy tính lượng tử là gì? Máy tính mới sẽ được sử dụng ở đâu? Ứng dụng của máy tính lượng tử

Nhân loại, giống như 60 năm trước, một lần nữa đang đứng trước một bước đột phá lớn trong lĩnh vực công nghệ máy tính. Chẳng bao lâu nữa, các máy tính ngày nay sẽ được thay thế bằng máy tính lượng tử.

Sự tiến bộ đã đến bao xa?

Trở lại năm 1965, Gordon Moore đã nói rằng trong một năm, số lượng bóng bán dẫn lắp trên một vi mạch silicon sẽ tăng gấp đôi. Tốc độ tiến bộ này Gần đâyđã chậm lại và việc nhân đôi xảy ra ít thường xuyên hơn - hai năm một lần. Thậm chí tốc độ này sẽ cho phép các bóng bán dẫn đạt kích thước của một nguyên tử trong tương lai gần. Tiếp theo là một ranh giới không thể vượt qua. Từ quan điểm về cấu trúc vật lý của bóng bán dẫn, nó không thể nhỏ hơn số lượng nguyên tử theo bất kỳ cách nào. Tăng kích thước chip không giải quyết được vấn đề. Hoạt động của bóng bán dẫn liên quan đến việc giải phóng năng lượng nhiệt và bộ xử lý cần hệ thống chất lượng làm mát. Kiến trúc đa lõi cũng không giải quyết được vấn đề tăng trưởng hơn nữa. Đạt đỉnh cao về phát triển công nghệ bộ vi xử lý hiện đại sẽ sớm xảy ra.
Các nhà phát triển hiểu ra vấn đề này vào thời điểm người dùng mới bắt đầu sử dụng máy tính cá nhân. Năm 1980, một trong những người sáng lập khoa học thông tin lượng tử, giáo sư Liên Xô Yuuri Manin, đã đưa ra ý tưởng về điện toán lượng tử. Một năm sau, Richard Feyman đề xuất mẫu máy tính đầu tiên có bộ xử lý lượng tử. Cơ sở lý thuyết Paul Benioff đã hình thành nên hình thức của máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử hoạt động như thế nào

Để hiểu cách thức hoạt động của bộ xử lý mới, ít nhất bạn phải có kiến thức sơ sài về các nguyên lý của cơ học lượng tử. Không có ích gì khi đưa ra các bố cục và công thức toán học ở đây. Một người bình thường chỉ cần làm quen với ba đặc điểm nổi bật của cơ học lượng tử là đủ:

Trạng thái hoặc vị trí của hạt chỉ được xác định với một mức độ xác suất nào đó.
Nếu một hạt có thể có nhiều trạng thái thì nó có thể ở tất cả các trạng thái cùng một lúc. Đây là nguyên tắc chồng chất.
Quá trình đo trạng thái của hạt dẫn đến sự biến mất của sự chồng chất. Điều đặc trưng là kiến thức về trạng thái của hạt thu được từ phép đo khác với trạng thái thực của hạt trước khi đo.

Từ quan điểm của lẽ thường - hoàn toàn vô nghĩa. Trong thế giới bình thường của chúng ta, những nguyên tắc này có thể được biểu diễn như sau: cửa phòng đóng, đồng thời mở. Đóng và mở cùng một lúc.

Đây là sự khác biệt nổi bật giữa các tính toán. Một bộ xử lý thông thường hoạt động ở mã nhị phân. Bit máy tính chỉ có thể ở một trạng thái - có giá trị logic 0 hoặc 1. Máy tính lượng tử hoạt động với qubit, có thể có giá trị logic 0, 1, 0 và 1 cùng một lúc. Để giải quyết một số vấn đề nhất định, chúng sẽ có lợi thế trị giá hàng triệu đô la so với các máy tính truyền thống. Ngày nay đã có hàng chục mô tả về thuật toán công việc. Các lập trình viên tạo ra mã chương trình đặc biệt có thể hoạt động theo các nguyên tắc tính toán mới.

Máy tính mới sẽ được sử dụng ở đâu?

Một cách tiếp cận mới đối với quy trình tính toán cho phép bạn làm việc với lượng dữ liệu khổng lồ và thực hiện các hoạt động tính toán tức thì. Với sự ra đời của những chiếc máy tính đầu tiên, một số người, bao gồm cả các quan chức chính phủ, đã tỏ ra hoài nghi rất nhiều về việc sử dụng chúng trong nền kinh tế quốc gia. Ngày nay vẫn còn nhiều người đầy nghi ngờ về tầm quan trọng của máy tính đối với thế hệ cơ bản mới. Trong một thời gian rất dài, các tạp chí kỹ thuật đã từ chối xuất bản các bài báo về điện toán lượng tử, coi lĩnh vực này là một mưu đồ lừa đảo phổ biến nhằm đánh lừa các nhà đầu tư.

Một phương pháp tính toán mới sẽ tạo tiền đề cho những khám phá khoa học vĩ đại trong mọi ngành công nghiệp. Y học sẽ giải quyết được nhiều vấn đề nan giải, trong đó đã tích lũy khá nhiều vấn đề gần đây. Sẽ có thể chẩn đoán ung thư ở giai đoạn sớm hơn của bệnh so với hiện nay. Ngành công nghiệp hóa chất sẽ có thể tổng hợp các sản phẩm có đặc tính độc đáo.

Một bước đột phá trong lĩnh vực du hành vũ trụ sẽ không còn lâu nữa. Các chuyến bay đến các hành tinh khác sẽ trở nên phổ biến như những chuyến đi hàng ngày quanh thành phố. Tiềm năng vốn có của điện toán lượng tử chắc chắn sẽ biến đổi hành tinh của chúng ta đến mức không thể nhận ra.

Khác tính năng đặc biệt mà máy tính lượng tử có được là khả năng tính toán lượng tử nhanh chóng tìm ra mã yêu cầu hoặc mật mã. Một máy tính thông thường thực hiện một giải pháp tối ưu hóa toán học một cách tuần tự, thử hết phương án này đến phương án khác. Đối thủ lượng tử làm việc với toàn bộ mảng dữ liệu cùng một lúc, chọn ra các tùy chọn phù hợp nhất với tốc độ cực nhanh trong thời gian ngắn chưa từng có. Các giao dịch ngân hàng sẽ được giải mã trong chớp mắt, điều mà máy tính hiện đại không thể tiếp cận được.

Tuy nhiên, ngành ngân hàng không cần lo lắng - bí mật của nó sẽ được lưu lại bằng phương pháp mã hóa lượng tử với nghịch lý đo lường. Khi bạn cố mở mã, sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng tín hiệu truyền đi. Thông tin nhận được sẽ không có ý nghĩa gì. Các cơ quan mật vụ, vốn thường coi hoạt động gián điệp, quan tâm đến khả năng của điện toán lượng tử.

Khó khăn trong thiết kế

Khó khăn nằm ở việc tạo ra các điều kiện để bit lượng tử có thể duy trì ở trạng thái chồng chất vô thời hạn.

Mỗi qubit là một bộ vi xử lý hoạt động dựa trên nguyên lý siêu dẫn và các định luật cơ học lượng tử.

Xung quanh các phần tử vi mô của một cỗ máy logic, một toàn bộ dòngđiều kiện duy nhất môi trường:

nhiệt độ 0,02 độ Kelvin (-269,98 độ C);
hệ thống bảo vệ từ tính và từ tính bức xạ điện(giảm tác động của các yếu tố này xuống 50 nghìn lần);
hệ thống loại bỏ nhiệt và giảm rung;
độ hiếm của không khí thấp hơn 100 tỷ lần so với áp suất khí quyển.

Một sai lệch nhỏ trong môi trường sẽ khiến các qubit ngay lập tức mất trạng thái chồng chất, dẫn đến trục trặc.

Đi trước phần còn lại của hành tinh

Tất cả những điều trên có thể là do sự sáng tạo trong tâm trí đầy nhiệt huyết của một nhà văn chuyên viết truyện khoa học viễn tưởng, nếu công ty Google Cùng với NASA, năm ngoái họ đã không mua máy tính lượng tử D-Wave từ tập đoàn nghiên cứu Canada, bộ xử lý chứa 512 qubit.

Với sự trợ giúp của nó, công ty dẫn đầu thị trường công nghệ máy tính sẽ giải quyết các vấn đề về máy học trong việc sắp xếp và phân tích lượng lớn dữ liệu.

Snowden, người đã rời Mỹ, cũng đưa ra một tuyên bố tiết lộ quan trọng - NSA cũng có kế hoạch phát triển máy tính lượng tử của riêng mình.

2014 - khởi đầu kỷ nguyên của hệ thống D-Wave

Vận động viên thành công người Canada Geordie Rose, sau khi thỏa thuận với Google và NASA, đã bắt đầu chế tạo bộ xử lý 1000 qubit. Mô hình tương lai sẽ vượt xa nguyên mẫu thương mại đầu tiên ít nhất 300 nghìn lần về tốc độ và khối lượng tính toán. Máy tính lượng tử, trong hình bên dưới, là phiên bản thương mại đầu tiên trên thế giới của công nghệ điện toán mới về cơ bản.

Ông được người quen ở trường đại học thúc đẩy tham gia phát triển khoa học với các tác phẩm của Colin Williams về điện toán lượng tử. Phải nói rằng ngày nay Williams làm việc tại tập đoàn Rose với vai trò quản lý dự án kinh doanh.

Trò lừa bịp mang tính đột phá hoặc khoa học

Bản thân Rose cũng không biết đầy đủ máy tính lượng tử là gì. Trong mười năm, nhóm của ông đã đi từ việc tạo ra bộ xử lý 2 qubit trở thành đứa con tinh thần thương mại đầu tiên hiện nay.

Ngay từ khi bắt đầu nghiên cứu, Rose đã tìm cách tạo ra một bộ xử lý có số lượng qubit tối thiểu là 1 nghìn qubit. Và anh ấy chắc chắn phải có một lựa chọn thương mại - để bán và kiếm tiền.

Nhiều người biết nỗi ám ảnh và sự nhạy bén trong thương mại của Rose, đang cố gắng buộc tội anh ta giả mạo. Bị cáo buộc, bộ xử lý thông thường nhất được coi là lượng tử. Điều này cũng được hỗ trợ bởi thực tế là công nghệ mới thể hiện hiệu suất phi thường khi thực hiện một số loại tính toán nhất định. Nếu không, nó hoạt động giống như một chiếc máy tính hoàn toàn bình thường, chỉ có điều là rất đắt tiền.

Khi nào chúng sẽ xuất hiện

Không có nhiều thời gian để chờ đợi. Một nhóm nghiên cứu do những người cùng mua nguyên mẫu tổ chức sẽ báo cáo kết quả nghiên cứu về D-Wave trong thời gian tới.
Có lẽ sắp đến lúc máy tính lượng tử sẽ cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh. Và toàn thể nhân loại tại thời điểm này sẽ đạt đến trình độ tiến hóa cao hơn.

Điện toán lượng tử, ít nhất là về mặt lý thuyết, đã được nói đến trong nhiều thập kỷ. Các loại hiện đại những cỗ máy 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 điều thú vị nhất công nghệ tinh vi 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, công ty phát triển phần mềm cho bộ vi xử lý loại lượng tử. Theo các nhà đầu tư, những tính toán như vậy có thể sẽ có tác động ảnh hưởng lớn nhất dành cho các ngành làm việc với khối lượng lớn dữ liệu nhạy cảm về 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 sản xuất 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 ông coi việc thực hiện nó là vấn đề của tương lai.

Tại sao điều này là cần thiết?

Lý do tại sao điện toán lượng tử lại thú vị đến vậy 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 của ý tưởng về máy tính lượng tử là việc sử dụng thiết bị vật lýđể tìm 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 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 con vi mạch, chúng bị ném đi, 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

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 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 làm cơ sở thí nghiệm suy nghĩ với con mèo của Schrödinger, nó ở trong một chiếc hộp vừa sống vừa chết cho đến khi một người quan sát lén nhìn trộm. Không có gì trong Cuộc sống hàng ngày không hoạt động theo cách đó. 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 số nhân số lượng lớn sử dụng một 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 đó là thay đổi phương pháp tính toán, 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.

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 máy tính điện tử - máy tính - đã giúp giải quyết được nhiều vấn đề một cách nhanh chóng và hiệu quả. 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 thông tin liên lạc, càng 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 trên các máy tính thông thường về cơ bản là không thể tính toán chính xác giá trị thực. hệ thống vật lý. 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 diễn ra cùng một lúc - không cần phải xem qua tất cả các tùy chọn có thể có cho trạng thái hệ thống và đây 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 các hệ thống phức tạp thực sự), sự khác biệt này càng trở nên quan trọng hơn.

Một trong những vấn đề về liệt kê nổi bật vì sự vô dụng rõ ràng của nó - phân tích các số lớn thành thừa số nguyên tố (nghĩa là chỉ chia hết cho chính chúng 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, các máy tính thông thường xử lý rất kém vấn đề nghịch đảo là phân tích một số lớn do nhân hai số nguyên tố với thừa số ban đầu của chúng. Ví dụ, để phân tích một số có 256 chữ số thành hai thừa số, ngay cả chiếc máy tính mạnh nhất cũng sẽ cần 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 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. Tiếp theo các ion là nhiều triển khai vật lý khác: 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:

MOSCOW, ngày 12 tháng 9- Tin tức RIA. Rất ít lĩnh vực khoa học có thể khẳng định là có tính cạnh tranh gay gắt như khoa học thông tin lượng tử. Một số nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu và đề xuất các giải pháp mới, những người khác vẫn kiên trì tìm ra những thiếu sót, chứng minh sự tồn tại của máy tính lượng tử phổ quát là không thể. Nhược điểm của PC hiện đại là rõ ràng - sớm hay muộn mức tối thiểu kích thước có thể một bóng bán dẫn cổ điển, và sự tiến bộ sẽ dừng lại ở đó.

Cơ sở của những máy tính như vậy là một bit, một đối tượng có thể ở hai trạng thái loại trừ lẫn nhau: “0” hoặc “1”. Bit có thể thay đổi tùy theo điện áp bóng bán dẫn: nếu nó lớn hơn một giá trị nhất định thì trạng thái bit là logic “1” và nếu nó nhỏ hơn logic “0”. Bộ nhớ máy tính là một mảng các bit và tất cả các phép tính đều là các thao tác cụ thể làm thay đổi trạng thái của các bit.

Máy tính lượng tử sử dụng một phương pháp tính toán cơ bản khác dựa trên qubit. Không giống như bit, chúng có thể ở hai trạng thái logic cùng một lúc.

Trạng thái này của hệ lượng tử được gọi là sự chồng chất.
Sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử tăng lên so với mạch bán dẫn cổ điển do thực hiện số lượng thao tác lớn hơn trên một đơn vị thời gian.

Có nhiều lựa chọn về cơ sở kỹ thuật để tạo qubit. Tùy chọn đầu tiên là các vòng siêu dẫn vi mô, trong đó trạng thái logic phụ thuộc vào hướng của dòng điện dọc theo vòng (dòng điện trong hệ thống như vậy có thể chạy đồng thời cả theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ). Tùy chọn thứ hai là các nguyên tử được làm lạnh đến nhiệt độ vài kelvin (“0” và “1” là các trạng thái năng lượng khác nhau của các nguyên tử). Thứ ba là bẫy ion.

Số lượng qubit chỉ là một đặc điểm của máy tính lượng tử. Có nhiều thông số khác: qubit có thể tồn tại trong bao lâu, chúng dễ kiểm soát như thế nào, kết quả tính toán có thể tái tạo được hay không, hệ thống có thể mở rộng quy mô thành kích thước lớn không?

Máy tính 51 qubit tại Harvard chỉ có khả năng giải quyết một vấn đề duy nhất – nghiên cứu về một số hiện tượng nhất định trong mô hình nhiều hạt lượng tử. Để giải quyết một vấn đề khác, bạn sẽ phải sửa đổi nó một cách đáng kể. Số lượng qubit tối đa có thể được sử dụng để tạo ra một máy tính lượng tử có thể lập trình lại có khả năng giải quyết nhiều vấn đề khác nhau hiện là 16. Công ty tạo ra nó, IBM, cho biết máy tính này đã được người dùng sử dụng để thực hiện 300.000 thí nghiệm với điện toán lượng tử. sử dụng dịch vụ đám mây.

Vì vậy, những dự đoán của những người hoài nghi tin rằng máy tính lượng tử sẽ không thể hoạt động được đã không thành hiện thực. Chắc chắn, hệ thống hiện có vẫn chưa phổ biến, nghĩa là có khả năng giải quyết bất kỳ vấn đề nào và thể hiện khả năng tăng tốc trong một số vấn đề mà máy tính cổ điển không thể tiếp cận được nhờ hiệu ứng lượng tử.

Nhưng bất chấp sự nhiệt tình của những người ủng hộ máy tính lượng tử, máy tính sau này có cái riêng của họ. điểm yếu. Đầu tiên, các trạng thái lượng tử rất mong manh đến nỗi bất kỳ sự nhiễu loạn nào (đo trạng thái của hệ) đều có thể dẫn đến sự phá hủy trạng thái. Vì vậy độ tin cậy của các tính toán bị nghi ngờ và cần phải thu thập hệ thống riêng biệtđể kiểm tra công việc của họ. Nhược điểm thứ hai là khả năng mất thông tin.

Khi có hai (hoặc một vài) qubit ở trạng thái lượng tử giống hệt nhau, xác suất mất một chút thông tin có xu hướng bằng không. Tuy nhiên, mặt khác, đối với các trạng thái lượng tử khác nhau, sự tương tác xảy ra giữa chúng, dẫn đến mất đi một bit. Rất khó để tạo ra một hệ thống lượng tử lớn, các phần tử của nó sẽ tương tác đủ tốt với nhau, đồng thời được bảo vệ đủ tốt khỏi môi trường có thể phá hủy sự chồng chất của các qubit.

Các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng ở thời điểm hiện tại, máy tính lượng tử không phù hợp với người dùng bình thường. Và liệu giá của máy tính lượng tử để sử dụng tại nhà có hợp lý không? Liệu sức mạnh tính toán của nó có cần thiết để xem phim và hỗ trợ Internet không?

Chắc chắn máy tính lượng tử sẽ thay thế các siêu máy tính hiện nay trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và sẽ trở thành không thể thiếu trong việc mô phỏng những thứ phức tạp nhất. quá trình vật lý. Nhưng liệu chúng có trở thành vật thay thế cho PC trong nhà của chúng ta không và liệu sự thay thế này có hợp lý không? Chúng ta có thể giả định rằng chúng ta sẽ có sự kết hợp giữa máy tính lượng tử và máy tính cổ điển trong nhà, nhưng không ai có thể nói chính xác điều này sẽ xảy ra như thế nào bây giờ.

"Tôi tin rằng việc tạo ra máy tính lượng tử sẽ chia lịch sử nhân loại thành hai thời đại: trước và sau. Nhân tiện, Nga có cơ hội cạnh tranh với các nước có công nghệ tiên tiến nhất trong cuộc đua lượng tử. Alexey Fedorov, một nhà nghiên cứu tại Russian Quantum, nhận xét: máy tính sẽ không chỉ dẫn đến một bước nhảy vọt về công nghệ mà còn đưa ra câu trả lời cho những câu hỏi cơ bản. Vì vậy, đây thực sự là công nghệ của tương lai. Và nó đang tiếp cận nhanh hơn tưởng tượng”. Trung tâm.