Minulý týždeň sa objavili správy, že spoločnosť Google urobila prelom vo vývoji kvantový počítač -
spoločnosť pochopila, ako si taký počítač poradí
s vlastnými chybami. O kvantových počítačoch sa hovorí už niekoľko rokov: napríklad na titulke časopisu Time. Ak sa takéto počítače objavia, bude to prelomový objav vo vzhľade klasických počítačov - alebo ešte vážnejší. Pozrite sa na mňa vysvetľuje, v čom sú kvantové počítače dobré a čo presne Google urobil.

Čo je to kvantový počítač?

Kvantový počítač je mechanizmus na priesečníku informatiky a kvantovej fyziky, najťažšieho odvetvia teoretickej fyziky. Richard Feynman, jeden z najväčších fyzikov 20. storočia, kedysi povedal: „Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej fyzike, potom jej nerozumiete.“ Preto majte na pamäti, že nasledujúce vysvetlenia sú neuveriteľne zjednodušujúce. Pochopenie kvantovej fyziky trvá ľuďom mnoho rokov.

Kvantová fyzika sa zaoberá elementárnymi časticami menšími ako atóm. Spôsob, akým sú tieto častice usporiadané a ako sa správajú, je v rozpore s mnohými našimi predstavami o vesmíre. Kvantová častica môže byť na viacerých miestach súčasne - a vo viacerých stavoch súčasne. Predstavte si, že hodíte mincou: kým je vo vzduchu, nemôžete povedať, či príde hore alebo dole; táto minca je ako hlavy a chvosty súčasne. Takto sa správajú kvantové častice. Toto sa nazýva princíp superpozície.

Kvantový počítač je stále hypotetickým zariadením, ktoré bude využívať princíp superpozície. (a ďalšie kvantové vlastnosti)
na výpočty. Bežný počítač pracuje s tranzistormi,
ktoré vnímajú akékoľvek informácie ako nuly a jednotky. Binárny kód môže popísať celý svet - a vyriešiť v ňom všetky problémy. Kvantový analóg klasického bitu sa nazýva lakeť (qubit, qu - od slova kvantum, kvantum)... Podľa princípu superpozície môže byť lakeť súčasne umiestnený
v stave 0 a 1 - a to nielen výrazne zvýši výkon v porovnaní s tradičnými počítačmi, ale tiež vám umožní vyriešiť neočakávané problémy,
ktorých bežné počítače nie sú schopné.

Princíp superpozície je jediný
na čom budú založené kvantové počítače?

Nie Vzhľadom na skutočnosť, že kvantové počítače existujú iba teoreticky, vedci zatiaľ len špekulujú, ako presne budú fungovať. Verí sa napríklad, že kvantové počítače budú využívať aj kvantové zapletenie.
Toto je jav, ktorý Albert Einstein nazval „strašidelným“ ( bol všeobecne proti kvantovej teórii, pretože sa nezhoduje s jeho teóriou relativity)... Význam tohto javu je, že dve častice vo vesmíre môžu byť prepojené a naopak: povedzme, ak je helicity
(existuje taká charakteristika stavu elementárnych častíc, nebudeme zachádzať do podrobností) prvá častica je kladná, potom bude helicita druhej častice záporná a naopak. Tento jav sa nazýva „strašidelný“ z dvoch dôvodov. Po prvé, toto spojenie funguje okamžite, rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Za druhé, zamotané častice môžu byť umiestnené v akejkoľvek vzdialenosti od seba.
od priateľa: napríklad na rôznych koncoch Mliečnej dráhy.

Ako je možné použiť kvantový počítač?

Vedci hľadajú aplikácie pre kvantové počítače a zároveň zisťujú, ako ich postaviť. Hlavná vec je, že kvantový počítač môže veľmi rýchlo optimalizovať informácie a spravidla pracovať s veľkými údajmi, ktoré zhromažďujeme, ale zatiaľ nerozumieme, ako ich použiť.

Predstavme si túto možnosť (samozrejme velmi zjednodusene): Chystáte sa strieľať lukom na cieľ a musíte vypočítať, ako vysoko chcete zasiahnuť. Povedzme, že musíte vypočítať výšku od 0 do 100 cm. Konvenčný počítač vypočíta každú trajektóriu postupne: najskôr 0 cm, potom 1 cm, potom 2 cm atď. Kvantový počítač vypočíta všetky možnosti súčasne - a okamžite rozdá tú, ktorá vám umožní zasiahnuť presne cieľ. Mnoho procesov je možné optimalizovať týmto spôsobom:
z medicíny (povedzme, diagnostikujte rakovinu skôr) pred letectvom (napríklad robte zložitejšie autopiloty).

Existuje aj verzia, že taký počítač bude schopný riešiť problémy, ktoré bežný počítač jednoducho nedokáže - alebo by to trvalo tisíce rokov počítania. Kvantový počítač bude schopný pracovať s najkomplexnejšími simuláciami: napríklad vypočítajte, či sú vo vesmíre inteligentné bytosti okrem ľudí. Je možné, že tvorba kvantových počítačov povedie
k vzniku umela inteligencia... Predstavte si, čo nástup konvenčných počítačov urobil s naším svetom - kvantové počítače môžu byť približne rovnakým prelomom.

Kto vyvíja kvantové počítače?

Všetko. Vlády, armáda, technologické spoločnosti. Takmer každý bude mať prospech z vytvorenia kvantového počítača. Napríklad medzi dokumentmi vydanými Edwardom Snowdenom boli informácie o tom, že NSA má projekt „Nasadenie v komplexných účeloch“, ktorý zahŕňa vytvorenie kvantového počítača na šifrovanie informácií. Spoločnosť Microsoft sa vážne zaoberá kvantovými počítačmi - prvý výskum v tejto oblasti sa začal v roku 2007. IBM je vo vývoji a pred niekoľkými rokmi oznámila, že vytvorila trojkubový čip. Nakoniec Google a NASA spolupracujú
s D-Wave, ktorá hovorí, že už vyrába
„Prvý komerčný kvantový procesor“ (alebo skôr druhý, teraz sa ich model nazýva D-Wave Two) ale zatiaľ to nefunguje tak kvantovo -
pripomíname, že neexistujú.

Ako blízko sme k tvorbe
kvantový počítač?

Nikto nemôže s istotou povedať. Prelomové novinky v technológiách (ako nedávna správa Google) neustále sa objavovať, ale môžeme byť veľmi vzdialení
z plnohodnotného kvantového počítača a veľmi blízko k nemu. Povedzme, že existujú štúdie, ktoré naznačujú, že na všetko stačí vytvoriť počítač
s niekoľkými stovkami lakťov, aby fungoval ako plnohodnotný kvantový počítač. D -Wave tvrdí, že zostrojil procesor s 84 kubitmi -
ale kritici, ktorí analyzovali ich procesor, tvrdia, že to funguje,
ako klasický počítač, nie ako kvantový. Google spolupracuje
s D-Wave verte, že ich procesor je len vo veľmi raných fázach vývoja a nakoniec bude fungovať ako kvantový. Každopádne teraz
kvantové počítače majú jeden zásadný problém - chyby. Každý počítač robí chyby, ale klasické počítače si s nimi ľahko poradia, zatiaľ čo kvantové počítače zatiaľ nie. Akonáhle vedci prídu na to, aké sú chyby, bude to trvať iba niekoľko rokov, kým príde kvantový počítač.

Sťažuje opravu chýb
v kvantových počítačoch?

Na zjednodušenie možno chyby v kvantových počítačoch rozdeliť do dvoch úrovní. Prvým sú chyby, ktorých sa dopúšťajú akékoľvek počítače, vrátane klasických. V pamäti počítača sa môže objaviť chyba, keď sa 0 nedobrovoľne zmení na 1 v dôsledku vonkajšieho hluku - napríklad kozmického žiarenia alebo žiarenia. Tieto chyby sa dajú ľahko vyriešiť, všetky údaje sa kontrolujú, či neobsahujú také zmeny. A tento problém v kvantových počítačoch sa nedávno zaoberal spoločnosťou Google: stabilizovali reťazec deväť lakťov
a zachránil ju pred chybami. Tento prielom má však jednu výhradu: Google sa vysporiadal s klasickými chybami v klasickom počítači. V kvantových počítačoch existuje druhá úroveň chýb, ktorú je oveľa ťažšie pochopiť a vysvetliť.

Kubíky sú extrémne nestabilné, podliehajú kvantovej dekoherencii - ide o narušenie komunikácie v rámci kvantového systému pod vplyvom prostredia. Kvantový procesor musí byť čo najviac izolovaný od vplyvov prostredia (aj keď niekedy dochádza k dekoherencii v dôsledku vnútorných procesov) aby boli chyby na minime. Kvantové chyby zároveň nemožno úplne odstrániť, ale ak sú dostatočne zriedkavé, kvantový počítač môže fungovať. Niektorí vedci sa zároveň domnievajú, že 99% výkonu takéhoto počítača bude iba smerovať
na odstránenie chýb, ale zvyšné 1% stačí na vyriešenie akýchkoľvek problémov.
Podľa fyzika Scotta Aaronsona možno úspech Googlu považovať za tretí
polovica zo siedmich krokov potrebných na zostavenie kvantového počítača - inými slovami, sme v polovici cesty.

Ľudstvo, podobne ako pred 60 rokmi, je opäť na pokraji veľkého prielomu v oblasti výpočtovej technológie. Dnešné počítačové počítače veľmi skoro nahradia kvantové počítače.

Aký pokrok dosiahol

V roku 1965 Gordon Moore povedal, že za rok sa počet tranzistorov, ktoré sa zmestia do kremíkového mikročipu, zdvojnásobí. Táto miera pokroku sa v poslednej dobe spomalila a zdvojnásobenie sa vyskytuje menej často - raz za dva roky. Aj pri tejto rýchlosti budú v blízkej budúcnosti tranzistory schopné dosiahnuť veľkosť atómu. Ďalej - čiara, cez ktorú nie je možné prejsť. Z hľadiska fyzickej štruktúry tranzistora nemôže byť v žiadnom prípade menší ako atómové hodnoty. Zväčšenie veľkosti čipu problém nerieši. Práca tranzistorov je spojená s uvoľňovaním tepelnej energie a procesory potrebujú vysokokvalitný chladiaci systém. Viacjadrová architektúra taktiež nerieši problém ďalšieho rastu. Vrchol vo vývoji modernej procesorovej technológie sa blíži.
Vývojári pochopili tento problém v čase, keď sa medzi užívateľmi začali objavovať osobné počítače. V roku 1980 jeden zo zakladateľov kvantovej informatiky, sovietsky profesor Jurij Manin, sformuloval myšlienku kvantovej výpočtovej techniky. O rok neskôr Richard Feyman navrhol prvý model počítača s kvantovým procesorom. Teoretické základy toho, ako by mali kvantové počítače vyzerať, sformuloval Paul Benioff.

Ako funguje kvantový počítač

Aby ste pochopili, ako nový procesor funguje, musíte mať aspoň povrchné znalosti o princípoch kvantovej mechaniky. Nemá zmysel uvádzať tu matematické rozloženia a odvodzovať vzorce. Laikovi stačí zoznámiť sa s tromi charakteristickými črtami kvantovej mechaniky:

• Stav alebo poloha častice sa určuje iba s akýmkoľvek stupňom pravdepodobnosti.
• Ak môže mať častica niekoľko stavov, potom je vo všetkých možných stavoch naraz. Toto je princíp superpozície.
• Proces merania stavu častice vedie k zmiznutiu superpozície. Je charakteristické, že znalosti získané meraním o stave častice sa líšia od skutočného stavu častice pred meraniami.

Z pohľadu zdravého rozumu - úplný nezmysel. V našom bežnom svete môžu byť tieto princípy reprezentované nasledovne: dvere do miestnosti sú zatvorené a zároveň otvorené. Zatvorené a otvorené súčasne.

Toto je výrazný rozdiel vo výpočtoch. Bežný procesor pracuje vo svojich činnostiach s binárnym kódom. Počítačové bity môžu byť iba v jednom stave - majú logickú hodnotu 0 alebo 1. Kvantové počítače pracujú s qubitmi, ktoré môžu mať logickú hodnotu 0, 1, 0 a 1 naraz. Na vyriešenie určitých problémov budú mať oproti tradičným počítačom mnohomiliónovú výhodu. Dnes už existujú desiatky popisov pracovných algoritmov. Programátori vytvárajú špeciálny programový kód, ktorý môže pracovať na nových princípoch výpočtu.

Kde bude nový počítač použitý

Nový prístup k výpočtovému procesu vám umožňuje pracovať s veľkým množstvom údajov a vykonávať okamžité výpočtové operácie. S príchodom prvých počítačov mali niektorí ľudia, vrátane štátnikov, veľkú skepsu nad ich používaním v národnom hospodárstve. Dnes sú ľudia, ktorí sú plní pochybností o význame počítačov zásadne novej generácie. Technické časopisy pomerne dlho odmietali publikovať články o kvantovom výpočte, pretože to považovali za bežný podvodný trik na oklamanie investorov.

Nový spôsob výpočtu vytvorí predpoklady pre vedecké grandiózne objavy vo všetkých odvetviach. Medicína vyrieši mnoho problémových problémov, ktorých sa za posledné roky nahromadilo naozaj veľa. Bude možné diagnostikovať rakovinu v skoršom štádiu ochorenia ako teraz. Chemický priemysel bude schopný syntetizovať výrobky s unikátnymi vlastnosťami.

Prelom v astronautike na seba nenechá dlho čakať. Let na iné planéty bude taký prízemný ako každodenné výlety po meste. Potenciál, ktorý spočíva v kvantovom výpočte, určite zmení našu planétu na nepoznanie.

Ďalšou charakteristickou črtou, ktorú kvantové počítače majú, je schopnosť kvantového výpočtu rýchlo zachytiť správny kód alebo šifru. Bežný počítač vykonáva riešenie matematickej optimalizácie postupne, pričom opakuje jednu možnosť za druhou. Kvantový konkurent pracuje s celým súborom údajov naraz a okamžite si vyberie najvhodnejšie možnosti v bezprecedentne krátkom čase. Bankové transakcie budú dešifrované mihnutím oka, ktoré nie je k dispozícii na moderných počítačoch.

Bankový sektor si však nemusí robiť starosti - jeho tajomstvo zachráni metóda kvantového šifrovania s paradoxom merania. Keď sa pokúsite prelomiť kód, vysielaný signál bude skreslený. Získané informácie nebudú mať žiadny zmysel. Tajomné služby, pre ktoré je špionáž bežná, sa zaujímajú o možnosti kvantovej výpočtovej techniky.

Stavebné ťažkosti

Problém spočíva vo vytvorení podmienok, za ktorých môže byť kvantový bit v stave superpozície nekonečne dlho.

Každý qubit je mikroprocesor, ktorý funguje na princípoch supravodivosti a zákonoch kvantovej mechaniky.

Okolo mikroskopických prvkov logického stroja je vytvorených niekoľko jedinečných environmentálnych podmienok:

• teplota 0,02 stupňa Kelvina (-269,98 Celzia);
• systém ochrany pred magnetickým a elektrickým žiarením (znižuje vplyv týchto faktorov na 50 000 krát);
• systém odstraňovania tepla a tlmenia vibrácií;
• zriedenie vzduchu pod atmosférickým tlakom 100 miliárd krát.

Mierna odchýlka v životnom prostredí spôsobí, že qubits okamžite stratia svoj superpozičný stav, čo spôsobí ich poruchu.

Pred celou planétou

Všetky vyššie uvedené skutočnosti možno pripísať kreativite zapálenej mysle spisovateľa sci -fi príbehov, ak Google Spolu s NASA minulý rok nezískalo od kanadskej výskumnej spoločnosti kvantový počítač D-Wave s procesorom obsahujúcim 512 qubitov.

S jeho pomocou je líder na trhu počítačová technológia vyrieši problémy so strojovým učením pri triedení a analýze veľkých súborov dát.

Snowden, ktorý opustil USA, tiež urobil dôležité odhalenie - NSA plánuje aj vývoj vlastného kvantového počítača.

2014 - začiatok éry systémov D -Wave

Úspešná kanadská atlétka Geordie Rose po dohode s Google a NASA začala stavať 1000-qubitový procesor. Rýchlosť a výpočtový objem budúci model prekoná prvý komerčný prototyp najmenej 300 -tisíc krát. Kvantový počítač, ktorého fotografia je umiestnená nižšie, je v zásade prvou komerčnou možnosťou na svete Nová technológia výpočty.

K zapojeniu sa do vedeckého vývoja ho podnietilo jeho zoznámenie sa s univerzitou s prácami Colina Williamsa o kvantovom výpočte. Je potrebné povedať, že Williams dnes pracuje v Rose Corporation ako manažér obchodného projektu.

Prelomový alebo vedecký podvod

Samotný Rose nevie, čo sú kvantové počítače. Za desať rokov prešiel jeho tím od vytvorenia 2-qubitového procesora k dnešnému prvému komerčnému duchovnému dieťaťu.

Rose sa od samého začiatku svojho výskumu snažila vytvoriť procesor s minimálnym počtom 1 000 qubitov. A rozhodne musel mať komerčnú verziu - predávať a zarábať peniaze.

Mnohí, ktorí poznajú Roseovu posadnutosť a obchodnú bystrosť, sa ho pokúšajú obviniť z falšovania. Údajne najbežnejší procesor je vydávaný ako kvantový. To je tiež uľahčené skutočnosťou, že nová technika vykazuje fenomenálny výkon pri vykonávaní určitých typov výpočtov. Inak sa správa ako úplne obyčajný počítač, len veľmi draho.

Kedy sa objavia

Nebude dlho čakať. Výskumná skupina organizovaná spoločnými nákupcami prototypu vydá v blízkej budúcnosti správu o výsledkoch výskumu D-Wave.
Možno čoskoro príde čas, v ktorom kvantové počítače zmenia naše chápanie sveta okolo nás. A celé ľudstvo v tejto chvíli vyjde na viac vysoký stupeň jeho evolúcia.

Ľudstvo, podobne ako pred 60 rokmi, je opäť na pokraji veľkého prielomu v oblasti výpočtovej technológie. Dnešné počítačové počítače veľmi skoro nahradia kvantové počítače.

Aký pokrok dosiahol

V roku 1965 Gordon Moore povedal, že za rok sa počet tranzistorov, ktoré sa zmestia do kremíkového mikročipu, zdvojnásobí. Táto miera pokroku sa v poslednej dobe spomalila a zdvojnásobenie sa vyskytuje menej často - raz za dva roky. Aj pri tejto rýchlosti budú v blízkej budúcnosti tranzistory schopné dosiahnuť veľkosť atómu. Ďalej - čiara, cez ktorú nie je možné prejsť. Z hľadiska fyzickej štruktúry tranzistora nemôže byť v žiadnom prípade menší ako atómové hodnoty. Zväčšenie veľkosti čipu problém nerieši. Práca tranzistorov je spojená s uvoľňovaním tepelnej energie a procesory potrebujú vysokokvalitný chladiaci systém. Viacjadrová architektúra taktiež nerieši problém ďalšieho rastu. Vrchol vo vývoji modernej procesorovej technológie sa blíži.
Vývojári pochopili tento problém v čase, keď sa medzi užívateľmi začali objavovať osobné počítače. V roku 1980 jeden zo zakladateľov kvantovej informatiky, sovietsky profesor Jurij Manin, sformuloval myšlienku kvantovej výpočtovej techniky. O rok neskôr Richard Feyman navrhol prvý model počítača s kvantovým procesorom. Teoretické základy toho, ako by mali kvantové počítače vyzerať, sformuloval Paul Benioff.

Ako funguje kvantový počítač

Aby ste pochopili, ako nový procesor funguje, musíte mať aspoň povrchné znalosti o princípoch kvantovej mechaniky. Nemá zmysel uvádzať tu matematické rozloženia a odvodzovať vzorce. Laikovi stačí zoznámiť sa s tromi charakteristickými črtami kvantovej mechaniky:

• Stav alebo poloha častice sa určuje iba s akýmkoľvek stupňom pravdepodobnosti.
• Ak môže mať častica niekoľko stavov, potom je vo všetkých možných stavoch naraz. Toto je princíp superpozície.
• Proces merania stavu častice vedie k zmiznutiu superpozície. Je charakteristické, že znalosti získané meraním o stave častice sa líšia od skutočného stavu častice pred meraniami.

Z pohľadu zdravého rozumu - úplný nezmysel. V našom bežnom svete môžu byť tieto princípy reprezentované nasledovne: dvere do miestnosti sú zatvorené a zároveň otvorené. Zatvorené a otvorené súčasne.

Toto je výrazný rozdiel vo výpočtoch. Bežný procesor pracuje vo svojich činnostiach s binárnym kódom. Počítačové bity môžu byť iba v jednom stave - majú logickú hodnotu 0 alebo 1. Kvantové počítače pracujú s qubitmi, ktoré môžu mať logickú hodnotu 0, 1, 0 a 1 naraz. Na vyriešenie určitých problémov budú mať oproti tradičným počítačom mnohomiliónovú výhodu. Dnes už existujú desiatky popisov pracovných algoritmov. Programátori vytvárajú špeciálny programový kód, ktorý môže pracovať na nových princípoch výpočtu.

Kde bude nový počítač použitý

Nový prístup k výpočtovému procesu vám umožňuje pracovať s veľkým množstvom údajov a vykonávať okamžité výpočtové operácie. S príchodom prvých počítačov mali niektorí ľudia, vrátane štátnikov, veľkú skepsu nad ich používaním v národnom hospodárstve. Dnes sú ľudia, ktorí sú plní pochybností o význame počítačov zásadne novej generácie. Technické časopisy pomerne dlho odmietali publikovať články o kvantovom výpočte, pretože to považovali za bežný podvodný trik na oklamanie investorov.

Nový spôsob výpočtu vytvorí predpoklady pre vedecké grandiózne objavy vo všetkých odvetviach. Medicína vyrieši mnoho problémových problémov, ktorých sa za posledné roky nahromadilo naozaj veľa. Bude možné diagnostikovať rakovinu v skoršom štádiu ochorenia ako teraz. Chemický priemysel bude schopný syntetizovať výrobky s unikátnymi vlastnosťami.

Prelom v astronautike na seba nenechá dlho čakať. Let na iné planéty bude taký prízemný ako každodenné výlety po meste. Potenciál, ktorý spočíva v kvantovom výpočte, určite zmení našu planétu na nepoznanie.

Ďalšou charakteristickou črtou, ktorú kvantové počítače majú, je schopnosť kvantového výpočtu rýchlo zachytiť správny kód alebo šifru. Bežný počítač vykonáva riešenie matematickej optimalizácie postupne, pričom opakuje jednu možnosť za druhou. Kvantový konkurent pracuje s celým súborom údajov naraz a okamžite si vyberie najvhodnejšie možnosti v bezprecedentne krátkom čase. Bankové transakcie budú dešifrované mihnutím oka, ktoré nie je k dispozícii na moderných počítačoch.

Bankový sektor si však nemusí robiť starosti - jeho tajomstvo zachráni metóda kvantového šifrovania s paradoxom merania. Keď sa pokúsite prelomiť kód, vysielaný signál bude skreslený. Získané informácie nebudú mať žiadny zmysel. Tajomné služby, pre ktoré je špionáž bežná, sa zaujímajú o možnosti kvantovej výpočtovej techniky.

Stavebné ťažkosti

Problém spočíva vo vytvorení podmienok, za ktorých môže byť kvantový bit v stave superpozície nekonečne dlho.

Každý qubit je mikroprocesor, ktorý funguje na princípoch supravodivosti a zákonoch kvantovej mechaniky.

Okolo mikroskopických prvkov logického stroja je vytvorených niekoľko jedinečných environmentálnych podmienok:

• teplota 0,02 stupňa Kelvina (-269,98 Celzia);
• systém ochrany pred magnetickým a elektrickým žiarením (znižuje vplyv týchto faktorov na 50 000 krát);
• systém odstraňovania tepla a tlmenia vibrácií;
• zriedenie vzduchu pod atmosférickým tlakom 100 miliárd krát.

Mierna odchýlka v životnom prostredí spôsobí, že qubits okamžite stratia svoj superpozičný stav, čo spôsobí ich poruchu.

Pred celou planétou

Všetky vyššie uvedené skutočnosti možno pripísať kreativite zapálenej mysle spisovateľa sci-fi príbehov, keby spoločnosť Google spolu s NASA nezískala od kanadskej výskumnej spoločnosti naposledy kvantový počítač D-Wave s procesorom obsahujúcim 512 qubitov rok.

S jeho pomocou bude líder na trhu počítačových technológií riešiť problémy so strojovým učením pri triedení a analýze veľkého množstva údajov.

Snowden, ktorý opustil USA, tiež urobil dôležité odhalenie - NSA plánuje aj vývoj vlastného kvantového počítača.

2014 - začiatok éry systémov D -Wave

Úspešná kanadská atlétka Geordie Rose po dohode s Google a NASA začala stavať 1000-qubitový procesor. Rýchlosť a výpočtový objem budúci model prekoná prvý komerčný prototyp najmenej 300 -tisíc krát. Kvantový počítač, ktorého fotografia je umiestnená nižšie, je prvou komerčnou verziou zásadne novej výpočtovej technológie na svete.

K zapojeniu sa do vedeckého vývoja ho podnietilo jeho zoznámenie sa s univerzitou s prácami Colina Williamsa o kvantovom výpočte. Je potrebné povedať, že Williams dnes pracuje v Rose Corporation ako manažér obchodného projektu.

Prelomový alebo vedecký podvod

Samotný Rose nevie, čo sú kvantové počítače. Za desať rokov prešiel jeho tím od vytvorenia 2-qubitového procesora k dnešnému prvému komerčnému duchovnému dieťaťu.

Rose sa od samého začiatku svojho výskumu snažila vytvoriť procesor s minimálnym počtom 1 000 qubitov. A rozhodne musel mať komerčnú verziu - predávať a zarábať peniaze.

Mnohí, ktorí poznajú Roseovu posadnutosť a obchodnú bystrosť, sa ho pokúšajú obviniť z falšovania. Údajne najbežnejší procesor je vydávaný ako kvantový. To je tiež uľahčené skutočnosťou, že nová technika vykazuje fenomenálny výkon pri vykonávaní určitých typov výpočtov. Inak sa správa ako úplne obyčajný počítač, len veľmi draho.

Kedy sa objavia

Nebude dlho čakať. Výskumná skupina organizovaná spoločnými nákupcami prototypu vydá v blízkej budúcnosti správu o výsledkoch výskumu D-Wave.
Možno čoskoro príde čas, v ktorom kvantové počítače zmenia naše chápanie sveta okolo nás. A celé ľudstvo v tomto momente dosiahne vyššiu úroveň svojho vývoja.

L. Fedichkin, PhD z fyziky a matematiky (Fyzikálny a technologický ústav Ruskej akadémie vied.

Pomocou zákonov kvantovej mechaniky môžete vytvoriť úplne nový typ počítačov, ktoré vám umožnia vyriešiť niektoré problémy, ktoré sú nedostupné aj pre najvýkonnejšie moderné superpočítače. Rýchlosť mnohých zložitých výpočtov bude raketovo stúpať; správy odoslané po riadkoch kvantovej komunikácie nie je možné zachytiť ani kopírovať. Prototypy týchto kvantových počítačov budúcnosti už boli vytvorené.

Americký matematik a fyzik maďarského pôvodu Johann von Neumann (1903-1957).

Americký teoretický fyzik Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Americký matematik Peter Shore, odborník v oblasti kvantových počítačov. Navrhol kvantový algoritmus na rýchlu faktorizáciu veľkých čísel.

Kvantový bit alebo qubit. Stavy a zodpovedajú napríklad smeru otáčania atómového jadra nahor alebo nadol.

Kvantový register je reťazec kvantových bitov. Implementujú sa jedno- alebo dvojkvbitové kvantové brány logické operácie cez qubits.

ÚVOD ALEBO MALO O OCHRANE INFORMÁCIÍ

Ktorý softvér má podľa vás najviac predaných licencií na svete? Nebudem sa odvážiť trvať na tom, že poznám správnu odpoveď, ale určite poznám jednu nesprávnu: je nie niektorú z verzií Microsoft Windows... Najbežnejší operačný systém prekonáva skromný produkt od spoločnosti RSA Data Security, Inc. - program, ktorý implementuje šifrovací algoritmus RSA verejného kľúča, pomenovaný po jeho autoroch - amerických matematikoch Rivestovi, Shamirovi a Adelmanovi.

Faktom je, že algoritmus RSA je zabudovaný do väčšiny predaných operačných systémov, ako aj do mnohých ďalších aplikácií používaných v rôzne zariadenia- od čipových kariet po mobilné telefóny... Najmä je k dispozícii aj v systéme Microsoft Windows, čo znamená, že je zjavne širší ako tento populárny operačný systém... Detekcia stôp RSA napríklad v prehliadači internet Explorer(program na prezeranie www stránok na internete), stačí otvoriť ponuku Pomocník, vstúpiť do podponuky O programe Internet Explorer a zobraziť zoznam použitých produktov tretích strán. Algoritmus RSA používa aj ďalší bežný prehliadač, Netscape Navigator. Vo všeobecnosti je ťažké nájsť známu high-tech firmu, ktorá by si nekúpila licenciu na tento program. Dnes RSA Data Security, Inc. sa už predalo viac ako 450 miliónov (!) licencií.

Prečo je algoritmus RSA taký dôležitý?

Predstavte si, že si musíte rýchlo vymeniť správu s osobou ďaleko. Vďaka rozvoju internetu je dnes takáto ústredňa dostupná pre väčšinu ľudí - stačí mať počítač s modemom resp. internetová karta... Prirodzene, pri výmene informácií cez sieť by ste chceli udržať svoje správy v tajnosti pred cudzími ľuďmi. Nie je však možné úplne chrániť predĺženú komunikačnú linku pred odpočúvaním. To znamená, že pri odosielaní správ musia byť šifrované a pri príjme dešifrované. Ako sa však môžete so svojim partnerom dohodnúť na tom, ktorý kľúč použijete? Ak pošlete kľúč do šifry po rovnakom riadku, útočník odpočúvania ho môže ľahko zachytiť. Kľúč môžete samozrejme preniesť cez inú komunikačnú linku, napríklad ho poslať telegramom. Ale táto metóda je zvyčajne nepohodlná a navyše nie vždy spoľahlivá: je možné poklepať aj na inú linku. Je dobré, ak ste s adresátom vopred vedeli, že si vymeníte šifrovanie, a preto si vopred navzájom odovzdali kľúče. Ale čo keď napríklad chcete potenciálnemu obchodnému partnerovi poslať dôvernú ponuku alebo si v novom internetovom obchode kúpiť kreditnou kartou produkt, ktorý sa vám páči?

V 70. rokoch minulého storočia boli na vyriešenie tohto problému navrhnuté šifrovacie systémy, ktoré používali dva typy kľúčov pre rovnakú správu: otvorený (nevyžadujúci utajenie) a uzavretý (prísne tajný). Verejný kľúč sa používa na šifrovanie správy a súkromný kľúč na jeho dešifrovanie. Pošlete svojmu spravodajcovi verejný kľúč a on ním zašifruje svoju správu. Všetko, čo môže útočník, ktorý zachytí verejný kľúč, je šifrovanie jeho listu a jeho preposlanie niekomu. Korešpondenciu však nedokáže rozlúštiť. Keď poznáte súkromný kľúč (pôvodne je uložený u vás), môžete si ľahko prečítať správu, ktorá vám bola adresovaná. Na šifrovanie odpovedí budete používať verejný kľúč odoslaný vašim korešpondentom (a ten si príslušný súkromný kľúč ponechá pre seba).

Toto je kryptografická schéma používaná v RSA, najpoužívanejšej metóde šifrovania verejného kľúča. Na vytvorenie dvojice verejných a súkromných kľúčov sa navyše používa nasledujúca dôležitá hypotéza. Ak existujú dve veľké čísla (na zápis ktorých je potrebných viac ako sto desatinných miest) jednoduchéčísla M a K, potom nájsť ich súčin N = MK nebude ťažké (na to nie je ani potrebné mať počítač: dostatočne presný a trpezlivý človek môže takéto čísla znásobiť perom a papierom). Ale na vyriešenie inverzného problému, to znamená, poznať veľký počet N, rozložiť ho na hlavné faktory M a K (tzv. faktorizačný problém) - takmer nemožné! Práve s týmto problémom bude útočník, ktorý sa rozhodne „prelomiť“ algoritmus RSA a prečítať s ním šifrované informácie, čeliť: aby ste zistili súkromný kľúč, ktorý pozná verejný, budete musieť vypočítať M alebo K.

Na otestovanie platnosti hypotézy o praktickej zložitosti faktoringu veľkého počtu sa konali a stále prebiehajú špeciálne súťaže. Rozklad iba 155-miestneho (512-bitového) čísla sa považuje za rekord. Výpočty boli paralelne vykonávané na mnohých počítačoch sedem mesiacov v roku 1999. Ak bola táto úloha vykonaná na jednom modernom osobný počítač, trvalo by to asi 35 rokov počítačového času! Výpočty ukazujú, že pomocou dokonca tisícov moderných pracovných staníc a najlepších dnes známych výpočtových algoritmov je možné jedno 250-miestne číslo faktorizovať za približne 800 tisíc rokov a 1000-miestne číslo za 10 25 (!) Rokov. (Na porovnanie, vek vesmíru je ~ 10 10 rokov.)

Preto boli kryptografické algoritmy ako RSA, pracujúce s dostatočne dlhými kľúčmi, považované za úplne spoľahlivé a používali sa v mnohých aplikáciách. A všetko bolo dovtedy v poriadku ... kým neprišli kvantové počítače.

Ukazuje sa, že pomocou zákonov kvantovej mechaniky je možné postaviť počítače, pre ktoré nebude problém faktorizácie (a mnoho ďalších!) Ťažký. Odhaduje sa, že kvantový počítač s iba asi 10 000 kvantovými bitmi pamäte je schopný premeniť 1 000-miestne číslo na hlavné faktory za niekoľko hodín!

AKO VŠETKO ZAČÍNA?

Až v polovici 90. rokov bola teória kvantových počítačov a kvantovej výpočtovej techniky založená ako nová vedná oblasť. Ako to už pri skvelých nápadoch býva, je ťažké vybrať si objaviteľa. Na možnosť rozvoja kvantovej logiky zrejme ako prvý upozornil maďarský matematik I. von Neumann. V tom čase však ešte neboli vytvorené iba kvantové, ale ani obyčajné, klasické počítače. A s príchodom druhého z nich sa hlavné úsilie vedcov ukázalo byť zamerané predovšetkým na hľadanie a vývoj nových prvkov pre ne (tranzistory a potom integrované obvody), a nie na vytváranie zásadne odlišných výpočtových zariadení.

V šesťdesiatych rokoch minulého storočia sa americký fyzik R. Landauer, ktorý pracoval v spoločnosti IBM, pokúsil upútať pozornosť vedeckého sveta na skutočnosť, že výpočet je vždy nejaký fyzický proces, čo znamená, že nie je možné pochopiť limity našich výpočtových schopností bez toho, aby sme špecifikovali, o akú fyzickú implementáciu sa jedná. V tej dobe je medzi vedcami bohužiaľ dominantný pohľad na výpočty ako na nejaký abstraktný logický postup, ktorý by mali študovať matematici, nie fyzici.

Ako sa počítače množili, kvantoví vedci dospeli k záveru, že je prakticky nemožné priamo vypočítať stav vyvíjajúceho sa systému pozostávajúceho iba z niekoľkých desiatok interagujúcich častíc, ako je molekula metánu (CH 4). Vysvetľuje to skutočnosť, že na úplný opis zložitého systému je potrebné mať v pamäti počítača exponenciálne veľký (pokiaľ ide o počet častíc) počet premenných, takzvané kvantové amplitúdy. Nastala paradoxná situácia: poznať evolučnú rovnicu, poznať s dostatočnou presnosťou všetky potenciály vzájomných interakcií častíc a počiatočný stav systému, je prakticky nemožné vypočítať jeho budúcnosť, aj keď systém pozostáva iba z 30 elektróny v potenciálnej vrte a superpočítač s RAM, ktorých počet bitov sa rovná počtu atómov vo viditeľnej oblasti vesmíru (!). A zároveň, aby ste študovali dynamiku takéhoto systému, môžete jednoducho vytvoriť experiment s 30 elektrónmi a umiestniť ich do daného potenciálneho a počiatočného stavu. Upozornil na to najmä ruský matematik Ju. I. Manin, ktorý v roku 1980 poukázal na potrebu vyvinúť teóriu kvantových počítačových zariadení. V 80. rokoch minulého storočia študoval ten istý problém americký fyzik P. Benev, ktorý jasne ukázal, že kvantový systém môže vykonávať výpočty, a tiež anglický vedec D. Deutsch, ktorý teoreticky vyvinul univerzálny kvantový počítač, ktorý je lepší ako klasický analóg .

Laureát Nobelovej ceny za fyziku R. Feynman, ktorý je pravidelným čitateľom Vedy a života dobre známy, pritiahol veľkú pozornosť na problém vývoja kvantových počítačov. Vďaka jeho autoritatívnej príťažlivosti sa počet špecialistov, ktorí venovali pozornosť kvantovému počítaču, mnohonásobne zvýšil.

Ale aj tak dlho zostalo nejasné, či je možné hypotetický výpočtový výkon kvantového počítača použiť na urýchlenie riešenia praktických problémov. Ale v roku 1994 P. Shore, americký matematik a zamestnanec spoločnosti Lucent Technologies (USA), ohromil vedecký svet návrhom kvantového algoritmu, ktorý umožňuje rýchlu faktorizáciu veľkého počtu (dôležitosť tohto problému už bola diskutovaná v úvode). V porovnaní s najlepšími z doteraz známych klasických metód Shorov kvantový algoritmus poskytuje viacnásobné zrýchlenie výpočtov a čím dlhšie je faktorizované číslo, tým väčší je nárast rýchlosti. Algoritmus rýchlej faktorizácie má veľký praktický význam pre rôzne špeciálne služby, ktoré nahromadili banky nešifrovaných správ.

V roku 1996 Shorov kolega z Lucent Technologies L. Grover navrhol kvantový algoritmus rýchle vyhľadávanie v neusporiadanej databáze. (Príkladom takejto databázy je telefónny zoznam, v ktorom sú mená predplatiteľov usporiadané nie podľa abecedy, ale ľubovoľným spôsobom.) S hľadaním, výberom optimálneho prvku z mnohých možností sa veľmi často stretávame v ekonomických, vojenských, inžinierskych problémoch, v počítačových hrách. Groverov algoritmus umožňuje nielen urýchliť proces vyhľadávania, ale tiež približne zdvojnásobiť počet parametrov, ktoré sa berú do úvahy pri výbere optima.

Reálnej tvorbe kvantových počítačov prekážal v podstate jediný vážny problém- chyby alebo prekážky. Faktom je, že rovnaká úroveň rušenia kazí proces kvantového počítania oveľa intenzívnejšie ako klasické výpočty. Spôsoby riešenia tohto problému načrtol v roku 1995 P. Shor, ktorý vyvinul schému kódovania kvantových stavov a opravy chýb v nich. Téma opravy chýb v kvantových počítačoch je bohužiaľ rovnako dôležitá, ako je ťažké ju v tomto článku pokryť.

ZARIADENIE KVANTOVÉHO POČÍTAČA

Pred popisom fungovania kvantového počítača si pripomeňme hlavné črty kvantových systémov (pozri tiež Veda a život č. 8, 1998; č. 12, 2000).

Aby sme pochopili zákony kvantového sveta, nemali by sme sa priamo spoliehať na každodennú skúsenosť. Zvyčajným spôsobom (v každodennom zmysle) sa kvantové častice správajú iba vtedy, ak ich neustále „pozeráme“ alebo, presnejšie povedané, neustále meriame stav, v ktorom sa nachádzajú. Akonáhle sa však „odvrátime“ (prestaneme pozorovať), kvantové častice okamžite prejdú z úplne určitého stavu naraz do niekoľkých rôznych hypostáz. To znamená, že elektrón (alebo akýkoľvek iný kvantový predmet) bude čiastočne umiestnený v jednom bode, čiastočne v inom, čiastočne v treťom atď. To neznamená, že je rozdelený na plátky ako oranžová. Potom bolo možné spoľahlivo izolovať časť elektrónu a zmerať jeho náboj alebo hmotnosť. Skúsenosti ale ukazujú, že po meraní sa elektrón vždy ukáže byť „bezpečný a zdravý“ v jednom jedinom bode, napriek tomu, že predtým stihol navštíviť takmer všade súčasne. Takýto stav elektrónu, keď sa nachádza na viacerých miestach v priestore naraz, sa nazýva superpozícia kvantových stavov a sú zvyčajne popísané vlnovou funkciou zavedenou v roku 1926 nemeckým fyzikom E. Schrödingerom. Veľkosť hodnoty vlnovej funkcie v ktoromkoľvek bode, na druhú, určuje pravdepodobnosť nájdenia častice v tomto bode v tento moment... Po zmeraní polohy častice sa jej vlnová funkcia akoby stiahne (zrúti) do bodu, kde bola častica detekovaná, a potom sa opäť začne šíriť. Vlastnosť kvantových častíc byť súčasne v mnohých stavoch, tzv kvantový paralelizmus, bol úspešne použitý v kvantovom výpočte.

Kvantový bit

Hlavná bunka kvantového počítača je kvantový bit alebo skrátene qubit(q-bit). Jedná sa o kvantovú časticu, ktorá má dva základné stavy, ktoré sú označené 0 a 1, alebo, ako je obvyklé v kvantovej mechanike, a. Dve hodnoty qubitu môžu zodpovedať napríklad pozemnému a excitovanému stavu atómu, smeru otáčania atómového jadra hore a dole, smeru prúdu v supravodivom prstenci, dvom možným polohám elektrón v polovodiči atď.

Kvantový register

Kvantový register funguje takmer rovnako ako klasický. Jedná sa o reťazec kvantových bitov, cez ktorý je možné vykonávať jedno- a dvojbitové logické operácie (podobne ako použitie operácií NOT, 2AND-NOT atď. V klasickom registri).

Základné stavy kvantového registra tvoreného L qubitmi zahrnujú, ako v klasickom, všetky možné sekvencie núl a sekvencie s dĺžkou L. Celkovo môže existovať 2 L rôznych kombinácií. Môžu byť považované za písacie čísla v binárnej forme od 0 do 2 L -1 a označené. Tieto základné stavy však nevyčerpávajú všetky možné hodnoty kvantového registra (na rozdiel od klasického), pretože existujú aj stavy superpozície špecifikované komplexnými amplitúdami spojenými s normalizačnými podmienkami. Väčšina možných hodnôt kvantového registra (s výnimkou základných) jednoducho nemá klasický analóg. Stavy klasického registra sú len úbohým tieňom celého bohatstva stavov kvantového počítača.

Predstavte si, že na register je pôsobený vonkajší vplyv, napríklad na časť priestoru pôsobia elektrické impulzy alebo smerujú laserové lúče. Ak ide o klasický register, impulz, ktorý je možné považovať za výpočtovú operáciu, zmení L premenné. Ak ide o kvantový register, potom sa ten istý impulz môže súčasne transformovať na premenné. Kvantový register je teda v zásade schopný spracovať informácie jedenkrát rýchlejšie ako jeho klasický náprotivok. Z toho je okamžite zrejmé, že malé kvantové registre (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.

Je však potrebné poznamenať, že existuje trieda problémov, pre ktoré kvantové algoritmy v porovnaní s klasickými neposkytujú významné zrýchlenie. Jedným z prvých, kto to ukázal, bol ruský matematik Yu. Ozhigov, ktorý postavil množstvo príkladov algoritmov, ktoré sa v zásade nedajú urýchliť jedinými hodinami na kvantovom počítači.

Napriek tomu nie je pochýb o tom, že počítače pracujúce podľa zákonov kvantovej mechaniky sú novou a rozhodujúcou fázou vývoja počítačových systémov. Zostáva len ich postaviť.

KVANTUM POČÍTAČOV DNES

Prototypy kvantových počítačov dnes existujú. Je pravda, že doteraz bolo experimentálne možné zbierať iba malé registre pozostávajúce iba z niekoľkých kvantových bitov. Napríklad nedávno skupina vedená americkým fyzikom I. Changom (IBM) oznámila zostavenie 5-bitového kvantového počítača. To je nepochybne veľký úspech. Existujúce kvantové systémy bohužiaľ ešte nie sú schopné poskytnúť spoľahlivé výpočty, pretože sú buď nedostatočne kontrolovateľné, alebo veľmi citlivé na hluk. Na stavbu efektívneho kvantového počítača však neexistujú žiadne fyzické obmedzenia, je len potrebné prekonať technologické ťažkosti.

Existuje niekoľko nápadov a návrhov, ako vytvoriť spoľahlivé a ľahko ovládateľné kvantové bity.

I. Chang rozvíja myšlienku použitia rotácií jadier niektorých organických molekúl ako qubits.

Ruský výskumník M.V. LD Landau RAS, navrhuje zbierať kvantové registre z miniatúrnych supravodivých prstencov. Každý prstenec hrá úlohu qubit a stavy 0 a 1 zodpovedajú smeru elektrického prúdu v prstenci - v smere hodinových ručičiek a proti smeru hodinových ručičiek. Také qubity je možné prepínať pomocou magnetického poľa.

Vo fyzikálno-technologickom ústave Ruskej akadémie vied skupina vedená akademikom K.A. Valievom navrhla dve možnosti umiestnenia qubitov do polovodičových štruktúr. V prvom prípade úlohu qubitu hrá elektrón v systéme dvoch potenciálnych jamiek vytvorených napätím aplikovaným na mini-elektródy na povrchu polovodiča. Stavy 0 a 1 sú polohy elektrónu v jednej z týchto jamiek. Qubit sa prepína zmenou napätia na jednej z elektród. V inom variante je qubit jadro atómu fosforu vložené v určitom bode polovodiča. Stavy 0 a 1 sú smery jadrovej rotácie pozdĺž alebo proti vonkajšiemu magnetickému poľu. Riadenie sa vykonáva kombinovaným pôsobením magnetických impulzov rezonančných frekvenčných a napäťových impulzov.

Výskum sa teda aktívne realizuje a dá sa predpokladať, že vo veľmi blízkej budúcnosti - o desať rokov - vznikne účinný kvantový počítač.

POHĽAD DO BUDÚCNOSTI

Je teda celkom možné, že v budúcnosti budú kvantové počítače vyrábané tradičnými metódami mikroelektronickej technológie a budú obsahovať mnoho riadiacich elektród, pripomínajúcich moderný mikroprocesor. Aby sa znížila hladina hluku, ktorá je kritická pre normálnu prevádzku kvantového počítača, prvé modely budú s najväčšou pravdepodobnosťou musieť byť chladené kvapalným héliom. Prvé kvantové počítače budú pravdepodobne objemné a drahé zariadenia, ktoré sa nezmestia na stôl a ktoré udržiaval veľký personál systémových programátorov a nastavovačov hardvéru v bielych plášťoch. Najprv k nim získajú prístup iba vládne agentúry, potom bohaté obchodné organizácie. Obdobie konvenčných počítačov sa však začalo približne rovnako.

A čo bude s klasickými počítačmi? Zomrú? Nepravdepodobné. Klasické aj kvantové počítače majú svoje vlastné oblasti použitia. Aj keď s najväčšou pravdepodobnosťou sa pomer na trhu bude postupne posúvať k tomu druhému.

Zavedenie kvantových počítačov nepovedie k riešeniu zásadne neriešiteľných klasických problémov, ale iba urýchli niektoré výpočty. Okrem toho bude možná aj kvantová komunikácia - prenos qubitov na diaľku, čo povedie k vzniku akéhosi kvantového internetu. Kvantová komunikácia poskytne chránené (podľa zákonov kvantovej mechaniky) pred odpočúvaním každého s každým iným. Vaše informácie uložené v kvantových databázach budú pred kopírovaním bezpečnejšie ako teraz. Firmy vyrábajúce programy pre kvantové počítače ich budú môcť chrániť pred akýmkoľvek kopírovaním vrátane nezákonného.

Pre hlbšie pochopenie tejto témy si môžete prečítať recenzovaný článok E. Riffela, V. Polaka „Základy kvantových počítačov“, publikovaný v časopise „Kvantové počítače a kvantové počítače“ vydanom v Rusku (č. 1, 2000) . (Mimochodom, toto je prvý a zatiaľ jediný časopis na svete venovaný kvantovému počítaču. Ďalšie informácie o ňom nájdete na internete na adrese http://rcd.ru/qc.). Po zvládnutí tejto práce si budete môcť prečítať vedecké články o kvantovom výpočte.

Pri čítaní knihy A. Kitaeva, A. Shena a M. Vyalyho „Klasické a kvantové počítače“ (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999) bude potrebné trocha predbežného matematického školenia.

V knihe V. V. Belokurova, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustaleva „Kvantová teleportácia je obyčajný zázrak“ analyzuje niekoľko základných aspektov kvantovej mechaniky, ktoré sú nevyhnutné pre kvantové počítače. (Izhevsk: RKhD, 2000).

Vydavateľstvo RKhD sa chystá vydať vo forme samostatnej knihy preklad recenzie A. Steena venovanej kvantovým počítačom.

Nasledujúca literatúra bude užitočná nielen kognitívne, ale aj historicky:

1) Yu.I. Manin. Vypočítateľné a nevypočítateľné.

M.: Sov. rádio, 1980.

2) I. von Neumann. Matematické základy kvantovej mechaniky.

Moskva: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulácia fyziky na počítačoch // Kvantový počítač a kvantové počítače:

So. v 2 zväzkoch - Iževsk: RKhD, 1999. Zv. 2, s. 96-123.

4) R. Feynman. Kvantové mechanické počítače

// Tamže, s. 123-156.

Pozri v čísle na rovnakú tému

Aby sme viac -menej úplne odhalili podstatu kvantových počítačových technológií, dotknime sa najskôr histórie kvantovej teórie.
Zrodilo sa to vďaka dvom vedcom, ktorých výsledky výskumu boli ocenené Nobelovými cenami: objav kvanta M. Plancka v roku 1918 a A. Einsteina o fotóne v roku 1921.
Rok zrodu myšlienky kvantového počítača bol 1980, keď Benioff dokázal v praxi úspešne demonštrovať správnosť kvantovej teórie.
Prvý prototyp kvantového počítača vytvorili Gershenfeld a Chuang v roku 1998 na Massachusettskom technologickom inštitúte (MTI). Rovnaká skupina vedcov vytvorila v nasledujúcich dvoch rokoch pokročilejšie modely.

Pre nešpecialistu je kvantový počítač niečím úplne fantastickým v meradle, je to počítačový stroj, pred ktorým je obyčajný počítač ako počítadlo pred počítačom. A to je samozrejme niečo veľmi vzdialené od stelesnenia.
Pre človeka, ktorý je spojený s kvantovými počítačmi, je to zariadenie, ktorého všeobecné princípy fungovania sú viac -menej jasné, ale je veľa problémov, ktoré je potrebné vyriešiť, kým sa dajú začleniť do hardvéru, a teraz je okolo veľa laboratórií. sveta.snažia sa prekonávať prekážky.
V oblasti kvantovej technológie už boli v minulosti úspechy a súkromné ​​spoločnosti vrátane IBM a DWays.
Pravidelne aj dnes informujú o najnovších úspechoch v tejto oblasti. Väčšinu výskumu vykonávajú japonskí a americkí vedci. Japonsko, ktoré sa usiluje o svetové prvenstvo v oblasti hardvéru a softvéru, vynakladá obrovské prostriedky na vývoj v tejto oblasti. Podľa viceprezidenta spoločnosti Hewlett-Packard bolo až 70% všetkých štúdií vykonaných v krajine vychádzajúceho slnka. Kvantové počítače sú jedným z krokov ich cieľavedomej spoločnosti k získaniu vedúceho postavenia na svetovom trhu.

Čo vysvetľuje túžbu ovládať tieto technológie? Ich nesporné závažné výhody oproti polovodičovým počítačom!

ČO JE TO?

Kvantový počítač je počítačové zariadenie, ktoré pracuje na základe kvantovej mechaniky.
V dnešnej dobe je kvantový počítač v plnom rozsahu hypotetickým zariadením, ktoré nie je možné vytvoriť pomocou dostupných údajov v kvantovej teórii.

Kvantový počítač na výpočty nepoužíva klasické algoritmy, ale zložitejšie procesy kvantovej povahy, ktoré sa nazývajú aj kvantové algoritmy. Tieto algoritmy používajú kvantovo mechanické efekty: kvantové zapletenie a kvantový paralelizmus.

Aby sme pochopili, prečo je kvantový počítač vôbec potrebný, je potrebné si predstaviť, ako funguje.
Ak konvenčný počítač funguje tak, že vykonáva sekvenčné operácie s nulami a jednotkami, potom kvantový počítač používa prstence supravodivého filmu. Cez tieto prstence môže prúdiť prúd v rôznych smeroch, takže reťazec takýchto prstencov môže súčasne realizovať oveľa viac operácií s nulami a jedničkami.
Práve vysoký výkon je hlavnou výhodou kvantového počítača. Tieto krúžky bohužiaľ podliehajú aj najmenším vonkajším vplyvom, v dôsledku ktorých sa môže smer prúdu meniť, a výpočty sa v tomto prípade ukážu ako nesprávne.

ROZDIEL KVANTOVÉHO POČÍTAČA OD KONVENČNÉHO

hlavný rozdiel medzi kvantovými počítačmi a bežnými počítačmi je ten, že k ukladaniu, spracovaniu a prenosu údajov nedochádza pomocou „bitov“, ale „qubits“ - zjednodušene povedané, „kvantových bitov“. Ako obyčajný bit môže byť qubit v bežných stavoch "| 0>" a "| 1>" a okrem toho v stave superpozície A · | 0> + B · | 1>, kde A a B sú akékoľvek komplexné čísla spĺňajúce podmienku | A | 2 + | B | 2 = 1.

TYPY KVANTOVÝCH POČÍTAČOV

Existujú dva typy kvantových počítačov. Oba sú založené na kvantových javoch, iba iného poradia.

počítače založené na kvantizácii magnetického toku na základe porušení supravodivosti - Josephsonove spojenia. Na Josephsonovom efekte sa už vyrábajú lineárne zosilňovače, analógovo-digitálne prevodníky, SQUID a korelátory. Rovnaká základňa prvkov sa používa pri projekte vytvorenia počítača petaflop (1015 op./s). Experimentálne sa podarilo dosiahnuť taktovaciu frekvenciu 370 GHz, ktorú je v budúcnosti možné zvýšiť na 700 GHz. Čas fázového zvýraznenia vlnových funkcií v týchto zariadeniach je však porovnateľný s časom spínania jednotlivých brán a v skutočnosti na Nové, kvantové princípy, implementuje sa už známa základňa prvkov - spúšťače, registre a ďalšie logické prvky.

Ďalší typ kvantových počítačov, nazývaný tiež kvantovo koherentný počítač, vyžaduje zachovanie koherencie vlnových funkcií použitých qubitov počas celého času výpočtu - od začiatku do konca (qubit môže byť akýkoľvek kvantovo mechanický systém s dvoma pridelenými energetickými hladinami). Výsledkom je, že pri niektorých úlohách je výpočtový výkon koherentných kvantových počítačov úmerný 2N, kde N je počet qubits v počítači. Ide o posledný typ zariadenia, o ktorom sa hovorí, keď hovorí o kvantových počítačoch.

KVANTOVÉ POČÍTAČE TERAZ

Ale malé kvantové počítače sa dnes stavajú. V tomto smere je obzvlášť aktívna spoločnosť D-Wave Systems, ktorá už v roku 2007 vytvorila kvantový počítač so 16 qubitmi. Tento počítač sa úspešne vyrovnal s úlohou usadiť hostí k stolu na základe skutočnosti, že niektorí sa navzájom nemali radi. Teraz D-Wave Systems pokračuje vo vývoji kvantových počítačov.

Skupine fyzikov z Japonska, Číny a USA sa po prvý raz podarilo v praxi postaviť kvantový počítač založený na von Neumannovej architektúre - teda s fyzickým oddelením kvantového procesora a kvantovej pamäte. V súčasnej dobe na praktickú implementáciu kvantových počítačov (počítače založené na neobvyklých vlastnostiach predmetov kvantovej mechaniky) fyzici používajú všetky druhy exotických predmetov a javov - ióny uväznené v optickej pasci, jadrovú magnetickú rezonanciu. V rámci Nová práca Vedci sa spoliehali na miniatúrne supravodivé obvody - schopnosť implementovať kvantový počítač pomocou takýchto obvodov bola popísaná v časopise Nature v roku 2008.

Vedcom zostavený počítač pozostával z kvantovej pamäte, v ktorej hrali úlohu dva mikrovlnné rezonátory, procesor dvoch qubitov prepojených zbernicou (svoju úlohu zohral aj rezonátor a qubits boli supravodivé obvody) a zariadenia na vymazanie údajov. Pomocou tohto počítača vedci implementovali dva hlavné algoritmy- takzvaná kvantová Fourierova transformácia a spojenie pomocou Toffoliho kvantových logických brán:

Prvý algoritmus je kvantový analóg diskrétnej Fourierovej transformácie. Jeho charakteristickou črtou je oveľa menší (rádovo n2) počet funkčných prvkov pri implementácii algoritmu v porovnaní s analógovým (rádovo n 2n). Diskrétna Fourierova transformácia sa používa v celej rade oblastí ľudskej činnosti - od štúdia parciálnych diferenciálnych rovníc až po kompresiu dát.

Na druhej strane sú kvantové logické brány Toffoli základnými prvkami, z ktorých niektoré sú ďalšie požiadavky, môžete získať akúkoľvek booleovskú funkciu (program). Charakteristickou črtou týchto prvkov je reverzibilita, ktorá z hľadiska fyziky okrem iného minimalizuje uvoľňovanie tepla zariadenia.

Podľa vedcov systém, ktorý vytvorili, má jednu pozoruhodnú výhodu - je ľahko škálovateľný. Môže teda slúžiť ako akýsi stavebný kameň pre budúce počítače. Podľa vedcov nové výsledky jasne demonštrujú prísľub novej technológie.