Ako sa kvantové počítače líšia od tradičných počítačov?

Bežnou metaforou používanou na porovnanie týchto dvoch typov výpočtu je minca. V tradičnom počítačový procesor tranzistor je buď „hlavy“ alebo „chvosty“. Ale keď sa spýtate, na ktorú stranu je minca otočená, odpoviete, že odpoveď môže byť oboje. Takto funguje kvantové počítanie. Namiesto obvyklých bitov, ktoré predstavujú 0 alebo 1, máte kvantový bit, ktorý predstavuje 0 aj 1 súčasne, kým sa qubit neprestane otáčať a nedostane sa do pokojového stavu.

Stavový priestor - alebo schopnosť iterovať obrovské množstvo možných kombinácií - je v prípade kvantového počítača exponenciálny. Predstavte si, že mám v ruke dve mince a súčasne ich vyhodím do vzduchu. Ako sa otáčajú, predstavujú štyri možné stavy. Ak vyhodím tri mince do vzduchu, predstavujú osem možných stavov. Ak vyhodím päťdesiat mincí do vzduchu a spýtam sa vás, koľko štátov predstavujú, odpoveď je číslo, ktoré nevie vypočítať ani najsilnejší superpočítač na svete. Tristo coinov - stále relatívne malý počet - bude vo vesmíre predstavovať viac stavov ako atómov.

Prečo sú qubity také krehké?

Realita je taká, že mince alebo qubits sa nakoniec prestanú otáčať a zrútia sa do určitého stavu, či už ide o hlavy alebo chvosty. Cieľom kvantového počítača je udržať ho v superpozícii v súbore stavov po dlhú dobu. Predstavte si, že sa mi na stole točí minca a niekto tlačí na stôl. Mince môže padnúť rýchlejšie. Hluk, zmeny teploty, elektrické výkyvy alebo vibrácie môžu interferovať s prevádzkou qubit a viesť k strate jeho údajov. Jeden zo spôsobov, ako stabilizovať určité typy qubitov, je nechať ich chladné. Naše qubity fungujú v 55-galónovej barelovej chladničke a používajú špeciálny izotop hélia na ich ochladenie na takmer absolútnu nulu.

Ako sa líšia rôzne typy qubits?

Existuje najmenej šesť alebo sedem rôznych typov qubitov a asi tri až štyri z nich sa aktívne zvažujú na použitie v kvantových počítačoch. Rozdiel je v tom, ako manipulovať s qubits a prinútiť ich navzájom komunikovať. Na to, aby ste mohli vykonávať veľké „mätúce“ výpočty, potrebujete dva qubity, aby ste spolu mohli komunikovať odlišné typy qubits sú zamotané rôznymi spôsobmi. Typ, ktorý som popísal a ktorý vyžaduje extrémne chladenie, sa nazýva supravodivý systém, ktorý zahŕňa náš procesor Tangle Lake a kvantové počítače vyrobené spoločnosťou Google, IBM a ďalšími. Iné prístupy používajú oscilačné náboje zachytených iónov - držaných na mieste vo vákuovej komore laserovými lúčmi -, ktoré pôsobia ako qubits. Intel nevyvíja systémy s uviaznutými iónmi, pretože to vyžaduje hlboké znalosti laserov a optiky, to nemôžeme urobiť.

Študujeme však tretí typ, ktorý nazývame silikónové spin qubits. Vyzerajú presne ako tradičné kremíkové tranzistory, ale pracujú na jednom elektróne. Spin qubits používa mikrovlnné impulzy na ovládanie otáčania elektrónu a uvoľnenie jeho kvantovej sily. Táto technológia je dnes menej vyspelá ako supravodivá qubitová technológia, ale je oveľa pravdepodobnejšie, že sa rozšíri a stane sa komerčne úspešným.

Ako sa odtiaľto dostať do tohto bodu?

Prvým krokom je výroba týchto kvantových čipov. Súčasne sme vykonávali simulácie na superpočítači. Na spustenie kvantového simulátora spoločnosti Intel je potrebných približne päť biliónov tranzistorov na simuláciu 42 qubitov. Na dosiahnutie komerčného dosahu je potrebný milión qubitov alebo viac, ale počnúc takýmto simulátorom je možné vytvoriť základnú architektúru, kompilátory a algoritmy. Kým nebudeme mať fyzikálne systémy to bude zahŕňať niekoľko stoviek až tisíc qubitov, nie je jasné, aký softvér na nich môžeme spustiť. Existujú dva spôsoby, ako zvýšiť veľkosť takého systému: jedným je pridať viac qubitov, čo bude vyžadovať viac fyzického priestoru. Problém je v tom, že ak je naším cieľom postaviť počítače s miliónom qubitov, matematika im nedovolí dobre škálovať. Ďalším spôsobom je stlačiť vnútorné rozmery integrovaného obvodu, ale tento prístup by vyžadoval supravodivý systém, ktorý musí byť obrovský. Roztočení qubits sú miliónkrát menšie, preto hľadáme iné riešenia.

Okrem toho chceme zlepšiť kvalitu qubitov, čo nám pomôže testovať algoritmy a vybudovať náš systém. Kvalita sa týka presnosti, s akou sa informácie oznamujú v priebehu času. Aj keď mnohé časti takéhoto systému zlepšia kvalitu, najviac veľký úspech sa dosiahne vývojom nových materiálov a zlepšením presnosti mikrovlnných impulzov a ďalšej riadiacej elektroniky.

Nedávno americký podvýbor pre digitálny obchod a ochranu spotrebiteľa usporiadal vypočutie o kvantovom výpočte. Čo chcú zákonodarcovia vedieť o tejto technológii?

Existuje niekoľko vypočutí spojených s rôznymi výbormi. Ak vezmeme kvantové počítače, môžeme povedať, že ide o technológie výpočtovej techniky na nasledujúcich 100 rokov. Je len prirodzené, že sa Spojené štáty a ďalšie vlády zaujímajú o ich možnosti. Európska únia má niekoľko miliardový plán financovania kvantového výskumu v celej Európe. Čína vlani na jeseň oznámila výskumnú základňu vo výške 10 miliárd dolárov, ktorá sa zameria na kvantovú informatiku. Otázkou je, čo môžeme ako krajina urobiť na národnej úrovni? Národnú stratégiu pre kvantové počítače by mali vykonávať univerzity, vláda a priemysel, pričom by mali spolupracovať na rôznych aspektoch technológie. Štandardy sú rozhodne potrebné z hľadiska komunikácie alebo architektúry softvér... Problémom je aj práca. Ak teraz otvorím voľné miesto pre odborníka na kvantové počítače, dve tretiny žiadateľov pravdepodobne budú mimo USA.

Aký vplyv môže mať kvantové výpočty na vývoj umelej inteligencie?

Prvý navrhovaný kvantový algoritmus sa spravidla zameria na bezpečnosť (napr. Kryptografický) alebo modelovanie chémie a materiálu. Ide o problémy, ktoré sú pre tradičné počítače v zásade neriešiteľné. Existuje však veľa startupov a skupín vedcov, ktorí pracujú na strojovom učení a AI so zavedením kvantových počítačov, dokonca aj teoretických. Vzhľadom na časový rámec potrebný na vývoj AI by som očakával vznik tradičných čipov optimalizovaných špeciálne pre algoritmy AI, čo bude mať zase vplyv na vývoj kvantových čipov. V každom prípade bude AI určite posilnená kvantovým počítačom.

Kedy uvidíme fungujúce kvantové počítače riešiť problémy v reálnom svete?

Prvý tranzistor bol vytvorený v roku 1947. Prvý integrovaný obvod bol v roku 1958. Prvý mikroprocesor spoločnosti Intel - v ktorom bolo umiestnených asi 2 500 tranzistorov - vyšiel až v roku 1971. Každý z týchto míľnikov delí viac ako desaťročie. Ľudia si myslia, že kvantové počítače sú hneď za rohom, ale história ukazuje, že pokroky vyžadujú čas. Ak o 10 rokov budeme mať kvantový počítač s niekoľkými tisíckami qubitov, určite to zmení svet rovnako ako prvý mikroprocesor.

L. Fedichkin, PhD z fyziky a matematiky (Ústav fyziky a technológie 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 verejného kľúča RSA, 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“ (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 pre rovnakú správu používali dva typy kľúčov: 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 (je pôvodne uložený u vás), môžete si ľahko prečítať správu, ktorá vám bola adresovaná. Na šifrovanie odpovedí použijete 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 problém faktorizácie (a mnoho ďalších!) Nebude 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 bohužiaľ medzi vedcami prevládal 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 pre celý popis komplexný systém, je potrebné udržať v pamäti počítača exponenciálne veľký (čo sa týka počtu 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 vrstve 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. Zvlášť to upozornilo na ruského matematika Yu. I. Manina, ktorý v roku 1980 poukázal na potrebu vyvinúť teóriu kvantových počítačových zariadení. V 80. rokoch minulého storočia ten istý problém študoval americký fyzik P. Benev, ktorý jasne ukázal, že kvantový systém dokáže 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 nebolo jasné, či je možné hypotetickú výpočtovú silu využiť kvantový počítač urýchliť riešenie 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 a inžinierskych problémoch, v počítačové hry... 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 každodenné skúsenosti. Zvyčajným spôsobom (v každodennom zmysle) sa kvantové častice správajú iba vtedy, ak ich neustále „špehujeme“ 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. Prax ale ukazuje, 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 žalostným tieňom bohatstva štátov v kvantovom počítači.

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.

DNES KVANTOVÉ POČÍTAČE

Prototypy kvantových počítačov dnes existujú. Pravda, zatiaľ je 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 všetkých navzájom. 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, ktorý sa venuje 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

Svet je na pokraji ďalšej kvantovej revolúcie. Prvý kvantový počítač okamžite vyrieši problémy, nad ktorými teraz najvýkonnejšie moderné zariadenie trávi roky. Aké sú tieto úlohy? Kto má prospech a koho ohrozuje masívne používanie kvantových algoritmov? Čo je to superpozícia qubits, ako sa ľudia naučili nájsť optimálne riešenie bez toho, aby museli prejsť biliónmi možností? Na tieto otázky odpovedáme pod nadpisom „Len o komplikovaných veciach“.

Pred kvantovou teóriou sa používala klasická teória elektromagnetického žiarenia. V roku 1900 bol nemecký vedec Max Planck, ktorý sám na kvantá neveril, považoval ich za fiktívnu a čisto teoretickú konštrukciu, nútený priznať, že energia zahriateho tela vyžaruje po častiach - kvantách; predpoklady teórie sa teda zhodovali s experimentálnymi pozorovaniami. A o päť rokov neskôr sa k rovnakému prístupu uchýlil veľký Albert Einstein pri vysvetľovaní fotoelektrického javu: pri pôsobení svetla sa v kovoch objavil elektrický prúd! Je nepravdepodobné, že by Planck a Einstein mohli predpokladať, že svojimi prácami položia základy novej vedy - kvantovej mechaniky, ktorá bude určená na premenu nášho sveta na nepoznanie, a že v 21. storočí sa vedci priblížia k vytvoreniu kvantový počítač.

Na začiatku umožnila kvantová mechanika vysvetliť štruktúru atómu a pomohla porozumieť procesom, ktoré v ňom prebiehajú. Celkovo sa splnil starý sen alchymistov premeniť atómy niektorých prvkov na atómy iných (áno, dokonca aj na zlato). A Einsteinov známy vzorec E = mc2 viedol k vzniku atómovej energie a v dôsledku toho k atómovej bombe.

Päťkvbitový kvantový procesor od IBM

Dalej viac. Vďaka práci Einsteina a anglického fyzika Paula Diraca bol v druhej polovici 20. storočia vytvorený laser - tiež kvantový zdroj ultračistého svetla, zhromaždeného v úzkom lúči. Laserový výskum priniesol Nobelovu cenu viac ako tuctu vedcov a samotné lasery našli svoje uplatnenie takmer vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti - od priemyselných rezačiek a laserových pištolí až po snímače čiarových kódov a korekciu zraku. Približne v tom istom čase prebiehal aktívny výskum polovodičov - materiálov, pomocou ktorých je možné ľahko ovládať tok elektrického prúdu. Na ich základe boli vytvorené prvé tranzistory - neskôr sa stali hlavnými stavebnými prvkami modernej elektroniky, bez ktorých si už nevieme predstaviť svoj život.

Vývoj elektronických počítačov - počítačov - umožnil rýchlo a efektívne vyriešiť mnoho problémov. A postupný pokles ich veľkosti a nákladov (v dôsledku hromadnej výroby) otvoril cestu počítačom v každom dome. S príchodom internetu sa naša závislosť na počítačových systémoch vrátane komunikácie ešte posilnila.

Richard Feynman

Závislosť rastie, výpočtový výkon neustále rastie, ale je načase uznať, že napriek svojim pôsobivým schopnostiam počítače nedokázali vyriešiť všetky problémy, ktoré sme im pripravení položiť. Známy fyzik Richard Feynman bol jedným z prvých, kto o tom hovoril: už v roku 1981 na konferencii uviedol, že je v zásade nemožné presne vypočítať skutočný fyzický systém na bežných počítačoch. Je to všetko o jeho kvantovej povahe! Efekty v mierke sa dajú ľahko vysvetliť kvantovou mechanikou a veľmi zle - našou obvyklou klasickou mechanikou: opisuje správanie veľkých predmetov. V tom čase Feynman navrhol použiť alternatívne k výpočtu fyzických systémov kvantové počítače.

Čo je kvantový počítač a ako sa líši od počítačov, na ktoré sme zvyknutí? Všetko je to o tom, ako si informácie predkladáme.

Zatiaľ čo v bežných počítačoch sú za túto funkciu zodpovedné bity - nuly a jednotky, v kvantových počítačoch sú nahradené kvantovými bitmi (skrátene qubits). Samotný qubit je pomerne jednoduchá vec. Stále má dve základné hodnoty (alebo stavy, ako sa v kvantovej mechanike hovorí), ktoré môže trvať: 0 a 1. Kvôli vlastnosti kvantových objektov nazývaných „superpozícia“ však môže qubit nadobudnúť všetky hodnoty, ktoré sú kombináciou základných. Jeho kvantová povaha mu navyše umožňuje byť vo všetkých týchto stavoch súčasne.

Toto je rovnobežnosť kvantového výpočtu s qubits. Všetko sa deje naraz - už nemusíte prechádzať všetkými možnými variantmi stavov systému, ale presne to robí bežný počítač. Vyhľadávanie vo veľkých databázach, navrhovanie optimálnych trás, vývoj nových liekov je len niekoľko príkladov problémov, ktoré môžu kvantové algoritmy mnohonásobne urýchliť. Ide o úlohy, kde musíte prejsť obrovským počtom možností, aby ste našli správnu odpoveď.

Navyše na opis presného stavu systému už nie je potrebný obrovský výpočtový výkon a množstvo pamäte RAM, pretože na výpočet systému 100 častíc stačí 100 qubitov, a nie bilióny biliónov bitov. Navyše so zvýšením počtu častíc (ako v skutočných komplexných systémoch) je tento rozdiel ešte výraznejší.

Jedna z vyčerpávajúcich úloh vynikala zdanlivou zbytočnosťou - rozklad veľkého počtu na hlavné faktory (to znamená, že ich možno rozdeliť výlučne iba na seba a na jeden). Hovorí sa tomu „faktorizácia“. Faktom je, že bežné počítače môžu násobiť čísla pomerne rýchlo, aj keď sú veľmi veľké. Avšak s inverzným problémom rozkladu veľkého počtu vyplývajúceho z násobenia dvoch prvočísel na pôvodné faktory to bežné počítače robia veľmi zle. Napríklad na to, aby sa 256 -ciferný faktor rozdelil na dva faktory, aj ten najvýkonnejší počítač bude trvať viac ako tucet rokov. Ale kvantový algoritmus, ktorý dokáže vyriešiť tento problém za niekoľko minút, vynašiel v roku 1997 anglický matematik Peter Shore.

S príchodom Shorovho algoritmu čelila vedecká komunita vážnemu problému. Na konci sedemdesiatych rokov minulého storočia kryptografickí vedci na základe zložitosti problému faktorizácie vytvorili algoritmus šifrovania údajov, ktorý sa stal všadeprítomným. Najmä pomocou tohto algoritmu začali chrániť údaje na internete - heslá, osobnú korešpondenciu, bankové a finančné transakcie. A po mnohých rokoch úspešného používania sa zrazu ukázalo, že takto šifrované informácie sa stávajú ľahkým cieľom Shorovho algoritmu bežiaceho na kvantovom počítači. Dešifrovanie s ním sa stane otázkou niekoľkých minút. Jedna vec bola dobrá: kvantový počítač, na ktorom by bolo možné spustiť smrtiaci algoritmus, ešte nebol vytvorený.

Medzitým sa na celom svete začali desiatky vedeckých skupín a laboratórií zaoberať experimentálnym výskumom qubitov a možností vytvorenia kvantového počítača z nich. Jedna vec je teoreticky vymyslieť qubit a druhá vec je preniesť ho do reality. Na to bolo potrebné nájsť vhodný fyzický systém s dvoma kvantovými úrovňami, ktorý možno použiť ako základné stavy qubitu - nula a jedna. Sám Feynman vo svojom priekopníckom článku navrhol na tieto účely použiť fotóny skrútené v rôznych smeroch, ale prvými experimentálne vytvorenými qubitmi boli ióny zachytené v špeciálnych pasciach v roku 1995. Po iónoch nasledovalo mnoho ďalších fyzikálnych realizácií: atómové jadrá, elektróny, fotóny, defekty v kryštáloch, supravodivé reťazce - všetky splnili stanovené požiadavky.

Táto odroda mala svoje opodstatnenie. Rôzne vedecké skupiny poháňané intenzívnou konkurenciou vytvárali stále dokonalejšie qubity a stavali z nich stále komplexnejšie schémy. Pre qubits existovali dva hlavné konkurenčné parametre: ich životnosť a počet qubitov, ktoré bolo možné vytvoriť tak, aby spolupracovali.

Laboratórium umelých kvantových systémov

Životnosť qubitov určovala, ako dlho bol krehký kvantový stav v nich uložený. To zase určilo, koľko výpočtových operácií bolo možné vykonať na qubite, než „zomrel“.

Aby kvantové algoritmy fungovali efektívne, nebol potrebný jeden qubit, ale najmenej sto a navyše spolupráca. Problém bol v tom, že qubits nemali veľmi radi spolužitie a protestovali proti dramatickému poklesu ich života. Vedci museli ísť na všetky druhy trikov, aby túto hádanku z qubits obišli. A napriek tomu sa vedcom do dnešného dňa podarilo získať maximálne jednu až dve desiatky qubitov, aby spolupracovali.

Na radosť kryptografov je teda kvantový počítač stále vecou budúcnosti. Aj keď to nie je vôbec také vzdialené, ako by sa niekedy mohlo zdať, predsa len sa aktívne zapájajú najväčšie korporácie ako Intel, IBM a Google, ako aj jednotlivé štáty, pre ktoré je tvorba kvantového počítača záležitosťou strategického významu. pri jeho tvorbe.

Nenechajte si ujsť prednášku:

18. marca 2015 o 10:15 hod

Trochu o kvantových počítačoch a o tom, či zmenia naše životy

Mnohí z nás počuli o kvantovom počítači, ale čo to je a čo je najdôležitejšie, aké úlohy s ním možno vyriešiť, nie je každému známe. Kvantový počítač už niekoľko rokov aktívne študujú najlepšie mysle na svete; dokonca sa objavil na titulnej strane časopisu Time s titulkom: „Sľubuje, že vyrieši niektoré z najťažších problémov ľudstva, pričom nikto nevie, ako skutočne funguje.“

Teraz počítače skúmajú mnohí vedci a veľké spoločnosti ako Google, IBM, Microsoft a ďalšie. Podľa nich, ak sa takýto počítač ešte podarí vytvoriť, bude to skutočný prelom, porovnateľný s objavom klasických počítačov.

Kvantový počítač a neprekonateľné ťažkosti

Kvantový počítač je počítačové zariadenie, ktoré pracuje podľa princípov kvantovej mechaniky, ktorú možno právom nazvať najťažším odvetvím fyziky. Kvantová mechanika vznikla na začiatku 20. storočia a študuje správanie kvantových systémov a ich prvkov. Kvantová častica môže byť na viacerých miestach a v rôznych stavoch súčasne, preto kvantová mechanika podľa definície úplne odporuje všeobecnej relativite. Nepúšťajme sa však hlboko do vedy, ale vráťme sa k našej hlavnej téme - kvantovému počítaču.

Začiatkom storočia bolo zrejmé, že používanie elektrických obvodov na vytváranie výpočtových zariadení má svoje limity a všetky sa prakticky dosiahli. Teraz ľudstvo stojí pred novými a novými úlohami, na ktorých riešenie nebudú klasické počítače stačiť. Najjednoduchším príkladom takéhoto problému je faktorizácia veľkého počtu. Na tento účel bola postavená väčšina kryptografických systémov. Bude sa to zdať triviálne, ale ak by niekto dokázal rýchlo rozložiť veľké množstvo na hlavné faktory, potom by pre neho boli dostupné transakcie vo všetkých bankách sveta.

Ďalšou nemenej dôležitou úlohou, s ktorou sa moderné počítače nikdy nedokážu vyrovnať, je modelovanie kvantových systémov a molekúl DNA. Na základe toho môžeme konštatovať, že tvorba kvantových počítačov je veľmi sľubným riešením, ktoré vyrieši tieto a mnohé ďalšie problémy.

Ako funguje kvantový počítač

Klasický počítač funguje na báze tranzistorov a kremíkových čipov, ktoré na spracovanie informácií používajú binárny kód pozostávajúci z núl a jednotiek. Trochu, ako minimálna jednotka informácie, má dva základné stavy: 1 a 0. Zmeny v týchto stavoch je možné ľahko ovládať: objekty môžu byť na konkrétnom mieste alebo nie. Preto je možné mnoho fyzických objektov vonkajšieho sveta preniesť do virtuálneho pomocou komplexných bitových kombinácií. Práca kvantového počítača bude založená na princípe superpozície a namiesto bitov budú použité qubity (kvantové bity), ktoré môžu byť súčasne vo všetkých druhoch stavov (v 1 a 0 súčasne). Podľa vedcov budú kvôli tomu kvantové počítače pre určité triedy problémov miliónkrát silnejšie než tie súčasné. Už boli popísané desiatky rôznych algoritmov pre prevádzku kvantového počítača, dokonca sa vyvíjajú aj špeciálne programovacie jazyky.

Svet celkovo používa kvantové technológie už nejaký čas. Lasery, tomografy a ultrasenzitívne mikroskopy sú založené na hmotnostných efektoch vytvorených veľkými skupinami kvantových častíc alebo vĺn, ktoré sa riadia zákonmi kvantovej mechaniky. Hlavnou úlohou je použiť tieto efekty pre jednotlivé častice, a nie pre skupiny ako celok.

Na čo slúži kvantový počítač?

Vedci síce pracujú na vytvorení kvantového počítača, ale súčasne hľadajú jeho využitie. Hlavnou skutočnosťou zostáva, že takýto počítač bude schopný okamžite vykonávať výpočty a pracovať s veľkým množstvom údajov.

Kvantové počítače môžu optimalizovať mnoho procesov, od medicíny až po strojárstvo. Ľudia budú napríklad môcť skôr diagnostikovať rakovinu alebo vykonávať sofistikovanejšie autopiloty. Ako už bolo spomenuté, s kvantovým počítačom bude možné rýchlo vylúčiť veľké množstvo a simulovať molekuly DNA. Existuje tiež teória, že kvantový počítač si poradí s úlohami, ktoré konvenčný počítač nevie vyriešiť, alebo na ňom strávi tisíce rokov výpočtov. Toto je napríklad tvorba umela inteligencia alebo hľadanie inteligentných bytostí vo vesmíre okrem ľudí. V každom prípade sa všetci vedci zhodujú na tom, že toto vytvorenie takého počítača bude skutočným prelomom, možno hlavným v histórii ľudstva.

Oprava chýb je hlavným problémom kvantových počítačov

Chyby v kvantových počítačoch je možné rozdeliť do dvoch hlavných úrovní. Chyby úrovne 1 sú spoločné pre všetky počítače, vrátane klasických. Medzi tieto chyby patrí nedobrovoľná zmena qubitov v dôsledku vonkajšieho hluku (napríklad: kozmické žiarenie alebo žiarenie). Tento problém nedávno riešili špecialisti z Googlu. Na vyriešenie tohto problému vytvoril tím vedcov pod vedením Juliana Kellyho špeciálny kvantový obvod s deviatimi qubitmi, ktorý hľadá chyby v systéme. Ostatné qubits sú zodpovedné za uchovávanie informácií, a preto ich uchovávajú dlhšie ako pomocou jedného qubitu. Hlavný problém však nezmizol; zostáva druhá úroveň chýb.

Qubity sú vo svojej podstate nestabilné, okamžite zabudnú informácie, ktoré chcete uložiť v kvantovom počítači. Pod vplyvom prostredia na qubit je narušená komunikácia vo vnútri kvantového systému (proces dekoherencie). Aby sme sa toho zbavili, musí byť kvantový procesor čo najviac izolovaný od vonkajších faktorov. Ako to spraviť? - je stále záhadou. Podľa odborníkov bude 99% výkonu takého počítača vynaloženého na opravu chýb a iba 1% bude stačiť na vyriešenie akýchkoľvek problémov. Chyby sa samozrejme nedajú úplne odstrániť, ale ak ich minimalizujete na určitú úroveň, kvantový počítač môže fungovať.

Ako blízko je ľudstvo k vytváraniu kvantových počítačov?

Na túto otázku je teraz veľmi ťažké odpovedať - takmer nemožné. Správy o prelomoch v tejto oblasti sa objavujú pravidelne, ale nedá sa povedať, že sú globálne. Každý má záujem vytvárať kvantové počítače: od armády po technologické spoločnosti. D-Wawe, s ktorou Google a NASA aktívne spolupracujú, tvrdí, že vytvoril 84-qubitový procesor, ale kritici

Minulý týždeň sa objavili správy, že spoločnosť Google urobila prielom vo vývoji kvantových počítačov -
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 výpočet. 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 helicity
(existuje taká charakteristika stavu elementárnych častíc, nebudeme zachádzať do podrobností) prvá častica je pozitívna, potom bude helicity 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 vyriešiť 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 umelej inteligencie. 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. Medzi dokumentmi publikovanými Edwardom Snowdenom boli napríklad informácie o tom, že NSA má projekt „Nasadenie v komplexných cieľoch“, 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 veria, 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 tieto zmeny. A týmto problémom v kvantových počítačoch sa nedávno zaoberal Google: stabilizovali reťazec deväť lakťov.
a zachránil ju pred chybami. Tento prielom má však jednu výhradu: Google sa zaoberal klasickými chybami v klasickom výpočtovom systéme. 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 takého 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.