29. januara 2017
Za mene je izraz "kvantni kompjuter" uporediv, na primjer, sa "fotonskim motorom", odnosno to je nešto vrlo složeno i fantastično. Međutim, sada sam pročitao u vijestima - "kvantni kompjuter se prodaje svakome ko ga želi." Čudno je, da li pod ovim izrazom sada misle nešto drugo, ili je to samo laž?
Pogledajmo izbliza...
KAKO JE SVE POČELO?
Tek sredinom 1990-ih teorija kvantnih kompjutera i kvantnog računarstva se etablirala kao novo područje nauke. Kao što je često slučaj sa sjajnim idejama, teško je izabrati otkrića. Očigledno je mađarski matematičar I. von Neumann prvi skrenuo pažnju na mogućnost razvoja kvantne logike. Međutim, tada još nisu bili stvoreni ne samo kvantni, već ni obični, klasični kompjuteri. A s pojavom potonjeg, ispostavilo se da su glavni napori naučnika prvenstveno usmjereni na pronalaženje i razvoj novih elemenata za njih (tranzistori, a zatim integrisana kola), a ne na stvaranju fundamentalno različitih računarskih uređaja.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar R. Landauer, koji je radio u IBM korporaciji, pokušao je skrenuti pažnju naučnog svijeta na činjenicu da je računanje uvijek neka vrsta fizičkog procesa, što znači da je nemoguće razumjeti granice naših računskih sposobnosti bez navođenja koje su fizičke implementacije. Nažalost, u to vrijeme među naučnicima je dominirao pogled na računanje kao neku vrstu apstraktnog logičkog postupka, koji bi trebali proučavati matematičari, a ne fizičari.
Kako su se kompjuteri širili, kvantni naučnici su došli do zaključka da je praktično nemoguće direktno izračunati stanje evoluirajućeg sistema koji se sastoji od samo nekoliko desetina interakcijskih čestica, kao što je molekul metana (CH4). Ovo se objašnjava činjenicom da za puni opis kompleksnog sistema, potrebno je u memoriji računara držati eksponencijalno veliki (u smislu broja čestica) broj varijabli, tzv. kvantne amplitude. Nastala je paradoksalna situacija: poznavajući jednačinu evolucije, poznavajući sa dovoljnom tačnošću sve potencijale interakcije čestica jedne s drugom i početno stanje sistema, praktično je nemoguće izračunati njegovu budućnost, čak i ako se sistem sastoji od samo 30 elektrona u potencijalnoj bušotini, a postoji i superkompjuter sa memorijom nasumičnog pristupa, čiji je broj bitova jednak broju atoma u vidljivom području Univerzuma (!). A u isto vrijeme, da biste proučavali dinamiku takvog sistema, možete jednostavno postaviti eksperiment sa 30 elektrona, stavljajući ih u zadani potencijal i početno stanje. Na to je posebno ukazao ruski matematičar Yu I. Manin, koji je 1980. godine ukazao na potrebu razvoja teorije kvantnih računarskih uređaja. Osamdesetih godina prošlog veka isti problem su proučavali američki fizičar P. Benev, koji je jasno pokazao da kvantni sistem može da vrši proračune, kao i engleski naučnik D. Dojč, koji je teoretski razvio univerzalni kvantni računar superiorniji od klasičnog analoga. .
Veliku pažnju na problem razvoja kvantnih kompjutera privukao je dobitnik Nobelove nagrade za fiziku R. Feynman. Zahvaljujući njegovoj autoritativnoj privlačnosti, broj stručnjaka koji su posvetili pažnju kvantnom računarstvu višestruko se povećao.
Osnova Shorovog algoritma: sposobnost kubita da pohranjuju više vrijednosti u isto vrijeme)
Ipak, dugo je bilo nejasno da li se hipotetička moć računara može iskoristiti. kvantni kompjuter da se ubrza rešenje praktični zadaci... Ali 1994. godine, P. Shore, američki matematičar i zaposlenik Lucent Technologies (SAD), zaprepastio je naučni svijet predloživši kvantni algoritam koji omogućava brzu faktorizaciju velikih brojeva (o važnosti ovog problema već je bilo riječi u uvodu). U poređenju sa najboljim od do sada poznatih klasičnih metoda, Šorov kvantni algoritam daje višestruko ubrzanje proračuna, a što je faktor faktorizovaniji broj duži, to je veći dobitak u brzini. Algoritam brze faktorizacije je od velikog praktičnog interesa za razne specijalne servise koji su akumulirali banke nešifriranih poruka.
Godine 1996., Šorov kolega iz Lucent Technologies, L. Grover, predložio je kvantni algoritam brzog pretraživanja u neuređenoj bazi podataka. (Primjer takve baze podataka je telefonski imenik, u kojem su imena pretplatnika raspoređena ne po abecednom redu, već na proizvoljan način.) Zadatak pretraživanja, odabira optimalni element među mnogim opcijama, vrlo se često nalazi u ekonomskim, vojnim, inženjerskim problemima, u kompjuterskim igricama. Groverov algoritam omogućava ne samo da se ubrza proces pretraživanja, već i približno udvostruči broj parametara koji se uzimaju u obzir pri odabiru optimuma.
Pravo stvaranje kvantnih kompjutera ometao je u suštini jedini ozbiljan problem - greške ili smetnje. Činjenica je da isti nivo interferencije kvari proces kvantnog računanja mnogo intenzivnije od klasičnog računanja.
Ako kažeš jednostavnim riječima, zatim: " kvantni sistem daje rezultat koji je tačan samo sa određenom vjerovatnoćom. Drugim riječima, ako izbrojite 2 + 2, onda će 4 izaći samo sa određenim stepenom tačnosti. Nikada nećete dobiti tačno 4. Logika njegovog procesora nimalo nije slična procesoru na koji smo navikli.
Postoje metode za izračunavanje rezultata sa unapred određenom tačnošću, naravno sa povećanjem količine vremena na računaru.
Ova funkcija određuje listu zadataka. I ova karakteristika se ne reklamira, a u javnosti se stiče utisak da je kvantni računar isti kao i običan računar (isti 0 i 1), samo brz i skup. To u osnovi nije slučaj.
Da, i još nešto - za kvantni računar i kvantno računarstvo uopšte, posebno da bi se iskoristila "snaga i brzina" kvantnog računarstva - potrebni su posebni algoritmi i modeli razvijeni posebno za specifičnosti kvantnog računarstva. Dakle, složenost upotrebe kvantnog računara nije samo u prisustvu "hardvera", već i u kompilaciji novih metoda proračuna koje još nisu korišćene. "
Sada idemo na praktična implementacija kvantni kompjuter: komercijalni 512-kubitni D-Wave procesor postoji već neko vrijeme i čak se prodaje !!!
Evo, izgleda da je pravi proboj !!! A grupa uglednih naučnika u jednako uglednom časopisu Physical Review uvjerljivo svjedoči da su efekti kvantne isprepletenosti zaista otkriveni u D-Waveu.
U skladu s tim, ovaj uređaj s razlogom ima pravo nazvati pravim kvantnim kompjuterom, arhitektonski je sasvim moguće za daljnje povećanje broja kubita, te stoga ima izuzetne izglede za budućnost... (T. Lanting et al. Zapletenost u procesoru kvantnog žarenja FIZIČKI PREGLED X 4 , 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))
Istina, nešto kasnije, druga grupa uglednih naučnika u ništa manje uglednom časopisu Science, koji su proučavali isti D-Wave računarski sistem, procijenila je to isključivo u praksi: koliko dobro ovaj uređaj obavlja svoje računske funkcije. I ova grupa naučnika, jednako temeljito i uvjerljivo kao i prva, pokazuje da u stvarnim testovima koji su optimalni za ovaj dizajn, D-Wave kvantni kompjuter ne daje nikakav dobitak u brzini u odnosu na obične, klasične kompjutere. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Definiranje i otkrivanje kvantnog ubrzanja. SCIENCE, jun 2014. Vol. 344 # 6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))
Zapravo, za skupu, ali specijalizovanu "mašinu budućnosti" nije bilo problema gde bi mogla da pokaže svoju kvantnu superiornost. Drugim riječima, sam smisao prilično skupih napora da se stvori takav uređaj pokazuje se pod velikom sumnjom...
Rezultati su sljedeći: sada u naučnoj zajednici više nema sumnje da se rad elemenata u D-Wave kompjuterskom procesoru zapravo odvija na osnovu stvarnih kvantnih efekata između kubita.
Ali (a ovo je izuzetno ozbiljno ALI), ključne karakteristike u dizajnu D-Wave procesora su takve da, u stvarnom radu, sva njegova kvantna fizika ne daje nikakvu prednost u poređenju sa običnim moćnim računarom sa poseban softvera, izoštren za rješavanje problema optimizacije.
Jednostavno rečeno, ne samo da naučnici koji testiraju D-Wave još nisu mogli vidjeti niti jedan pravi izazov gdje bi kvantni kompjuter mogao uvjerljivo pokazati svoju računsku superiornost, ali čak ni sam proizvođač nema pojma koji bi zadatak mogao biti...
Sve se svodi na karakteristike dizajna 512-kubitnog D-Wave procesora, koji je sastavljen od grupa od 8 kubita. Istovremeno, unutar ovih grupa od 8 kubita, svi oni međusobno komuniciraju direktno, ali između ovih grupa veze su vrlo slabe (idealno bi bilo da SVI procesorski kubiti komuniciraju direktno jedni s drugima). Ovo, naravno, JAKO značajno smanjuje kompleksnost izgradnje kvantnog procesora... ALI, odavde raste i puno drugih problema, koji završavaju konačnom i veoma skupom kriogenom opremom u radu, hlađenjem kola na ultraniske temperature.
Pa šta nam se sada nudi?
Kanadska kompanija D-Wave objavila je početak prodaje svog kvantnog računara D-Wave 2000Q, koji je najavljen u septembru prošle godine. Pridržavajući se sopstvenog analoga Murovog zakona, prema kojem se broj tranzistora na integrisanom kolu udvostručuje svake dve godine, D-Wave je postavio 2.048 kubita na CPU (kvantnu procesorsku jedinicu). Dinamika rasta broja kubita na CPU-u posljednjih godina izgleda ovako:
2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.
Štaviše, za razliku od tradicionalnih procesora, CPU-a i GPU-a, udvostručenje kubita je praćeno ne 2-strukim, već 1000-strukim povećanjem performansi. U poređenju sa računarom sa tradicionalnom arhitekturom i konfiguracijom jednojezgrenog CPU-a i 2500-jezgrenog GPU-a, razlika u brzini je 1.000 do 10.000 puta. Sve ove brojke su svakako impresivne, ali postoji nekoliko „ali“.
Prvo, D-Wave 2000Q je izuzetno skup - 15 miliona dolara To je prilično masivan i složen uređaj. Njegov mozak je procesor od obojenog metala nazvan niobijum, čija supravodljiva svojstva (neophodna za kvantne računare) nastaju u vakuumu na temperaturama blizu apsolutne nule ispod 15 milikelvina (ovo je 180 puta niže od temperature u svemiru).
Održavanje tako ekstremno niske temperature zahtijeva visoke troškove energije, 25 kW. Ali ipak, prema proizvođaču, ovo je 100 puta manje od ekvivalentnih performansi tradicionalnih superračunara. Dakle, performanse D-Wave 2000Q po vatu potrošnje energije su 100 puta veće. Ako kompanija uspije da nastavi slijediti svoj "Mooreov zakon", onda će u njenim budućim računarima ova razlika eksponencijalno rasti, uz održavanje potrošnje energije na trenutnom nivou.
Prvo, kvantni kompjuteri imaju vrlo specifičnu svrhu. U slučaju D-Wave 2000Q, riječ je o tzv. adijabatski kompjuteri i rješavanje problema kvantne normalizacije. Oni se javljaju posebno u sljedećim područjima:
Mašinsko učenje:
Identifikacija statističkih anomalija
- pronalaženje komprimiranih modela
- prepoznavanje slika i uzoraka
- obuka neuronskih mreža
- verifikacija i odobrenje softvera
- klasifikacija podataka bez strukture
- dijagnostika grešaka u strujnom kolu
Sigurnost i planiranje
Detekcija virusa i hakovanja mreže
- alokacija resursa i pronalaženje optimalnih puteva
- utvrđivanje pripadnosti skupu
- analiza svojstava grafikona
- faktorizacija cijelih brojeva (koristi se u kriptografiji)
Finansijsko modeliranje
Identifikacija nestabilnosti tržišta
- razvoj strategija trgovanja
- optimizacija putanja trgovanja
- optimizacija cijene imovine i zaštite od zaštite
- optimizacija portfelja
Zdravstvo i medicina
Otkrivanje prijevare (vjerovatno zdravstveno osiguranje)
- stvaranje ciljane ("molekularno ciljane") terapije lijekovima
- optimizacija liječenja [karcinoma] radioterapijom
- stvaranje proteinskih modela.
Prvi kupac D-Wave 2000Q bio je TDS (Temporal Defense Systems), kompanija za sajber sigurnost. Općenito, D-Wave proizvode koriste kompanije i institucije kao što su Lockheed Martin, Google, Ames Research Center pri NASA-i, Univerzitet Južne Kalifornije i Nacionalna laboratorija Los Alamos pri Ministarstvu energetike SAD-a.
Dakle, riječ je o rijetkoj (D-Wave je jedina kompanija na svijetu koja proizvodi komercijalne uzorke kvantnih kompjutera) i skupoj tehnologiji sa prilično uskom i specifičnom primjenom. Ali stopa rasta njegove produktivnosti je zadivljujuća, i ako se ova dinamika nastavi, onda zahvaljujući adijabatskim kompjuterima D-Wave (kojima bi se i druge kompanije eventualno mogle pridružiti), možemo očekivati prave pomake u nauci i tehnologiji u narednim godinama. Posebno je zanimljiva kombinacija kvantnih kompjutera s tako obećavajućom i brzo razvijajućom tehnologijom kao što je umjetna inteligencija, pogotovo jer tako autoritativni stručnjak kao što je Andy Rubin u tome vidi perspektivu.
Inače, znali ste da je IBM korporacija omogućila korisnicima Interneta da se besplatno povežu na univerzalni kvantni računar koji je ona napravila i eksperimentišu sa kvantnim algoritmima. Ovaj uređaj neće imati dovoljno snage za provalu u kriptografske sisteme javni ključ ali ako se IBM-ovi planovi ostvare, sofisticiraniji kvantni kompjuteri nisu daleko.
Kvantni računar koji je IBM stavio na raspolaganje sadrži pet kubita: četiri za manipulaciju podacima i petog za ispravljanje grešaka tokom izračunavanja. Ispravljanje grešaka glavna je inovacija na koju su njeni programeri ponosni. To će olakšati povećanje broja kubita u budućnosti.
IBM naglašava da je njegov kvantni kompjuter univerzalan i sposoban za izvršavanje svih kvantnih algoritama. Ovo ga izdvaja od adijabatskih kvantnih kompjutera koje razvija D-Wave. Adijabatski kvantni kompjuteri dizajnirani su za pretraživanje optimalno rešenje funkcije i nisu prikladni za druge svrhe.
Vjeruje se da će vam univerzalni kvantni računari omogućiti rješavanje nekih problema koji su izvan moći konvencionalnih računara. Najpoznatiji primjer takvog problema je faktorizacija brojeva. Običnom računaru, čak i veoma brzom, trebaće stotine godina da pronađe prafaktore velikog broja. Kvantni kompjuter će ih pronaći koristeći Shorov algoritam skoro jednako brzo kao i množenje cijelih brojeva.
Nemogućnost brzog uračunavanja brojeva u proste faktore je u srcu kriptografskih sistema javnog ključa. Ako nauče da izvode ovu operaciju brzinom koju kvantni algoritmi obećavaju, onda većina moderna kriptografija morati zaboraviti.
Možete pokrenuti Shorov algoritam na IBM-ovom kvantnom računaru, ali dok nema više kubita, malo je koristi. Ovo će se promijeniti u narednih deset godina. Do 2025. godine IBM planira izgraditi kvantni kompjuter koji će sadržavati pedeset do sto kubita. Prema mišljenju stručnjaka, čak i sa pedeset kubita, kvantni kompjuteri će moći riješiti neke praktične probleme.
Evo još malo zanimljivosti o kompjuterskoj tehnologiji: pročitajte kako, ali ispostavilo se da možete i kakve
O kvantnom računarstvu, barem u teoriji, priča se decenijama. Moderni tipovi mašina koji koriste neklasičnu mehaniku za obradu potencijalno nezamislivih količina podataka veliki su proboj. Prema riječima programera, njihova implementacija se pokazala kao možda najsloženija tehnologija ikada stvorena. Kvantni procesori rade na nivoima materije koje je čovječanstvo poznavalo prije otprilike 100 godina. Potencijal za takve proračune je ogroman. Korišćenje bizarnih svojstava kvanta ubrzaće proračune, pa će mnogi problemi koji su trenutno izvan moći klasičnih računara biti rešeni. I to ne samo u oblasti hemije i nauke o materijalima. Volstrit takođe pokazuje interesovanje.
Ulaganje u budućnost
CME grupa je investirala u 1QB Information Technologies Inc. sa sjedištem u Vancouveru, koja razvija softver za kvantne procesore. Prema investitorima, takvi proračuni će vjerovatno imati najveći utjecaj na industrije koje se bave velikim količinama vremenski osjetljivih podataka. Finansijske institucije su primjer takvih potrošača. Goldman Sachs je investirao u D-Wave Systems, a In-Q-Tel finansira CIA. Prvi proizvodi mašine koje rade ono što se naziva "kvantno žarenje", odnosno rješavaju probleme optimizacije niskog nivoa koristeći kvantni procesor. Intel takođe ulaže u ovu tehnologiju, iako smatra da je njena implementacija stvar budućnosti.
Zašto je ovo potrebno?
Razlog zašto je kvantno računarstvo tako uzbudljivo leži u njegovoj savršenoj kombinaciji sa mašinskim učenjem. To je trenutno glavna aplikacija za takve proračune. Dio same ideje kvantnog kompjutera je korištenje fizičkog uređaja za pronalaženje rješenja. Ponekad ovaj koncept objasni na primjeru igre Angry Birds. CPU tableta koristi matematičke jednadžbe za simulaciju gravitacije i interakcije sudarajućih objekata. Kvantni procesori okreću ovaj pristup naopačke. Ispuštaju nekoliko ptica i gledaju šta se dešava. Ptice se snimaju u mikročip, bacaju se, koja je optimalna putanja? Zatim se sve provjerava moguća rješenja ili barem njihova vrlo velika kombinacija, i odgovor je dat. U kvantnom kompjuteru, a ne matematičaru, umjesto toga funkcionišu zakoni fizike.
Kako to radi?
Osnovni gradivni blokovi našeg svijeta su kvantna mehanika. Ako pogledate molekule, razlog zašto se formiraju i ostaju stabilni je interakcija njihovih elektronskih orbitala. Svi kvantnomehanički proračuni sadržani su u svakom od njih. Njihov broj raste eksponencijalno sa brojem simuliranih elektrona. Na primjer, za 50 elektrona postoji 2 na 50. stepen moguće opcije... Ovo je fenomenalno, pa se danas ne može izračunati. Povezivanje teorije informacija sa fizikom može ukazati na put ka rješavanju takvih problema. Računar od 50 kubita to može.
Zora nove ere
Prema Landonu Downsu, predsjedniku i suosnivaču 1QBit-a, kvantni procesor- to je sposobnost korištenja računarske snage subatomskog svijeta, što je od velike važnosti za dobijanje novih materijala ili stvaranje novih lijekova. Događa se prijelaz iz paradigme otkrića u novu eru dizajna. Na primjer, kvantno računarstvo se može koristiti za modeliranje katalizatora koji izvlače ugljik i dušik iz atmosfere i na taj način pomažu u zaustavljanju globalnog zagrijavanja.
Na čelu napretka
Tehnološka zajednica je izuzetno uzbuđena i zaposlena. Timovi širom svijeta u startap kompanijama, korporacijama, univerzitetima i vladinim laboratorijama utrkuju se u izgradnji mašina koje imaju različite pristupe obradi kvantnih informacija. Stvoreni su superprovodljivi kubit čipovi i zarobljeni jonski kubiti, koje proučavaju istraživači sa Univerziteta Merilend i američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju. Microsoft razvija topološki pristup pod nazivom Station Q, koji ima za cilj korištenje neabelovog anjona za koji tek treba da bude konačno dokazano da postoji.
Godina vjerovatnog proboja
A ovo je samo početak. Od kraja maja 2017. broj procesora kvantnog tipa koji definitivno mogu učiniti nešto brže ili bolje od klasičnog računara je nula. Takav događaj bi uspostavio "kvantnu nadmoć", ali se to još nije dogodilo. Iako je vjerovatno da bi se to moglo dogoditi ove godine. Većina upućenih kaže da je jasan favorit google grupa koju vodi profesor fizike na Kalifornijskom univerzitetu u Santa Barbari, John Martini. Njegov cilj je postizanje računske superiornosti sa procesorom od 49 kubita. Do kraja maja 2017. tim je uspješno testirao 22-kubitni čip kao privremeni korak ka rastavljanju klasičnog superkompjutera.
Kako je sve počelo?
Ideja korištenja kvantne mehanike za obradu informacija postoji već desetljećima. Jedan od ključnih događaja dogodio se 1981. godine kada su IBM i MIT zajedno bili domaćini konferencije o fizici računarstva. Čuveni fizičar je predložio da se napravi kvantni kompjuter. Prema njegovim riječima, za modeliranje treba koristiti sredstva kvantne mehanike. A ovo je sjajan zadatak jer se ne čini tako lakim. U kvantnom procesoru princip rada zasniva se na nekoliko čudnih svojstava atoma - superpozicije i isprepletenosti. Čestica može biti u dva stanja istovremeno. Međutim, kada se izmjeri, pojavit će se samo u jednom od njih. A nemoguće je predvideti koji, osim sa stanovišta teorije verovatnoće. Ovaj efekat je u srcu misaonog eksperimenta sa Schrödingerovom mačkom, koja je istovremeno živa i mrtva u kutiji sve dok se posmatrač ne ušunja tamo. Ništa unutra Svakodnevni život ne radi na taj način. Ipak, oko milion eksperimenata sprovedenih od početka 20. veka pokazuje da superpozicija postoji. I sljedeći korakće shvatiti kako koristiti ovaj koncept.
Kvantni procesor: opis posla
Klasični bitovi mogu imati vrijednost 0 ili 1. Ako prođete njihov niz kroz "logičke kapije" (I, ILI, NOT, itd.), tada možete množiti brojeve, crtati slike, itd. Kubit može poprimiti vrijednosti 0, 1 ili oboje u isto vrijeme. Ako su, recimo, 2 kubita zapletena, to ih čini savršeno povezanim. Kvantni procesor može koristiti logička vrata. T. n. Adamardova kapija, na primjer, stavlja kubit u stanje savršene superpozicije. Kada se superpozicija i isprepletanje kombinuju sa pametno postavljenim kvantnim kapijama, potencijal subatomskog proračuna počinje da se razvija. 2 kubita vam omogućavaju da istražite 4 stanja: 00, 01, 10 i 11. Princip rada kvantnog procesora je takav da izvođenje logičke operacije omogućava rad sa svim pozicijama odjednom. A broj dostupnih stanja je 2 na stepen broja kubita. Dakle, ako napravite univerzalni kvantni kompjuter od 50 kubita, onda teoretski možete istražiti svih 1.125 kvadriliona kombinacija istovremeno.
Kudits
Kvantni procesor u Rusiji se vidi malo drugačije. Naučnici sa Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i Ruskog kvantnog centra stvorili su „kudite“, koji su nekoliko „virtuelnih“ kubita sa različitim „energetskim“ nivoima.
Amplitude
Kvantni procesor ima prednost što se kvantna mehanika zasniva na amplitudama. Amplitude su slične vjerovatnoći, ali mogu biti i negativni i kompleksni brojevi. Dakle, ako je potrebno izračunati vjerovatnoću događaja, možete dodati amplitude svih mogućih varijanti njihovog razvoja. Ideja koja stoji iza kvantnog računarstva je pokušati podesiti na takav način da neki putevi do pogrešnih odgovora imaju pozitivne amplitude, a neki negativne, tako da se međusobno poništavaju. A putanje koje vode do tačnog odgovora imale bi amplitude koje su jedna s drugom u fazi. Trik je u tome što morate sve organizirati, a da ne znate unaprijed koji je odgovor tačan. Dakle, eksponencijalnost kvantnih stanja, u kombinaciji sa potencijalom interferencije između pozitivnih i negativnih amplituda, predstavlja prednost ove vrste proračuna.
Šorov algoritam
Mnogo je zadataka koje kompjuter ne može riješiti. Na primjer, šifriranje. Problem je u tome što nije lako pronaći proste faktore 200-cifrenog broja. Čak i ako laptop ima odličan softver, možda će trebati godine da se pronađe odgovor. Dakle, još jedna prekretnica u kvantnom računarstvu bio je algoritam koji je 1994. objavio Peter Shor, sada profesor matematike na MIT-u. Njegova metoda je pronalaženje faktora velikog broja pomoću kvantnog kompjutera koji još nije postojao. U suštini, algoritam izvodi operacije koje označavaju područja s tačnim odgovorom. Sljedeće godine, Shore je otkrio metodu za kvantnu korekciju greške. Tada su mnogi shvatili da je to - alternativni način računanje, koje u nekim slučajevima može biti moćnije. Tada je došlo do porasta interesovanja od strane fizičara za stvaranje kubita i logičkih kapija između njih. A sada, dvije decenije kasnije, čovječanstvo je na ivici stvaranja punopravnog kvantnog kompjutera.
Čovečanstvo je, kao i pre 60 godina, ponovo na ivici grandioznog proboja u sferi računarska tehnologija... Vrlo brzo će kvantni računari zamijeniti današnje računarske mašine.
Kakav je napredak postignut
Gordon Moore je još 1965. godine rekao da se za godinu dana broj tranzistora koji stane u silicijumski mikročip udvostruči. Ovaj tempo napretka U poslednje vreme je usporio, a udvostručavanje se dešava rjeđe - jednom u dvije godine. Čak i ovom brzinom, u bliskoj budućnosti, tranzistori će moći dostići veličinu atoma. Dalje - linija koju je nemoguće preći. Sa stanovišta fizičke strukture tranzistora, on nikako ne može biti manji od atomskih vrijednosti. Povećanje veličine čipa ne rješava problem. Rad tranzistora povezan je s oslobađanjem toplinske energije, a procesorima je potreban visokokvalitetan sistem hlađenja. Arhitektura sa više jezgara takođe se ne bavi pitanjem daljeg rasta. Uskoro dolazi vrhunac u razvoju moderne procesorske tehnologije.
Programeri su shvatili ovaj problem u vrijeme kada su lični računari tek počeli da se pojavljuju među korisnicima. 1980. godine, jedan od osnivača kvantne informatike, sovjetski profesor Yuri Manin, formulirao je ideju kvantnog računarstva. Godinu dana kasnije, Richard Feyman je predložio prvi model kompjutera sa kvantnim procesorom. Teorijska osnova o tome kako bi kvantni kompjuteri trebali izgledati formulirao je Paul Benioff.
Kako radi kvantni kompjuter
Da biste razumjeli kako to funkcionira novi procesor, potrebno je barem površno poznavanje principa kvantne mehanike. Nema smisla ovdje davati matematičke rasporede i izvoditi formule. Za laike je dovoljno da se upoznaju sa tri karakteristične karakteristike kvantne mehanike:
- Stanje ili položaj čestice određuje se samo sa bilo kojim stepenom vjerovatnoće.
- Ako čestica može imati više stanja, tada je u svim mogućim stanjima odjednom. Ovo je princip superpozicije.
- Proces mjerenja stanja čestice dovodi do nestanka superpozicije. Karakteristično je da se saznanja dobijena mjerenjem o stanju čestice razlikuju od stvarnog stanja čestice prije mjerenja.
Sa stanovišta zdravog razuma - potpuna glupost. U našem običnom svijetu ovi principi se mogu predstaviti na sljedeći način: vrata sobe su zatvorena, a istovremeno su i otvorena. Zatvorena i otvorena u isto vrijeme.
Ovo je upadljiva razlika u računanju. Običan procesor u svojim akcijama radi sa binarnim kodom. Računalni bitovi mogu biti u samo jednom stanju - imati logičku vrijednost 0 ili 1. Kvantni računari rade sa kubitima, koji mogu imati logičku vrijednost od 0, 1, 0 i 1 odjednom. Da bi riješili određene probleme, oni će imati višemilionsku prednost u odnosu na tradicionalne računare. Danas već postoje desetine opisa algoritama rada. Programeri kreiraju poseban programski kod koji može raditi na novim principima računanja.
Gdje će se primjenjivati nova računarska mašina
Novi pristup procesu izračunavanja omogućava vam da radite sa ogromnim količinama podataka i izvodite trenutne računske operacije. Pojavom prvih kompjutera, neki ljudi, uključujući državnike, imali su veliki skepticizam u pogledu njihove upotrebe u nacionalnoj ekonomiji. Danas postoje ljudi koji sumnjaju u važnost kompjutera fundamentalno nove generacije. Prilično dugo su tehnički časopisi odbijali da objavljuju članke o kvantnom računarstvu, smatrajući to uobičajenom prevarom za zavaravanje investitora.
Novi način računarstva stvoriće preduslove za naučna grandiozna otkrića u svim industrijama. Medicina će riješiti mnoga problematična pitanja koja su se posljednjih godina nagomilala poprilično. Rak će biti moguće dijagnosticirati u ranijoj fazi bolesti nego sada. Hemijska industrija će moći sintetizirati proizvode s jedinstvenim svojstvima.
Proboj u astronautici neće dugo čekati. Letenje na druge planete postat će svakodnevno kao i svakodnevna putovanja po gradu. Potencijal koji leži u kvantnom računarstvu sigurno će transformirati našu planetu do neprepoznatljivosti.
Ostalo karakteristična karakteristika koju kvantni računari imaju je sposobnost kvantnog računarstva da brzo shvati potreban kod ili šifra. Konvencionalni računar izvodi matematičko rješenje optimizacije sekvencijalno, ponavljajući jednu opciju za drugom. Kvantni konkurent radi s cijelim nizom podataka odjednom, trenutno birajući najviše pogodne opcije u neviđeno kratkom vremenu. Bankarske transakcije će biti dešifrovane u tren oka, što nije dostupno savremenim računarima.
Međutim, bankarski sektor možda ne brine - njegova tajna će biti sačuvana metodom kvantne enkripcije sa paradoksom mjerenja. Prilikom pokušaja probijanja koda, doći će do oštećenja prenijeti signal... Primljene informacije neće imati nikakvog smisla. Tajne službe, za koje je špijunaža uobičajena, zainteresovane su za mogućnosti kvantnog računarstva.
Poteškoće u izgradnji
Poteškoća leži u stvaranju uslova pod kojima kvantni bit može biti u stanju superpozicije beskonačno dugo.
Svaki kubit je mikroprocesor koji radi na principima supravodljivosti i zakonima kvantne mehanike.
Oko mikroskopskih elemenata logičke mašine stvoreni su brojni jedinstveni uslovi okoline:
- temperatura 0,02 stepena Kelvina (-269,98 Celzijusa);
- sistem zaštite od magnetnog i električnog zračenja (smanjuje uticaj ovih faktora za 50 hiljada puta);
- sistem za uklanjanje toplote i prigušivanje vibracija;
- razrjeđivanje zraka ispod atmosferskog pritiska za 100 milijardi puta.
Blago odstupanje u okruženju uzrokuje da kubiti trenutno gube svoje stanje superpozicije, uzrokujući njihov kvar.
Ispred cijele planete
Sve navedeno moglo bi se pripisati kreativnosti upaljenog uma pisca naučnofantastičnih priča, da Google, zajedno s NASA-om, nije od jedne kanadske istraživačke korporacije posljednje nabavio D-Wave kvantni kompjuter s procesorom koji sadrži 512 kubita. godine.
Uz njegovu pomoć, lider na tržištu računarske tehnologije će riješiti probleme mašinsko učenje u sortiranju i analizi velikih količina podataka.
Snowden, koji je napustio Sjedinjene Države, također je dao važnu izjavu koja otkriva - NSA također planira razviti vlastiti kvantni kompjuter.
2014 - početak ere D-Wave sistema
Uspješna kanadska atletičarka Geordie Rose, nakon dogovora s Googleom i NASA-om, počela je graditi procesor od 1000 kubita. Budući model će nadmašiti prvi komercijalni prototip za najmanje 300 hiljada puta u brzini i proračunskom obimu. Kvantni kompjuter, čija se fotografija nalazi ispod, u principu je prva komercijalna opcija na svijetu nova tehnologija kalkulacije.
Da se bavi naučnim razvojem potaknulo ga je upoznavanje na univerzitetu sa radovima Kolina Vilijamsa o kvantnom računarstvu. Mora se reći da je Williams trenutno zaposlen u Rose Corporation kao menadžer poslovnih projekata.
Proboj ili naučna obmana
Sam Rose ne zna u potpunosti šta su kvantni kompjuteri. Za deset godina, njegov tim je prošao put od stvaranja 2-kubitnog procesora do današnje prve komercijalne zamisli.
Od samog početka svog istraživanja, Rose je nastojao da stvori procesor sa minimalnim brojem od 1.000 kubita. I definitivno je morao imati komercijalnu verziju - da proda i zaradi.
Mnogi, poznavajući Roseovu opsesiju i komercijalni duh, pokušavaju ga optužiti za krivotvorenje. Navodno, najobičniji procesor se izdaje kao kvantni. Ovo je olakšano činjenicom da nova tehnika pokazuje fenomenalne performanse pri izvođenju određenih vrsta proračuna. Inače se ponaša kao sasvim običan računar, samo što je veoma skup.
Kada će se pojaviti
Neće dugo čekati. Istraživačka grupa, koju su organizovali zajednički naručioci prototipa, u bliskoj budućnosti će dati izveštaj o rezultatima istraživanja na D-Waveu.
Možda uskoro dolazi vrijeme u kojem će kvantni kompjuteri promijeniti naše razumijevanje svijeta oko nas. I cijelo će čovječanstvo u ovom trenutku dostići viši nivo svoje evolucije.
L. Fedichkin, doktor fizike i matematike (Institut za fiziku i tehnologiju Ruske akademije nauka).
Koristeći zakone kvantne mehanike, možete stvoriti fundamentalno novu vrstu računara koji će vam omogućiti da riješite neke probleme koji su nedostupni čak i najmoćnijim modernim superkompjuterima. Brzina mnogih složenih proračuna će naglo porasti; poruke poslane preko kvantnih komunikacijskih linija ne mogu se presresti niti kopirati. Prototipovi ovih kvantnih kompjutera budućnosti već su kreirani.
Američki matematičar i fizičar mađarskog porijekla Johann von Neumann (1903-1957).
Američki teorijski fizičar Richard Phillips Feynman (1918-1988).
Američki matematičar Peter Shore, stručnjak za oblast kvantnog računarstva. Predložen je kvantni algoritam za brzu faktorizaciju velikih brojeva.
Kvantni bit, ili kubit. Stanja i odgovaraju, na primjer, smjeru okretanja atomskog jezgra gore ili dolje.
Kvantni registar je niz kvantnih bitova. Jedno- ili dvokubitne kvantne kapije izvode logičke operacije na kubitima.
UVOD, ILI MALO O ZAŠTITI INFORMACIJA
Šta mislite, koji softver ima najviše prodatih licenci na svijetu? Neću se usuditi da insistiram da znam tačan odgovor, ali sigurno znam jedan pogrešan: jeste ne bilo koju od verzija Microsoft Windows... Najčešći operativni sistem je nadmašen skromnim proizvodom RSA Data Security, Inc. - program koji implementira RSA algoritam šifriranja javnog ključa, nazvan po svojim autorima - američkim matematičarima Rivestu, Shamiru i Adelmanu.
Činjenica je da RSA algoritam je ugrađen u većinu prodanih operativnih sistema, kao i mnoge druge aplikacije koje se koriste u uređajima u rasponu od pametnih kartica do mobiteli... Konkretno, dostupan je i u Microsoft Windows-u, što znači da je namjerno širi od ovog popularnog operativni sistem... Za otkrivanje tragova RSA, na primjer, u Internet pretraživač Explorer (program za pregled www-stranica na Internetu), samo otvorite meni Pomoć, uđite u podmeni O Internet Explorer-u i pogledajte listu korišćenih proizvoda trećih strana. Drugi uobičajeni pretraživač, Netscape Navigator, takođe koristi RSA algoritam. Općenito je teško pronaći poznata kompanija rad na terenu visoka tehnologija to ne bi kupilo licencu za ovaj program. Danas RSA Data Security, Inc. je već prodao preko 450 miliona (!) licenci.
Zašto je RSA algoritam toliko važan?
Zamislite da trebate brzo razmijeniti poruku sa osobom koja je daleko. Zahvaljujući razvoju interneta, takva razmjena postala je dostupna većini ljudi danas - samo trebate imati računar s modemom ili mrežnu karticu. Naravno, kada razmjenjujete informacije putem mreže, željeli biste da svoje poruke čuvate u tajnosti od nepoznatih osoba. Međutim, nemoguće je u potpunosti zaštititi proširenu komunikacijsku liniju od prisluškivanja. To znači da prilikom slanja poruke moraju biti šifrovane, a prilikom prijema dešifrovane. Ali kako se vi i vaš sagovornik dogovorite koji ključ ćete koristiti? Ako pošaljete ključ šifri preko iste linije, tada ga napadač koji prisluškuje može lako presresti. Možete, naravno, prenijeti ključ preko neke druge komunikacijske linije, na primjer, poslati ga telegramom. Ali ova metoda je obično nezgodna i, osim toga, nije uvijek pouzdana: može se koristiti i druga linija. Dobro je da ste vi i vaš primalac unaprijed znali da ćete razmjenjivati enkripcije i stoga unaprijed prenijeli ključeve jedan drugom. A šta učiniti, na primjer, ako želite poslati povjerljivo komercijalni prijedlog mogući poslovni partner ili kupite proizvod koji vam se sviđa kreditnom karticom u novoj online prodavnici?
Sedamdesetih godina prošlog vijeka predloženi su sistemi šifriranja da riješe ovaj problem, koristeći dvije vrste ključeva za istu poruku: otvoreni (koji ne zahtijevaju tajnost) i zatvoreni (veoma tajni). Javni ključ se koristi za šifriranje poruke, a privatni ključ za dešifriranje. Vi svom dopisniku pošaljete javni ključ, a on njime šifrira svoju poruku. Sve što napadač koji presretne javni ključ može da uradi jeste da šifrira svoje pismo i da ga prosledi nekome. Ali neće moći da dešifruje prepisku. Poznavajući privatni ključ (u početku je pohranjen kod vas), lako možete pročitati poruku koja vam je upućena. Za šifriranje odgovornih poruka, koristit ćete javni ključ koji vam šalje vaš dopisnik (a on zadržava odgovarajući privatni ključ za sebe).
Ovo je kriptografska šema koja se koristi u RSA, najčešće korištenoj metodi šifriranja javnog ključa. Štaviše, za kreiranje para javnih i privatnih ključeva koristi se sljedeća važna hipoteza. Ako postoje dvije velike (za koje je potrebno više od sto decimalnih znamenki za svoju notaciju) jednostavno brojeva M i K, tada neće biti teško pronaći njihov proizvod N = MK (za to nije potrebno čak ni imati kompjuter: dovoljno tačna i strpljiva osoba može takve brojeve pomnožiti olovkom i papirom). Ali da se reši inverzni problem, to jest, znanje veliki broj N, faktori ga u proste faktore M i K (tzv problem faktorizacije) - gotovo nemoguće! S ovim problemom će se suočiti napadač koji odluči da "probije" RSA algoritam i pročita njime šifrovane informacije: da biste saznali privatni ključ, znajući javni, morat ćete izračunati M ili K.
Da bi se provjerila valjanost hipoteze o praktičnoj složenosti faktoringa velikih brojeva, organizirana su i još se održavaju posebna takmičenja. Dekompozicija samo 155-cifrenog (512-bitnog) broja smatra se zapisom. Proračuni su vršeni paralelno na mnogim računarima sedam mjeseci 1999. godine. Kada bi se ovaj zadatak obavljao na jednom modernom personalnom računaru, trebalo bi oko 35 godina rada na računaru! Proračuni pokazuju da se korišćenjem čak hiljada modernih radnih stanica i najboljih računskih algoritama poznatih danas, jedan 250-cifreni broj može faktorisati za oko 800 hiljada godina, a 1000-cifreni broj - za 10 25 (!) godina. (Poređenja radi, starost svemira je ~ 10 10 godina.)
Stoga su se kriptografski algoritmi poput RSA, koji rade na dovoljno dugim ključevima, smatrali potpuno pouzdanim i korišteni su u mnogim aplikacijama. I sve je bilo u redu do tada ... sve dok se nisu pojavili kvantni kompjuteri.
Ispostavilo se da je korištenjem zakona kvantne mehanike moguće graditi računare za koje problem faktorizacije (i mnoge druge!) neće biti težak. Procjenjuje se da je kvantni kompjuter sa samo oko 10.000 kvantnih bitova memorije u stanju da razloži 1000-cifreni broj u proste faktore za samo nekoliko sati!
KAKO JE SVE POČELO?
Tek sredinom 1990-ih teorija kvantnih kompjutera i kvantnog računarstva je uspostavljena kao nova oblast nauke. Kao što je često slučaj sa sjajnim idejama, teško je izabrati otkrića. Očigledno je mađarski matematičar I. von Neumann prvi skrenuo pažnju na mogućnost razvoja kvantne logike. Međutim, tada još nisu bili stvoreni ne samo kvantni, već ni obični, klasični kompjuteri. A s pojavom potonjeg, ispostavilo se da su glavni napori naučnika usmjereni prvenstveno na traženje i razvoj novih elemenata za njih (tranzistori, a zatim integrirana kola), a ne na stvaranje fundamentalno različitih računalnih uređaja.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar R. Landauer, koji je radio u IBM korporaciji, pokušao je skrenuti pažnju naučnog svijeta na činjenicu da je računanje uvijek neka vrsta fizičkog procesa, što znači da je nemoguće razumjeti granice naših računskih sposobnosti bez navođenja koje su fizičke implementacije. Nažalost, u to vrijeme među naučnicima je dominirao pogled na računanje kao neku vrstu apstraktnog logičkog postupka, koji bi trebali proučavati matematičari, a ne fizičari.
Kako su se kompjuteri širili, kvantni naučnici su došli do zaključka da je praktično nemoguće direktno izračunati stanje evoluirajućeg sistema koji se sastoji od samo nekoliko desetina interakcijskih čestica, kao što je molekul metana (CH 4). Ovo se objašnjava činjenicom da je za potpuni opis složenog sistema potrebno držati u memoriji računara eksponencijalno veliki (u smislu broja čestica) broj varijabli, takozvane kvantne amplitude. Nastala je paradoksalna situacija: poznavajući jednačinu evolucije, poznavajući sa dovoljnom tačnošću sve potencijale interakcije čestica jedne s drugom i početno stanje sistema, praktično je nemoguće izračunati njegovu budućnost, čak i ako se sistem sastoji od samo 30 elektrona u potencijalnoj bušotini, a postoji i superkompjuter sa memorijom nasumičnog pristupa, čiji je broj bitova jednak broju atoma u vidljivom području Univerzuma (!). A u isto vrijeme, da biste proučavali dinamiku takvog sistema, možete jednostavno postaviti eksperiment sa 30 elektrona, stavljajući ih u zadani potencijal i početno stanje. Na to je posebno ukazao ruski matematičar Yu I. Manin, koji je 1980. godine ukazao na potrebu razvoja teorije kvantnih računarskih uređaja. Osamdesetih godina prošlog veka isti problem su proučavali američki fizičar P. Benev, koji je jasno pokazao da kvantni sistem može da vrši proračune, kao i engleski naučnik D. Dojč, koji je teoretski razvio univerzalni kvantni računar superiorniji od klasičnog analoga. .
Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku R. Feynman, koji je dobro poznat redovnim čitaocima časopisa Science and Life, privukao je veliku pažnju na problem razvoja kvantnih kompjutera. Zahvaljujući njegovoj autoritativnoj privlačnosti, broj stručnjaka koji su posvetili pažnju kvantnom računarstvu višestruko se povećao.
Pa ipak, dugo je bilo nejasno da li se hipotetička računarska snaga kvantnog kompjutera može iskoristiti za ubrzanje rješavanja praktičnih problema. Ali 1994. godine, P. Shore, američki matematičar i zaposlenik Lucent Technologies (SAD), zaprepastio je naučni svijet predloživši kvantni algoritam koji omogućava brzu faktorizaciju velikih brojeva (o važnosti ovog problema već je bilo riječi u uvodu). U poređenju sa najboljim od do sada poznatih klasičnih metoda, Šorov kvantni algoritam daje višestruko ubrzanje proračuna, a što je faktor faktorizovaniji broj duži, to je veći dobitak u brzini. Algoritam brze faktorizacije je od velikog praktičnog interesa za razne specijalne servise koji su akumulirali banke nešifriranih poruka.
Godine 1996., Šorov kolega iz Lucent Technologies, L. Grover, predložio je kvantni algoritam brzog pretraživanja u neuređenoj bazi podataka. (Primjer takve baze podataka je telefonski imenik, u kojem su imena pretplatnika raspoređena ne po abecednom redu, već na proizvoljan način.) Zadatak traženja, odabira optimalnog elementa među brojnim opcijama vrlo se često susreće u ekonomskim, vojnim , inženjerski problemi, u kompjuterskim igrama. Groverov algoritam omogućava ne samo da se ubrza proces pretraživanja, već i približno udvostruči broj parametara koji se uzimaju u obzir pri odabiru optimuma.
Pravo stvaranje kvantnih kompjutera ometao je u suštini jedini ozbiljan problem - greške ili smetnje. Činjenica je da isti nivo interferencije kvari proces kvantnog računanja mnogo intenzivnije od klasičnog računanja. Načine rješavanja ovog problema iznio je 1995. P. Šor, koji je razvio shemu za kodiranje kvantnih stanja i ispravljanje grešaka u njima. Nažalost, tema ispravljanja grešaka u kvantnim računarima je toliko važna koliko je teško pokriti u ovom članku.
UREĐAJ KVANTNOG RAČUNARA
Pre nego što opišemo kako kvantni računar funkcioniše, podsetimo se glavnih karakteristika kvantnih sistema (videti takođe Nauka i život br. 8, 1998; br. 12, 2000).
Da razumem zakone kvantni svijet ne oslanjajte se direktno na svakodnevno iskustvo. Na uobičajen način (u svakodnevnom smislu), kvantne čestice se ponašaju samo ako ih stalno "virimo", ili, preciznije rečeno, stalno mjerimo stanje u kojem se nalaze. Ali čim se „okrenemo“ (prestanemo sa posmatranjem), kvantne čestice odmah prelaze iz potpuno određenog stanja odjednom u nekoliko različitih hipostaza. Odnosno, elektron (ili bilo koji drugi kvantni objekat) će se delimično nalaziti u jednoj tački, delimično u drugoj, delimično u trećoj, itd. To ne znači da je podeljen na kriške, kao narandža. Tada bi se mogao pouzdano izolirati neki dio elektrona i izmjeriti njegov naboj ili masu. Ali iskustvo pokazuje da se elektron nakon mjerenja uvijek ispostavi da je "siguran i zdrav" u jednoj tački, uprkos činjenici da je prije toga uspio posjetiti skoro svuda u isto vrijeme. Takvo stanje elektrona, kada se istovremeno nalazi na nekoliko tačaka u prostoru, naziva se superpozicija kvantnih stanja i obično se opisuju talasnom funkcijom koju je 1926. uveo njemački fizičar E. Schrödinger. Veličina vrijednosti valne funkcije u bilo kojoj tački, na kvadrat, određuje vjerovatnoću pronalaska čestice u ovoj tački u datom trenutku. Nakon mjerenja položaja čestice, njena valna funkcija se, takoreći, skuplja (kolapsira) do točke gdje je čestica detektirana, a zatim se ponovo počinje širiti. Svojstvo kvantnih čestica da budu istovremeno u više stanja, tzv kvantni paralelizam, uspješno se koristi u kvantnom računarstvu.
Kvantni bit
Glavna ćelija kvantnog kompjutera je kvantni bit, ili, ukratko, qubit(q-bit). To je kvantna čestica koja ima dva osnovna stanja, koja se označavaju sa 0 i 1, ili, kako je uobičajeno u kvantnoj mehanici, i. Dvije vrijednosti kubita mogu odgovarati, na primjer, osnovnom i pobuđenom stanju atoma, smjeru okretanja atomskog jezgra gore i dolje, smjeru struje u supravodljivom prstenu, dva moguća položaja elektron u poluprovodniku, itd.
Kvantni registar
Kvantni registar radi na isti način kao i klasični. Ovo je niz kvantnih bitova, nad kojima se mogu izvoditi jedno- i dvobitne logičke operacije (slično upotrebi NE, 2AND-NE, itd., u klasičnom registru).
Osnovna stanja kvantnog registra formirana od L kubita uključuju, kao i kod klasičnog, sve moguće nizove nula i jedinica dužine L. Može postojati 2 L različitih kombinacija ukupno. Oni se mogu smatrati pisanjem brojeva u binarnom obliku od 0 do 2 L -1 i označeni. Međutim, ove osnovne linije ne iscrpljuju sve moguće vrijednosti kvantnog registra (za razliku od klasičnog), budući da postoje i superpozicijska stanja specificirana kompleksnim amplitudama koje su povezane sa uslovom normalizacije. Većina mogućih vrijednosti kvantnog registra (s izuzetkom osnovnih) jednostavno nema klasični analog. Stanja klasičnog registra samo su jadna senka celokupnog bogatstva stanja kvantnog kompjutera.
Zamislite da se na registar vrši vanjski utjecaj, na primjer, električni impulsi se šalju u dio prostora ili usmjeravaju laserske zrake... Ako se radi o klasičnom registru, impuls, koji se može posmatrati kao računska operacija, će promijeniti L varijabli. Ako se radi o kvantnom registru, onda se isti impuls može istovremeno transformisati u varijable. Dakle, kvantni registar je, u principu, sposoban da obrađuje informaciju jednom brže od svog klasičnog kolege. Iz ovoga je odmah jasno da mali kvantni registri (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.
Međutim, treba napomenuti da postoji klasa problema za koje kvantni algoritmi ne daju značajno ubrzanje u poređenju sa klasičnim. Jedan od prvih koji je to pokazao bio je ruski matematičar Ju. Ožigov, koji je konstruisao brojne primere algoritama koji se ne mogu ubrzati ni jednim satom na kvantnom računaru.
Pa ipak, nema sumnje da su kompjuteri koji rade po zakonima kvantne mehanike nova i odlučujuća faza u evoluciji računarskih sistema. Ostaje samo da ih izgradimo.
KVANTNI RAČUNARI DANAS
Prototipovi kvantnih kompjutera postoje i danas. Istina, do sada je eksperimentalno bilo moguće prikupiti samo male registre koji se sastoje od samo nekoliko kvantnih bitova. Na primjer, nedavno je grupa koju predvodi američki fizičar I. Chang (IBM) najavila sklapanje 5-bitnog kvantnog kompjutera. Ovo je nesumnjivo veliki uspjeh. Nažalost, postojeći kvantni sistemi još uvek nisu u stanju da obezbede pouzdane proračune, jer su ili nedovoljno kontrolisani ili su veoma osetljivi na buku. Međutim, ne postoje fizička ograničenja za izgradnju efikasnog kvantnog računara, potrebno je samo prevazići tehnološke poteškoće.
Postoji nekoliko ideja i prijedloga o tome kako napraviti pouzdane i lako kontrolirane kvantne bitove.
I. Chang razvija ideju korištenja spinova jezgara nekih organskih molekula kao kubita.
Ruski istraživač M.V. Feigelman, koji radi na Institutu za teorijsku fiziku. LD Landau RAS, predlaže prikupljanje kvantnih registara iz minijaturnih supravodljivih prstenova. Svaki prsten igra ulogu kubita, a stanja 0 i 1 odgovaraju smjeru električne struje u prstenu - u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu. Takvi kubiti se mogu mijenjati pomoću magnetnog polja.
Na Institutu za fiziku i tehnologiju Ruske akademije nauka, grupa koju je predvodio akademik K. A. Valiev predložila je dvije opcije za postavljanje kubita u poluvodičke strukture. U prvom slučaju, ulogu kubita igra elektron u sistemu od dva potencijalna bunara stvorena naponom primijenjenim na mini-elektrode na površini poluvodiča. Stanja 0 i 1 su položaji elektrona u jednom od ovih bunara. Kubit se mijenja promjenom napona na jednoj od elektroda. U drugoj verziji, kubit je jezgro atoma fosfora ugrađenog u određenoj tački u poluvodiču. Stanja 0 i 1 su smjerovi nuklearnog spina duž ili protiv vanjskog magnetskog polja. Upravljanje se vrši kombinovanim djelovanjem magnetskih impulsa rezonantne frekvencije i impulsa napona.
Dakle, istraživanja se aktivno sprovode i može se pretpostaviti da će u vrlo bliskoj budućnosti - za deset godina - biti stvoren efikasan kvantni kompjuter.
POGLED U BUDUĆNOST
Dakle, sasvim je moguće da će se u budućnosti kvantni računari proizvoditi tradicionalnim metodama mikroelektronske tehnologije i sadržavati mnogo kontrolnih elektroda, nalik modernom mikroprocesoru. Da bi se smanjio nivo buke, koji je kritičan za normalan rad kvantnog računara, prvi modeli će najverovatnije morati da se hlade tečnim helijumom. Prvi kvantni računari će vjerovatno biti glomazni i skupi uređaji koji ne mogu stati na sto i održavani su od strane velikog osoblja sistemskih programera i hardverskih podešavača u bijelim mantilima. Prvo će im pristup dobiti samo vladine agencije, zatim bogate komercijalne organizacije. Ali era konvencionalnih kompjutera počela je otprilike na isti način.
A šta će biti s klasičnim računarima? Hoće li umrijeti? Malo vjerovatno. I klasični i kvantni računari imaju svoja područja primjene. Iako će se, po svoj prilici, omjer na tržištu i dalje postupno pomicati prema ovom drugom.
Uvođenje kvantnih kompjutera neće dovesti do rješenja fundamentalno nerješivih klasičnih problema, već će samo ubrzati neke proračune. Osim toga, postat će moguća kvantna komunikacija - prijenos kubita na daljinu, što će dovesti do pojave svojevrsnog kvantnog interneta. Kvantna komunikacija će obezbijediti zaštićenu (po zakonima kvantne mehanike) od prisluškivanja povezanost svih međusobno. Vaše informacije pohranjene u kvantnim bazama podataka bit će sigurnije od kopiranja nego sada. Firme koje proizvode programe za kvantne računare moći će ih zaštititi od bilo kakvog, uključujući i ilegalnog, kopiranja.
Za dublje razumijevanje ove teme, možete pročitati pregledni članak E. Riffela, V. Polaka "Osnove kvantnog računarstva" objavljen u časopisu "Kvantni računari i kvantno računanje" objavljenom u Rusiji (br. 1, 2000). (Inače, ovo je prvi i do sada jedini časopis na svetu posvećen kvantnom računarstvu. Dodatne informacije o njemu možete pronaći na Internetu na http://rcd.ru/qc.). Nakon što savladate ovaj rad, moći ćete da čitate naučne članke o kvantnom računarstvu.
Malo više preliminarne matematičke obuke biće potrebno kada se čita knjiga A. Kitaeva, A. Shen, M. Vyaly "Klasično i kvantno računarstvo" (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999).
Brojni fundamentalni aspekti kvantne mehanike koji su bitni za kvantno računanje analizirani su u knjizi V.V.Belokurova, O.D. Timofejevske, O. A. Hrustaljeva „Kvantna teleportacija je obično čudo“ (Iževsk: RKhD, 2000).
Izdavačka kuća RKhD sprema se da u vidu posebne knjige objavi prevod recenzije A. Steena posvećene kvantnim kompjuterima.
Sljedeća literatura će biti korisna ne samo kognitivno, već i povijesno:
1) Yu. I. Manin. Izračunljiv i neizračunljiv.
M .: Sov. radio, 1980.
2) I. von Neumann. Matematičke osnove kvantne mehanike.
Moskva: Nauka, 1964.
3) R. Feynman. Simulacija fizike na računarima // Kvantno računalo i kvantno računarstvo:
Sat. u 2 toma - Iževsk: RKhD, 1999. Vol.2, str. 96-123.
4) R. Feynman. Kvantno mehanički računari
// Ibid, str. 123.-156.
Pogledajte temu na istu temu
