Čovječanstvo je, kao i prije 60 godina, ponovo na rubu velikog proboja u oblasti računarske tehnologije. 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. Ova stopa napretka je u posljednje vrijeme usporila, a udvostručavanje se događa 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. Teorijske osnove kako bi kvantni kompjuteri trebali izgledati formulirao je Paul Benioff.
Kako radi kvantni kompjuter
Da biste razumjeli kako novi procesor radi, morate imati barem površno znanje o principima 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.
Još jedna prepoznatljiva karakteristika koju imaju kvantni računari je sposobnost kvantnog izračunavanja da brzo pokupi pravi kod ili šifru. Konvencionalni računar izvodi matematičko rješenje optimizacije sekvencijalno, ponavljajući jednu opciju za drugom. Kvantni konkurent radi sa cijelim skupom podataka odjednom, trenutno birajući najprikladnije 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. Kada pokušate da razbijete kod, odaslani signal će biti izobličen. 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 riješit će probleme mašinskog učenja 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, prva je svjetska komercijalna verzija fundamentalno nove računarske tehnologije.
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.
25-09-2017, 16:25
U današnjem članku nećemo razmatrati zamršenost prošlih događaja ili paranaučne perverzije sadašnjosti. Danas ćemo pokušati da pogledamo u budućnost.
Tehnologija je često glavna tema razgovora o budućnosti - i, treba napomenuti, apsolutno zaslužena. Od svih faktora koji utiču na kretanje zupčanika istorijskog procesa, upravo se dinamika promene tehnološkog poretka može nazvati najmoćnijom. Žrtve postepenog uvođenja novih tehnologija i naglog gubljenja značenja starih kroz istoriju postale su i društvene institucije i čitava carstva, a u nekim slučajevima i civilizacije. Zbog toga želja da se ispuni nova serija pripremljenih promjena izgleda više nego prirodno.
Ali istovremeno treba napomenuti da je moderna tehnološka futurologija u velikoj mjeri pod utjecajem emocionalno uvjetovanog vizionara prilično loše vrste. Onaj u kojem je kvalitet predviđanja manje prioritet od želje da se publika zapanji i oduševi na stilski način demonstrirajuće visokotehnološke budućnosti. Stvar je, vjerovatno, u tome da ova vrsta futurologije nije toliko fundamentalna koliko primijenjena po prirodi, da služi prije zadacima marketinga ovdje i sada, a ne potrebi da se shvati slika budućnosti kasnije. Zbog toga postoje prilično primitivne ideje da je budućnost kada:
1.Sve sa stilom, zaobljeno i pretežno bijelo (pokojni Steve Jobs i Apple);
2.Sve električno, višekratno i ekološki prihvatljivo (Elon Musk i njegovo carstvo iz SpaceX-a, Tesle i SolarCityja);
3. sve kibernirano, vještački inteligentno i sa aplikacijama za modifikaciju ljudske prirode (Ray Kurzweil i Google, rijedak slučaj kada lice slike budućnosti nije prva osoba u kompaniji);
4. proizvoljna kombinacija gore navedenih stavki (prosječni pretplatnik bilo koje javnosti na naučno-tehničke teme).
Šta je problem sa navedenim opcijama za budućnost, kako je vidimo od danas? Činjenica da oni zapravo ne sadrže nikakve opcije za budućnost. Sve navedeno je u najboljem slučaju prikladno za opisivanje estetike neke sci-fi franšize, čiji se dio publika poziva da kupi u obliku proizvoda dotične kompanije. Navedene opcije su prilično loše u smislu opisa stvarnih problema i rješenja, a one koje su još prisutne su racionalizirane i, najblaže rečeno, sporne.
Ovdje se, čini se, nameće fraza "a sada ću vam pokazati pravu futurologiju visokog kvaliteta". Međutim, neće. Takva izjava bi bila previše hrabra i drska. Umjesto toga, razmotrimo samo jedno zasebno tehnološko pitanje koje će se odnositi na izglede za razvoj baze kompjuterskih elemenata. A koliko će to dobro ispasti - prosuditi, dragi čitaoci, prije svega, za vas.
Relativno nedavno, šef države je predložio kurs za izgradnju digitalne ekonomije. Mnogi su to shvatili kao prijedlog da IT sektor postane lokomotiva ruske ekonomije, slikovito rečeno, "nova nafta". Što nije sasvim tačno i, iskreno, svodi predloženi koncept na banalan populizam. Same po sebi informacione tehnologije nisu sposobne da budu lokomotiva, jer ne stvaraju ništa materijalno, već samo pomažu da se ovaj materijal servisira i eksploatiše. IT sektor jednostavno ne može postojati bez razvoja drugih industrija koje automatizuje. Neki su čak i kritikovali ovu inicijativu sa ovih pozicija. Ali da li je pošteno?
Da ne bismo radili sa pojednostavljenim modelima, pretpostavkama i sfernim konjima u vakuumu, okrenimo se izvornom izvoru. Odnosno, direktno na tekst programa "Digitalna ekonomija Ruske Federacije", odobrenog naredbom Vlade br. 1632-r od 28. jula 2017. godine.
„Glavne end-to-end digitalne tehnologije koje spadaju u okvir ovog programa su:
- veliki podaci;
- neurotehnologija i vještačka inteligencija;
- distribuirani registarski sistemi;
- kvantne tehnologije;
- nove proizvodne tehnologije;
- industrijski internet;
- komponente robotike i senzorike;
- bežična tehnologija;
- tehnologije virtuelne i proširene stvarnosti."
Kao što vidite, ovo nije samo i ne toliko o IT sektoru. Posebnu pažnju u kontekstu našeg razgovora o imidžu budućnosti zaslužuje takva stavka ove liste kao što su „kvantne tehnologije“. Od svega navedenog, možda bi upravo on mogao imati maksimalan utjecaj na formiranje sljedećeg tehnološkog poretka. Ali da bismo razumeli zašto tačno, razgovor će morati da počne izdaleka.
Postoji takva vrijednost - dvadeset nanometara. Ovo je nula poena i dvadeset pet hiljaditih dela debljine ljudske kose i, otprilike, nula poena i tri hiljaditi deo prečnika crvenog krvnog zrnca. To je ujedno i najmanja veličina tranzistorskih kapija koja se koristi u modernim procesorima masovne proizvodnje.
Za samo nekoliko decenija, minijaturizacija elektronike postigla je zaista izvanredan uspjeh, omogućivši stvaranje uređaja koji staju u džep, čija računarska snaga za kolosalnu marginu premašuje ukupnu snagu potrebnu za cijeli sovjetski svemirski program. A takvi uređaji nisu jedinstveni kuriozitet koji postoji u jednom primjerku u nekim strogo povjerljivim laboratorijama, već sastavni dio našeg života. Sa ekrana jednog od ovih uređaja, vrlo je moguće da čitate ovaj članak.
Neverovatno, zar ne? Ali rijetko ko o tome razmišlja, i to ne iz nedostatka radoznalosti. Brzi razvoj kompjuterske tehnologije već je postao nešto poznato, možda čak i uobičajeno. Kada se u prosjeku svake dvije godine udvostruči broj tranzistora koje su proizvođači uspjeli smjestiti na standardnu procesorsku ploču, teško je očekivati naglašeni entuzijazam pri svakoj iteraciji ove akcije. Naprotiv, počinje da izgleda kao norma. I trend, tokom čijeg postojanja je uspjela da stasa cijela generacija, počinje se činiti vječnim. Ali to nije slučaj. I ne u tako dalekoj budućnosti, ovaj praznik minijaturizacije mogao bi, ako ne potpuno završiti, onda značajno povećati vremensko kašnjenje.
Činjenica je da je minimalna fizički moguća veličina kapije radnog silikonskog tranzistora pet nanometara. Ispod ove vrijednosti javlja se fenomen koji se zove "efekat tuneliranja", koji se svodi na činjenicu da su elektroni u stanju probiti potencijalnu barijeru pn spoja (sjećaju li se iz kursa fizike, šta je ovo?) I, grubo govoreći, počnite slobodno "šetati" duž susjednih tranzistora procesora. Nije teško pretpostaviti šta će to značiti za računski proces koji se izvodi. Prilično bliska analogija, mislim, bit će mačka koja odluči protjerati miševe preko klavijature klavira, na kojem u tom trenutku pokušavaju svirati Betovena. Malo je vjerovatno da će dobijeni zvuci biti vrlo slični očekivanoj "Mjesečevoj sonati".
Dugo se vjerovalo da je to krajnja granica, nakon koje će ponovno povećanje produktivnosti računara, kao u vremenima "tople cijevi", dovesti do povećanja njihove veličine. A ova granica, ako se nastavi tempo minijaturizacije, bit će dostignuta za otprilike četiri godine.
Međutim, nije sve tako fatalno. Godine 2016, grupa fizičara u Lawrence National Laboratory u Berkeleyu u Kaliforniji uspjela je stvoriti tranzistor veličine kapije od samo 1 nanometar. Da bi to učinili, morali su zamijeniti uobičajeni silicij molibdenitom (molibden disulfid) i koristiti ugljičnu nanocijev kao materijal za samu kapiju.
Naravno, nije sve tako jednostavno. Mogućnost masovne proizvodnje ovakvih tranzistora je još uvijek jako daleko, u ovom trenutku, koliko vaš ponizni sluga posjeduje informacije, njihova konfiguracija na kristalu procesora još nije ni testirana. Osim toga, potrebno je razumjeti ključnu razliku između dobrog starog silicijuma (sadržaj u zemljinoj kori po masi - više od dvadeset pet posto) i molibdena (sadržaj u zemljinoj kori po masi - tri do deset na minus četvrti stepen od procenta). Molibden je znatno skuplji, čak i ako govorimo o molibdenitu koji se nalazi u prirodi u slobodnom obliku. I malo je vjerovatno da će grafenska nanocijev smanjiti troškove proizvodnje. Ipak, temeljna mogućnost pomjeranja donje granice minijaturizacije tranzistora korištenjem novih materijala može se smatrati dokazanom. Ne bez poteškoća, i, naravno, ne na neodređeno vrijeme, ali je moguće.
Ipak, samo postojanje granice minijaturizacije, koja se dugi niz godina smatrala konačnom i neuništivom, nije mogla a da ne potakne istraživanje na pronalaženje zaobilaznih rješenja koja bi mogla i pokriti potrebu za povećanjem računarske snage i izbjeći ograničenja svojstvena tranzistorskoj mikroelektronici. Rezultat ovih studija bio je koncept kvantnog kompjutera.
Po prvi put ideju kvantnog računanja iznio je ruski matematičar Jurij Ivanovič Manin u knjizi "Izračunljivo i neizračunljivo" (1980). Ubrzo je prvi osnovni model kvantnog kompjutera predložio američki fizičar Richard Feynman u svom čuvenom predavanju "Ima dovoljno prostora dolje" (1981). U to vrijeme, međutim, još uvijek nije bilo govora o načinima da se zaobiđu granice minijaturizacije – prema Maninu i Feynmanu, niša kvantnih kompjutera je modelirala evoluciju kvantnog sistema, koji je zbog specifičnosti predmetnog područja , nije bio pogodan za prihvatljivo precizno i efikasno modeliranje na klasičnim računarima.
Sama ideja kvantnog računarstva, ako pokušate da je izrazite više ili manje razumljivim neupućenim jezikom, zasniva se na činjenici da ako povećanje broja tranzistora klasičnog procesora daje linearni porast broja opisana binarna stanja, tada će za kvantne elemente na dva nivoa, inače zvani kvantni bitovi, ili, ukratko, u laktovima, dobit će biti eksponencijalna. S obzirom da jedan kubit može obraditi onoliko informacija koliko i jedan tranzistor: tačno jedan bit. Ovo postaje moguće zbog kombinacije principa kvantne superpozicije (pronalaženje objekta istovremeno u dva međusobno isključiva stanja) i fenomena kvantne isprepletenosti (međuzavisnost kvantnih stanja dva ili više objekata).
Istovremeno, u razgovoru o kubitima, sama riječ "minijaturizacija" nije ni prikladna, jer različite verzije njegovog "radnog tijela" (da, kvantni fizičari će mi oprostiti takav žargon) mogu biti:
- smjer nuklearnog spina u kvantnoj tački na poluvodiču;
- Kuperov par (elektron-fonon-elektron) u tački supraprovodnika;
- atomi u optičkim zamkama.
Drugim riječima, riječ je o skalama elementarnih čestica čije se stanje kontrolira, ovisno o implementaciji, bilo fluksom fotona ili superslabim magnetskim poljem. Manje, možda, već nigdje. Dodajte ovome eksponencijalno povećanje brzine računanja u poređenju sa klasičnim računarima - i mogućnosti otvaranja počinju da se čine gotovo neograničenim.
Ali na mnogo načina to je samo izgledati. Jer, kao i kod svake revolucionarne tehnologije, postoji tona nijansi.
Zbog činjenice da merenje stanja kvantnog sistema takođe menja ovo stanje (prema Hajzenbergovom principu nesigurnosti), rezultat kvantnog proračuna dobija veoma interesantno svojstvo: tačan je samo sa određenom verovatnoćom. Ova vjerovatnoća se može značajno približiti 100% ako se proračun ponovi više puta i otkrije konvergencija rezultata određenoj vrijednosti. Međutim, zbog toga (zapravo - ne samo, nego već konačno "preliva čašu") algoritmi klasičnih kompjutera su neprimjenjivi za kvantno računanje. Kvantna računarska mašina radi prema posebnim kvantnim algoritmima, čiji razvoj se oslanja na poseban obećavajući pravac.
Takođe, stanje zamršenog kvantnog sistema je stvar izuzetno osetljiva na apsolutno svaki spoljni uticaj. Svatko, izvinite, kijanje je sposobno da iskrivi računski proces, ako ne i potpuno uništi kvantni sistem. Dakle, bez dodatnih, veoma obimnih istraživanja skrininga spoljašnjih uticaja, masovna upotreba kvantnih kompjutera je izuzetno teška.
Jedan od najtežih problema u kvantnom računarstvu je takozvani problem skaliranja, povezan sa istim Heisenbergovim principom nesigurnosti. Pitanje je od kojeg maksimalnog broja spregnutih kubita se može izgraditi kvantni kompjuter prije efekta dekoherencije, to je i von Neumannova redukcija, to je i kolaps valne funkcije, u najjednostavnijem obliku - akumulacija izobličenja kao rezultat mjerenja, onemogućit će jasno izračunavanje rezultata. Ovo pitanje je predmet posebnog naučnog područja koje se brzo razvija - kvantne mehanike više čestica, a odgovor na njega, pojednostavljeno, zavisi od fizičke prirode dekoherencije, koja je nauci u ovom trenutku još nepoznata.
Međutim, ograničenje povezano s dekoherencijom, ako se otkrije, nikako neće postati nedvosmislena osuda cjelokupnog pravca kvantnog računanja. Uostalom, uopće nije potrebno držati apsolutno sve kubitove računala u stanju kvantne isprepletenosti - sasvim je moguća arhitektura s korištenjem nezavisnih klastera kubita. Ipak, za dalji razvoj pravca potrebno je razjasniti ovo pitanje.
I na kraju, još jedna nijansa povezana s kvantnim računarstvom je da nisu svi algoritmi podložni kvantnom ubrzanju. Štaviše, čak su i manjina. Ovo, međutim, prestaje da izgleda kao nešto kobno ako pogledate tačno koje algoritme još uspevate da ubrzate. A to su uglavnom algoritmi za rješavanje problema nabrajanja. Zvuči dovoljno jednostavno, moglo bi se reći - jednostavno, ali zadaci se temelje na njima:
- modeliranje i predviđanje strukturne dinamike složenih sistema, od stvarnih kvantnih do bioloških i, vrlo moguće, društvenih;
- kriptografija, gdje su kvantni algoritmi teoretski sposobni da razbiju većinu modernih šifri koje se smatraju pouzdanim u razumnom vremenu, i da izgrade vlastite algoritme šifriranja, koji su pouzdaniji od svih postojećih;
- umjetna inteligencija, gdje je brzina rješavanja raznih problema grube sile, u principu, kritično važan parametar.
Odnosno, iako je lista zadataka podložnih kvantnom ubrzanju ograničena, zadaci predstavljeni u njoj su najveći tok moderne faze razvoja računarske tehnologije.
Pa, ako pređemo na nijanse kvantnog računanja, koje se više klasifikuju kao prijatne, onda minimalno kvantno pražnjenje nije tako snažno vezano za binarnu logiku kao klasični tranzistor, a stvaranje qutrit-a (ćelije sa tri stanja) u složenost ne premašuje mnogo stvaranje kubita. A to otvara vrlo zanimljive izglede. Prema istraživanju grupe naučnika sa Univerziteta Kvinslend (Australija), objavljenom 2008. godine, upotreba višedimenzionalnih ćelija, u principu, može značajno da pojednostavi implementaciju kvantnih algoritama i računara.
Osim toga, sama ternarna logika, čak i bez uzimanja u obzir posebnosti fizičke implementacije, ima niz prednosti u odnosu na binarnu logiku, općenito govoreći, svode se na veću pouzdanost proračuna, dodatno dvostruko povećanje performansi kada rješavanje problema sa sabiranjem i veće pogodnosti u rješavanju problema koji po svojoj prirodi impliciraju ternarnost, kao što je obrada RGB slika (uključujući prepoznavanje uzoraka) ili zadataka modeliranja u trodimenzionalnom prostoru. Istovremeno, ternarna logika se može percipirati kao produžetak binarne koja je u nju uključena, kao podskup, zbog čega ternarni računar može da radi sve isto kao i binarni – i nešto više od toga. Ternarni računari nisu bili široko korišćeni zbog cene, najmanje jedan i po puta veće od cene binarne mašine. Međutim, u slučaju kvantnih računara, očekivana razlika u troškovima će biti manja. Pa zašto ne?
Punopravni univerzalni kvantni kompjuter u ovom trenutku ostaje čisto hipotetički uređaj. Međutim, do danas su mnoge naučne laboratorije širom svijeta stvorile izvodljive kvantne procesore, među kojima se može razlikovati uređaj od dva kubita koji je u Moskovskoj laboratoriji za supravodljivost kreirala grupa Ju. Paškina (2005.) i zajednički rusko-američki projekat 51-kubit računar razvijen za rukovodstvo M. Lukina i predstavlja najkompleksniji takav sistem od postojećih (2017). Ove i druge slične mašine obično se stvaraju za rešavanje jednog problema, uglavnom za istraživanja u oblasti kvantne mehanike, gde su već doprinele otkrivanju niza do sada nepoznatih efekata.
Zasebno možemo spomenuti i prvo dostupno iskustvo stvaranja komercijalnih kvantnih kompjutera kanadske kompanije D-Wave. Međutim, ovaj primjer je prilično kontroverzan. D-Wave računari rade na principima donekle drugačijim od drugih kvantnih arhitektura, i nisu prikladni za implementaciju tradicionalnih kvantnih algoritama, rješavajući samo jedan problem - diskretnu optimizaciju. Osim toga, informacije koje potvrđuju da je D-Wave brži od konvencionalnog kompjutera i da je u principu kvantan (koristi efekat kvantne isprepletenosti), koji ne bi došao od samog D-Wavea ili ga uzeo kao partnera u razvoj umjetne inteligencije Google, nije dostupan. Nećemo, naravno, davati glasne izjave, ali to postavlja određena pitanja, posebno u svjetlu činjenice da je Lockheed Martin najveći kupac D-Wavea, a puno se priča o kolosalnim razmjerima piljenja i izvlačenja operacije u američkoj odbrambenoj industriji. Sapienti sat.
Zapravo, o čemu se tu radi, posebno u svjetlu programa digitalne ekonomije koji smo usvojili i ruskih razvoja u oblasti kvantnog računarstva naglašenih u gornjem tekstu. Pa, i direktno futurološka prognoza.
Možda su svi čuli za početak nove informatičke ere. Ali istovremeno je raširena prilično pogrešna "pop" percepcija ovog fenomena: kao svojevrsne IT utopije, u kojoj roboti rade, a ljudi ili pišu programe za njih, ili "generiraju sadržaj" daljinskim povezivanjem svog gadgeta sa radi server iz nekog tropskog ljetovališta...
Ali u praksi to nije slučaj. U stvarnosti, dolazi do neviđenog ubrzanja ekonomskih i društvenih procesa, uzrokovanih postojanjem fundamentalne mogućnosti da se u gotovo realnom vremenu pribave značajne količine informacija sa suprotne strane svijeta. Odnosno, stvar je prije u razvoju komunikacionih sistema i njihovoj globalnoj distribuciji. U ovim uslovima, informacija zaista dobija posebnu vrednost, jer vam omogućava da na vreme odgovorite na događaje koji se brzo razvijaju. Ali sam pristup informacijama nije dovoljan, budući da je samih informacija ponekad čak i previše – unatoč činjenici da mogu biti razbacane, nepotpune, netačne, pa čak i dezinformacije. Ovo stvara sve veću potrebu za moćnim i pouzdanim alatima za obradu pristiglih informacija i razvoj rješenja zasnovanih na njima.
Dakle, uprkos činjenici da značaj „arhaičnih“ industrija (koje su imale manje sreće kod PR menadžera) nije poništen, treba očekivati svojevrsnu „trku u naoružanju“ u kreiranju ovakvih sistema, koja možda neće postati ( ili čak - već postaje) ne komercijalna, već državna stvar. Moguće je, možda, čak i pretpostaviti sliku (pomalo popularno hipertrofiranu, ali ipak) u kojoj burna rasprava u parlamentu neće biti uzrokovana moralnom procjenom modela industrije zabave, već poređenjem složenih rasporeda situacije razvijenih od strane različitih sistema. Uz detaljnu analizu grešaka modeliranja u ovim sistemima.
Istovremeno, svako razumije da takav sistem, čak i najsavršeniji, ne znači ništa bez baze elemenata. A što se tiče tradicionalne mikroelektronike, ulazak u trku sa Silicijumskom dolinom, sa njihovom već postojećom infrastrukturom i radnim naučnim oblastima, je čisto teoretski moguć, ali će se u njoj već moći izbiti na prve pozicije... takođe je moguće, ali veoma teško i nedopustivo dugo.
I tu kvantni kompjuteri privlače posebnu pažnju. Prvo, činjenica da je situacija sa proizvodnom bazom za njihovo stvaranje približno ista u cijelom svijetu - ta baza jednostavno ne postoji. Drugo, činjenica da se problemi koje kvantni kompjuteri rješavaju najbolje poklapaju na izvanredan način s problemima koje je postavilo početak informatičkog doba. I treće, činjenica da ruski naučnici imaju svoje solidno iskustvo u oblasti kvantnog računarstva, i, što treba posebno napomenuti, ne u okviru opšte globalne „kubitske trke“, već u sopstvenom pravcu – razvoju kubiti na supravodnicima (koji se paralelno razvija u obje teme).
Da rezimiramo, ispada da je u oblasti kvantnog računarstva sve u našim rukama. I postoje vrlo realne šanse da ovo područje postane jedan od stubova (uz, na primjer, nuklearnu energiju, svemir i odbranu) našeg budućeg vodstva. A za ovo moramo da počnemo veoma blisko da radimo na tome upravo sada, iako još ima vremena.
Kvantni kompjuteri obećavaju pravu revoluciju, ne samo u računarstvu, već iu stvarnom životu. Mediji su puni naslova o tome kako će kvantni kompjuteri uništiti modernu kriptografiju, a moć umjetne inteligencije zahvaljujući njima će se povećati za redove veličine.
Tokom proteklih 10 godina, kvantni računari su prošli put od čiste teorije do prvih prototipova koji rade. Istina, još je dug put do obećane revolucije, pa čak ni njen uticaj na kraju možda neće biti tako sveobuhvatan kao što se sada čini.
Kako radi kvantni kompjuter
Kvantni kompjuter je uređaj koji koristi fenomene kvantne superpozicije i kvantne isprepletenosti. Osnovni element u takvim proračunima je kubit, odnosno kvantni bit. Iza svih ovih riječi krije se prilično komplikovana matematika i fizika, ali ako ih što više pojednostavite, dobijate nešto poput sljedećeg.
U običnim računarima imamo posla sa bitovima. Bit je jedinica informacija u binarnom sistemu. Može uzeti vrijednost 0 i 1, što je vrlo zgodno ne samo za matematičke operacije, već i za logičke, jer nula može biti povezana s vrijednošću "lažno", a jedan - "tačno".
Moderni procesori su izgrađeni na bazi tranzistora, poluvodičkih elemenata koji mogu proći ili ne proći električnu struju. Drugim riječima, dajte dvije vrijednosti 0 i 1. Isto tako, tranzistor s plutajućim vratima može pohraniti punjenje u flash memoriju. Ako jeste, dobijamo jedan, ako ga nema, dobijamo nulu. Magnetno digitalno snimanje radi na sličan način, samo je nosilac informacije magnetna čestica, koja ima ili nema naboj.
Prilikom proračuna čitamo vrijednost bita (0 ili 1) iz memorije, a zatim propuštamo struju kroz tranzistor i, ovisno o tome da li ga prođe ili ne, na izlazu dobijemo novi bit, eventualno sa drugom vrijednošću.
Šta su kubiti za kvantne računare? U kvantnom kompjuteru, glavni element je kubit - kvantni bit. Za razliku od običnog bita, on je u stanju kvantne superpozicije, odnosno ima vrijednost i 0 i 1, i bilo koju njihovu kombinaciju u bilo kojem trenutku. Ako u sistemu postoji više kubita, onda promjena u jednom povlači i promjenu svih ostalih kubita.
Ovo vam omogućava da istovremeno izračunate sve moguće opcije. Običan procesor sa svojim binarnim proračunima zapravo izračunava opcije sekvencijalno. Prvo jedan scenario, pa drugi, pa treći itd. Da bi ubrzali, počeli su da koriste višenitno, paralelno izvođenje proračuna, prethodno dohvaćanje kako bi predvidjeli moguće opcije grananja i izračunali ih unaprijed. U kvantnom kompjuteru, sve se to radi paralelno.
Princip proračuna je takođe drugačiji. U određenom smislu, kvantni kompjuter već sadrži sve moguće opcije za rješavanje problema, naš jedini zadatak je da razmotrimo stanje kubita i ... odaberemo ispravnu opciju od njih. I tu počinju poteškoće. Ovako radi kvantni kompjuter.
Izgradnja kvantnog kompjutera
Kakva će biti fizička priroda kvantnog kompjutera? Kvantno stanje se može postići samo česticama. Kubit se ne može izgraditi od nekoliko atoma kao tranzistor. Ovaj problem još nije u potpunosti riješen. Postoji nekoliko opcija. Koriste se nabojna stanja atoma, na primjer, prisustvo ili odsustvo elektrona u običnoj tački, supravodljivi elementi, fotoni itd.
Takve "suptilne stvari" nameću ograničenja na mjerenje stanja kubita. Energije su izuzetno niske, potrebna su pojačala za čitanje podataka. Ali pojačivači mogu uticati na kvantni sistem i promeniti njegova stanja, međutim, ne samo oni, već i sama činjenica posmatranja može biti značajna.
Kvantno računanje uključuje niz operacija koje se izvode na jednom ili više kubita. One pak dovode do promjena u cijelom sistemu. Zadatak je izabrati iz njegovih stanja ono ispravno, što daje rezultat proračuna. U ovom slučaju može postojati koliko god želite, maksimalno blizu tome. Shodno tome, tačnost takvih proračuna će se razlikovati od jedne u gotovo svemu.
Dakle, punopravni kvantni kompjuter zahtijeva značajan napredak u fizici. Osim toga, programiranje za kvantni kompjuter će se razlikovati od onoga što je sada. Konačno, kvantni kompjuteri ne mogu riješiti probleme koji su izvan moći konvencionalnih kompjutera, ali mogu ubrzati rješenja onih s kojima mogu. Međutim, opet ne svi.
Brojanje po kubitima, qubit kvantni kompjuter
Postepeno se otklanjaju problemi na putu do kvantnog kompjutera. Prvi kubiti su izgrađeni početkom veka. Proces se ubrzao početkom decenije. Programeri su sada u poziciji da proizvode procesore sa desetinama kubita.
Najnoviji proboj bilo je stvaranje procesora Bristlecone u utrobi Googlea. U martu 2018. kompanija je saopštila da je u stanju da napravi procesor od 72 kubita. Na kojim fizičkim principima je izgrađen Bristlecone, Google ne izvještava. Međutim, vjeruje se da je za postizanje "kvantne superiornosti", kada kvantni kompjuter počne da nadmašuje konvencionalni, dovoljno 49 kubita. Google je uspio ispuniti ovaj uvjet, ali stopa greške od 0,6% je do sada veća od potrebnih 0,5%.
U jesen 2017. godine, IBM je najavio stvaranje prototipa kvantnog procesora od 50 kubita. On je na testiranju. Ali 2017. godine IBM je otvorio svoj procesor od 20 kubita za računarstvo u oblaku. U martu 2018. lansirana je manja verzija IBM Q. Svako može eksperimentisati na takvom računaru. Prema njihovim rezultatima, već je objavljeno 35 naučnih radova.
Početkom 10. godišnjice na tržištu se pojavila švedska kompanija D-Wave, koja je svoje računare pozicionirala kao kvantna. To je izazvalo mnogo kontroverzi, jer je najavljivalo stvaranje mašina od 1000 kubita, dok su priznati lideri "švrljali" sa samo nekoliko kubita. Računari švedskih programera prodavali su se za 10-15 miliona dolara, pa ih nije bilo lako provjeriti.
D-Wave kompjuteri nisu kvantni u bukvalnom smislu te riječi, ali koriste neke kvantne efekte koji se mogu koristiti za rješavanje nekih problema optimizacije. Drugim riječima, ne dobijaju svi algoritmi koji se mogu izvršiti na kvantnom kompjuteru kvantno ubrzanje na D-Waveu. Google je kupio jedan od švedskih sistema. Kao rezultat toga, njegovi istraživači su prepoznali kompjutere kao "ograničeno kvantne". Istovremeno se pokazalo da su kubiti grupisani u klastere od osam, odnosno da je njihov stvarni broj primjetno manji od deklariranog.
Kvantni kompjuter u Rusiji
Tradicionalno jaka škola fizike omogućava značajan doprinos rješavanju fizičkih problema za stvaranje kvantnog kompjutera. U januaru 2018. Rusi su kreirali pojačalo signala za kvantni kompjuter. S obzirom na to da je sam pojačivač sposoban da svojim radom utiče na stanje kubita, nivo buke koji generiše trebalo bi da se malo razlikuje od „vakuumskog“. To su uradili ruski naučnici iz Laboratorije za superprovodne metamaterijale NUST MISIS i dva instituta Ruske akademije nauka. Za kreiranje pojačala korišteni su superprovodnici.
U Rusiji je takođe stvoren kvantni centar. To je nevladina istraživačka organizacija posvećena istraživanju u oblasti kvantne fizike. Posebno se bavi problemom stvaranja kubita. Iza centra su biznismen Sergej Belousov i profesor Univerziteta Harvard Mihail Lukin. Pod njegovim vodstvom, na Harvardu je već stvoren procesor od 51 kubit, koji je neko vrijeme prije objave Bristlecona bio najmoćniji kvantni kompjuterski uređaj na svijetu.
Razvoj kvantnog računarstva postao je dio državnog programa Digitalna ekonomija. U 2018-20. godini za rad u ovoj oblasti biće izdvojena državna podrška. Akcioni plan predviđa stvaranje kvantnog simulatora na osam supravodljivih kubita. Nakon toga će se riješiti pitanje daljeg skaliranja ove tehnologije.
Osim toga, do 2020. Rusija će testirati još jednu kvantnu tehnologiju: izgradnju kubita na neutralnim atomima i nabijenim jonima u zamkama.
Jedan od ciljeva programa je stvaranje uređaja za kvantnu kriptografiju i kvantne komunikacije. Biće stvoreni centri za distribuciju kvantnih ključeva koji će ih distribuirati potrošačima - bankama, data centrima, industrijskim preduzećima. Vjeruje se da punopravni kvantni kompjuter može razbiti bilo koji moderni algoritam šifriranja za nekoliko minuta.
Na kraju
Dakle, kvantni kompjuteri su i dalje eksperimentalni. Malo je vjerovatno da će se potpuni kvantni kompjuter sa zaista velikom računarskom snagom pojaviti prije sljedeće decenije. Proizvodnja kubita i izgradnja stabilnih sistema od njih još je daleko od savršenstva.
Sudeći po tome da na fizičkom nivou kvantni računari imaju nekoliko rješenja koja se razlikuju po tehnologiji i vjerovatno po cijeni, neće biti objedinjena još 10 godina.Proces standardizacije može potrajati.
Osim toga, već je jasno da će kvantni računari u narednoj deceniji vjerovatno biti "komad" i vrlo skupi uređaji. Malo je vjerovatno da će završiti u džepu običnog korisnika, ali se može očekivati da će se pojaviti lista superkompjutera.
Vjerovatno će kvantni kompjuteri biti ponuđeni u modelu "oblaka", kada njihove resurse mogu koristiti zainteresovani istraživači i organizacije.
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 se ovaj koncept objašnjava 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 provjeravaju sva moguća rješenja, ili barem njihova vrlo velika kombinacija, i daje se odgovor. 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, postoje 2 mogućnosti na 50. stepen. 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 je sposobnost da se iskoristi računarska snaga subatomskog svijeta, koja je neophodna za pravljenje 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 izdvajaju 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 startupovima, 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 biti 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 očiti favorit Google grupa koju vodi profesor fizike UC Santa Barbara 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 u svakodnevnom životu ne funkcioniše na ovaj način. Ipak, oko milion eksperimenata sprovedenih od početka 20. veka pokazuje da superpozicija postoji. I sljedeći korak je otkrivanje 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, NE, 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 ovo alternativni način računanja, koji u nekim slučajevima može biti moćniji. 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.
Svijet je na rubu još jedne kvantne revolucije. Prvi kvantni kompjuter odmah će riješiti probleme na koje najmoćniji savremeni uređaj sada troši godine. Koji su to zadaci? Kome koristi, a kome prijeti masovna upotreba kvantnih algoritama? Šta je superpozicija kubita, kako su ljudi naučili pronaći optimalno rješenje bez prolaska kroz trilione opcija? Na ova pitanja odgovaramo pod naslovom „Samo o komplikovanim stvarima“.
Prije kvantne teorije, u upotrebi je bila klasična teorija elektromagnetnog zračenja. Godine 1900. njemački naučnik Max Planck, koji ni sam nije vjerovao u kvante, smatrao ih je izmišljenom i čisto teoretskom konstrukcijom, bio je prisiljen priznati da se energija zagrijanog tijela zrači u porcijama - kvanti; tako su se pretpostavke teorije poklopile sa eksperimentalnim zapažanjima. I pet godina kasnije, veliki Albert Ajnštajn je pribegao istom pristupu kada je objašnjavao fotoelektrični efekat: kada je bio izložen svetlosti, električna struja je nastala u metalima! Malo je vjerovatno da su Planck i Ajnštajn mogli pretpostaviti da svojim radovima postavljaju temelje nove nauke – kvantne mehanike, koja će biti predodređena da transformiše naš svet do neprepoznatljivosti, i da će se naučnici u 21. veku približiti stvaranju kvantni kompjuter.
U početku je kvantna mehanika pomogla da se objasni struktura atoma i da se razumeju procesi koji se odvijaju unutar njega. Uglavnom se ostvario stari san alhemičara o transformaciji atoma jednih elemenata u atome drugih (da, čak i u zlato). A poznata Einsteinova formula E = mc2 dovela je do pojave atomske energije i, kao posljedice, atomske bombe.
Kvantni procesor od pet kubita iz IBM-a
Dalje više. Zahvaljujući radu Ajnštajna i engleskog fizičara Pola Diraka, u drugoj polovini 20. veka nastao je laser - takođe kvantni izvor ultračiste svetlosti, sakupljen u uskom snopu. Istraživanja o laserima donijela su Nobelovu nagradu za više od deset naučnika, a sami laseri su našli svoju primjenu u gotovo svim sferama ljudske aktivnosti - od industrijskih rezača i laserskih pušaka do skenera bar kodova i korekcije vida. Otprilike u isto vrijeme u toku su aktivna istraživanja poluvodiča - materijala pomoću kojih možete lako kontrolirati tok električne struje. Na njihovoj osnovi su stvoreni prvi tranzistori - kasnije su postali glavni građevinski elementi moderne elektronike, bez kojih više ne možemo zamisliti svoj život.
Razvoj elektronskih računara – kompjutera – omogućio je brzo i efikasno rešavanje mnogih problema. A postepeno smanjenje njihove veličine i cijene (zbog masovne proizvodnje) utrlo je put kompjuterima u svakom domu. Sa pojavom interneta, naša zavisnost od kompjuterskih sistema, uključujući i komunikaciju, postala je još jača.
Richard Feynman
Zavisnost raste, računarska snaga stalno raste, ali vrijeme je da priznamo da, uprkos impresivnim mogućnostima, računari nisu uspjeli riješiti sve probleme koje smo spremni da im postavimo. Čuveni fizičar Richard Feynman bio je jedan od prvih koji je o tome govorio: još 1981. godine na konferenciji je rekao da je suštinski nemoguće precizno izračunati pravi fizički sistem na običnim računarima. Sve je u njegovoj kvantnoj prirodi! Efekti mikroskala se lako objašnjavaju kvantnom mehanikom, a vrlo loše - klasičnom mehanikom na koju smo navikli: ona opisuje ponašanje velikih objekata. Tada je Feynman predložio korištenje kvantnih kompjutera za izračunavanje fizičkih sistema kao alternativu.
Šta je kvantni kompjuter i po čemu se razlikuje od kompjutera na koje smo navikli? Sve je u tome kako sami sebi predstavljamo informacije.
Dok su u običnim računarima bitovi - nule i jedinice - odgovorni za ovu funkciju, u kvantnim računarima su zamenjeni kvantnim bitovima (skraćeno kubitima). Sam kubit je prilično jednostavna stvar. Još uvijek ima dvije osnovne vrijednosti (ili stanja, kako vole da kažu u kvantnoj mehanici), koje može uzeti: 0 i 1. Međutim, zahvaljujući svojstvu kvantnih objekata zvanom "superpozicija", kubit može poprimiti sve vrijednosti koje su kombinacija osnovnih. Štaviše, njegova kvantna priroda mu omogućava da bude u svim ovim stanjima u isto vrijeme.
Tu leži paralelizam kvantnog računanja sa kubitima. Sve se dešava odjednom - više ne morate da prolazite kroz sve moguće varijante stanja sistema, ali to je upravo ono što radi običan računar. Pretraživanje velikih baza podataka, sastavljanje optimalne rute, razvoj novih lijekova samo su nekoliko primjera problema koje kvantni algoritmi mogu ubrzati višestruko. Ovo su zadaci kod kojih da biste pronašli tačan odgovor morate proći kroz ogroman broj opcija.
Osim toga, za opisivanje tačnog stanja sistema više nisu potrebne ogromna računarska snaga i količine RAM-a, jer je za izračunavanje sistema od 100 čestica dovoljno 100 kubita, a ne trilijuni triliona bitova. Štaviše, sa povećanjem broja čestica (kao u stvarnim složenim sistemima), ova razlika postaje još značajnija.
Jedan od iscrpnih zadataka isticao se svojom naizgled beskorisnošću - dekompozicija velikih brojeva na proste faktore (odnosno, potpuno djeljive samo sa sobom i jednim). To se zove "faktorizacija". Činjenica je da obični računari mogu prilično brzo umnožiti brojeve, čak i ako su veoma veliki. Međutim, sa inverznim problemom dekompozicije velikog broja koji je rezultat množenja dvaju prostih brojeva u originalne faktore, obični računari rade vrlo loše. Na primjer, da bi se broj od 256 cifara razložio na dva faktora, čak i najmoćnijem računaru trebat će više od deset godina. Ali kvantni algoritam koji može riješiti ovaj problem za nekoliko minuta izmislio je 1997. engleski matematičar Peter Shore.
Pojavom Šorovog algoritma, naučna zajednica se suočila sa ozbiljnim problemom. Još kasnih 1970-ih, na osnovu složenosti problema faktorizacije, kriptografski naučnici su stvorili algoritam za šifrovanje podataka koji je postao sveprisutan. Konkretno, koristeći ovaj algoritam, počeli su štititi podatke na Internetu - lozinke, ličnu prepisku, bankovne i finansijske transakcije. I nakon mnogo godina uspješne upotrebe, odjednom se pokazalo da informacija šifrirana na ovaj način postaje laka meta za Shorov algoritam koji radi na kvantnom kompjuteru. Dešifriranje s njim postaje pitanje minuta. Jedna stvar je bila dobra vijest: kvantni kompjuter na kojem bi se mogao pokrenuti smrtonosni algoritam još nije stvoren.
U međuvremenu, širom svijeta, desetine istraživačkih grupa i laboratorija počele su da se bave eksperimentalnim istraživanjem kubita i mogućnosti stvaranja kvantnog kompjutera od njih. Na kraju krajeva, jedno je teoretski izmisliti kubit, a sasvim drugo prevesti ga u stvarnost. Da bi se to postiglo, bilo je potrebno pronaći odgovarajući fizički sistem sa dva kvantna nivoa koji se mogu koristiti kao osnovna stanja kubita - nula i jedan. Sam Feynman je u svom pionirskom članku predložio korištenje fotona uvrnutih u različitim smjerovima za ove svrhe, ali prvi eksperimentalno stvoreni kubiti bili su joni uhvaćeni u posebne zamke 1995. godine. Mnoge druge fizičke realizacije pratile su jone: atomska jezgra, elektroni, fotoni, defekti u kristalima, supravodljivi lanci - svi su ispunjavali postavljene zahtjeve.
Ova sorta je imala svoje prednosti. Vođene intenzivnom konkurencijom, razne naučne grupe stvarale su sve savršenije kubite i od njih gradile sve složenije šeme. Postojala su dva glavna kompetitivna parametra za kubite: njihov životni vijek i broj kubita koji se mogu natjerati da rade zajedno.
Laboratorija za umjetne kvantne sisteme
Životni vijek kubita diktirao je koliko dugo je krhko kvantno stanje bilo pohranjeno u njima. Ovo je zauzvrat odredilo koliko se računskih operacija može izvesti na kubitu prije nego što "umre".
Da bi kvantni algoritmi efikasno radili, nije bio potreban jedan kubit, već najmanje stotinu, i štaviše, zajednički rad. Problem je bio u tome što kubiti nisu baš voljeli koegzistirati jedni s drugima i protestirali su zbog dramatičnog smanjenja njihovog životnog vijeka. Naučnici su morali ići na razne trikove kako bi zaobišli ovu svadljivost kubita. Pa ipak, do danas, naučnici su uspjeli postići da maksimalno jedan do dva tuceta kubita rade zajedno.
Dakle, na radost kriptografa, kvantni kompjuter je i dalje stvar budućnosti. Iako nije nimalo tako daleko kako se nekada moglo činiti, ipak, kako najveće korporacije poput Intela, IBM-a i Googlea, tako i pojedinačne države, za koje je stvaranje kvantnog kompjutera pitanje od strateškog značaja, aktivno učestvuju u njegovom stvaranju.
Ne propustite predavanje:
