Da bismo manje-više u potpunosti otkrili suštinu kvantnih kompjuterskih tehnologija, dotaknimo se najprije istorije kvantne teorije.
Nastao je zahvaljujući dvojici naučnika čiji su rezultati istraživanja nagrađeni Nobelovom nagradom: otkriću kvanta M. Planka 1918. i A. Ajnštajna fotona 1921. godine.
Godina rođenja ideje o kvantnom kompjuteru bila je 1980., kada je Benioff uspio u praksi uspješno demonstrirati ispravnost kvantne teorije.
Pa, prvi prototip kvantnog kompjutera stvorili su Gershenfeld i Chuang 1998. godine na Massachusetts Institute of Technology (MTI). Ista grupa istraživača kreirala je naprednije modele u naredne dvije godine.
Za nestručnjaka, kvantni kompjuter je nešto apsolutno fantastično u smislu obima, to je računarska mašina ispred koje je običan kompjuter kao abakus ispred kompjutera. I, naravno, ovo je nešto veoma daleko od realizacije.
Za osobu koja je povezana s kvantnim kompjuterima, ovo je uređaj čiji su opći principi rada manje-više jasni, ali postoje mnogi problemi koji se moraju riješiti prije nego što se može implementirati u hardver, a sada mnoge laboratorije širom svijeta ove pokušavaju da savladaju prepreke. 
Na polju kvantne tehnologije, u prošlosti su privatne kompanije, uključujući IBM i DWays, već ostvarile napredak.
Oni i danas redovno izvještavaju o najnovijim dešavanjima u ovoj oblasti. Većinu istraživanja provode japanski i američki naučnici. Japan, u potrazi za svjetskim liderstvom u oblasti hardvera i softvera, troši ogromne količine novca na razvoj u ovoj oblasti. Prema riječima potpredsjednika Hewlett-Packarda, do 70% svih istraživanja radi se u Zemlji izlazećeg sunca. Kvantni kompjuteri su jedan od koraka koje je preduzela njihova odlučna kompanija kako bi preuzela vodstvo na globalnom tržištu.
Šta objašnjava želju za savladavanjem ovih tehnologija? Njihove neosporne značajne prednosti u odnosu na poluvodičke računare!
ŠTA JE?
Kvantni kompjuter je računarski uređaj koji radi na bazi kvantne mehanike.
Do danas, kvantni kompjuter punog opsega je hipotetički uređaj koji se ne može stvoriti s obzirom na dostupne podatke u kvantnoj teoriji.
Kvantni kompjuter za proračun ne koristi klasične algoritme, već složenije procese kvantne prirode, koji se nazivaju i kvantni algoritmi. Ovi algoritmi koriste kvantnomehaničke efekte: kvantnu zapetljanost i kvantni paralelizam.
Da bismo razumjeli zašto je kvantni kompjuter uopće potreban, potrebno je zamisliti princip njegovog rada.
Ako običan računar radi obavljajući sekvencijalne operacije sa nulama i jedinicama, tada kvantni računar koristi prstenove sa supravodljivog filma. Struja može teći kroz ove prstenove u različitim smjerovima, tako da lanac takvih prstenova može istovremeno provesti mnogo više operacija sa nulama i jedinicama.
Velika snaga je glavna prednost kvantnog kompjutera. Nažalost, ovi prstenovi su podložni i najmanjim vanjskim utjecajima, zbog čega se smjer struje može promijeniti, a proračuni se u ovom slučaju ispostavljaju netočnim.
RAZLIKA KVANTNOG RAČUNARA OD OBIČNOG RAČUNARA
Glavna razlika između kvantnih kompjutera i običnih je u tome što se podaci pohranjuju, obrađuju i prenose ne uz pomoć “bitova”, već “kubita” – jednostavno rečeno, “kvantnih bitova”. Kao i običan bit, kubit može biti u uobičajenim stanjima “|0>” i “|1>”, a osim toga, može biti u stanju superpozicije A·|0> + B·|1> , gdje su A i B bilo koji kompleksni brojevi koji zadovoljavaju uvjet | A |2 + | B |2 = 1.
VRSTE KVANTNIH RAČUNALA
Postoje dvije vrste kvantnih kompjutera. Oba su zasnovana na kvantnim fenomenima, samo različitog reda.
kompjuteri, koji se baziraju na kvantizaciji magnetnog fluksa na kršenju supravodljivosti - Džozefsonovim prelazima. Na Josephson efektu se već izrađuju linearni pojačivači, analogno-digitalni pretvarači, SQUID-ovi i korelatori.Ista elementna baza je korištena u projektu za izradu petaflop (1015 ops/s) računara. Eksperimentalno je postignuta frekvencija takta od 370 GHz, koja se u budućnosti može povećati na 700 GHz.Međutim, vrijeme defaziranja valne funkcije kod ovih uređaja je uporedivo sa vremenom uključivanja pojedinih ventila, a zapravo na novim, kvantnim principima implementirana je baza elemenata koja nam je već poznata - flip-flops, registri i drugi logički elementi.
Drugi tip kvantnih računara, koji se takođe nazivaju kvantno koherentni računari, zahteva održavanje koherentnosti talasnih funkcija kubita koji se koriste tokom čitavog vremena računanja - od početka do kraja (kubit može biti bilo koji kvantno mehanički sistem sa dva namenska nivoa energije). Kao rezultat toga, za neke zadatke, računarska snaga koherentnih kvantnih računara je proporcionalna 2N, gde je N broj kubita u računaru. Kada se govori o kvantnim računarima, misli se na potonju vrstu uređaja.
KVANTNI RAČUNARI SADA
Ali danas se stvaraju mali kvantni kompjuteri. U tom pravcu posebno je aktivna kompanija D-Wave Systems, koja je još 2007. godine kreirala kvantni kompjuter od 16 kubita. Ovaj kompjuter se uspješno nosio sa zadatkom sjedenja gostiju za stolom, na osnovu činjenice da se neki od njih nisu voljeli. Sada kompanija D-Wave Systems nastavlja razvoj kvantnih računara.
Grupa fizičara iz Japana, Kine i Sjedinjenih Država je po prvi put uspjela u praksi izgraditi kvantni kompjuter baziran na von Neumannovoj arhitekturi – odnosno sa fizičkim razdvajanjem kvantnog procesora i kvantne memorije. U ovom trenutku, za praktičnu implementaciju kvantnih kompjutera (računara zasnovanih na neuobičajenim svojstvima objekata kvantne mehanike), fizičari koriste sve vrste egzotičnih objekata i fenomena - ione zarobljene u optičkoj zamci, nuklearnu magnetnu rezonancu. U sklopu novog rada, naučnici su se oslanjali na minijaturna supravodljiva kola - mogućnost implementacije kvantnog kompjutera pomoću takvih kola opisana je u Nature 2008. godine.
Kompjuter koji su sastavili naučnici sastojao se od kvantne memorije, čiju su ulogu imala dva mikrotalasna rezonatora, procesor od dva kubita povezana magistralom (rezonator je takođe igrao svoju ulogu, a kubiti su bili supravodljiva kola) i uređaja za brisanje podataka. Koristeći ovaj kompjuter, naučnici su shvatili dva glavna algoritma- takozvana kvantna Fourierova transformacija, i konjukcija uz pomoć Toffoli kvantnih logičkih elemenata:
Prvi algoritam je kvantni analog diskretne Fourierove transformacije. Njegova odlika je mnogo manji (reda n2) broj funkcionalnih elemenata u implementaciji algoritma u odnosu na njegov analog (reda n 2n). Diskretna Fourierova transformacija se koristi u različitim područjima ljudske aktivnosti - od proučavanja parcijalnih diferencijalnih jednačina do kompresije podataka.
Zauzvrat, Toffolijevi kvantni logički elementi su osnovni elementi, iz kojih se, uz neke dodatne zahtjeve, može dobiti bilo koja Booleova funkcija (program). Posebnost ovih elemenata je reverzibilnost, koja, sa stanovišta fizike, između ostalog, omogućava minimiziranje proizvodnje topline uređaja.
Prema naučnicima, sistem koji su stvorili ima jednu izuzetnu prednost - lako je skalabilan. Dakle, može poslužiti kao neka vrsta gradiva za buduće računare. Prema istraživačima, novi rezultati jasno pokazuju obećanje nove tehnologije.
Kvantni kompjuter nije samo kompjuter nove generacije, on je nešto mnogo više. Ne samo sa stanovišta primjene najnovijih tehnologija, već i sa stanovišta njenih neograničenih, nevjerovatnih, fantastičnih mogućnosti koje ne samo da mogu promijeniti svijet ljudi, već čak i ... stvoriti drugačiju stvarnost.
Kao što znate, savremeni računari koriste memoriju predstavljenu u binarnom kodu: 0 i 1. Baš kao u Morzeovom kodu - tačka i natpis. Uz pomoć dva znaka možete šifrirati bilo koju informaciju mijenjajući njihove kombinacije.
Postoje milijarde ovih bitova u memoriji modernog kompjutera. Ali svaki od njih može biti u jednom od dva stanja - ili nula ili jedan. Kao sijalica: ili upaljena ili isključena.
Kvantni bit (qubit) je najmanji element za skladištenje informacija u kompjuteru budućnosti. Jedinica informacije u kvantnom kompjuteru sada može biti ne samo nula ili jedan, već oboje u isto vrijeme.
Jedna ćelija vrši dve radnje, dve - četiri, četiri - šesnaest itd. Zato kvantni sistemi mogu da rade duplo brže i sa velikom količinom informacija od savremenih.
Po prvi put su naučnici iz Ruskog kvantnog centra (RQC) i Laboratorije za supravodljive metamaterijale "izmjerili" kubit (Q-bit).
Sa tehničke strane, kubit je metalni prsten sa rezovima prečnika nekoliko mikrona, nanesen na poluprovodnik. Prsten se hladi na ultra-niske temperature kako bi postao supravodič. Pretpostavljamo da struja koja teče kroz prsten ide u smjeru kazaljke na satu - ovo je 1. Protiv - 0. To jest, dva obična stanja.
Mikrotalasno zračenje je propušteno kroz prsten. Na izlazu iz prstena ovog zračenja mjeren je fazni pomak struje. Ispostavilo se da se cijeli ovaj sistem može smjestiti u dva glavna i mješovito stanje: oba u isto vrijeme!!! U nauci se to naziva principom superpozicije.
Eksperiment ruskih naučnika (sličan koji su sproveli naučnici iz drugih zemalja) dokazao je da kubit ima pravo na život. Stvaranje kubita dovelo je do ideje i približilo naučnike snu o stvaranju optičkog kvantnog kompjutera. Ostaje samo dizajnirati i kreirati. Ali nije sve tako jednostavno...
Poteškoće, problemi u stvaranju kvantnog kompjutera
Ako je potrebno, na primjer, izračunati milijardu opcija u modernom računaru, onda je potrebno "skroluti" milijardu takvih ciklusa. Postoji fundamentalna razlika na kvantnom kompjuteru, on može izračunati sve ove opcije istovremeno.
Jedan od glavnih principa na kojem će raditi kvantni kompjuter je princip superpozicije, a ne možete ga nazvati drugačije nego magičnim!
To znači da ista osoba može biti na različitim mjestima u isto vrijeme. Fizičari se šale: "Ako niste šokirani kvantnom teorijom, onda je niste razumjeli."
Izgled kvantnih kompjutera koji se sada stvaraju upadljivo se razlikuju od klasičnih. Izgledaju kao ... mjeseci:
Takav dizajn, koji se sastoji od bakrenih i zlatnih dijelova, rashladnih zavojnica i drugih karakterističnih detalja, naravno, ne odgovara njegovim kreatorima. Jedan od glavnih zadataka naučnika je da ga učine kompaktnim i jeftinim. Da bi se to dogodilo, potrebno je riješiti nekoliko pitanja.
Prvi problem je nestabilnost superpozicija
Sve ove kvantne superpozicije su veoma "nježne". Čim počnete da ih gledate, čim počnu da komuniciraju sa drugim objektima, odmah se sruše. Postaju klasični. Ovo je jedan od najvažnijih problema u izgradnji kvantnog kompjutera.
Drugi problem - potrebno je jako hlađenje
Druga prepreka je postizanje stabilnog rada kvantnog kompjutera. u obliku koji imamo danas, zahteva jako hlađenje. Snažno, ovo je stvaranje opreme u kojoj se temperatura održava blizu apsolutne nule - minus 273 stepena Celzijusa! Stoga sada prototipovi takvih kompjutera, sa njihovim kriogeno-vakuumskim instalacijama, izgledaju vrlo glomazno:
Međutim, naučnici su uvjereni da će uskoro svi tehnički problemi biti riješeni i da će jednog dana kvantni kompjuteri sa ogromnom računarskom snagom zamijeniti savremene.
Neka tehnička rješenja u rješavanju problema
Do danas su naučnici pronašli niz značajnih rješenja za gore navedene probleme. Ova tehnološka otkrića, rezultat složenog, a ponekad i dugog, napornog rada naučnika, zaslužuju svako poštovanje.
Najbolji način da poboljšate kako kubit radi... dijamanti
Sve je vrlo slično poznatoj pjesmi o djevojkama i dijamantima. Glavna stvar na kojoj naučnici sada rade je podizanje životni vijek qubit, kao i "natjerati" kvantni kompjuter da radi na uobičajenim temperaturama. Da, komunikacija između kvantnih kompjutera zahteva dijamante! Za sve to bilo je potrebno stvoriti i koristiti umjetne dijamante super visoke transparentnosti. Uz njihovu pomoć uspjeli su produžiti život kubita na dvije sekunde. Ova skromna dostignuća, dvije sekunde života kubita i rad kompjutera na sobnoj temperaturi, zapravo su revolucija u nauci.
Suština eksperimenta francuskog naučnika Sergea Harochea zasniva se na činjenici da je uspio pokazati cijelom svijetu da svjetlost (kvantni fotonski tok) koja prolazi između dva ogledala koja je on posebno kreirao ne gubi svoje kvantno stanje.
Putujući svjetlosti 40.000 km između ovih ogledala, utvrdio je da se sve događa bez gubitka kvantnog stanja. Svjetlost se sastoji od fotona, a do sada niko nije uspio otkriti gube li kvantno stanje kada pređu određenu udaljenost. Nobelovac Serge Haroche: Jedan foton se nalazi na više mjesta u isto vrijeme, uspjeli smo to uhvatiti.” Zapravo ovo je princip superpozicije. “U našem velikom svijetu to je nemoguće. A u mikro-svijetu postoje i drugi zakoni”, kaže Aroš.
Unutar rezonatora su bili klasični atomi koji su se mogli izmjeriti. Iz ponašanja atoma, fizičar je naučio da identifikuje i meri neuhvatljive kvantne čestice. Prije Harocheovih eksperimenata, vjerovalo se da je promatranje kvanta nemoguće. Nakon eksperimenta počelo se pričati o osvajanju fotona, tj o približavanju ere kvantnih kompjutera.
Zašto se mnogi raduju stvaranju punopravnog kvantnog generatora, dok ga se drugi boje
Kvantni kompjuter će dati čovječanstvu velike mogućnosti
Kvantni kompjuter će otvoriti neograničene mogućnosti za čovečanstvo. Na primjer, pomoći će da se stvori umjetni um, o čemu su pisci naučne fantastike tako dugo buncali. Ili simulirati svemir. Cijeli. Prema najskromnijim prognozama, omogućit će vam da pogledate izvan granica mogućeg. Zamislimo svijet u kojem možete simulirati apsolutno sve što želite: dizajnirati molekule, super-jaki metal, brzo raspadnu plastiku, smisliti lijekove za neizlječive bolesti. Mašina će modelirati cijeli naš svijet, u potpunosti, do posljednjeg atoma. Možete čak i simulirati drugi svijet, čak i virtuelni.
Kvantni kompjuter bi mogao biti oružje Apokalipse
Mnogi ljudi, nakon što su se udubili u suštinu kvantne tehnologije, plaše je se iz raznih razloga. Čak i sada kompjuterizacija i sve kompjuterske tehnologije plaše laika. Dovoljno je prisjetiti se skandala o tome kako posebne službe, koristeći ugrađene programe u računala, pa čak i kućne aparate, organiziraju nadzor i prikupljaju podatke o svojim potrošačima. Na primjer, u mnogim zemljama zabranjene su poznate naočare - na kraju krajeva, one su idealno sredstvo za tajno snimanje i nadzor. Već sada je sigurno svaki stanovnik bilo koje zemlje, a još više korisnik na webu, naveden u nekoj vrsti baze podataka. Štaviše, i sasvim realno, pojedini servisi mogu izračunati svaku njegovu akciju na internetu.
Ali za kvantne kompjutere neće biti tajni! Nikakve. Sva kompjuterska bezbednost se zasniva na veoma dugim brojevima lozinki. Normalnom kompjuteru bi trebalo milion godina da dobije ključ koda. Ali uz pomoć kvanta, svako to može učiniti trenutno. Ispostavilo se da će svijet postati potpuno nesiguran: na kraju krajeva, u modernom svijetu sve je pod kontrolom kompjutera: bankovni transferi, letovi aviona, berze, nuklearni projektili! Tako ispada: ko poseduje informacije, taj poseduje i Svet. Ko je prvi je Bog. Kvantni kompjuter će postati jači od bilo kog sistema oružja. Na Zemlji može početi (ili je već počela) nova trka u naoružanju, samo što sada ne nuklearna, već kompjuterska.
Bog nas blagoslovio da bezbedno izađemo iz toga...
O kvantnom računarstvu, barem u teoriji, priča se decenijama. Moderne vrste mašina koje koriste neklasičnu mehaniku za obradu potencijalno nezamislivih količina podataka bile su veliki napredak. Prema riječima programera, njihova implementacija se pokazala kao možda najsloženija tehnologija ikada stvorena. Kvantni procesori rade na nivoima materije o kojima je čovečanstvo naučilo pre samo 100 godina. Potencijal ovakvih proračuna je ogroman. Korištenje bizarnih svojstava kvanta ubrzat će proračune, pa će mnogi problemi koji su trenutno izvan moći klasičnih kompjutera biti riješeni. 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 procesore kvantnog tipa. Prema investitorima, takvi proračuni će vjerovatno imati najveći utjecaj na industrije koje rade s 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 zove "kvantno žarenje", odnosno rješavaju probleme optimizacije niskog nivoa pomoću kvantnog procesora. Intel takođe ulaže u ovu tehnologiju, iako njenu implementaciju smatra pitanjem budućnosti.
Zašto je ovo potrebno?
Razlog zašto je kvantno računarstvo tako uzbudljivo je njegova savršena kombinacija sa mašinskim učenjem. Trenutno je ovo 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 preokrenu ovaj pristup. "Bace" nekoliko ptica i vide šta će se desiti. Ptice se snimaju na mikročip, bacaju se, koja je optimalna putanja? Zatim se testiraju sva moguća rješenja, ili barem njihova vrlo velika kombinacija, i odgovor se vraća. U kvantnom kompjuteru nema matematičara, već funkcionišu zakoni fizike.
Kako funkcionira?
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 stepen od 50. Ovo je fenomenalno, stoga 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 Downesu, predsjedniku i suosnivaču 1QBit-a, kvantni procesor je sposobnost korištenja računarske snage subatomskog svijeta, što je od velike važnosti za dobijanje novih materijala ili stvaranje novih lijekova. Postoji prijelaz sa paradigme otkrića u novu eru dizajna. Na primjer, kvantno računarstvo se može koristiti za modeliranje katalizatora koji omogućavaju uklanjanje ugljika i dušika iz atmosfere i na taj način pomažu u zaustavljanju globalnog zagrijavanja.
Na čelu napretka
Zajednica programera za ovu tehnologiju je izuzetno uzbuđena i zauzeta. Timovi širom svijeta u startupima, korporacijama, univerzitetima i vladinim laboratorijama utrkuju se u izgradnji mašina koje koriste različite pristupe kvantnoj obradi informacija. Superprovodljive kubit čipove i zarobljene jonske kubite kreirali su istraživači sa Univerziteta Merilend i američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju. Microsoft razvija topološki pristup pod nazivom Station Q koji ima za cilj eksploataciju neabelovog anjona čije postojanje još nije konačno dokazano.
Vjerovatna godina proboja
A ovo je samo početak. Od kraja maja 2017. broj procesora kvantnog tipa koji nedvosmisleno rade nešto brže ili bolje od klasičnog računara je nula. Takav događaj bi uspostavio "kvantnu nadmoć", ali do sada se to nije dogodilo. Iako je vjerovatno da će se to 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 međukorak ka rastavljanju klasičnog superkompjutera.
Kako je sve počelo?
Ideja korištenja kvantne mehanike za obradu informacija stara je desetljećima. Jedan od ključnih događaja dogodio se 1981. godine kada su IBM i MIT zajednički organizovali konferenciju 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 ne izgleda tako jednostavno. Princip rada kvantnog procesora zasniva se na nekoliko čudnih svojstava atoma - superpozicije i isprepletenosti. Čestica može biti u dva stanja istovremeno. Međutim, kada se izmjeri, to će biti samo u jednom od njih. A nemoguće je predvideti u kojoj, osim sa stanovišta teorije verovatnoće. Ovaj efekat leži u osnovi misaonog eksperimenta sa Schrödingerovom mačkom, koja je i živa i mrtva u kutiji sve dok posmatrač ne zaviri u nju. Ništa u svakodnevnom životu ne funkcioniše ovako. Međutim, oko milion eksperimenata sprovedenih od početka 20. veka pokazuje da superpozicija postoji. I sljedeći korak je da shvatite 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 imati vrijednosti 0 , 1 ili oboje u isto vrijeme. Ako su, recimo, 2 kubita zapletena, to ih čini savršeno povezanim. Procesor kvantnog tipa 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 računarstva počinje da se otkriva. 2 kubita vam omogućavaju da istražite 4 stanja: 00, 01, 10 i 11. Princip rada kvantnog procesora je takav da izvršenje 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 u isto vrijeme.
Kudity
Kvantni procesor u Rusiji se vidi nešto drugačije. Naučnici sa Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i Ruskog kvantnog centra stvorili su "kudits", koji su nekoliko "virtuelnih" kubita sa različitim "energetskim" nivoima.
Amplitude
Kvantni procesor ima prednost u tome što se kvantna mehanika zasniva na amplitudama. Amplitude su kao vjerovatnoće, ali mogu biti i negativni i kompleksni brojevi. Dakle, ako trebate izračunati vjerovatnoću događaja, možete dodati amplitude svih mogućih opcija za njihov razvoj. Ideja koja stoji iza kvantnog računarstva je pokušati podesiti na takav način da neki putevi do netačnih odgovora imaju pozitivnu amplitudu, a neki negativnu amplitudu 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 da sve organizirate bez da se unaprijed zna 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 problema koje kompjuter ne može da reši. 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 traženje faktora velikog broja pomoću kvantnog kompjutera, koji još nije postojao. U suštini, algoritam izvodi operacije koje ukazuju na regije s tačnim odgovorom. Sljedeće godine, Šor je otkrio način za kvantno ispravljanje grešaka. Tada su mnogi shvatili da je ovo alternativni način računanja, koji u nekim slučajevima može biti moćniji. Zatim je uslijedio nalet interesa 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 za koje su najmoćnijem modernom uređaju sada potrebne 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 "Jednostavno o kompleksu".
Prije kvantne, 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 emituje u porcijama - kvante; 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 ozračen svetlošću, u metalima se pojavila električna struja! Malo je vjerovatno da su Planck i Ajnštajn mogli zamisliti da svojim radom postavljaju temelje nove nauke – kvantne mehanike, kojoj je suđeno da transformiše naš svijet do neprepoznatljivosti, te da će se u 21. vijeku naučnici približiti stvaranju kvantni kompjuter.
U početku je kvantna mehanika omogućila objašnjenje strukture atoma i pomogla da se razumiju 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 Einsteinova poznata formula E=mc2 dovela je do pojave nuklearne energije i, kao rezultat, atomske bombe.
Kvantni procesor na 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. Lasersko istraživanje donijelo je Nobelovu nagradu više od deset naučnika, a sami laseri su našli svoju primjenu u gotovo svim područjima ljudske aktivnosti - od industrijskih rezača i laserskih pušaka do skenera bar kodova i korekcije vida. Otprilike u isto vrijeme bilo je aktivno istraživanje poluvodiča - materijala pomoću kojih možete lako kontrolirati tok električne struje. Na njihovoj osnovi su stvoreni prvi tranzistori - oni su kasnije postali glavni gradivni blokovi moderne elektronike, bez kojih danas ne možemo zamisliti svoj život.
Razvoj elektronskih računarskih mašina - računara - 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, izjavio je da je suštinski nemoguće precizno izračunati pravi fizički sistem na običnim kompjuterima. Sve je u njegovoj kvantnoj prirodi! Efekti mikrorazmjera se lako objašnjavaju kvantnom mehanikom, a vrlo loše - klasičnom mehanikom koja nam je poznata: opisuje ponašanje velikih objekata. Zatim, kao alternativu, Feynman je predložio korištenje kvantnih kompjutera za izračunavanje fizičkih sistema.
Šta je kvantni kompjuter i po čemu se razlikuje od kompjutera na koje smo navikli? Sve je u tome kako sami sebi prezentujemo informacije.
Ako su u konvencionalnim računarima bitovi - nule i jedinice - odgovorni za ovu funkciju, onda su u kvantnim računarima zamijenjeni kvantnim bitovima (skraćeno kubiti). Sam kubit je prilično jednostavna stvar. Još uvijek ima dvije osnovne vrijednosti (ili stanja, kako vole da kažu u kvantnoj mehanici) koje može poprimiti: 0 i 1. Međutim, zahvaljujući svojstvu kvantnih objekata zvanom "superpozicija", kubit može poprimiti sve vrijednosti koje su kombinacija osnovnih. Istovremeno, njegova kvantna priroda mu omogućava da bude u svim ovim stanjima istovremeno.
Tu leži paralelizam kvantnog računanja sa kubitima. Sve se dešava odjednom - više ne morate da prolazite kroz sve moguće opcije za stanja sistema, a to je upravo ono što radi običan računar. Pretraživanje velikih baza podataka, sastavljanje optimalne rute, razvoj novih lijekova samo su nekoliko primjera zadataka koje kvantni algoritmi mogu ubrzati višestruko. Ovo su zadaci u kojima, 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 100 kubita dovoljno za izračunavanje sistema od 100 čestica, a ne triliona triliona bitova. Štaviše, kako se broj čestica povećava (kao u stvarnim složenim sistemima), ova razlika postaje još značajnija.
Jedan od zadataka nabrajanja isticao se svojom očiglednom beskorisnošću - dekompozicijom velikih brojeva na proste faktore (odnosno djeljive samo sa sobom i jedan). To se zove "faktorizacija". Činjenica je da obični računari mogu prilično brzo umnožiti brojeve, čak i ako su veoma veliki. Međutim, sa inverznim problemom dekomponovanja velikog broja koji je rezultat množenja dva prosta broja u originalne faktore, obični računari rade veoma 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 Shor.
Pojavom Shorovog algoritma, naučna zajednica se suočila sa ozbiljnim problemom. Još kasnih 1970-ih, na osnovu složenosti problema faktorizacije, kriptografi su stvorili algoritam za šifrovanje podataka koji je postao široko rasprostranjen. 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: kvantni kompjuter koji bi mogao pokrenuti smrtonosni algoritam još nije stvoren.
U međuvremenu, širom svijeta, desetine naučnih 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. Za to je bilo 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. Jone su pratile mnoge druge fizičke realizacije: jezgra atoma, elektrona, fotona, defekti u kristalima, supravodljiva kola - svi su ispunjavali postavljene zahtjeve.
Ova raznolikost je imala svoje prednosti. Vođene intenzivnom konkurencijom, razne naučne grupe stvarale su sve naprednije kubite i od njih gradile sve složenije sklopove. Kubiti su imali dva glavna kompetitivna parametra: njihov životni vijek i broj kubita koji se mogu natjerati da rade zajedno.
Zaposleni u Laboratoriji za vještačke kvantne sisteme
Životni vijek kubita odredio 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".
Za efikasan rad kvantnih algoritama nije bio potreban jedan kubit, već najmanje stotinu, štaviše, koji rade zajedno. Problem je bio u tome što kubiti nisu baš voljeli biti jedni pored drugih i protestirali su dramatično skraćujući svoj životni vijek. Da bi zaobišli ovu nedosljednost kubita, naučnici su morali ići na razne trikove. Pa ipak, do danas, naučnici su uspjeli postići da maksimalno desetine kubita rade zajedno.
Dakle, na radost kriptografa, kvantni kompjuter je i dalje stvar budućnosti. Iako to uopće nije tako daleko kako se nekada činilo, jer su aktivno uključene kako najveće korporacije poput Intela, IBM-a i Googlea, tako i pojedinačne države za koje je stvaranje kvantnog kompjutera od strateškog značaja. u njegovom stvaranju.
Ne propustite predavanje:
