Samo o kompleksu: šta je kvantni kompjuter i zašto je potreban. Cm

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 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 (CH4). 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. .

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)

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.

Jednostavnim riječima, onda: " 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. "

A sada prijeđimo na praktičnu implementaciju kvantnog računala: 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 (i ovo je izuzetno ozbiljno ALI) ključne karakteristike u dizajnu D-Wave procesora su takve da, u stvarnom radu, sva njegova kvantna fizika ne daje nikakav dobitak u poređenju sa običnim moćnim računarom sa posebnim softverom , izoštren za rješavanje problema optimizacije.

Jednostavno rečeno, ne samo da naučnici koji testiraju D-Wave još nisu bili u stanju da vide ni jedan problem u stvarnom svijetu u kojem bi kvantni kompjuter mogao uvjerljivo pokazati svoju računsku superiornost, već 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 moć da razbije kriptografske sisteme sa javnim ključem, ali ako se IBM-ovi planovi ostvare, sofisticiraniji kvantni računari su odmah iza ugla.

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 su dizajnirani da pronađu optimalna rješenja za 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 obećavaju kvantni algoritmi, onda će većina moderne kriptografije morati biti zaboravljena.

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

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 - 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 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 staviti pred njih. 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 mikrorazmjera 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 prezentujemo 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:

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.

Kvantni kompjuter je računarski uređaj koji koristi fenomene kvantne superpozicije i kvantne isprepletenosti za prijenos i obradu podataka. Punopravni univerzalni kvantni kompjuter je i dalje hipotetički uređaj, čija je sama mogućnost konstruisanja povezana sa ozbiljnim razvojem kvantne teorije u oblasti mnogih čestica i složenih eksperimenata; razvoj u ovoj oblasti povezan je sa najnovijim otkrićima i dostignućima moderne fizike. Trenutno je praktično implementirano samo nekoliko eksperimentalnih sistema koji izvode fiksni algoritam niske složenosti.

Naučnici sa Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju su zajedno sa kolegama iz Švajcarske sproveli eksperimente u kojima su uspešno izvršili kvantni kompjuter povratak u stanje prošlosti. Sažetak nalaza studije, koji opisuje mogućnost ovog efekta, navodi se u saopštenju za javnost objavljenom na web stranici Phys.org. Detalji istraživanja međunarodnog tima fizičara u Scientific Reports.

Mnogi stručnjaci su uvjereni da će s pojavom punopravnih kvantnih kompjutera, era kriptovaluta i blockchaina doći svom logičnom kraju - kriptografski sistemi na kojima se kriptovalute zasnivaju odmah će biti hakirani, a same kriptovalute depresirati, jer prva stvar koju će vlasnik kvantnog kompjutera učiniti je da kopa preostale bitcoine, etere i druge popularne "kovanice". Upravo u to vjeruje Alex Beat, kanadski fizičar koji je predvidio mračnu budućnost kriptovaluta u kvantnoj eri.

Kvantni kompjuter nije samo kompjuter nove generacije, on je mnogo više. Ne samo sa stanovišta upotrebe najnovijih tehnologija, već i sa stanovišta njenih neograničenih, nevjerovatnih, fantastičnih mogućnosti, koje ne samo da mogu promijeniti ljudski svijet, 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 do četiri, četiri do šesnaest itd. Zato kvantni sistemi mogu da rade duplo brže i sa velikom količinom informacija od savremenih.

Po prvi put, kubit (Q-bit) su "izmjerili" naučnici iz Ruskog kvantnog centra (RQC) i Laboratorije za supravodljive metamaterijale.

Sa tehničke strane, kubit je metalni prsten sa rezovima, nekoliko mikrona u prečniku, 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, postoje dva normalna stanja.

Mikrovalno zračenje je propušteno kroz prsten. Na izlazu iz prstena ovog zračenja mjeren je fazni pomak struje. Ispostavilo se da ceo ovaj sistem može biti u dva glavna, i mješovito stanje: oba u isto vrijeme !!! U nauci se to naziva principom superpozicije.

Eksperiment ruskih naučnika (sličan su izveli 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 varijanti u modernom računaru, onda treba "skroluti" milijardu takvih ciklusa. Postoji fundamentalna razlika na kvantnom kompjuteru, on može izračunati sve ove opcije u isto vrijeme.
Jedan od glavnih principa na kojem će raditi kvantni kompjuter je princip superpozicije i ne može se nazvati drugačije nego magijom!
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 kalemova 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 problema.

Prvi problem - nestabilnost superpozicija

Sve ove kvantne superpozicije su veoma delikatne. Čim počnete da ih gledate, čim počnu da komuniciraju sa drugim objektima, odmah bivaju uništeni. Postaju, takoreći, 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, potrebno mu je jako hlađenje. Snažno je stvaranje opreme u kojoj se temperatura održava blizu apsolutne nule - minus 273 stepena Celzijusa! Stoga, sada prototipovi takvih kompjutera, sa svojim 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 sada su naučnici pronašli niz značajnih rješenja za gore navedene probleme. Ova tehnološka otkrića, rezultat složenog i ponekad dugotrajnog, napornog rada naučnika, zaslužuju svako poštovanje.

Najbolji način da se usavrši kubit ... 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 normalnim temperaturama... Da, dijamanti su potrebni za komunikaciju između kvantnih kompjutera! Za sve to bilo je potrebno stvoriti i koristiti umjetne dijamante super visoke transparentnosti. Uz njihovu pomoć uspjeli su produžiti život kubita do dvije sekunde. Ova skromna dostignuća - dvije sekunde života kubita i kompjuter koji radi na sobnoj temperaturi - zapravo su revolucija u nauci.

Suština eksperimenta francuskog naučnika Sergea Arochea zasniva se na činjenici da je uspio pokazati cijelom svijetu da svjetlost (kvantni tok fotona) koja prolazi između dva posebno stvorena ogledala ne gubi svoje kvantno stanje.

Prisiljavajući svjetlost da putuje 40.000 km između ovih ogledala, utvrdio je da se sve događa bez gubitka kvantnog stanja. Svjetlost se sastoji od fotona i do sada niko nije mogao shvatiti da li gube svoje kvantno stanje kada pređu određenu udaljenost. Dobitnik Nobelove nagrade Serge Arosh: “ Jedan foton se nalazi na više mjesta u isto vrijeme, uspjeli smo to popraviti." Zapravo ovo je princip superpozicije... “U našem velikom svijetu to je nemoguće. A u mikro-svijetu postoje različiti 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 Aroshovih eksperimenata vjerovalo se da je promatranje kvanta nemoguće. Nakon eksperimenta počelo se pričati o osvajanju fotona, tj o približavanju ere kvantnih kompjutera.

Zašto mnogi ljudi željno iščekuju stvaranje punopravnog kvantnog generatora, a drugi ga se boje

Kvantni kompjuter će dati čovječanstvu velike mogućnosti

Kvantni kompjuter će otvoriti neograničene mogućnosti za čovečanstvo. Na primjer, pomoći će u stvaranju umjetnog uma, o čemu su pisci naučne fantastike tako dugo buncali. Ili simulirati svemir. Potpuno. Prema najkonzervativnijim prognozama, to će omogućiti gledanje dalje od mogućeg. Zamislimo svijet u kojem možete modelirati apsolutno sve što želite: dizajnirati molekul, ultra jak metal, brzo raspadnu plastiku, smisliti lijek za neizlječive bolesti. Mašina će simulirati cijeli naš svijet, kao cjelinu, do posljednjeg atoma. Možete čak i simulirati drugi svijet, čak i virtuelni.

Kvantni kompjuter može postati instrument Apokalipse

Mnogi ljudi, pošto su shvatili suštinu kvantne tehnologije, plaše je se iz raznih razloga. Već sada kompjuterizacija i sve skoro kompjuterske tehnologije plaše prosječnog čovjeka. Dovoljno je prisjetiti se skandala o tome kako specijalne službe, koristeći ugrađene programe u računala, pa čak i kućne aparate, organiziraju nadzor i prikupljanje podataka o svojim potrošačima. Na primjer, u mnogim zemljama zabranjene su poznate naočare - na kraju krajeva, one su idealno sredstvo za tajno snimanje i praćenje. Već sada je sigurno svaki stanovnik bilo koje zemlje, a još više korisnik na Internetu, upisan u neku bazu 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. Običnom kompjuteru bi trebalo milion godina da pronađe ključ koda. Ali uz pomoć kvantnog, 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! I tako ispada: onaj ko posjeduje informacije posjeduje svijet. Ko je prvi taj je i bog. Kvantni kompjuter će postati jači od bilo kojeg kompleksa oružja... Na Zemlji bi mogla početi (ili je već počela) nova trka u naoružanju, samo sada, ne nuklearna, već kompjuterska.

Daj Bože da se bezbedno izvučemo iz toga...