کامپیوتر فوتونیک بهترین راه برای بهبود عملکرد کیوبیت… الماس

29 ژانویه 2017

برای من عبارت "کامپیوتر کوانتومی" قابل مقایسه با "موتور فوتون" است، یعنی چیزی بسیار پیچیده و خارق العاده است. با این حال، اکنون در اخبار می خوانم - "یک کامپیوتر کوانتومی به هر کسی که آن را بخواهد فروخته می شود." عجیب است، یا این عبارت الان معنای دیگری دارد یا فقط جعلی است؟

بیایید نگاه دقیق تری بیندازیم...

چطور شروع شدند؟

تا اواسط دهه 1990 بود که نظریه کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی خود را به عنوان یک منطقه جدیدعلوم. همانطور که اغلب در مورد ایده های عالی اتفاق می افتد، تشخیص یک پیشگام دشوار است. ظاهراً، ریاضیدان مجارستانی I. von Neumann اولین کسی بود که توجه را به امکان توسعه منطق کوانتومی جلب کرد. با این حال، در آن زمان، نه تنها کامپیوترهای کوانتومی، بلکه معمولی و کلاسیک نیز ساخته نشده بودند. و با ظهور دومی، تلاش اصلی دانشمندان در درجه اول به جستجو و توسعه عناصر جدید برای آنها (ترانزیستورها و سپس) معطوف شد. مدارهای مجتمع، و نه در ایجاد دستگاه های محاسباتی اساساً متفاوت.

در دهه 1960، فیزیکدان آمریکایی R. Landauer که در شرکت IBM کار می کرد، سعی کرد توجه جهان علمی را به این واقعیت جلب کند که محاسبات همیشه یک فرآیند فیزیکی هستند، به این معنی که درک محدودیت های محاسبات ما غیرممکن است. قابلیت ها بدون مشخص کردن اینکه چه کاربردی فیزیکی دارند مطابقت دارند. متأسفانه، در آن زمان، دیدگاه غالب در بین دانشمندان این بود که محاسبات یک روش منطقی انتزاعی است که باید توسط ریاضیدانان مطالعه شود، نه فیزیکدانان.

با تکثیر رایانه‌ها، دانشمندان درگیر در اجسام کوانتومی به این نتیجه رسیدند که محاسبه مستقیم وضعیت یک سیستم در حال تکامل که تنها از چند ده ذره در حال تعامل است، مانند مولکول متان (CH4) عملاً غیرممکن است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که برای توضیحات کاملبرای یک سیستم پیچیده، لازم است که در حافظه کامپیوتر تعداد زیادی (از نظر تعداد ذرات) تعداد متغیرها، به اصطلاح دامنه های کوانتومی، نگهداری شود. یک موقعیت متناقض به وجود آمد: با دانستن معادله تکامل، دانستن با دقت کافی تمام پتانسیل های برهمکنش ذرات با یکدیگر و وضعیت اولیه سیستم، محاسبه آینده آن عملا غیرممکن است، حتی اگر سیستم فقط از آن تشکیل شده باشد. 30 الکترون در یک چاه پتانسیل و یک ابر رایانه با RAM موجود است که تعداد بیت‌های آن برابر با تعداد اتم‌های ناحیه مرئی کیهان است(!). و در همان زمان، برای مطالعه دینامیک چنین سیستمی، می توان به سادگی آزمایشی با 30 الکترون ترتیب داد و آنها را در یک پتانسیل و حالت اولیه معین قرار داد. به ویژه، ریاضیدان روسی، یو. آی. مانین، توجه را به این موضوع جلب کرد و در سال 1980 به نیاز به توسعه تئوری دستگاه های محاسباتی کوانتومی اشاره کرد. در دهه 1980، همین مسئله توسط فیزیکدان آمریکایی P. Benev مورد مطالعه قرار گرفت، که به وضوح نشان داد که یک سیستم کوانتومی می تواند محاسبات را انجام دهد، و همچنین دانشمند انگلیسی D. Deutsch، که از لحاظ نظری یک کامپیوتر کوانتومی جهانی را توسعه داد که از همتای کلاسیک خود پیشی می گیرد. .

آر. فاینمن، برنده جایزه نوبل فیزیک، توجه زیادی را به مسئله توسعه کامپیوترهای کوانتومی جلب کرد. به لطف جذابیت معتبر او، تعداد متخصصانی که به محاسبات کوانتومی توجه کردند چندین برابر افزایش یافته است.

اساس الگوریتم Shor: توانایی کیوبیت ها برای ذخیره چندین مقدار به طور همزمان)

با این حال، برای مدت طولانی مشخص نبود که آیا می توان از قدرت محاسباتی فرضی استفاده کرد یا خیر کامپیوتر کوانتومیبرای سرعت بخشیدن به راه حل وظایف عملی. اما در سال 1994، P. Shor، ریاضیدان آمریکایی، کارمند Lucent Technologies (ایالات متحده آمریکا)، با پیشنهاد یک الگوریتم کوانتومی که امکان فاکتورسازی سریع اعداد بزرگ را فراهم می کند، دنیای علم را متحیر کرد (اهمیت این مسئله قبلاً در مقدمه مورد بحث قرار گرفته است. ). در مقایسه با بهترین روش کلاسیک که امروزه شناخته شده است، الگوریتم کوانتومی Shor شتاب چندگانه محاسبات را ارائه می دهد و هر چه عدد قابل فاکتورسازی طولانی تر باشد، افزایش سرعت بیشتر می شود. الگوریتم فاکتورسازی سریع برای سرویس‌های ویژه مختلفی که بانک‌هایی از پیام‌های رمزگشایی نشده را جمع‌آوری کرده‌اند، بسیار جالب است.

در سال 1996، همکار Shor در Lucent Technologies، L. Grover، یک الگوریتم جستجوی سریع کوانتومی را در یک پایگاه داده نامرتب پیشنهاد کرد. (نمونه ای از چنین بانک اطلاعاتی دفترچه تلفن است که در آن نام مشترکین نه بر اساس حروف الفبا، بلکه به صورت دلخواه تنظیم شده است.) وظیفه جستجو، انتخاب عنصر بهینهدر میان گزینه های متعدد، اغلب در کارهای اقتصادی، نظامی، مهندسی، در بازی های رایانه ای یافت می شود. الگوریتم Grover نه تنها به سرعت بخشیدن به فرآیند جستجو، بلکه همچنین دو برابر کردن تعداد پارامترهای در نظر گرفته شده در هنگام انتخاب بهینه اجازه می دهد.

ایجاد واقعی کامپیوترهای کوانتومی در اصل تنها با مشکل جدی - خطاها یا تداخل - مانع شد. واقعیت این است که همان سطح تداخل، فرآیند محاسبات کوانتومی را بسیار فشرده‌تر از محاسبات کلاسیک خراب می‌کند.

اگر تو بگی به زبان ساده، این که: یک سیستم کوانتومی نتیجه ای می دهد که فقط با احتمالی درست است. به عبارت دیگر، اگر 2+2 را محاسبه کنید، 4 فقط با درجه ای از دقت بیرون می آید. شما هرگز دقیقاً 4 نخواهید داشت. منطق پردازنده آن اصلا شبیه پردازنده ای نیست که ما به آن عادت کرده ایم.

روش هایی برای محاسبه نتیجه با دقت از پیش تعیین شده، طبیعتاً با افزایش زمان رایانه وجود دارد.
این ویژگی لیست وظایف را مشخص می کند. و این ویژگی تبلیغ نمی شود و عموم مردم این تصور را پیدا می کنند که یک کامپیوتر کوانتومی همان کامپیوتر معمولی (همان 0 و 1) است، فقط سریع و گران است. این اساساً درست نیست.

بله، و یک نکته دیگر - برای یک کامپیوتر کوانتومی و محاسبات کوانتومی به طور کلی، به ویژه برای استفاده از "قدرت و سرعت" محاسبات کوانتومی، الگوریتم ها و مدل های خاصی که به طور خاص برای ویژگی های محاسبات کوانتومی توسعه یافته اند مورد نیاز است. بنابراین، پیچیدگی استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی نه تنها در حضور سخت‌افزار، بلکه در تدوین روش‌های محاسباتی جدید و تا به حال استفاده نشده است. "

حالا برگردیم به اجرای عملیکامپیوتر کوانتومی: یک پردازنده تجاری 512 کیوبیتی D-Wave مدتی است که وجود دارد و حتی در حال فروش است!!!

در اینجا ، به نظر می رسد او یک پیشرفت واقعی است !!! و گروهی از دانشمندان معتبر در ژورنال نه چندان معتبر Physical Review به طور قانع کننده ای گواهی می دهند که اثرات درهم تنیدگی کوانتومی واقعاً در D-Wave کشف شده است.

بر این اساس، این دستگاه کاملاً حق دارد که یک کامپیوتر کوانتومی واقعی نامیده شود، از نظر معماری به طور کامل امکان افزایش بیشتر در تعداد کیوبیت ها را فراهم می کند، و بنابراین، چشم اندازهای عالی برای آینده دارد... (T. Lanting et al. Entanglement در یک پردازشگر آنیل کوانتومی. PHYSICAL REVIEW X 4، 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

درست است، کمی بعد، گروه دیگری از دانشمندان معتبر در مجله به همان اندازه معتبر Science، که همان سیستم محاسباتی D-Wave را مطالعه کردند، آن را کاملاً عملی ارزیابی کردند: این دستگاه چقدر عملکردهای محاسباتی خود را به خوبی انجام می دهد. و این گروه از دانشمندان دقیقاً و قانع‌کننده‌ای مانند اولین مورد نشان می‌دهند که در تست‌های راستی‌آزمایی واقعی، که برای این طراحی مناسب هستند، کامپیوتر کوانتومی D-Wave هیچ افزایش سرعتی در مقایسه با رایانه‌های معمولی و کلاسیک ایجاد نمی‌کند. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, Jun 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

در واقع، هیچ وظیفه ای برای «ماشین آینده» گران قیمت اما تخصصی وجود نداشت که بتواند برتری کوانتومی خود را نشان دهد. به عبارت دیگر، معنای تلاش های بسیار پرهزینه برای ایجاد چنین وسیله ای در شک و تردید است ...
نتایج به شرح زیر است: اکنون در جامعه علمی هیچ شکی وجود ندارد که عملکرد عناصر در پردازنده کامپیوتر D-Wave واقعاً بر اساس اثرات کوانتومی واقعی بین کیوبیت ها انجام می شود.

اما (و این یک اما بسیار جدی است)، ویژگی های کلیدی در طراحی پردازنده D-Wave به گونه ای است که در عملکرد واقعی، تمام فیزیک کوانتومی آن در مقایسه با یک کامپیوتر قدرتمند معمولی که دارای یک خاص نرم افزار، برای حل مسائل بهینه سازی طراحی شده است.

به بیان ساده، نه تنها دانشمندانی که D-Wave را آزمایش می کنند، هنوز نتوانسته اند یک واحد را ببینند وظیفه واقعی، جایی که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به طور قانع کننده ای برتری محاسباتی خود را نشان دهد، اما حتی خود سازنده هم نمی داند چه نوع وظیفه ای می تواند باشد ...

همه چیز در مورد ویژگی های طراحی پردازنده 512 کیوبیتی D-Wave است که از گروه های 8 کیوبیتی مونتاژ شده است. در عین حال در داخل این گروه های 8 کیوبیتی همگی به طور مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند اما بین این گروه ها اتصالات بسیار ضعیف است (در حالت ایده آل همه کیوبیت های پردازنده باید مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار کنند). این، البته، پیچیدگی ساخت یک پردازنده کوانتومی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد ... اما، از اینجا بسیاری از مشکلات دیگر رشد می کنند، بسته شدن در تجهیزات برودتی بسیار گران قیمت که مدار را تا دمای بسیار پایین خنک می کند.

پس الان چه چیزی به ما پیشنهاد می دهند؟

شرکت کانادایی D-Wave شروع فروش کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2000Q خود را که در سپتامبر سال گذشته اعلام شد، اعلام کرد. D-Wave با پایبندی به نسخه خودش از قانون مور، که طبق آن تعداد ترانزیستورهای یک مدار مجتمع هر دو سال دو برابر می شود، 2048 کیوبیت را روی یک CPU (دستگاه پردازش کوانتومی) قرار داد. پویایی رشد تعداد کیوبیت ها در CPU در سال های اخیر به این صورت است:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

علاوه بر این، بر خلاف پردازنده‌های سنتی، پردازنده‌ها و پردازنده‌های گرافیکی، دو برابر شدن کیوبیت‌ها نه با افزایش 2 برابری، بلکه با افزایش 1000 برابری عملکرد همراه است. در مقایسه با یک کامپیوتر با معماری سنتی و پیکربندی یک CPU تک هسته ای و یک پردازنده گرافیکی 2500 هسته ای، تفاوت عملکرد 1000 تا 10000 برابر است. همه این ارقام مطمئناً چشمگیر هستند، اما چند "اما" وجود دارد.

اول، D-Wave 2000Q بسیار گران قیمت است و 15 میلیون دلار است.این دستگاه نسبتاً عظیم و پیچیده است. مغز آن یک CPU ساخته شده از فلزی غیرآهنی به نام نیوبیم است که خواص ابررسانایی آن (که برای کامپیوترهای کوانتومی مورد نیاز است) در خلاء در دمای نزدیک به صفر مطلق زیر 15 میلی‌کلوین (که 180 برابر کمتر از دمای فضای بیرونی است) رخ می‌دهد. .

حفظ چنین دمای بسیار پایینی نیاز به مقدار زیادی انرژی، 25 کیلو وات دارد. اما هنوز، طبق گفته سازنده، این 100 برابر کمتر از ابررایانه های سنتی با عملکرد معادل است. بنابراین عملکرد D-Wave 2000Q در هر وات مصرف برق 100 برابر بیشتر است. اگر این شرکت بتواند به پیروی از "قانون مور" خود ادامه دهد، در رایانه های آینده خود این تفاوت به طور تصاعدی افزایش می یابد و در عین حال مصرف انرژی را در سطوح فعلی حفظ می کند.

اول اینکه کامپیوترهای کوانتومی هدف بسیار خاصی دارند. در مورد D-Wave 2000Q، ما در مورد به اصطلاح صحبت می کنیم. کامپیوترهای آدیاباتیک و حل مسائل عادی سازی کوانتومی آنها به ویژه در زمینه های زیر رخ می دهند:

فراگیری ماشین:

تشخیص ناهنجاری های آماری
- پیدا کردن مدل های فشرده
- تشخیص تصاویر و الگوها
- آموزش شبکه های عصبی
- تایید و تایید نرم افزار
- طبقه بندی داده های بدون ساختار
- تشخیص خطاها در مدار

امنیت و برنامه ریزی

تشخیص هک ویروس و شبکه
- توزیع منابع و یافتن راه های بهینه
- تعریف تعلق به یک مجموعه
- تجزیه و تحلیل ویژگی های نمودار
- فاکتورسازی اعداد صحیح (مورد استفاده در رمزنگاری)

مدل سازی مالی

شناسایی بی ثباتی بازار
- توسعه استراتژی های معاملاتی
- بهینه سازی مسیرهای معاملاتی
- بهینه سازی قیمت گذاری دارایی و پوشش ریسک
- بهینه سازی پورتفولیو

مراقبت های بهداشتی و پزشکی

کشف تقلب (احتمالا بیمه درمانی)
- تولید دارو درمانی هدفمند ("هدف شده مولکولی").
- بهینه سازی درمان [سرطان] با رادیوتراپی
- ایجاد مدل های پروتئینی

اولین خریدار D-Wave 2000Q TDS (Temporal Defense Systems) یک شرکت امنیت سایبری بود. به طور کلی، محصولات D-Wave توسط شرکت ها و موسساتی مانند لاکهید مارتین، گوگل، مرکز تحقیقات ایمز ناسا، دانشگاه کالیفرنیای جنوبی و آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در وزارت انرژی ایالات متحده استفاده می شود.

بنابراین، ما در مورد یک فناوری کمیاب (D-Wave تنها شرکت در جهان است که نمونه‌های تجاری کامپیوترهای کوانتومی تولید می‌کند) و گران‌قیمت با کاربرد نسبتاً محدود و خاص صحبت می‌کنیم. اما نرخ رشد بهره‌وری آن شگفت‌انگیز است، و اگر این پویایی ادامه یابد، به لطف رایانه‌های آدیاباتیک D-Wave (که ممکن است سایر شرکت‌ها در نهایت به آن بپیوندند)، پیشرفت‌های واقعی در علم و فناوری می‌تواند در سال‌های آینده منتظر ما باشد. ترکیب کامپیوترهای کوانتومی با فناوری امیدوارکننده و به سرعت در حال توسعه مانند هوش مصنوعی بسیار جالب است، به خصوص که متخصص معتبری مانند اندی روبین آینده ای را در این زمینه می بیند.

به هر حال، آیا می‌دانستید که شرکت IBM به کاربران اینترنت اجازه می‌دهد تا به صورت رایگان به کامپیوتر کوانتومی جهانی که ساخته است متصل شوند و الگوریتم‌های کوانتومی را آزمایش کنند. این دستگاه برای شکستن سیستم های رمزنگاری به اندازه کافی قدرتمند نیست کلید عمومیاما اگر برنامه‌های آی‌بی‌ام محقق شود، ظهور رایانه‌های کوانتومی پیچیده‌تر نزدیک است.

کامپیوتر کوانتومی که IBM در دسترس قرار داد حاوی پنج کیوبیت است: چهار کیوبیت برای کار با داده ها استفاده می شود و پنجمی برای تصحیح خطاها در حین محاسبات است. تصحیح خطا اصلی ترین نوآوری است که توسعه دهندگان آن به آن افتخار می کنند. افزایش تعداد کیوبیت ها در آینده آسان تر خواهد شد.

IBM تاکید می کند که کامپیوتر کوانتومی آن جهانی است و قادر به اجرای هر الگوریتم کوانتومی است. این آن را از کامپیوترهای کوانتومی آدیاباتیکی که D-Wave در حال توسعه است متمایز می کند. کامپیوترهای کوانتومی آدیاباتیک برای جستجو طراحی شده اند راه حل بهینهعملکردها و برای مقاصد دیگر مناسب نیستند.

اعتقاد بر این است که کامپیوترهای کوانتومی جهانی امکان حل برخی از مشکلاتی را که فراتر از توان کامپیوترهای معمولی هستند را میسر می سازد. شناخته شده ترین مثال برای چنین مسئله ای، فاکتورگیری اعداد به عوامل اول است. صدها سال طول می کشد تا یک کامپیوتر معمولی، حتی یک کامپیوتر بسیار سریع، فاکتورهای اول یک عدد بزرگ را بیابد. یک کامپیوتر کوانتومی آنها را با استفاده از الگوریتم Shor تقریباً به سرعت ضرب اعداد صحیح پیدا می کند.

عدم امکان تجزیه سریع اعداد به عوامل اول اساس سیستم های رمزنگاری کلید عمومی است. اگر یاد گرفته شود که این عملیات با سرعتی که الگوریتم های کوانتومی وعده داده اند انجام شود، در بیشتر موارد رمزنگاری مدرنباید فراموش کند

اجرای الگوریتم Shor بر روی یک کامپیوتر کوانتومی IBM امکان پذیر است، اما تا زمانی که کیوبیت های بیشتری وجود نداشته باشد، این کاربرد چندانی ندارد. طی ده سال آینده، وضعیت تغییر خواهد کرد. تا سال 2025، IBM قصد دارد یک کامپیوتر کوانتومی حاوی 50 تا 100 کیوبیت بسازد. به گفته کارشناسان، حتی با پنجاه کیوبیت، کامپیوترهای کوانتومی قادر به حل برخی از مشکلات عملی خواهند بود.

در اینجا اطلاعات جالب دیگری در مورد فناوری رایانه وجود دارد: نحوه خواندن را بخوانید، اما همچنین معلوم می شود که ممکن است و چه نوع

محاسبات کوانتومی، حداقل در تئوری، دهه‌هاست که درباره آن صحبت می‌شود. انواع مدرن ماشین‌هایی که از مکانیک غیرکلاسیک برای پردازش مقادیر بالقوه غیرقابل تصور داده استفاده می‌کنند، پیشرفت بزرگی بوده‌اند. به گفته توسعه دهندگان، اجرای آنها شاید پیچیده ترین فناوری ایجاد شده باشد. پردازنده‌های کوانتومی در سطوحی از ماده کار می‌کنند که بشر تنها 100 سال پیش درباره آن‌ها آموخته است. پتانسیل چنین محاسباتی بسیار زیاد است. استفاده از خواص عجیب کوانتوم ها باعث افزایش سرعت محاسبات می شود، بنابراین بسیاری از مشکلاتی که در حال حاضر از توان کامپیوترهای کلاسیک خارج است، حل خواهند شد. و نه تنها در زمینه شیمی و علم مواد. وال استریت نیز علاقه نشان می دهد.

سرمایه گذاری در آینده

گروه CME در شرکت فناوری اطلاعات 1QB مستقر در ونکوور سرمایه گذاری کرده است که نرم افزاری را برای پردازنده های کوانتومی توسعه می دهد. به گفته سرمایه گذاران، چنین محاسباتی احتمالاً بیشترین تأثیر را بر صنایعی خواهد داشت که با حجم زیادی از داده های حساس به زمان کار می کنند. مؤسسات مالی نمونه ای از این گونه مصرف کنندگان هستند. گلدمن ساکس در سیستم های D-Wave سرمایه گذاری کرده است و In-Q-Tel توسط سازمان سیا تامین مالی می شود. اولی ماشین‌هایی را تولید می‌کند که کاری را انجام می‌دهند که «آنیل کوانتومی» نامیده می‌شود، یعنی مشکلات بهینه‌سازی سطح پایین را با استفاده از یک پردازنده کوانتومی حل می‌کنند. اینتل نیز در حال سرمایه گذاری بر روی این فناوری است، اگرچه اجرای آن را موضوعی آینده می داند.

چرا این مورد نیاز است؟

دلیل اینکه محاسبات کوانتومی بسیار هیجان انگیز است، ترکیب کامل آن با یادگیری ماشین است. در حال حاضر، این برنامه اصلی برای چنین محاسباتی است. بخشی از ایده یک کامپیوتر کوانتومی استفاده از یک دستگاه فیزیکی برای یافتن راه حل است. گاهی این مفهومدر مثال بازی پرندگان خشمگین توضیح دهید. CPU تبلت از معادلات ریاضی برای شبیه سازی گرانش و تعامل اجسام در حال برخورد استفاده می کند. پردازنده‌های کوانتومی این رویکرد را تغییر می‌دهند. آنها چند پرنده را "پرتاب" می کنند و می بینند چه می شود. پرندگان روی ریزتراشه ثبت می شوند، پرتاب می شوند، مسیر بهینه چیست؟ سپس همه بررسی می شوند راه حل های امکان پذیریا حداقل ترکیب بسیار بزرگی از آنها، و یک پاسخ برگردانده می شود. در یک کامپیوتر کوانتومی، ریاضیدانی وجود ندارد، در عوض، قوانین فیزیک کار می کنند.

چگونه عمل می کند؟

بلوک های ساختمانی اساسی جهان ما مکانیک کوانتومی است. اگر به مولکول ها نگاه کنید، دلیل تشکیل و پایدار ماندن آنها به دلیل برهمکنش اوربیتال های الکترونی آنهاست. تمام محاسبات مکانیک کوانتومی در هر یک از آنها وجود دارد. تعداد آنها به صورت تصاعدی با تعداد الکترون های شبیه سازی شده افزایش می یابد. مثلاً برای 50 الکترون توان 2 تا 50 وجود دارد گزینه ها. این فوق العاده است، بنابراین امروز نمی توان آن را محاسبه کرد. اتصال نظریه اطلاعات به فیزیک می تواند راه حل چنین مسائلی را نشان دهد. یک کامپیوتر 50 کیوبیتی می تواند این کار را انجام دهد.

طلوع یک دوره جدید

طبق گفته لندون داونز، رئیس و یکی از بنیانگذاران 1QBit، پردازنده کوانتومیتوانایی استفاده از قدرت محاسباتی دنیای زیراتمی است که برای به دست آوردن مواد جدید یا ایجاد داروهای جدید از اهمیت بالایی برخوردار است. گذار از پارادایم کشف به عصر جدیدی از طراحی وجود دارد. برای مثال، محاسبات کوانتومی می‌تواند برای مدل‌سازی کاتالیزورهایی استفاده شود که اجازه می‌دهند کربن و نیتروژن از جو حذف شوند و در نتیجه به توقف گرمایش جهانی کمک کنند.

در خط مقدم پیشرفت

جامعه توسعه دهندگان این فناوری بسیار هیجان زده و شلوغ است. تیم‌هایی در سرتاسر جهان در استارت‌آپ‌ها، شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های دولتی در حال رقابت برای ساخت ماشین‌هایی هستند که از روش‌های متفاوتی برای پردازش اطلاعات کوانتومی استفاده می‌کنند. تراشه های کیوبیت ابررسانا و کیوبیت های یونی به دام افتاده توسط محققان دانشگاه مریلند و موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده ساخته شده اند. مایکروسافت در حال توسعه یک رویکرد توپولوژیکی به نام Station Q است که هدف آن بهره برداری از یک آنیون غیر آبلی است که وجود آن هنوز به طور قطعی اثبات نشده است.

سال موفقیت احتمالی

و این تازه اولشه. تا پایان ماه مه 2017، تعداد پردازنده‌های کوانتومی که به طور واضح کاری را سریع‌تر یا بهتر از یک کامپیوتر کلاسیک انجام می‌دهند، صفر است. چنین رویدادی «برتری کوانتومی» را ایجاد می‌کند، اما تاکنون این اتفاق نیفتاده است. اگرچه این احتمال وجود دارد که امسال این اتفاق بیفتد. اکثر خودی ها می گویند که مورد علاقه آشکار است گروه گوگلبه رهبری جان مارتینی، استاد فیزیک UC سانتا باربارا. هدف آن دستیابی به برتری محاسباتی با پردازنده 49 کیوبیتی است. تا پایان ماه مه 2017، این تیم با موفقیت یک تراشه 22 کیوبیتی را به عنوان گامی میانی برای جداسازی یک ابر رایانه کلاسیک آزمایش کرد.

چگونه همه چیز شروع شد؟

ایده استفاده از مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات ده ها سال قدمت دارد. یکی از رویدادهای کلیدی در سال 1981 رخ داد، زمانی که IBM و MIT به طور مشترک کنفرانسی را در مورد فیزیک محاسبات ترتیب دادند. فیزیکدان معروف پیشنهاد ساخت یک کامپیوتر کوانتومی را داد. به گفته وی، برای مدل سازی باید از ابزار مکانیک کوانتومی استفاده کرد. و این یک کار عالی است، زیرا به نظر ساده نیست. اصل عملکرد یک پردازنده کوانتومی بر اساس چندین ویژگی عجیب اتم ها است - برهم نهی و درهم تنیدگی. یک ذره می تواند همزمان در دو حالت باشد. با این حال، هنگامی که اندازه گیری می شود، تنها در یکی از آنها خواهد بود. و نمی توان پیش بینی کرد که در کدام به جز از دیدگاه نظریه احتمالات. این تأثیر زیربنای آزمایش فکری با گربه شرودینگر است، که هم زنده و هم مرده در یک جعبه است تا زمانی که یک ناظر پنهانی نگاهی به آن بیندازد. هیچ چیز در زندگی روزمرهاینطوری کار نمی کند با این حال، حدود 1 میلیون آزمایش انجام شده از آغاز قرن 20 نشان می دهد که برهم نهی وجود دارد. و گام بعدیخواهد فهمید که چگونه از این مفهوم استفاده کنید.

پردازنده کوانتومی: شرح وظایف

بیت های کلاسیک می توانند مقدار 0 یا 1 را بگیرند. اگر رشته آنها را از "دروازه های منطقی" (AND، OR، NOT و غیره) عبور دهید، سپس می توانید اعداد را ضرب کنید، تصاویر را ترسیم کنید، و غیره. یک کیوبیت می تواند مقادیر 0 را بگیرد. ، 1 یا هر دو به طور همزمان. اگر مثلاً 2 کیوبیت درهم تنیده باشند، این باعث می شود که آنها کاملاً همبستگی داشته باشند. یک پردازنده از نوع کوانتومی می تواند از گیت های منطقی استفاده کند. T. n. برای مثال دروازه هادامارد کیوبیت را در حالت برهم نهی کامل قرار می دهد. هنگامی که برهم نهی و درهم تنیدگی با دروازه های کوانتومی هوشمندانه ای ترکیب می شوند، پتانسیل محاسبات زیراتمی شروع به آشکار شدن می کند. 2 کیوبیت به شما امکان کاوش در 4 حالت 00، 01، 10 و 11 را می دهد. اصل عملکرد یک پردازنده کوانتومی به گونه ای است که اجرای یک عملیات منطقی کار با همه موقعیت ها را به طور همزمان ممکن می کند. و تعداد حالت های موجود 2 به توان تعداد کیوبیت ها می باشد. بنابراین، اگر یک کامپیوتر کوانتومی جهانی 50 کیوبیتی بسازید، از نظر تئوری می‌توانید تمام ترکیب‌های 1.125 کوادریلیون را همزمان کاوش کنید.

احسنت

یک پردازنده کوانتومی در روسیه تا حدودی متفاوت دیده می شود. دانشمندان مؤسسه فیزیک و فناوری مسکو و مرکز کوانتومی روسیه "kudits" را ایجاد کرده اند که چندین کیوبیت "مجازی" با سطوح مختلف "انرژی" هستند.

دامنه ها

پردازنده کوانتومی این مزیت را دارد که مکانیک کوانتومی مبتنی بر دامنه است. دامنه ها مانند احتمالات هستند، اما می توانند اعداد منفی و مختلط نیز باشند. بنابراین، اگر شما نیاز به محاسبه احتمال یک رویداد دارید، می توانید دامنه همه گزینه های ممکن را برای توسعه آنها اضافه کنید. ایده محاسبات کوانتومی این است که سعی کنیم به گونه ای تنظیم کنیم که برخی از مسیرهای پاسخ های اشتباه دامنه مثبت و برخی دارای دامنه منفی باشند تا یکدیگر را خنثی کنند. و مسیرهای منتهی به پاسخ صحیح دارای دامنه هایی هستند که با یکدیگر هم فاز هستند. ترفند این است که همه چیز را سازماندهی کنید بدون اینکه از قبل بدانید کدام پاسخ صحیح است. بنابراین نمایی حالات کوانتومی، همراه با پتانسیل تداخل بین دامنه های مثبت و منفی، مزیت این نوع محاسبات است.

الگوریتم شور

مشکلات زیادی وجود دارد که کامپیوتر نمی تواند آنها را حل کند. به عنوان مثال، رمزگذاری. مشکل اینجاست که یافتن ضرایب اول یک عدد 200 رقمی آسان نیست. حتی اگر لپ‌تاپ نرم‌افزاری عالی اجرا کند، یافتن پاسخ ممکن است سال‌ها طول بکشد. بنابراین نقطه عطف دیگر در محاسبات کوانتومی، الگوریتمی بود که در سال 1994 توسط پیتر شور، که اکنون استاد ریاضیات در MIT است، منتشر شد. روش او این است که با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی که هنوز وجود نداشت، عواملی با تعداد زیاد را جستجو کند. اساساً، الگوریتم عملیاتی را انجام می دهد که به مناطقی با پاسخ صحیح اشاره می کند. سال بعد، شور راهی برای تصحیح خطای کوانتومی کشف کرد. سپس بسیاری متوجه شدند که این است - راه جایگزینمحاسباتی که در برخی موارد می توانند قدرتمندتر باشند. سپس علاقه فیزیکدانان به ایجاد کیوبیت ها و گیت های منطقی بین آنها افزایش یافت. و اکنون، دو دهه بعد، بشریت در آستانه ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار است.

بشریت، مانند 60 سال پیش، دوباره در آستانه یک پیشرفت بزرگ در زمینه فن آوری های محاسباتی. کامپیوترهای کوانتومی به زودی جایگزین کامپیوترهای امروزی خواهند شد.

چقدر پیشرفت داشته است

در سال 1965، گوردون مور گفت که در یک سال تعداد ترانزیستورهایی که در یک ریزتراشه سیلیکونی قرار می گیرند دو برابر می شود. این سرعت پیشرفت اخیراکند می شود و دو برابر شدن کمتر اتفاق می افتد - هر دو سال یک بار. حتی با این سرعت، در آینده نزدیک، ترانزیستورها به اندازه یک اتم خواهند رسید. سپس خطی وجود دارد که نمی توان از آن عبور کرد. از نظر ساختار فیزیکی ترانزیستور نمی تواند کمتر از مقادیر اتمی باشد. افزایش اندازه تراشه مشکل را حل نمی کند. عملکرد ترانزیستورها با آزاد شدن انرژی حرارتی همراه است و پردازنده ها به یک سیستم خنک کننده با کیفیت بالا نیاز دارند. معماری چند هسته ای نیز مسئله رشد بیشتر را حل نمی کند. رسیدن به اوج در توسعه فناوری پردازنده های مدرن به زودی اتفاق خواهد افتاد.
زمانی که کامپیوترهای شخصی تازه در دسترس کاربران قرار می گرفت، توسعه دهندگان این مشکل را درک کردند. در سال 1980، یکی از بنیانگذاران انفورماتیک کوانتومی، پروفسور شوروی، یوری مانین، ایده محاسبات کوانتومی را فرموله کرد. یک سال بعد، ریچارد فیمن اولین مدل کامپیوتر با پردازنده کوانتومی را پیشنهاد کرد. مبانی نظریدر مورد اینکه کامپیوترهای کوانتومی چگونه باید باشند، توسط پل بنیوف فرموله شده است.

اصل عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی

برای اینکه بفهمیم چگونه کار می کند پردازنده جدید، داشتن حداقل آگاهی سطحی از اصول مکانیک کوانتومی ضروری است. ارائه طرح‌بندی‌های ریاضی و استخراج فرمول‌ها در اینجا منطقی نیست. کافی است که فرد غیرمستقیم با سه ویژگی متمایز مکانیک کوانتومی آشنا شود:

• وضعیت یا موقعیت یک ذره فقط با درجاتی از احتمال تعیین می شود.
• اگر یک ذره می تواند چندین حالت داشته باشد، در آن صورت در تمام حالت های ممکن در یک زمان قرار دارد. این اصل برهم نهی است.
• فرآیند اندازه گیری وضعیت ذره منجر به ناپدید شدن برهم نهی می شود. مشخصاً، دانشی که در مورد وضعیت ذره به دست می آید با اندازه گیری با وضعیت واقعی ذره قبل از اندازه گیری متفاوت است.

از نقطه نظر عقل سلیم - مزخرف کامل. در دنیای معمولی ما، این اصول را می توان به صورت زیر نشان داد: درب اتاق بسته است، و در عین حال باز است. بسته و همزمان باز است.

این تفاوت قابل توجه بین محاسبات است. یک پردازنده معمولی در اقدامات خود با یک کد باینری عمل می کند. بیت های کامپیوتری فقط می توانند در یک حالت باشند - دارای مقدار منطقی 0 یا 1 هستند. کامپیوترهای کوانتومی بر روی کیوبیت ها کار می کنند که می توانند یک مقدار منطقی 0، 1، 0 و 1 داشته باشند. برای کارهای خاص، آنها مزیت چند میلیون دلاری نسبت به رایانه های سنتی خواهند داشت. امروزه ده ها توصیف از الگوریتم های کار وجود دارد. برنامه نویسان کد برنامه خاصی را ایجاد می کنند که می تواند بر اساس اصول جدید محاسبات کار کند.

کامپیوتر جدید کجا استفاده خواهد شد؟

یک رویکرد جدید در فرآیند محاسبات به شما امکان می دهد با حجم عظیمی از داده ها کار کنید و عملیات محاسباتی فوری را انجام دهید. با ظهور اولین کامپیوترها، برخی از مردم، از جمله دولتمردان، نسبت به استفاده از آنها در اقتصاد ملی تردید زیادی داشتند. امروزه هنوز افرادی هستند که در مورد اهمیت کامپیوترهای نسل جدید تردید دارند. برای مدت بسیار طولانی، مجلات فنی از انتشار مقالات در مورد محاسبات کوانتومی خودداری می کردند، زیرا این حوزه را یک ترفند متقلبانه رایج برای فریب سرمایه گذاران می دانستند.

روش جدید محاسبات، پیش نیازهای اکتشافات عظیم علمی را در همه صنایع ایجاد خواهد کرد. پزشکی بسیاری از مسائل مشکل ساز را که اخیراً انباشته شده اند حل می کند. تشخیص سرطان در مراحل اولیه بیماری نسبت به الان امکان پذیر خواهد بود. صنایع شیمیایی قادر به سنتز محصولات با خواص منحصر به فرد خواهد بود.

پیشرفت در فضانوردی شما را منتظر نخواهد گذاشت. پرواز به سیارات دیگر مانند سفرهای روزانه در اطراف شهر عادی خواهد شد. پتانسیل ذاتی در محاسبات کوانتومی مطمئناً سیاره ما را غیرقابل تشخیص تغییر خواهد داد.

دیگر ویژگی متمایز کنندهکه کامپیوترهای کوانتومی دارند، توانایی محاسبات کوانتومی برای دریافت سریع است کد مورد نظریا رمز. یک کامپیوتر معمولی یک راه حل بهینه سازی ریاضی را به صورت متوالی انجام می دهد و گزینه ها را یکی پس از دیگری طی می کند. یک رقیب کوانتومی با کل آرایه داده به یکباره کار می کند و فوراً بیشترین را انتخاب می کند گزینه های مناسبدر زمانی کوتاه بی سابقه تراکنش های بانکی در یک چشم به هم زدن رمزگشایی می شود که در دسترس کامپیوترهای مدرن نیست.

با این حال، بخش بانکی ممکن است نگران نباشد - راز آن با روش رمزگذاری کوانتومی با پارادوکس اندازه گیری ذخیره می شود. اگر بخواهید کد را باز کنید، اعوجاج رخ می دهد سیگنال ارسال شده. اطلاعات دریافت شده هیچ معنایی نخواهد داشت. سرویس های مخفی که جاسوسی برای آنها امری رایج است، به امکانات محاسبات کوانتومی علاقه مند هستند.

مشکلات طراحی

مشکل در ایجاد شرایطی است که تحت آن یک بیت کوانتومی می تواند برای مدتی بی نهایت طولانی در حالت برهم نهی قرار گیرد.

هر کیوبیت یک ریزپردازنده است که بر اساس اصول ابررسانایی و قوانین مکانیک کوانتومی کار می کند.

تعدادی از شرایط محیطی منحصر به فرد در اطراف عناصر میکروسکوپی موتور منطق ایجاد می شود:

• دما 0.02 درجه کلوین (-269.98 سانتیگراد)؛
• سیستم حفاظت در برابر تشعشعات مغناطیسی و الکتریکی (تاثیر این عوامل را 50 هزار بار کاهش می دهد).
• سیستم حذف حرارت و میرایی ارتعاش؛
• نادر شدن هوا زیر فشار اتمسفر 100 میلیارد بار.

یک انحراف جزئی محیطی باعث می شود کیوبیت ها به طور لحظه ای حالت برهم نهی خود را از دست بدهند و در نتیجه عملکرد نادرستی ایجاد شود.

جلوتر از سیاره

همه موارد فوق را می توان به خلاقیت ذهن ملتهب یک نویسنده علمی تخیلی نسبت داد، اگر گوگل به همراه ناسا سال گذشته یک کامپیوتر کوانتومی D-Wave را از یک شرکت تحقیقاتی کانادایی خریداری نمی کرد که پردازنده آن حاوی 512 است. کیوبیت ها

با کمک آن، رهبر در بازار فناوری رایانه مشکلات را حل خواهد کرد فراگیری ماشیندر مرتب سازی و تجزیه و تحلیل آرایه های داده بزرگ.

یک بیانیه آشکار مهم توسط اسنودن، که ایالات متحده را ترک کرد، بیان کرد - NSA همچنین قصد دارد کامپیوتر کوانتومی خود را توسعه دهد.

2014 - آغاز دوران سیستم های D-Wave

جوردی رز، ورزشکار موفق کانادایی، پس از معامله با گوگل و ناسا، شروع به ساخت یک پردازنده 1000 کیوبیتی کرد. مدل آینده از نظر سرعت و حجم محاسبات حداقل 300000 برابر از اولین نمونه اولیه تجاری پیشی خواهد گرفت. کامپیوتر کوانتومی که عکس آن در زیر قرار دارد، اولین نسخه تجاری از بنیادی در جهان است تکنولوژی جدیدمحاسبه.

او با آشنایی خود در دانشگاه با کارهای کالین ویلیامز در زمینه محاسبات کوانتومی، به توسعه علمی تشویق شد. باید بگویم که ویلیامز امروز در شرکت رز به عنوان مدیر پروژه تجاری کار می کند.

پیشرفت یا فریب علمی

خود رز به طور کامل نمی داند کامپیوترهای کوانتومی چیست. طی ده سال، تیم او از ساخت یک پردازنده 2 کیوبیتی به اولین نسل تجاری امروزی تبدیل شده است.

رز از همان ابتدای تحقیق خود قصد داشت پردازنده ای با حداقل تعداد کیوبیت 1000 بسازد. و او باید یک گزینه تجاری داشته باشد - فروش و کسب درآمد.

بسیاری با دانستن وسواس و هوش تجاری رز سعی می کنند او را به جعل متهم کنند. ظاهراً معمولی ترین پردازنده برای کوانتومی صادر شده است. این با این واقعیت تسهیل می شود که سرعت خارق العاده تکنیک جدید هنگام انجام انواع خاصی از محاسبات نشان می دهد. در غیر این صورت، مانند یک کامپیوتر کاملا معمولی رفتار می کند، فقط بسیار گران است.

چه زمانی ظاهر خواهند شد

زمان زیادی برای انتظار نیست. این گروه تحقیقاتی که توسط خریداران مشترک نمونه اولیه سازماندهی شده است، به زودی نتایج تحقیقات روی D-Wave را گزارش خواهد کرد.
شاید به زودی زمانی فرا برسد که کامپیوترهای کوانتومی درک ما را از دنیای اطرافمان تغییر دهند. و تمام بشریت در آن لحظه به سطح بالاتری از تکامل خود خواهد رسید.

کاندیدای علوم فیزیکی و ریاضی L. FEDICHKIN (موسسه فیزیک و فناوری آکادمی علوم روسیه.

با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی، می توان نوع جدیدی از کامپیوترها را ایجاد کرد که به حل برخی از مشکلاتی که حتی برای قدرتمندترین ابررایانه های مدرن غیرقابل دسترس هستند، امکان پذیر است. سرعت بسیاری از محاسبات پیچیده به طور چشمگیری افزایش خواهد یافت. پیام های ارسال شده از طریق خطوط ارتباطی کوانتومی را نه می توان رهگیری کرد و نه کپی کرد. امروزه نمونه های اولیه این کامپیوترهای کوانتومی آینده ساخته شده اند.

یوهان فون نویمان، ریاضیدان و فیزیکدان آمریکایی مجارستانی الاصل (1903-1957).

فیزیکدان نظری آمریکایی ریچارد فیلیپس فاینمن (1918-1988).

پیتر شور، ریاضیدان آمریکایی، متخصص در زمینه محاسبات کوانتومی. او یک الگوریتم کوانتومی برای فاکتورسازی سریع اعداد بزرگ پیشنهاد کرد.

بیت کوانتومی یا کیوبیت حالات و مطابقت دارند، برای مثال، با جهت چرخش هسته اتم به سمت بالا یا پایین.

ثبات کوانتومی زنجیره ای از بیت های کوانتومی است. دروازه های کوانتومی یک یا دو کیوبیتی عملیات منطقی را روی کیوبیت ها انجام می دهند.

مقدمه، یا کمی در مورد حفاظت از اطلاعات

به نظر شما مجوزدارترین برنامه در جهان چیست؟ جرأت نمی کنم اصرار کنم که جواب درست را می دانم، اما یکی را اشتباه می دانم: این نههر یک از نسخه ها ویندوز مایکروسافت. رایج ترین سیستم عامل از یک محصول متوسط ​​از RSA Data Security، Inc جلوتر است. - برنامه ای که الگوریتم رمزگذاری کلید عمومی RSA را به نام نویسندگان آن - ریاضیدانان آمریکایی Rivest، Shamir و Adelman - پیاده سازی می کند.

حقیقت این هست که الگوریتم RSAدر اکثر سیستم عامل های تجاری و همچنین بسیاری از برنامه های کاربردی دیگر که در دستگاه های مختلف استفاده می شوند - از کارت های هوشمند گرفته تا تلفن های همراه. به ویژه، آن را در ویندوز مایکروسافت نیز موجود است، به این معنی که آشکارا گسترده تر از این محبوب است سیستم عامل. برای تشخیص آثار RSA، به عنوان مثال، در مرورگر اینترنتاکسپلورر (برنامه ای برای مشاهده صفحات www در اینترنت)، فقط منوی "Help" (Help) را باز کنید، وارد منوی فرعی "About Internet Explorer" شوید و لیستی از محصولات شخص ثالث استفاده شده را مشاهده کنید. مرورگر رایج دیگر، Netscape Navigator نیز از الگوریتم RSA استفاده می کند. به طور کلی پیدا کردن سخت است شرکت معروفکار در منطقه تکنولوژی پیشرفتهکه مجوزی برای این برنامه نمی خرند. تا به امروز، RSA Data Security، Inc. تاکنون بیش از 450 میلیون (!) مجوز فروخته است.

چرا الگوریتم RSA اینقدر مهم است؟

تصور کنید که نیاز دارید سریعاً با شخصی که دور است پیام رد و بدل کنید. به لطف توسعه اینترنت، امروزه چنین تبادلی برای اکثر مردم در دسترس قرار گرفته است - فقط باید یک کامپیوتر با مودم یا کارت شبکه داشته باشید. به طور طبیعی، هنگام تبادل اطلاعات از طریق شبکه، دوست دارید پیام های خود را از افراد خارجی مخفی نگه دارید. با این حال، محافظت کامل از یک خط ارتباطی گسترده از شنود غیرممکن است. به این معنی که هنگام ارسال پیام ها باید رمزگذاری شوند و در هنگام دریافت باید رمزگشایی شوند. اما چگونه شما و همکارتان بر سر اینکه از کدام کلید استفاده می کنید به توافق برسید؟ اگر کلید را در همان خط به رمز ارسال کنید، مهاجم استراق سمع می تواند به راحتی آن را رهگیری کند. البته می توانید کلید را از طریق یک خط ارتباطی دیگر ارسال کنید، مثلاً آن را از طریق تلگرام ارسال کنید. اما چنین روشی معمولاً ناخوشایند است و علاوه بر این، همیشه قابل اعتماد نیست: می توان از خط دیگری نیز استفاده کرد. خوب است اگر شما و مخاطبتان از قبل می دانستید که رمزگذاری را رد و بدل می کنید و بنابراین کلیدها را از قبل به یکدیگر تحویل می دهید. اما اگر مثلاً بخواهید یک محرمانه بفرستید چه می شود پیشنهاد تجارییک شریک تجاری بالقوه یا خرید محصولی که دوست دارید در یک فروشگاه آنلاین جدید با کارت اعتباری؟

در دهه 1970، سیستم های رمزگذاری برای حل این مشکل با استفاده از دو نوع کلید برای یک پیام پیشنهاد شدند: باز (نیازی به ذخیره سازی مخفی نیست) و بسته (کاملاً مخفی). کلید عمومی برای رمزگذاری پیام و کلید خصوصی برای رمزگشایی آن استفاده می شود. شما کلید عمومی را به خبرنگار خود ارسال می کنید و او پیام خود را با آن رمزگذاری می کند. تنها کاری که مهاجمی که کلید عمومی را رهگیری کرده است می تواند انجام دهد این است که نامه خود را با آن رمزگذاری کرده و برای شخصی ارسال کند. اما او نمی تواند مکاتبات را رمزگشایی کند. شما با دانستن کلید خصوصی (که در ابتدا نزد شما ذخیره می شود) پیام خطاب به شما را به راحتی می خوانید. برای رمزگذاری پیام های پاسخ، از کلید عمومی ارسال شده توسط خبرنگار خود استفاده می کنید (و او کلید خصوصی مربوطه را برای خود نگه می دارد).

فقط چنین طرح رمزنگاری در الگوریتم RSA - رایج ترین روش رمزگذاری کلید عمومی - استفاده می شود. علاوه بر این، از فرضیه مهم زیر برای ایجاد یک جفت کلید عمومی و خصوصی استفاده می شود. اگر دو عدد بزرگ وجود داشته باشد (برای ورود آنها به بیش از صد رقم اعشار نیاز است) سادهاعداد M و K، پس یافتن محصول N=MK آنها دشوار نخواهد بود (حتی برای این کار نیازی به داشتن رایانه نیست: یک فرد نسبتا دقیق و صبور می تواند چنین اعدادی را با قلم و کاغذ ضرب کند). اما برای حل مشکل معکوس یعنی دانستن عدد بزرگ N، آن را به عوامل اول M و K تجزیه کنید (به اصطلاح مشکل فاکتورسازی) - تقریبا غیرممکن! این مشکلی است که مهاجمی که تصمیم می گیرد الگوریتم RSA را "شکن" کند و اطلاعات رمزگذاری شده با آن را بخواند، با آن مواجه خواهد شد: برای یافتن کلید خصوصی، با دانستن کلید عمومی، باید M یا K را محاسبه کرد.

برای آزمون اعتبار فرضیه پیچیدگی عملی فاکتورگیری اعداد بزرگ، مسابقات ویژه ای برگزار شده و همچنان ادامه دارد. رکورد تجزیه تنها عدد 155 رقمی (512 بیتی) است. این محاسبات به صورت موازی بر روی بسیاری از رایانه ها در طول هفت ماه در سال 1999 انجام شد. اگر این کار بر روی یک کامپیوتر شخصی مدرن انجام می شد، حدود 35 سال زمان صرف کامپیوتر می شد! محاسبات نشان می دهد که حتی با استفاده از هزار ایستگاه کاری مدرن و بهترین الگوریتم محاسباتی شناخته شده امروزی، می توان یک عدد 250 رقمی را در حدود 800 هزار سال و یک عدد 1000 رقمی را در 10 25 (!) سال فاکتور گرفت. (برای مقایسه، سن جهان 10 10 سال است.)

بنابراین، الگوریتم‌های رمزنگاری مانند RSA، که با کلیدهای به اندازه کافی طولانی کار می‌کنند، کاملاً قابل اعتماد در نظر گرفته می‌شوند و در بسیاری از برنامه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. و تا آن زمان همه چیز خوب بود ... تا اینکه کامپیوترهای کوانتومی ظاهر شدند.

به نظر می رسد که با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی، می توانید رایانه هایی بسازید که مشکل فاکتورسازی (و بسیاری دیگر!) برای آنها دشوار نیست. تخمین زده می شود که یک کامپیوتر کوانتومی با تنها حدود 10000 بیت کوانتومی حافظه می تواند یک عدد 1000 رقمی را تنها در چند ساعت به عوامل اول تبدیل کند!

چطور شروع شدند؟

تنها در اواسط دهه 1990، نظریه کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی خود را به عنوان یک رشته جدید از علم تثبیت کرد. همانطور که اغلب در مورد ایده های عالی اتفاق می افتد، تشخیص یک پیشگام دشوار است. ظاهراً، ریاضیدان مجارستانی I. von Neumann اولین کسی بود که توجه را به امکان توسعه منطق کوانتومی جلب کرد. با این حال، در آن زمان، نه تنها کامپیوترهای کوانتومی، بلکه معمولی و کلاسیک نیز ساخته نشده بودند. و با ظهور دومی ، معلوم شد که تلاش های اصلی دانشمندان در درجه اول به جستجو و توسعه عناصر جدید برای آنها (ترانزیستورها و سپس مدارهای مجتمع) معطوف شده است و نه ایجاد دستگاه های محاسباتی اساساً متفاوت.

در دهه 1960، فیزیکدان آمریکایی R. Landauer که در شرکت IBM کار می کرد، سعی کرد توجه جهان علمی را به این واقعیت جلب کند که محاسبات همیشه یک فرآیند فیزیکی هستند، به این معنی که درک محدودیت های محاسبات ما غیرممکن است. قابلیت ها بدون مشخص کردن اینکه چه کاربردی فیزیکی دارند مطابقت دارند. متأسفانه، در آن زمان، دیدگاه غالب در بین دانشمندان این بود که محاسبات یک روش منطقی انتزاعی است که باید توسط ریاضیدانان مطالعه شود، نه فیزیکدانان.

با تکثیر کامپیوترها، دانشمندان درگیر در اجسام کوانتومی به این نتیجه رسیدند که محاسبه مستقیم وضعیت یک سیستم در حال تکامل متشکل از تنها چند ده ذره در حال تعامل، مانند مولکول متان (CH 4) عملا غیرممکن است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که برای توصیف کامل یک سیستم پیچیده، لازم است تعداد زیادی متغیر (از نظر تعداد ذرات) در حافظه کامپیوتر نگهداری شود، به اصطلاح دامنه های کوانتومی. یک موقعیت متناقض به وجود آمد: با دانستن معادله تکامل، دانستن با دقت کافی تمام پتانسیل های برهمکنش ذرات با یکدیگر و وضعیت اولیه سیستم، محاسبه آینده آن عملا غیرممکن است، حتی اگر سیستم فقط از آن تشکیل شده باشد. 30 الکترون در یک چاه پتانسیل و یک ابر رایانه با RAM موجود است که تعداد بیت‌های آن برابر با تعداد اتم‌های ناحیه مرئی کیهان است(!). و در همان زمان، برای مطالعه دینامیک چنین سیستمی، می توان به سادگی آزمایشی با 30 الکترون ترتیب داد و آنها را در یک پتانسیل و حالت اولیه معین قرار داد. به ویژه، ریاضیدان روسی، یو. آی. مانین، توجه را به این موضوع جلب کرد و در سال 1980 به نیاز به توسعه تئوری دستگاه های محاسباتی کوانتومی اشاره کرد. در دهه 1980، همین مسئله توسط فیزیکدان آمریکایی P. Benev مورد مطالعه قرار گرفت، که به وضوح نشان داد که یک سیستم کوانتومی می تواند محاسبات را انجام دهد، و همچنین دانشمند انگلیسی D. Deutsch، که از لحاظ نظری یک کامپیوتر کوانتومی جهانی را توسعه داد که از همتای کلاسیک خود پیشی می گیرد. .

برنده جایزه نوبل فیزیک، آر. فاینمن، که برای خوانندگان معمولی علم و زندگی به خوبی شناخته شده است، توجه زیادی را به مشکل توسعه کامپیوترهای کوانتومی جلب کرد. به لطف جذابیت معتبر او، تعداد متخصصانی که به محاسبات کوانتومی توجه کردند چندین برابر افزایش یافته است.

و با این حال، برای مدت طولانی مشخص نبود که آیا می توان از قدرت محاسباتی فرضی یک کامپیوتر کوانتومی برای سرعت بخشیدن به حل مسائل عملی استفاده کرد یا خیر. اما در سال 1994، P. Shor، ریاضیدان آمریکایی، کارمند Lucent Technologies (ایالات متحده آمریکا)، با پیشنهاد یک الگوریتم کوانتومی که امکان فاکتورسازی سریع اعداد بزرگ را فراهم می کند، دنیای علم را متحیر کرد (اهمیت این مسئله قبلاً در مقدمه مورد بحث قرار گرفته است. ). در مقایسه با بهترین روش کلاسیک که امروزه شناخته شده است، الگوریتم کوانتومی Shor شتاب چندگانه محاسبات را ارائه می دهد و هر چه عدد قابل فاکتورسازی طولانی تر باشد، افزایش سرعت بیشتر می شود. الگوریتم فاکتورسازی سریع برای سرویس‌های ویژه مختلفی که بانک‌هایی از پیام‌های رمزگشایی نشده را جمع‌آوری کرده‌اند، بسیار جالب است.

در سال 1996، همکار Shor در Lucent Technologies، L. Grover، یک الگوریتم جستجوی سریع کوانتومی را در یک پایگاه داده نامرتب پیشنهاد کرد. (نمونه ای از چنین پایگاه داده ای دفترچه تلفن است که در آن اسامی مشترکین نه بر اساس حروف الفبا، بلکه به صورت دلخواه تنظیم شده است.) وظیفه یافتن، انتخاب عنصر بهینه از بین گزینه های متعدد در مسائل اقتصادی، نظامی، مهندسی بسیار رایج است. در بازی های کامپیوتری الگوریتم Grover نه تنها به سرعت بخشیدن به فرآیند جستجو، بلکه همچنین دو برابر کردن تعداد پارامترهای در نظر گرفته شده در هنگام انتخاب بهینه اجازه می دهد.

ایجاد واقعی کامپیوترهای کوانتومی در اصل تنها با مشکل جدی - خطاها یا تداخل - مانع شد. واقعیت این است که همان سطح تداخل، فرآیند محاسبات کوانتومی را بسیار فشرده‌تر از محاسبات کلاسیک خراب می‌کند. راه‌های حل این مشکل در سال 1995 توسط P. Shor، که طرحی برای کدگذاری حالت‌های کوانتومی و تصحیح خطاهای موجود در آنها ایجاد کرد، ارائه شد. متأسفانه موضوع تصحیح خطا در کامپیوترهای کوانتومی به همان اندازه مهم است که پرداختن به آن در این مقاله دشوار است.

دستگاه یک کامپیوتر کوانتومی

قبل از توصیف نحوه عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی، اجازه دهید ویژگی های اصلی سیستم های کوانتومی را یادآوری کنیم (همچنین به "علم و زندگی" شماره 8، 1998؛ شماره 12، 2000 مراجعه کنید).

برای درک قوانین دنیای کوانتومینباید مستقیماً بر اساس تجربه روزمره باشد. به روش معمول (در درک روزمره) ذرات کوانتومی فقط در صورتی رفتار می کنند که ما دائماً از آنها "جاسوسی" کنیم، یا به عبارت دقیق تر، مدام اندازه گیری کنیم که در چه وضعیتی هستند. اما به محض اینکه «روی خود را برمی‌گردانیم» (مشاهده را متوقف می‌کنیم)، ذرات کوانتومی بلافاصله از یک حالت کاملاً مشخص به چندین هیپوست مختلف در آن واحد عبور می‌کنند. یعنی یک الکترون (یا هر جسم کوانتومی دیگری) تا حدی در یک نقطه، بخشی در نقطه دیگر، بخشی در یک سوم و غیره خواهد بود. سپس می توان به طور قابل اعتماد بخشی از الکترون را جدا کرد و بار یا جرم آن را اندازه گرفت. اما تجربه نشان می دهد که پس از اندازه گیری، الکترون همیشه در یک نقطه "ایمن و سالم" است، علیرغم این واقعیت که قبل از آن زمان داشت تقریباً همه جا را به طور همزمان بازدید کند. این حالت یک الکترون، زمانی که در چند نقطه از فضا به طور همزمان قرار گیرد، نامیده می شود برهم نهی حالت های کوانتومیو معمولاً با تابع موجی که در سال 1926 توسط فیزیکدان آلمانی E. Schrödinger معرفی شد، توصیف می شوند. قدر مطلق تابع موج در هر نقطه، مجذور، احتمال یافتن یک ذره در آن نقطه را در یک لحظه معین تعیین می کند. پس از اندازه گیری موقعیت یک ذره، تابع موج آن، همانطور که بود، منقبض می شود (جمع می شود) تا جایی که ذره شناسایی شد و سپس دوباره شروع به گسترش می کند. خاصیت ذرات کوانتومی برای قرار گرفتن همزمان در بسیاری از حالت ها، نامیده می شود توازی کوانتومی، با موفقیت در محاسبات کوانتومی استفاده شده است.

بیت کوانتومی

واحد اصلی یک کامپیوتر کوانتومی یک بیت کوانتومی است، یا به طور خلاصه، کیوبیت(q-bits). این یک ذره کوانتومی است که دارای دو حالت اساسی است که با 0 و 1 نشان داده می شوند یا همانطور که در مکانیک کوانتومی مرسوم است و. دو مقدار یک کیوبیت می تواند مطابقت داشته باشد، به عنوان مثال، به حالت زمین و برانگیختگی یک اتم، جهت بالا و پایین چرخش هسته اتم، جهت جریان در یک حلقه ابررسانا، دو موقعیت ممکن یک الکترون در یک نیمه هادی و غیره.

ثبت کوانتومی

رجیستر کوانتومی تقریباً به همان شکل کلاسیک مرتب شده است. این زنجیره ای از بیت های کوانتومی است که می توان عملیات منطقی یک و دو بیتی را روی آن انجام داد (مشابه استفاده از عملیات NOT، 2AND-NOT، و غیره در یک ثبات کلاسیک).

حالت‌های اساسی یک ثبات کوانتومی که توسط کوبیت‌های L تشکیل می‌شود، دقیقاً مانند حالت کلاسیک، شامل تمام دنباله‌های ممکن صفر و یک‌هایی به طول L است. در مجموع، می‌توان 2 لیتر ترکیب مختلف داشته باشد. آنها را می توان به عنوان رکوردی از اعداد به صورت دودویی از 0 تا 2 L -1 در نظر گرفت و نشان داد. با این حال، این شرایط اساسی همه را خسته نمی کند مقادیر ممکنرجیستر کوانتومی (برخلاف رجیستر کلاسیک)، از آنجایی که حالت های برهم نهی نیز وجود دارد که با دامنه های پیچیده مربوط به شرط نرمال سازی مشخص می شوند. بیشتر مقادیر ممکن رجیستر کوانتومی (به استثنای موارد پایه) به سادگی آنالوگ کلاسیک ندارند. حالت‌های ثبت کلاسیک تنها سایه‌ای رقت‌انگیز از کل ثروت حالت‌های یک کامپیوتر کوانتومی است.

تصور کنید که یک تأثیر خارجی بر روی رجیستر اعمال می شود، برای مثال، تکانه های الکتریکی به بخشی از فضا اعمال می شود یا هدایت می شود. اشعه های لیزر. اگر این یک ثبات کلاسیک باشد، یک ضربه، که می تواند به عنوان یک عملیات محاسباتی در نظر گرفته شود، متغیرهای L را تغییر می دهد. اگر این یک ثبات کوانتومی باشد، همان ضربه می تواند به طور همزمان به متغیر تبدیل شود. بنابراین، یک ثبات کوانتومی، در اصل، قادر به پردازش اطلاعات چندین برابر سریعتر از همتای کلاسیک خود است. این بلافاصله نشان می دهد که رجیسترهای کوانتومی کوچک (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

با این حال، باید توجه داشت که دسته ای از مسائل وجود دارد که الگوریتم های کوانتومی شتاب قابل توجهی در مقایسه با نمونه های کلاسیک ارائه نمی دهند. یکی از اولین کسانی که این را نشان داد، ریاضیدان روسی یو. اوزیگوف بود، که تعدادی نمونه از الگوریتم هایی ساخت که اساساً در یک کامپیوتر کوانتومی با یک سیکل ساعت شتاب نمی گیرند.

با این وجود، شکی نیست که کامپیوترهایی که بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی کار می کنند، مرحله ای جدید و تعیین کننده در تکامل سیستم های محاسباتی هستند. تنها ساختن آنها باقی مانده است.

کامپیوترهای کوانتومی امروز

نمونه های اولیه کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر وجود دارند. درست است، تا کنون فقط رجیسترهای کوچک، که فقط از چند بیت کوانتومی تشکیل شده اند، به صورت آزمایشی مونتاژ شده اند. به عنوان مثال، اخیراً گروهی به رهبری فیزیکدان آمریکایی I. Chang (IBM) از مونتاژ یک کامپیوتر کوانتومی 5 بیتی خبر دادند. بدون شک این یک موفقیت بزرگ است. متأسفانه، سیستم های کوانتومی موجود هنوز قادر به ارائه محاسبات قابل اعتماد نیستند، زیرا آنها یا به اندازه کافی قابل کنترل نیستند یا بسیار مستعد نویز هستند. با این حال، هیچ منع فیزیکی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کارآمد وجود ندارد، فقط برای غلبه بر مشکلات تکنولوژیکی ضروری است.

چندین ایده و پیشنهاد در مورد چگونگی ساخت بیت های کوانتومی قابل اعتماد و به راحتی قابل مدیریت وجود دارد.

I. Chang ایده استفاده از اسپین های هسته برخی مولکول های آلی را به عنوان کیوبیت توسعه می دهد.

محقق روسی M. V. Feigelman که در موسسه فیزیک نظری کار می کند. L. D. Landau، آکادمی علوم روسیه، پیشنهاد می کند که رجیسترهای کوانتومی را از حلقه های مینیاتوری ابررسانا جمع آوری کند. هر حلقه نقش یک کیوبیت را بازی می کند و حالت های 0 و 1 مربوط به جهت جریان الکتریکی در حلقه - در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت است. چنین کیوبیت هایی را می توان با یک میدان مغناطیسی سوئیچ کرد.

در مؤسسه فیزیک و فناوری آکادمی علوم روسیه، گروهی به رهبری آکادمیسین K. A. Valiev دو گزینه برای قرار دادن کیوبیت ها در ساختارهای نیمه هادی پیشنهاد کردند. در حالت اول، نقش یک کیوبیت توسط یک الکترون در سیستمی متشکل از دو چاه پتانسیل ایجاد شده توسط ولتاژ اعمال شده به مینی الکترودهای روی سطح نیمه هادی ایفا می شود. حالت های 0 و 1 موقعیت های الکترون در یکی از این چاه ها هستند. کیوبیت با تغییر ولتاژ یکی از الکترودها سوئیچ می شود. در نسخه دیگری، کیوبیت هسته یک اتم فسفر است که در نقطه خاصی در نیمه هادی جاسازی شده است. حالات 0 و 1 - جهت چرخش هسته در امتداد یا در برابر میدان مغناطیسی خارجی. کنترل با استفاده از عمل مشترک پالس های مغناطیسی با فرکانس تشدید و پالس های ولتاژ انجام می شود.

بنابراین، تحقیقات به طور فعال در حال انجام است و می توان فرض کرد که در آینده بسیار نزدیک - ده سال دیگر - یک کامپیوتر کوانتومی موثر ایجاد خواهد شد.

نگاهی به آینده

بنابراین، این امکان وجود دارد که در آینده کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از روش‌های سنتی فناوری میکروالکترونیک تولید شوند و حاوی الکترودهای کنترلی زیادی باشند که شبیه یک ریزپردازنده مدرن هستند. به منظور کاهش سطح نویز، که برای عملکرد عادی یک کامپیوتر کوانتومی حیاتی است، به احتمال زیاد اولین مدل‌ها باید با هلیوم مایع خنک شوند. این احتمال وجود دارد که اولین کامپیوترهای کوانتومی دستگاه های حجیم و گران قیمتی باشند که روی یک میز قرار نگیرند و توسط کارکنان زیادی از برنامه نویسان سیستم با پوشش سفید و تکنسین های سخت افزاری اداره می شوند. در ابتدا فقط ساختارهای دولتی و سپس سازمان های تجاری غنی به آنها دسترسی خواهند داشت. اما عصر کامپیوترهای معمولی تقریباً به همین شکل آغاز شد.

و چه اتفاقی برای کامپیوترهای کلاسیک خواهد افتاد؟ آیا آنها خواهند مرد؟ به ندرت. کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی هر دو کاربردهای خاص خود را دارند. اگرچه ظاهراً این نسبت در بازار همچنان به تدریج به سمت دومی تغییر خواهد کرد.

معرفی کامپیوترهای کوانتومی منجر به حل مسائل کلاسیک اساساً غیرقابل حل نمی شود، بلکه فقط به برخی از محاسبات سرعت می بخشد. علاوه بر این، ارتباطات کوانتومی امکان پذیر خواهد شد - انتقال کیوبیت ها از راه دور، که منجر به ظهور نوعی اینترنت کوانتومی می شود. ارتباطات کوانتومی (با قوانین مکانیک کوانتومی) در برابر استراق سمع ارتباط همه افراد با یکدیگر محافظت می شود. اطلاعات ذخیره شده شما در پایگاه داده های کوانتومی بیشتر از آنچه که اکنون است در برابر کپی محافظت می شود. شرکت‌هایی که برنامه‌هایی برای رایانه‌های کوانتومی تولید می‌کنند، می‌توانند از آن‌ها در برابر هر گونه کپی برداری، از جمله غیرقانونی، محافظت کنند.

برای درک عمیق‌تر این موضوع، می‌توانید مقاله مروری E. Riffel, V. Polak "مبانی محاسبات کوانتومی" منتشر شده در مجله روسی "رایانه‌های کوانتومی و محاسبات کوانتومی" (شماره 1، 2000) را مطالعه کنید. (به هر حال، این اولین و تاکنون تنها مجله در جهان است که به محاسبات کوانتومی اختصاص داده شده است. اطلاعات اضافی در مورد آن را می توان در اینترنت در http://rcd.ru/qc . یافت.). با تسلط بر این کار، می توانید مقالات علمی در مورد محاسبات کوانتومی را مطالعه کنید.

هنگام خواندن کتاب A. Kitaev، A. Shen، M. Vyaly "محاسبات کلاسیک و کوانتومی" کمی آمادگی ریاضی مقدماتی بیشتری لازم است (مسکو: MTsNMO-Chero، 1999).

تعدادی از جنبه های اساسی مکانیک کوانتومی که برای محاسبات کوانتومی ضروری هستند در کتاب "تلپورت کوانتومی - یک معجزه معمولی" توسط V. V. Belokurov، O. D. Timofeevskaya، O. A. Khrustalev تحلیل شده است (Izhevsk: RHD، 2000).

انتشارات RCD در حال آماده شدن برای انتشار ترجمه ای از بررسی A. Steen در مورد کامپیوترهای کوانتومی به عنوان یک کتاب جداگانه است.

ادبیات زیر نه تنها از نظر شناختی، بلکه از نظر تاریخی نیز مفید خواهد بود:

1) یو. آی. مانین. قابل محاسبه و غیر قابل محاسبه.

M.: Sov. رادیو، 1980.

2) I. von Neumann. مبانی ریاضی مکانیک کوانتومی.

مسکو: ناوکا، 1964.

3) آر. فاینمن. شبیه سازی فیزیک روی کامپیوتر // کامپیوتر کوانتومی و محاسبات کوانتومی:

نشست در 2 جلد - ایژفسک: RHD، 1999. ج 2، ص. 96-123.

4) آر. فاینمن. کامپیوترهای مکانیکی کوانتومی

// همان، ص. 123.-156.

در اتاقی با همین موضوع ببینید