کامپیوتر کوانتومی کامپیوتر کوانتومی - آنها منتظر آن هستند و از آن می ترسند

به منظور آشکار کردن کمابیش کامل ماهیت فناوری‌های کامپیوتری کوانتومی، اجازه دهید ابتدا تاریخچه نظریه کوانتومی را لمس کنیم.
به لطف دو دانشمندی که نتایج تحقیقاتشان جوایز نوبل را دریافت کردند: کشف کوانتوم توسط M. Planck در سال 1918 و کشف فوتون توسط A. Einstein در سال 1921 ایجاد شد.
سالی که ایده کامپیوتر کوانتومی متولد شد، سال 1980 بود، زمانی که بنیوف توانست در عمل صحت نظریه کوانتومی را با موفقیت نشان دهد.
خوب، اولین نمونه اولیه یک کامپیوتر کوانتومی توسط گرشنفلد و چوانگ در سال 1998 در موسسه فناوری ماساچوست (MTI) ایجاد شد. همین گروه از محققان مدل های پیشرفته تری را در دو سال آینده ایجاد کردند.

برای یک غیر متخصص، یک کامپیوتر کوانتومی چیزی کاملاً در مقیاس فوق العاده است؛ این یک ماشین محاسباتی است که یک کامپیوتر معمولی در مقابل آن مانند چرتکه در مقابل یک کامپیوتر است. و البته این چیزی بسیار دور از تحقق است.
برای شخصی که با کامپیوترهای کوانتومی در ارتباط است، این دستگاهی است که اصول کلی عملکرد آن کم و بیش روشن است، اما مشکلات زیادی وجود دارد که قبل از پیاده سازی آن در سخت افزار باید حل شود و اکنون آزمایشگاه های زیادی در اطراف وجود دارد. دنیا با استفاده از این موانع سعی در غلبه بر آنها دارد.
پیشرفت هایی در فناوری کوانتومی در گذشته توسط شرکت های خصوصی از جمله IBM و DWays صورت گرفته است.
آنها امروز مرتباً آخرین تحولات در این زمینه را گزارش می دهند. تحقیقات عمدتاً توسط دانشمندان ژاپنی و آمریکایی انجام می شود. ژاپن در تلاش برای رهبری جهانی در سخت افزار و نرم افزار، مبالغ هنگفتی را صرف پیشرفت در این زمینه می کند. به گفته معاون هیولت پاکارد، تا 70 درصد از کل تحقیقات در سرزمین طلوع خورشید انجام شده است. رایانه های کوانتومی یکی از گام های شرکت متمرکز آنها برای کسب رهبری در بازار جهانی است.

چه چیزی تمایل به تسلط بر این فناوری ها را توضیح می دهد؟ مزایای قابل انکار غیرقابل انکار آنها نسبت به کامپیوترهای نیمه هادی!

آن چیست؟

کامپیوتر کوانتومی یک دستگاه محاسباتی است که بر اساس مکانیک کوانتومی کار می کند.
امروزه یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل یک دستگاه فرضی است که با توجه به داده های موجود در نظریه کوانتومی نمی توان آن را ایجاد کرد.

یک کامپیوتر کوانتومی از الگوریتم های کلاسیک برای محاسبات استفاده نمی کند، بلکه از فرآیندهای پیچیده تری با ماهیت کوانتومی استفاده می کند که به آنها الگوریتم کوانتومی نیز می گویند. این الگوریتم ها از اثرات مکانیکی کوانتومی استفاده می کنند: درهم تنیدگی کوانتومی و موازی کوانتومی.

برای درک اینکه چرا اصلاً به یک کامپیوتر کوانتومی نیاز است، باید اصل عملکرد آن را تصور کنید.
در حالی که یک کامپیوتر معمولی با انجام عملیات متوالی روی صفر و یک کار می کند، یک کامپیوتر کوانتومی از حلقه هایی از فیلم ابررسانا استفاده می کند. جریان می تواند از طریق این حلقه ها در جهات مختلف جریان یابد، بنابراین زنجیره ای از این حلقه ها می تواند همزمان عملیات های بیشتری را با صفر و یک انجام دهد.
این قدرت بالا است که مزیت اصلی یک کامپیوتر کوانتومی است. متأسفانه، این حلقه ها حتی تحت تأثیر کوچکترین تأثیرات خارجی قرار می گیرند، در نتیجه جهت جریان می تواند تغییر کند و در این حالت محاسبات نادرست است.

تفاوت یک کامپیوتر کوانتومی با یک کامپیوتر معمولی

تفاوت اصلی بین کامپیوترهای کوانتومی و معمولی در این است که ذخیره سازی، پردازش و انتقال داده ها با استفاده از "بیت" انجام نمی شود، بلکه "کیوبیت" - به زبان ساده، "بیت های کوانتومی" انجام می شود. مانند یک بیت معمولی، یک کیوبیت می تواند در حالت های آشنا "|0>" و "|1>" باشد، و علاوه بر این - در حالت برهم نهی A·|0> + B·|1>، که در آن A و B هر عدد مختلطی هستند که شرط | A |2 + | B |2 = 1.

انواع کامپیوترهای کوانتومی

دو نوع کامپیوتر کوانتومی وجود دارد. هر دو بر اساس پدیده‌های کوانتومی هستند، فقط مرتبه متفاوتی دارند.

کامپیوترهای مبتنی بر کوانتیزاسیون شار مغناطیسی بر اساس نقض ابررسانایی - اتصالات جوزفسون. اثر جوزفسون در حال حاضر برای ساخت تقویت‌کننده‌های خطی، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال، SQUID و همبسته‌ها استفاده می‌شود. از همان پایه عنصر در پروژه برای ایجاد یک کامپیوتر پتافلاپ (1015 op./s) استفاده می‌شود. فرکانس کلاک 370 گیگاهرتز به صورت آزمایشی به دست آمده است که در آینده می توان آن را به 700 گیگاهرتز افزایش داد، اما زمان کاهش فاز توابع موج در این دستگاه ها با زمان سوئیچینگ دریچه های جداگانه و در واقع با زمان آشنای قبلی قابل مقایسه است. پایه عنصر بر روی اصول کوانتومی جدید - فلیپ فلاپ ها، ثبات ها و سایر عناصر منطقی پیاده سازی شده است.

نوع دیگری از رایانه‌های کوانتومی، که رایانه‌های همدوس کوانتومی نیز نامیده می‌شوند، نیازمند حفظ انسجام توابع موج کیوبیت‌های مورد استفاده در کل زمان محاسبات هستند - از ابتدا تا انتها (یک کیوبیت می‌تواند هر سیستم مکانیکی کوانتومی با دو سطح انرژی اختصاصی باشد). در نتیجه، برای برخی مشکلات، قدرت محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی منسجم با 2N متناسب است، که در آن N تعداد کیوبیت‌های کامپیوتر است. وقتی صحبت از کامپیوترهای کوانتومی می شود، این نوع دوم دستگاه است.

کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر

اما امروزه کامپیوترهای کوانتومی کوچکی ساخته می شوند. شرکت D-Wave Systems به طور ویژه در این راستا کار می کند که در سال 2007 یک کامپیوتر کوانتومی 16 کیوبیتی ایجاد کرد. این رایانه با موفقیت از عهده وظیفه نشستن مهمانان بر روی میز بر اساس این واقعیت که برخی از آنها یکدیگر را دوست ندارند، انجام داد. اکنون D-Wave Systems به توسعه کامپیوترهای کوانتومی ادامه می دهد.

گروهی از فیزیکدانان از ژاپن، چین و ایالات متحده آمریکا برای اولین بار موفق به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از معماری فون نویمان شدند - یعنی با جداسازی فیزیکی پردازنده کوانتومی و حافظه کوانتومی. در حال حاضر، برای اجرای عملی کامپیوترهای کوانتومی (کامپیوترهای مبتنی بر خواص غیرمعمول اجسام مکانیک کوانتومی)، فیزیکدانان از انواع مختلفی از اشیاء و پدیده های عجیب و غریب - یون های گرفته شده در یک تله نوری، تشدید مغناطیسی هسته ای استفاده می کنند. برای کار جدید، دانشمندان بر مدارهای مینیاتوری ابررسانا تکیه کردند - امکان پیاده سازی یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از چنین مدارهایی در سال 2008 در Nature شرح داده شد.

کامپیوتر مونتاژ شده توسط دانشمندان شامل یک حافظه کوانتومی بود که نقش آن را دو تشدید کننده مایکروویو، یک پردازنده دو کیوبیتی که توسط یک گذرگاه به هم وصل شده بودند (نقش آن توسط یک تشدید کننده نیز ایفا می شد و کیوبیت ها مدارهای ابررسانا بودند) و دستگاه هایی برای پاک کردن داده ها با استفاده از این کامپیوتر، دانشمندان متوجه شدند دو الگوریتم اصلی- به اصطلاح تبدیل فوریه کوانتومی و پیوند با استفاده از عناصر منطقی کوانتومی تافولی:

الگوریتم اول یک آنالوگ کوانتومی تبدیل فوریه گسسته است. ویژگی متمایز آن تعداد بسیار کمتر (از مرتبه n2) تعداد عناصر عملکردی هنگام اجرای الگوریتم در مقایسه با آنالوگ آن (از مرتبه n 2n) است. تبدیل فوریه گسسته در حوزه های مختلفی از فعالیت های انسانی استفاده می شود - از مطالعه معادلات دیفرانسیل جزئی تا فشرده سازی داده ها.

به نوبه خود، گیت های منطقی کوانتومی تافولی عناصر اساسی هستند که با برخی الزامات اضافی، هر تابع (برنامه) بولی را می توان از آنها به دست آورد. ویژگی متمایز این عناصر برگشت پذیری آنهاست که از نقطه نظر فیزیک، از جمله موارد دیگر، امکان به حداقل رساندن تولید گرمای دستگاه را فراهم می کند.

به گفته دانشمندان، سیستمی که آنها ایجاد کردند یک مزیت قابل توجه دارد - به راحتی مقیاس پذیر است. بنابراین، می تواند به عنوان نوعی بلوک ساختمانی برای رایانه های آینده باشد. به گفته محققان، نتایج جدید به وضوح نوید فناوری جدید را نشان می دهد.

یک کامپیوتر کوانتومی فقط یک کامپیوتر نسل آینده نیست، بلکه بسیار بیشتر از آن است. نه تنها از منظر استفاده از آخرین فناوری‌ها، بلکه از نظر امکانات نامحدود، باورنکردنی، خارق‌العاده آن که نه تنها می‌تواند دنیای مردم را تغییر دهد، بلکه حتی... واقعیتی متفاوت را خلق کند. .

همانطور که می دانید، کامپیوترهای مدرن از حافظه ارائه شده در کد باینری استفاده می کنند: 0 و 1. درست مانند کد مورس - نقطه و عنوان. با استفاده از دو کاراکتر، می توانید هر اطلاعاتی را با تغییر ترکیب آنها رمزگذاری کنید.

میلیاردها عدد از این بیت ها در حافظه یک کامپیوتر مدرن وجود دارد. اما هر یک از آنها می تواند در یکی از دو حالت باشد - صفر یا یک. مانند لامپ: روشن یا خاموش.

بیت کوانتومی (کیوبیت) کوچکترین عنصر ذخیره سازی اطلاعات در کامپیوتر آینده است. واحد اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی اکنون نه تنها می تواند صفر یا یک باشد، بلکه می تواند هر دو در یک زمان.

یک سلول دو عمل انجام می دهد، دو - چهار، چهار - شانزده و غیره. به همین دلیل است که سیستم های کوانتومی می توانند دو برابر سریعتر و با حجم اطلاعات بیشتری نسبت به سیستم های مدرن کار کنند.

برای اولین بار، دانشمندان مرکز کوانتومی روسیه (RCC) و آزمایشگاه مواد ابررسانا یک کیوبیت (Q-bit) را "اندازه گیری" کردند.

از نقطه نظر فنی، کیوبیت یک حلقه فلزی به قطر چند میکرون با برش است که بر روی یک نیمه هادی قرار گرفته است. حلقه تا دمای بسیار پایین خنک می شود تا به یک ابررسانا تبدیل شود. فرض کنیم جریانی که از حلقه می گذرد در جهت عقربه های ساعت می رود - این 1 است. در مقابل - 0. یعنی دو حالت معمولی.

تشعشعات مایکروویو از حلقه عبور داده شد. در خروجی این تابش از حلقه، تغییر فاز جریان اندازه گیری شد. معلوم شد که کل این سیستم می تواند در دو قسمت اصلی و حالت مختلط: هر دو همزمان!!!در علم به این اصل برهم نهی می گویند.

آزمایش دانشمندان روسی (دانشمندان سایر کشورها آزمایش های مشابهی را انجام دادند) ثابت کرد که کیوبیت حق حیات دارد. ایجاد کیوبیت منجر به این ایده شد و دانشمندان را به رویای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی نوری نزدیک کرد. تنها چیزی که باقی می ماند طراحی و ایجاد آن است. اما همه چیز به این سادگی نیست...

مشکلات و مشکلات ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی

برای مثال، اگر یک رایانه مدرن نیاز به محاسبه یک میلیارد گزینه داشته باشد، باید یک میلیارد چرخه مشابه را «پیمایش» کند. یک تفاوت اساسی با یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد: می تواند همه این گزینه ها را همزمان محاسبه کند.
یکی از اصول اصلی که یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس آن کار خواهد کرد، اصل برهم نهی است و نمی توان آن را چیزی جز جادویی نامید!
یعنی یک فرد می تواند در یک زمان در مکان های مختلف باشد. فیزیکدانان به شوخی می گویند: "اگر نظریه کوانتومی شما را شوکه نکند، پس آن را درک نمی کنید."

ظاهر کامپیوترهای کوانتومی که امروزه ساخته می شوند، به طرز چشمگیری با کامپیوترهای کلاسیک متفاوت است. آنها هنوز مثل مهتاب به نظر می رسند:

چنین طراحی متشکل از قطعات مسی و طلایی، کویل های خنک کننده و سایر قطعات مشخصه، البته به سازندگان آن نمی خورد. یکی از وظایف اصلی دانشمندان این است که آن را فشرده و ارزان کنند. برای اینکه این اتفاق بیفتد باید چندین مشکل حل شود.

مشکل اول - ناپایداری برهم نهی ها

همه این برهم نهی های کوانتومی بسیار "ملایم" هستند. به محض اینکه شروع به نگاه کردن به آنها می کنید، به محض اینکه آنها شروع به تعامل با اشیاء دیگر می کنند، بلافاصله از بین می روند. آنها، همانطور که بود، کلاسیک می شوند. این یکی از مهمترین مشکلات ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی است.

مشکل دوم: خنک کننده قوی لازم است

دومین مانع دستیابی به عملکرد پایدار یک کامپیوتر کوانتومی است. به شکلی که امروز داریم، نیاز به خنک کننده قوی دارد. قوی، این ایجاد تجهیزاتی است که در آن دما نزدیک به صفر مطلق - منفی 273 درجه سانتیگراد حفظ می شود! بنابراین، اکنون نمونه های اولیه چنین رایانه هایی، با نصب برودتی-خلاء، بسیار دست و پا گیر به نظر می رسند:

با این حال، دانشمندان مطمئن هستند که به زودی تمام مشکلات فنی حل خواهد شد و یک روز کامپیوترهای کوانتومی با قدرت محاسباتی عظیم جایگزین کامپیوترهای مدرن خواهند شد.

چند راه حل فنی برای حل مشکلات

تا به امروز، دانشمندان تعدادی راه حل قابل توجه برای حل مشکلات فوق پیدا کرده اند. این اکتشافات تکنولوژیکی، حاصل کار پیچیده و گاه طولانی و شدید دانشمندان، سزاوار احترام هستند.

بهترین راه برای بهبود عملکرد کیوبیت ... الماس

همه چیز بسیار شبیه به آهنگ معروف دختران و الماس است. اصلی‌ترین چیزی که اکنون دانشمندان روی آن کار می‌کنند، مطرح کردن آن است طول عمرکیوبیت، و همچنین "ساختن" یک کامپیوتر کوانتومی کار کند در دمای معمولی. بله، ارتباط بین کامپیوترهای کوانتومی به الماس نیاز دارد! برای همه اینها، ایجاد و استفاده از الماس مصنوعی با شفافیت بسیار بالا ضروری بود. آنها با کمک آنها توانستند عمر یک کیوبیت را به دو ثانیه افزایش دهند. این دستاوردهای کوچک: دو ثانیه عمر کیوبیت و کارکرد کامپیوتر در دمای اتاق، در واقع انقلابی در علم هستند.

ماهیت آزمایش دانشمند فرانسوی سرژ هاروش بر این اساس استوار است که او توانست به تمام جهان نشان دهد که نور (شار کوانتومی فوتون ها) که بین دو آینه که مخصوصاً توسط او ایجاد شده است عبور می کند حالت کوانتومی خود را از دست نمی دهد.

او با وادار کردن نور به مسافت 40000 کیلومتری بین این آینه ها، تشخیص داد که همه چیز بدون از دست دادن حالت کوانتومی خود اتفاق افتاده است. نور از فوتون ها تشکیل شده است و تا به حال هیچ کس نتوانسته است بفهمد که آیا با طی مسافت معینی حالت کوانتومی خود را از دست می دهند یا خیر. سرژ هاروش، برنده جایزه نوبل: یک فوتون همزمان در چند مکان است، ما موفق شدیم این را ضبط کنیم." در حقیقت این اصل برهم نهی است. در دنیای بزرگ ما این غیرممکن است. اما در دنیای خرد قوانین متفاوتی وجود دارد.

در داخل حفره اتم های کلاسیک وجود داشت که می توان آنها را اندازه گیری کرد. بر اساس رفتار اتم ها، فیزیکدان یاد گرفته است که ذرات کوانتومی گریزان را شناسایی و اندازه گیری کند. قبل از آزمایش های هاروش، اعتقاد بر این بود که مشاهده کوانتوم ها غیرممکن است. بعد از آزمایش، آنها شروع به صحبت در مورد تسخیر فوتون کردند، یعنی در مورد نزدیک شدن به عصر کامپیوترهای کوانتومی

چرا بسیاری مشتاقانه منتظر ایجاد یک ژنراتور کوانتومی کامل هستند، در حالی که دیگران از آن می ترسند.

کامپیوتر کوانتومی به بشریت فرصت های عظیمی می دهد

یک کامپیوتر کوانتومی امکانات بی پایانی را برای بشریت باز خواهد کرد. به عنوان مثال، به ایجاد هوش مصنوعی کمک می کند، چیزی که نویسندگان داستان های علمی تخیلی برای مدت طولانی در مورد آن غوغا می کردند. یا کیهان را شبیه سازی کنید. به طور کامل. طبق محافظه‌کارانه‌ترین پیش‌بینی‌ها، به ما این امکان را می‌دهد که فراتر از مرزهای ممکن نگاه کنیم. بیایید دنیایی را تصور کنیم که در آن می‌توانید مطلقاً هر چیزی را که می‌خواهید شبیه‌سازی کنید: یک مولکول، فلزی فوق‌العاده قوی طراحی کنید، پلاستیک را به سرعت تجزیه کنید، و برای بیماری‌های صعب‌العلاج راهی پیدا کنید. این دستگاه کل جهان ما را تا آخرین اتم شبیه سازی خواهد کرد. حتی می توانید دنیای دیگری را شبیه سازی کنید، حتی یک دنیای مجازی.

یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به سلاح آخرالزمان تبدیل شود

بسیاری از مردم، با کاوش در ماهیت فناوری کوانتومی، به دلایل مختلف از آن می ترسند. در حال حاضر، رایانه‌سازی و همه فناوری‌های مرتبط با رایانه، افراد عادی را می‌ترسانند. کافی است رسوایی ها را به یاد بیاوریم که چگونه خدمات ویژه با استفاده از برنامه های داخلی در رایانه های شخصی و حتی لوازم خانگی، نظارت و جمع آوری داده ها را در مورد مصرف کنندگان خود سازماندهی می کنند. به عنوان مثال، بسیاری از کشورها عینک های شناخته شده را ممنوع کرده اند - بالاخره آنها وسیله ای ایده آل برای فیلمبرداری و نظارت مخفیانه هستند. در حال حاضر، مطمئناً، هر ساکن هر کشور، و حتی بیشتر از آن کاربر در اینترنت، وارد برخی از پایگاه داده می شود. علاوه بر این، و کاملاً واقع بینانه، سرویس های خاصی می توانند هر اقدام او را در اینترنت محاسبه کنند.

اما هیچ رازی برای کامپیوترهای کوانتومی وجود نخواهد داشت!اصلا. تمام امنیت رایانه بر اساس اعداد رمز عبور بسیار طولانی است. یک کامپیوتر معمولی یک میلیون سال طول می کشد تا کلید رمز را بدست آورد. اما با کمک کوانتوم، هر کسی می تواند این کار را فورا انجام دهد. به نظر می رسد که جهان کاملاً ناامن خواهد شد: بالاخره در دنیای مدرن همه چیز توسط رایانه کنترل می شود: نقل و انتقالات بانکی، پروازهای هواپیما، بورس اوراق بهادار، سلاح های موشکی هسته ای! بنابراین معلوم می شود: هر کسی که صاحب اطلاعات است صاحب جهان است. هر که اول است خداست. یک کامپیوتر کوانتومی از هر سیستم تسلیحاتی قوی تر خواهد شد. یک مسابقه تسلیحاتی جدید ممکن است در زمین شروع شود (یا قبلاً شروع شده است) فقط اکنون نه هسته ای، بلکه رایانه ای.

انشالله خدا کمکمون کنه که به سلامت ازش خلاص بشیم...

محاسبات کوانتومی، حداقل در تئوری، دهه‌هاست که درباره آن صحبت می‌شود. انواع مدرن ماشین‌ها، با استفاده از مکانیک غیرکلاسیک برای پردازش مقادیر بالقوه غیرقابل تصور داده، یک پیشرفت بزرگ بوده است. به گفته توسعه دهندگان، اجرای آنها شاید پیچیده ترین فناوری ایجاد شده باشد. پردازنده های کوانتومی در سطوحی از ماده کار می کنند که بشر فقط حدود 100 سال پیش آن را آموخته است. پتانسیل چنین محاسباتی بسیار زیاد است. استفاده از ویژگی‌های عجیب کوانتوم باعث افزایش سرعت محاسبات می‌شود، بنابراین بسیاری از مشکلاتی که در حال حاضر فراتر از توانایی‌های رایانه‌های کلاسیک هستند، حل خواهند شد. و نه تنها در زمینه شیمی و علم مواد. وال استریت نیز علاقه مند است.

سرمایه گذاری در آینده

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

چرا این لازم است؟

دلیل هیجان انگیز بودن محاسبات کوانتومی به دلیل ترکیب کامل آن با یادگیری ماشین است. این در حال حاضر برنامه اصلی برای چنین محاسباتی است. بخشی از ایده یک کامپیوتر کوانتومی استفاده از یک دستگاه فیزیکی برای یافتن راه حل است. گاهی اوقات این مفهوم با استفاده از مثال بازی Angry Birds توضیح داده می شود. برای شبیه سازی گرانش و تعامل اجسام در حال برخورد، CPU تبلت از معادلات ریاضی 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 تمام راه حل های ممکن یا حداقل ترکیب بسیار بزرگی از آنها تست شده و یک پاسخ برگردانده می شود. در یک کامپیوتر کوانتومی هیچ ریاضی دانی وجود ندارد، در عوض قوانین فیزیک کار می کنند.

چگونه کار می کند؟

بلوک های ساختمانی اساسی جهان ما مکانیک کوانتومی است. اگر به مولکول ها نگاه کنید، دلیل تشکیل و پایدار ماندن آنها 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. به عنوان مثال، برای 50 الکترون گزینه های ممکن از 2 تا 50 توان وجود دارد. این فوق العاده است، بنابراین محاسبه آن امروز غیرممکن است. 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، یک پردازنده کوانتومی توانایی مهار قدرت محاسباتی دنیای زیراتمی است که پیامدهای بسیار زیادی برای دستیابی به مواد جدید یا ایجاد داروهای جدید دارد. یک تغییر از پارادایم کشف به عصر جدیدی از طراحی وجود دارد. برای مثال، محاسبات کوانتومی می‌تواند برای مدل‌سازی کاتالیزورهایی استفاده شود که کربن و نیتروژن را از جو حذف می‌کنند و در نتیجه به توقف گرمایش جهانی کمک می‌کنند.

در خط مقدم پیشرفت

جامعه توسعه فناوری بسیار هیجان زده و فعال است. تیم‌هایی در سرتاسر جهان در استارت‌آپ‌ها، شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های دولتی در حال رقابت برای ساخت ماشین‌هایی هستند که از رویکردهای 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 آنیون غیر آبلیانی است که هنوز وجود آن به طور قطعی اثبات نشده است.

سال موفقیت احتمالی

و این تازه اولشه. تا پایان ماه مه 2017، تعداد پردازنده‌های کوانتومی که به وضوح کاری را سریع‌تر یا بهتر از یک کامپیوتر کلاسیک انجام می‌دهند، صفر است. چنین رویدادی «برتری کوانتومی» را ایجاد می‌کند، اما هنوز رخ نداده است. اگرچه این احتمال وجود دارد که امسال این اتفاق بیفتد. اکثر خودی ها می گویند که تیم گوگل به رهبری پروفسور فیزیک دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، جان مارتینی، مورد علاقه آشکار است. هدف آن دستیابی به برتری محاسباتی با استفاده از یک 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.

همه چیز از کجا شروع شد؟

ایده استفاده از مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات ده ها سال است که وجود داشته است. 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 ساخت یک کامپیوتر کوانتومی را پیشنهاد کرد. به گفته وی برای مدل سازی باید از مکانیک کوانتومی استفاده کرد. و این یک کار عالی است زیرا به نظر آسان نیست. اصل عملکرد 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 ظاهر می شود. و نمی توان پیش بینی کرد که کدام یک، مگر از منظر نظریه احتمال. این اثر اساس آزمایش فکری گربه شرودینگر است که هم زنده و هم مرده در یک جعبه است تا زمانی که یک ناظر مخفیانه نگاهی بیندازد. هیچ چیز در زندگی روزمره به این شکل 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 مرحله بعدی نحوه استفاده از این مفهوم است.

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، 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 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 انجام یک عملیات منطقی کار با همه موقعیت ها را در یک زمان 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 به طور همزمان کاوش کنید.

احسنت

پردازنده کوانتومی در روسیه تا حدودی متفاوت دیده می شود. دانشمندان MIPT و مرکز کوانتومی روسیه «qudits» را ایجاد کرده‌اند که چندین کیوبیت «مجازی» با سطوح مختلف «انرژی» هستند.

دامنه ها

یک پردازنده کوانتومی این مزیت را دارد که مکانیک کوانتومی مبتنی بر دامنه است. دامنه ها شبیه به احتمال هستند، اما می توانند اعداد منفی و مختلط نیز باشند. بنابراین، اگر نیاز به محاسبه احتمال یک رویداد دارید، می‌توانید دامنه همه گزینه‌های ممکن را برای توسعه آنها جمع کنید. ایده پشت محاسبات کوانتومی این است که سعی کنیم آن را به گونه ای تنظیم کنیم که برخی از مسیرها به پاسخ های اشتباه دامنه مثبت و برخی دامنه منفی داشته باشند، بنابراین یکدیگر را خنثی می 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 ماهیت نمایی حالات کوانتومی، همراه با پتانسیل تداخل بین دامنه های مثبت و منفی، مزیت این نوع محاسبه است.

الگوریتم شور

مشکلات زیادی وجود دارد که کامپیوتر نمی تواند آنها را حل کند. به عنوان مثال، رمزگذاری. مشکل این است که یافتن عوامل اول یک عدد 200 رقمی چندان آسان نیست. حتی اگر لپ‌تاپ شما نرم‌افزار فوق‌العاده‌ای را اجرا می‌کند، ممکن است مجبور باشید سال‌ها منتظر بمانید تا پاسخ آن را بیابید. 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 یافتن عوامل یک عدد بزرگ با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی است که هنوز وجود نداشته است. اساساً، الگوریتم عملیاتی را انجام می دهد که به مناطقی با پاسخ صحیح اشاره می کند. سال بعد، شور روشی برای تصحیح خطای کوانتومی کشف کرد. سپس بسیاری متوجه شدند که این یک روش جایگزین برای محاسبه است که در برخی موارد می تواند قدرتمندتر باشد. سپس علاقه فیزیکدانان به ایجاد کیوبیت ها و دروازه های منطقی بین آنها افزایش یافت. و اکنون، دو دهه بعد، بشریت در آستانه ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار است.

جهان در آستانه یک انقلاب کوانتومی دیگر است. اولین رایانه کوانتومی فوراً مشکلاتی را حل می کند که قدرتمندترین دستگاه مدرن در حال حاضر برای حل آنها سال ها طول می کشد. این وظایف چیست؟ استفاده گسترده از الگوریتم های کوانتومی به نفع چه کسانی است و چه کسانی را تهدید می کند؟ برهم نهی کیوبیت ها چیست، چگونه مردم یاد گرفتند که راه حل بهینه را بدون عبور از تریلیون ها گزینه پیدا کنند؟ ما به این سوالات تحت عنوان "به سادگی در مورد مجتمع" پاسخ می دهیم.

قبل از تئوری کوانتومی، نظریه کلاسیک تابش الکترومغناطیسی در حال استفاده بود. در سال 1900، دانشمند آلمانی ماکس پلانک، که خود به کوانتوم ها اعتقادی نداشت و آنها را ساختاری ساختگی و صرفا نظری می دانست، مجبور شد اعتراف کند که انرژی یک جسم گرم شده در بخش هایی - کوانتومی منتشر می شود. بنابراین، مفروضات نظریه با مشاهدات تجربی منطبق شد. و پنج سال بعد، آلبرت انیشتین بزرگ هنگام توضیح اثر فوتوالکتریک به همین رویکرد متوسل شد: هنگامی که با نور تابش می شود، جریان الکتریکی در فلزات ایجاد می شود! بعید است که پلانک و انیشتین تصور کنند که با کار خود پایه های یک علم جدید - مکانیک کوانتومی - را می گذارند که قرار است جهان ما را فراتر از شناخت تغییر دهد و در قرن بیست و یکم دانشمندان به ایجاد نزدیک شوند. یک کامپیوتر کوانتومی

در ابتدا، مکانیک کوانتومی امکان توضیح ساختار اتم را فراهم کرد و به درک فرآیندهای رخ داده در داخل آن کمک کرد. به طور کلی، رویای دیرینه کیمیاگران برای تبدیل اتم های برخی عناصر به اتم های برخی دیگر (بله، حتی به طلا) محقق شده است. و فرمول معروف انیشتین E=mc2 منجر به ظهور انرژی هسته ای و در نتیجه بمب اتمی شد.

پردازنده کوانتومی پنج کیوبیتی از IBM

علاوه بر این. به لطف کار انیشتین و فیزیکدان انگلیسی پل دیراک، یک لیزر در نیمه دوم قرن بیستم ایجاد شد - همچنین یک منبع کوانتومی نور فوق‌العاده خالص جمع‌آوری شده در یک پرتو باریک. تحقیقات لیزری جایزه نوبل را برای بیش از دوازده دانشمند به ارمغان آورده است و خود لیزرها تقریباً در تمام زمینه های فعالیت انسانی کاربرد دارند - از برش های صنعتی و تفنگ های لیزری گرفته تا اسکنرهای بارکد و اصلاح بینایی. تقریباً در همان زمان، تحقیقات فعالی روی نیمه رساناها در حال انجام بود - موادی که با آنها می توان جریان الکتریکی را به راحتی کنترل کرد. بر اساس آنها، اولین ترانزیستورها ایجاد شدند - آنها بعداً به عناصر اصلی ساختمان الکترونیک مدرن تبدیل شدند که بدون آنها دیگر نمی توانیم زندگی خود را تصور کنیم.

توسعه رایانه های الکترونیکی - رایانه ها - امکان حل سریع و کارآمد بسیاری از مشکلات را فراهم کرده است. و کاهش تدریجی اندازه و هزینه آنها (به دلیل تولید انبوه) راه را برای ورود رایانه ها به هر خانه ای هموار کرد. با ظهور اینترنت، وابستگی ما به سیستم های کامپیوتری، از جمله برای ارتباطات، حتی بیشتر شده است.

ریچارد فاینمن

وابستگی در حال افزایش است، قدرت محاسباتی دائما در حال افزایش است، اما زمان آن فرا رسیده است که اعتراف کنیم، علیرغم قابلیت‌های چشمگیر، رایانه‌ها نتوانسته‌اند تمام مشکلاتی را که ما آماده‌ایم پیش روی آنها قرار دهیم، حل کنند. فیزیکدان معروف ریچارد فاینمن یکی از اولین کسانی بود که در این مورد صحبت کرد: در سال 1981، در یک کنفرانس، او اظهار داشت که اساساً محاسبه دقیق یک سیستم فیزیکی واقعی در رایانه های معمولی غیرممکن است. همه چیز مربوط به ماهیت کوانتومی آن است! اثرات ریزمقیاس به راحتی توسط مکانیک کوانتومی توضیح داده می شود و با مکانیک کلاسیک که ما به آن عادت کرده ایم بسیار ضعیف توضیح داده می شود: رفتار اجسام بزرگ را توصیف می کند. پس از آن بود که فاینمن به عنوان یک جایگزین، استفاده از رایانه های کوانتومی را برای محاسبه سیستم های فیزیکی پیشنهاد کرد.

کامپیوتر کوانتومی چیست و چه تفاوتی با کامپیوترهایی دارد که ما به آن عادت کرده ایم؟ همه چیز به نحوه ارائه اطلاعات مربوط می شود.

اگر در رایانه‌های معمولی بیت‌ها - صفر و یک - مسئول این عملکرد هستند، در رایانه‌های کوانتومی با بیت‌های کوانتومی (به اختصار کیوبیت) جایگزین می‌شوند. کیوبیت خود یک چیز نسبتاً ساده است. هنوز هم دو مقدار بنیادی دارد (یا همان‌طور که مکانیک کوانتومی دوست دارد بگوید) که می‌تواند آن‌ها را بگیرد: 0 و 1. با این حال، به لطف ویژگی اجسام کوانتومی به نام «ابرجایگاه»، یک کیوبیت می‌تواند همه مقادیر را بگیرد. که ترکیبی از موارد اساسی هستند. علاوه بر این، ماهیت کوانتومی آن به آن اجازه می دهد که در همه این حالت ها به طور همزمان باشد.

این همسانی محاسبات کوانتومی با کیوبیت ها است. همه چیز به یکباره اتفاق می افتد - دیگر نیازی به مرور همه گزینه های ممکن برای وضعیت های سیستم نیست، و این دقیقاً همان کاری است که یک رایانه معمولی انجام می دهد. جستجو در پایگاه‌های داده بزرگ، ترسیم یک مسیر بهینه، توسعه داروهای جدید تنها نمونه‌هایی از مشکلاتی هستند که با الگوریتم‌های کوانتومی می‌توانند چندین برابر سریع‌تر حل شوند. اینها همان وظایفی هستند که برای یافتن پاسخ صحیح باید تعداد زیادی گزینه را طی کنید.

علاوه بر این، برای توصیف وضعیت دقیق سیستم، دیگر نیازی به قدرت محاسباتی عظیم و مقادیر RAM نیست، زیرا برای محاسبه یک سیستم 100 ذره، 100 کیوبیت کافی است و نه تریلیون ها تریلیون بیت. علاوه بر این، با افزایش تعداد ذرات (مانند سیستم های پیچیده واقعی)، این تفاوت حتی بیشتر می شود.

یکی از مشکلات شمارش به دلیل بی فایده بودن ظاهری آن - تجزیه اعداد بزرگ به عوامل اول (یعنی قابل تقسیم بر خود و یک) برجسته بود. به این می گویند "فاکتورسازی". واقعیت این است که کامپیوترهای معمولی می توانند اعداد را به سرعت ضرب کنند، حتی اعداد بسیار بزرگ. با این حال، کامپیوترهای معمولی با مشکل معکوس تجزیه یک عدد بزرگ که حاصل ضرب دو عدد اول در فاکتورهای اصلی آنها است، بسیار ضعیف عمل می کنند. به عنوان مثال، برای تبدیل یک عدد 256 رقمی به دو فاکتور، حتی قدرتمندترین رایانه نیز به بیش از ده سال نیاز دارد. اما یک الگوریتم کوانتومی که می تواند این مشکل را در چند دقیقه حل کند در سال 1997 توسط ریاضیدان انگلیسی پیتر شور اختراع شد.

با ظهور الگوریتم شور، جامعه علمی با مشکل جدی مواجه شد. در اواخر دهه 1970، بر اساس پیچیدگی مسئله فاکتورسازی، دانشمندان رمزنگاری یک الگوریتم رمزگذاری داده را ایجاد کردند که بسیار گسترده شده است. به طور خاص، با کمک این الگوریتم، آنها شروع به محافظت از داده ها در اینترنت - رمزهای عبور، مکاتبات شخصی، تراکنش های بانکی و مالی کردند. و پس از چندین سال استفاده موفق، ناگهان معلوم شد که اطلاعات رمزگذاری شده به این روش به یک هدف آسان برای الگوریتم Shor در حال اجرا بر روی یک کامپیوتر کوانتومی تبدیل می شود. رمزگشایی با کمک آن به چند دقیقه تبدیل می شود. یک چیز خوب بود: یک کامپیوتر کوانتومی که بتوان روی آن الگوریتم مرگبار اجرا کرد هنوز ساخته نشده بود.

در همین حال، در سراسر جهان، ده‌ها گروه علمی و آزمایشگاه شروع به انجام مطالعات تجربی کیوبیت‌ها و امکان ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی از آنها کردند. از این گذشته، اختراع کیوبیت از نظر تئوری یک چیز است و به واقعیت تبدیل کردن آن کاملاً چیز دیگری است. برای انجام این کار، یافتن یک سیستم فیزیکی مناسب با دو سطح کوانتومی که بتواند به عنوان حالت های پایه کیوبیت - صفر و یک - استفاده شود، ضروری بود. خود فاینمن، در مقاله پیشگام خود، استفاده از فوتون‌های پیچ خورده در جهات مختلف را برای این اهداف پیشنهاد کرد، اما اولین کیوبیت‌های آزمایشی ایجاد شده، یون‌هایی بودند که در سال 1995 در تله‌های مخصوص گرفته شدند. یون ها توسط بسیاری از پیاده سازی های فیزیکی دیگر دنبال شدند: هسته های اتمی، الکترون ها، فوتون ها، نقص در کریستال ها، مدارهای ابررسانا - همه آنها الزامات را برآورده کردند.

این تنوع محاسن خود را داشت. گروه‌های علمی مختلف با هدایت رقابت شدید، کیوبیت‌های پیشرفته‌تری ایجاد کردند و مدارهای پیچیده‌تری را از آنها ساختند. دو پارامتر اصلی رقابتی برای کیوبیت‌ها وجود داشت: طول عمر آنها و تعداد کیوبیت‌هایی که می‌توان با هم کار کرد.

کارکنان آزمایشگاه سیستم های کوانتومی مصنوعی

طول عمر کیوبیت ها تعیین کرد که حالت کوانتومی شکننده چه مدت در آنها ذخیره می شود. این به نوبه خود تعیین می کند که چند عملیات محاسباتی را می توان روی کیوبیت قبل از "مرگ" انجام داد.

برای عملکرد کارآمد الگوریتم های کوانتومی، نه یک کیوبیت، بلکه حداقل به صد کیوبیت و کار با هم نیاز بود. مشکل این بود که کیوبیت ها واقعاً دوست نداشتند در کنار یکدیگر باشند و با کاهش چشمگیر عمر خود اعتراض کردند. برای دور زدن این ناسازگاری کیوبیت ها، دانشمندان مجبور شدند به انواع ترفندها متوسل شوند. و با این حال، تا به امروز، دانشمندان موفق شده اند حداکثر یک یا دو دوجین کیوبیت را برای کار با یکدیگر بدست آورند.

بنابراین، برای خوشحالی رمزنگاران، یک کامپیوتر کوانتومی هنوز در آینده است. اگرچه آنطور که قبلاً به نظر می رسید چندان دور نیست، زیرا هم بزرگ ترین شرکت ها مانند اینتل، آی بی ام و گوگل و همچنین کشورهایی که ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی برای آنها یک موضوع استراتژیک است. به طور فعال در ایجاد آن مشارکت دارد.

سخنرانی را از دست ندهید: