فقط در مورد چیزهای پیچیده: کامپیوتر کوانتومی چیست و چرا به آن نیاز است. سانتی متر

29 ژانویه 2017

برای من، عبارت "کامپیوتر کوانتومی" به عنوان مثال با "موتور فوتون" قابل مقایسه 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، آیا آنها اکنون از این عبارت منظور دیگری دارند یا فقط جعلی است؟

بیایید دقیق تر نگاه کنیم ...

چطور شروع شدند؟

تا اواسط دهه 1990 بود که نظریه کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی به عنوان منطقه جدیدعلوم. همانطور که اغلب در مورد ایده‌های عالی اتفاق می‌افتد، مشخص کردن مبتکر آن دشوار است. ظاهراً، ریاضیدان مجارستانی، جی. فون نویمان، 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 های اصلی دانشمندان در درجه اول برای یافتن و توسعه عناصر جدید برای آنها (ترانزیستورها و سپس مدارهای مجتمع) و نه ایجاد دستگاه های محاسباتی اساساً متفاوت بود.

در دهه 1960، فیزیکدان آمریکایی R. Landauer که در 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 توانایی های محاسباتی ما بدون آن غیرممکن است. مشخص کردن اجرای فیزیکی آنها. متأسفانه در آن زمان دیدگاه غالب در بین دانشمندان این بود که محاسبه نوعی روش منطقی انتزاعی است که باید توسط ریاضیدانان مطالعه شود نه فیزیکدانان.

با گسترش بیشتر کامپیوترها، دانشمندان کوانتومی به این نتیجه رسیدند که محاسبه مستقیم وضعیت یک سیستم در حال تکامل که فقط از چند ده ذره در حال برهمکنش تشکیل شده است، مانند مولکول متان (CH4) عملا غیرممکن است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که برای توضیحات کاملبرای یک سیستم پیچیده، لازم است تعداد زیادی متغیر (از نظر تعداد ذرات) در حافظه کامپیوتر ذخیره شود، به اصطلاح دامنه های کوانتومی. یک وضعیت متناقض ایجاد شده است: دانستن معادله تکامل، دانستن با دقت کافی تمام پتانسیل های برهمکنش ذرات با یکدیگر و وضعیت اولیه سیستم، تقریباً غیرممکن است که آینده آن را محاسبه کنیم، 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 عین حال، برای مطالعه دینامیک چنین سیستمی، می توانید به سادگی آزمایشی را با 30 الکترون انجام دهید و آنها را در یک پتانسیل و حالت اولیه معین قرار دهید. این به ویژه توسط ریاضیدان روسی یو آی. مانین، که 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 نظر تئوری یک کامپیوتر کوانتومی جهانی را توسعه داد که برتر از آن است. همتای کلاسیک

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

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

اما هنوز برای مدت طولانیهنوز مشخص نیست که آیا می توان از قدرت محاسباتی فرضی یک کامپیوتر کوانتومی برای سرعت بخشیدن به حل استفاده کرد یا خیر. مشکلات عملی. اما در سال 1994، یک ریاضیدان آمریکایی و کارمند Lucent Technologies (ایالات متحده آمریکا) P. Shor با پیشنهاد یک الگوریتم کوانتومی که امکان فاکتورسازی سریع را فراهم می کند، دنیای علم را متحیر کرد. اعداد بزرگ(اهمیت این کار قبلاً در مقدمه مورد بحث قرار گرفته است). در مقایسه با بهترین روش کلاسیک شناخته شده امروزی، الگوریتم کوانتومی Shor شتاب چندگانه محاسبات را فراهم می‌کند و هر چه عدد فاکتور طولانی‌تر باشد، افزایش سرعت بیشتر می‌شود. الگوریتم فاکتورسازی سریع برای آژانس‌های اطلاعاتی مختلف که بانک‌هایی از پیام‌های رمزگشایی نشده را جمع‌آوری کرده‌اند، بسیار جالب است.

در سال 1996، همکار Shor در Lucent Technologies L. Grover یک الگوریتم کوانتومی را پیشنهاد کرد. جستجوی سریعدر یک پایگاه داده نامرتب (نمونه ای از چنین پایگاه داده ای است دفترچه تلفن، که در آن نام خانوادگی مشترکین نه بر اساس حروف الفبا، بلکه به صورت دلخواه تنظیم شده است.) جستجو، مشکل انتخاب عنصر بهینهدر میان گزینه های متعدد، اغلب در مسائل اقتصادی، نظامی، مهندسی، 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 اساساً به دلیل تنها مشکل جدی - خطاها یا تداخل با مشکل مواجه شد. واقعیت این است که همان سطح تداخل فرآیند محاسبات کوانتومی را بسیار فشرده تر از محاسبات کلاسیک خراب می کند.

اگر تو بگی به زبان ساده، این که: یک سیستم کوانتومی نتیجه ای را تولید می کند که فقط با کمی احتمال درست است. به عبارت دیگر، اگر 2+2 را بشمارید، 4 فقط تا حدی 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، به طور طبیعی با افزایش زمان کامپیوتر وجود دارد.
این ویژگی لیست وظایف را تعیین 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 چیز 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، دشواری استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی نه تنها در در دسترس بودن سخت‌افزار، بلکه در توسعه روش‌های محاسباتی جدید و تا کنون استفاده نشده است. "

حالا برگردیم به اجرای عملیکامپیوتر کوانتومی: یک پردازنده تجاری 512 کیوبیتی D-Wave مدتی است که وجود داشته و حتی فروخته شده است!!!

حالا به نظر می رسد که این یک پیشرفت واقعی است!!! و گروهی از دانشمندان معتبر در مجله به همان اندازه 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، معماری آن امکان افزایش بیشتر در تعداد کیوبیت‌ها را فراهم می‌کند، و بنابراین، چشم‌انداز فوق‌العاده‌ای برای آینده دارد (T. Lanting et al. Entanglement in). یک پردازشگر آنیلینگ کوانتومی X 4، 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041)

درست است، کمی بعد، گروه دیگری از دانشمندان معتبر در ژورنال نه چندان معتبر Science، که همان را مطالعه کردند. سیستم کامپیوتری D-Wave آن را کاملاً عملی ارزیابی کرد: این دستگاه چقدر عملکردهای محاسباتی خود را انجام می دهد. و این گروه از دانشمندان، دقیقاً و قانع‌کننده‌ای مانند اولین، نشان می‌دهند که در آزمایش‌های راستی‌آزمایی واقعی که به‌طور بهینه برای این طراحی مناسب هستند، رایانه کوانتومی D-Wave هیچ افزایش سرعتی در مقایسه با رایانه‌های معمولی و کلاسیک ارائه 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 بسیار است ...
نتایج به شرح زیر است: اکنون در جامعه علمی دیگر هیچ شکی وجود ندارد که در پردازنده کامپیوتر کار موج Dعناصر در واقع بر اساس اثرات کوانتومی واقعی بین کیوبیت ها رخ می دهند.

اما (و این یک اما بسیار جدی است) ویژگی های کلیدیدر طراحی پردازنده D-Wave به گونه ای است که در حین کار واقعی، تمام فیزیک کوانتومی آن در مقایسه با یک کامپیوتر قدرتمند معمولی که دارای نرم افزار ویژه ای است که برای حل مسائل بهینه سازی طراحی شده است، هیچ سودی ایجاد نمی کند.

به بیان ساده، نه تنها دانشمندانی که D-Wave را آزمایش می کنند، هنوز نتوانسته اند یکی را ببینند مشکل واقعی، جایی که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به طور قانع کننده ای برتری محاسباتی خود را نشان دهد، اما حتی خود شرکت سازنده نیز نمی داند این وظیفه چه 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 این گروه های 8 کیوبیتی، همه آنها مستقیماً 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، این باعث بسیاری از مشکلات دیگر می شود که در نهایت منجر به تجهیزات برودتی می شود که کار با آن بسیار گران است و مدار را تا حد بسیار کم خنک می کند. دما

پس الان چه چیزی به ما پیشنهاد می دهند؟

شرکت کانادایی D-Wave شروع فروش کامپیوتر کوانتومی خود D-Wave 2000Q را که در سپتامبر سال گذشته اعلام شد، اعلام کرد. D-Wave با پایبندی به نسخه خود از قانون مور، که طبق آن تعداد ترانزیستورهای یک مدار مجتمع هر دو سال دو برابر می شود، 2048 کیوبیت را روی QPU (واحد پردازش کوانتومی) قرار داد. دینامیک رشد در تعداد کیوبیت ها در CPU برای سال های گذشتهبه نظر می رسد که:

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 GPU 2500 هسته ای، تفاوت عملکرد از 1000 تا 10000 برابر است. همه این اعداد مطمئناً چشمگیر هستند، اما چند "اما" وجود دارد.

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

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

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

فراگیری ماشین:

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

امنیت و برنامه ریزی

شناسایی ویروس ها و هک شبکه
- توزیع منابع و یافتن مسیرهای بهینه
- تعیین عضویت در یک مجموعه
- تجزیه و تحلیل ویژگی های نمودار
- فاکتورسازی اعداد صحیح (مورد استفاده در رمزنگاری)

مدل سازی مالی

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

بهداشت و درمان و پزشکی

کشف تقلب (احتمالاً مربوط به بیمه درمانی)
- تولید دارو درمانی هدفمند ("هدفمند مولکولی").
- بهینه سازی درمان [سرطان] با استفاده از رادیوتراپی
- ایجاد مدل های پروتئینی

اولین خریدار D-Wave 2000Q شرکت TDS (Temporal Defense Systems) بود که در زمینه امنیت سایبری فعالیت می کرد. 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 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 طول زمان به آن بپیوندند)، می‌توان انتظار پیشرفت‌های واقعی در علم و فناوری را در سال‌های آینده داشت. جالب توجه خاص، ترکیب کامپیوترهای کوانتومی با چنین امیدوار کننده و سریع است در حال توسعه فناوریچگونه هوش مصنوعی- به ویژه از آنجایی که چنین متخصص معتبری مانند اندی روبین چشم انداز هایی را در این زمینه می بیند.

بله، به هر حال، آیا می‌دانستید که شرکت IBM به کاربران اینترنت اجازه می‌دهد تا به صورت رایگان به رایانه کوانتومی جهانی که ساخته است متصل شوند و الگوریتم‌های کوانتومی را آزمایش کنند. این دستگاه برای شکستن سیستم‌های رمزنگاری کلید عمومی به اندازه کافی قدرتمند نخواهد بود، اما اگر برنامه‌های IBM محقق شود، رایانه‌های کوانتومی پیچیده‌تر در اطراف هستند.

کامپیوتر کوانتومی که IBM در دسترس قرار داده است شامل پنج کیوبیت است: چهار کیوبیت برای کار با داده ها و پنجمی برای تصحیح خطاها در حین محاسبات استفاده می شود. 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 یافتن راه حل بهینه توابع طراحی شده اند و برای اهداف دیگر مناسب نیستند.

اعتقاد بر این است که کامپیوترهای کوانتومی جهانی حل برخی از مشکلات را که کامپیوترهای معمولی قادر به انجام آن نیستند ممکن می سازند. معروف ترین مثال چنین مسئله ای، فاکتورگیری اعداد به ضرایب اول است. یک کامپیوتر معمولی، حتی یک کامپیوتر بسیار سریع، صدها سال طول می کشد تا فاکتورهای اصلی را پیدا کند تعداد زیادی. یک کامپیوتر کوانتومی آنها را با استفاده از الگوریتم Shor تقریباً به سرعت ضرب اعداد صحیح پیدا می کند.

عدم امکان فاکتورگیری سریع اعداد به عوامل اول اساس است سیستم های رمزنگاریبا کلید عمومی اگر آنها یاد بگیرند که این عملیات را با سرعتی که الگوریتم‌های کوانتومی وعده می‌دهند انجام دهند، بیشتر رمزنگاری مدرن باید فراموش شود.

روی کوانتوم کامپیوتر IBMمی‌توانید الگوریتم Shor را اجرا کنید، اما تا زمانی که کیوبیت‌های بیشتری وجود نداشته باشد، این استفاده چندانی نخواهد داشت. طی ده سال آینده این موضوع 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 شد که ممکن است و چیست

جهان در آستانه یک انقلاب کوانتومی دیگر است. اولین کامپیوتر کوانتومی فورا مشکلاتی را حل می کند که قدرتمندترین دستگاه مدرن در حال حاضر سال ها برای حل آنها زمان می برد. 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 سؤالات تحت عنوان "به سادگی در مورد مجتمع" پاسخ می دهیم.

قبل از نظریه کوانتومی، نظریه کلاسیک در حال استفاده بود تابش الکترومغناطیسی. 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 ها را می گذارند. علم جدید- مکانیک کوانتومی که قرار است دنیای ما را فراتر از شناخت تغییر دهد و در قرن بیست و یکم دانشمندان به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی نزدیک خواهند شد.

در ابتدا، مکانیک کوانتومی امکان توضیح ساختار اتم را فراهم کرد و به درک فرآیندهای رخ داده در داخل آن کمک کرد. توسط روی هم رفتهرویای دیرینه کیمیاگران مبنی بر تبدیل اتم های برخی عناصر به اتم های برخی دیگر (بله، حتی به طلا) محقق شد. 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 - از برش های صنعتی و تفنگ های لیزری گرفته تا اسکنرهای بارکد و تصحیح بینایی - کاربرد خود را یافته اند. تقریباً در همان زمان، تحقیقات فعالی در مورد نیمه هادی ها در حال انجام بود - موادی که با آنها می توان به راحتی جریان را کنترل کرد. جریان الکتریسیته. بر اساس آنها، اولین ترانزیستورها ایجاد شدند - آنها بعداً به عناصر اصلی ساختمان تبدیل شدند الکترونیک مدرن، بدون آن دیگر نمی توانیم زندگی خود را تصور کنیم.

توسعه دستگاه های الکترونیکی امکان حل سریع و موثر بسیاری از مشکلات را فراهم کرده است. کامپیوترها- کامپیوترها 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 قوی تر شده است.

ریچارد فاینمن

وابستگی در حال افزایش است، قدرت محاسباتی دائماً در حال افزایش است، اما زمان آن فرا رسیده است که بپذیریم، 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 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 میکرو مقیاس به راحتی توسط مکانیک کوانتومی توضیح داده می شود و بسیار ضعیف توسط مکانیک کلاسیک توضیح داده می شود، که برای ما آشناست: 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 آنها 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 پایگاه داده های بزرگ، کامپایل مسیر بهینه، توسعه داروهای جدید تنها چند نمونه از مسائلی هستند که حل آنها را می توان چندین برابر توسط الگوریتم های کوانتومی شتاب داد. اینها مشکلاتی هستند که برای یافتن پاسخ صحیح باید آنها را مرتب کنید مقدار زیادیگزینه ها.

علاوه بر این، قدرت محاسباتی و حجم عظیم دیگر برای توصیف وضعیت دقیق سیستم مورد نیاز نیست. حافظه دسترسی تصادفی، زیرا برای محاسبه یک سیستم 100 ذره، 100 کیوبیت کافی است 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 رایانه های معمولی می توانند اعداد را به سرعت ضرب کنند، حتی اعداد بسیار بزرگ. با این حال، با مشکل معکوس تجزیه یک عدد بزرگ حاصل از ضرب دو اعداد اول، رایانه های معمولی با ضرب کننده های اصلی بسیار ضعیف عمل می کنند. به عنوان مثال، برای تبدیل یک عدد 256 رقمی به دو فاکتور، حتی قدرتمندترین کامپیوتر نیز به ده ها سال زمان 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 ویژه، با کمک این الگوریتم، آنها شروع به محافظت از داده ها در اینترنت - رمزهای عبور، مکاتبات شخصی، معاملات 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، ده ها گروه علمی و آزمایشگاه شروع به مطالعه کردند مطالعات تجربیکیوبیت ها و امکان ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی از آنها. 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 این اهداف را به صورت پیچیده پیشنهاد کرد طرف های مختلففوتون‌ها، اما اولین کیوبیت‌هایی که به‌طور تجربی ایجاد شدند، 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 بی‌نقص‌تری را خلق کردند و بیشتر و بیشتر از آنها ساختند. مدارهای پیچیده. 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 می کرد که حالت کوانتومی شکننده چه مدت در آنها ذخیره می شود. این به نوبه خود تعیین کرد که چند عملیات محاسباتی را می توان بر روی کیوبیت قبل از "مرگ" انجام داد.

برای کار کارآمدالگوریتم‌های کوانتومی نه تنها به یک کیوبیت، بلکه به صد کیوبیت نیاز داشتند و با هم کار می‌کردند. 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 نیز کشورهایی که ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی برای آنها از اهمیت استراتژیک برخوردار است. فعالانه در ایجاد آن شرکت می کند.

سخنرانی را از دست ندهید:

بشریت، مانند 60 سال پیش، دوباره در آستانه یک پیشرفت بزرگ در زمینه فناوری های محاسباتی. خیلی زود جایگزین امروز می شود کامپیوترهاکامپیوترهای کوانتومی خواهند آمد.

پیشرفت تا کجا پیش رفته است؟

در سال 1965، گوردون مور گفت که در یک سال تعداد ترانزیستورهایی که روی یک ریزتراشه سیلیکونی قرار می گیرند دو برابر می شود. این سرعت پیشرفت اخیراکند شده است، و دو برابر شدن کمتر اتفاق می افتد - هر دو سال یک بار. حتی این سرعت باعث می شود که ترانزیستورها در آینده نزدیک به اندازه یک اتم برسند. بعد خطی است که نمی توان از آن عبور کرد. از نظر ساختار فیزیکی ترانزیستور، به هیچ وجه نمی تواند کوچکتر 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 مدرنبه زودی اتفاق خواهد افتاد.
در زمانی که کاربران تازه شروع به داشتن کامپیوترهای شخصی کرده بودند، توسعه دهندگان این مشکل را درک کردند. در سال 1980، یکی از بنیانگذاران علم اطلاعات کوانتومی، پروفسور شوروی، یوری مانین، ایده محاسبات کوانتومی را فرموله کرد. یک سال بعد، ریچارد فیمن اولین مدل کامپیوتری با پردازنده کوانتومی را پیشنهاد کرد. مبانی نظریپل بنیوف فرمول بندی کرد که کامپیوترهای کوانتومی چگونه باید باشند.

چگونه یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند

برای اینکه بفهمیم چگونه کار می کند پردازنده جدید، شما باید حداقل دانش سطحی از اصول مکانیک کوانتومی داشته باشید. در اینجا ارائه طرح ها و فرمول های ریاضی فایده ای ندارد. کافی است یک فرد معمولی 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 یک ذره منجر به ناپدید شدن برهم نهی می شود. مشخص است که دانش در مورد وضعیت ذره به دست آمده توسط 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 کد باینری کار می کند. بیت های کامپیوتری فقط می توانند در یک حالت باشند - دارای ارزش منطقی 0 یا 1 هستند. کامپیوترهای کوانتومی با کیوبیت ها کار می کنند که می توانند یک مقدار منطقی 0، 1، 0 و 1 داشته باشند. برای راه حل ها وظایف خاصآنها یک مزیت چند میلیون دلاری نسبت به ماشین های محاسباتی سنتی خواهند داشت. امروزه ده ها توصیف از الگوریتم های کار وجود دارد. برنامه نویسان خاص ایجاد می کنند کد برنامه، که می تواند بر اساس اصول جدید محاسبات کار کند.

کامپیوتر جدید کجا استفاده می شود؟

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 مقامات دولتی، نسبت به استفاده از آنها در اقتصاد ملی تردید زیادی داشتند. امروزه هنوز افرادی هستند که در مورد اهمیت رایانه های نسل جدید کاملاً تردید دارند. برای مدت طولانی، مجلات فنی از انتشار مقالاتی در مورد محاسبات کوانتومی خودداری می کردند، زیرا این حوزه را یک ترفند متقلبانه رایج برای فریب سرمایه گذاران می دانستند.

یک روش جدید محاسباتی، پیش‌شرط‌هایی را برای اکتشافات علمی بزرگ در همه صنایع ایجاد می‌کند. دارو خیلی چیزها را حل می کند مسائل مشکل ساز، که اخیراً تعداد زیادی از آنها جمع شده است. 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.

دستیابی به موفقیت در فضانوردی دیری نخواهد آمد. 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.

ویژگی متمایز دیگری که کامپیوترهای کوانتومی دارند، توانایی محاسبات کوانتومی برای یافتن سریع کد یا رمز مورد نظر است. یک کامپیوتر معمولی یک راه حل بهینه سازی ریاضی را به صورت متوالی انجام می دهد و گزینه ها را یکی پس از دیگری امتحان می کند. رقیب کوانتومی با کل آرایه داده ها به طور همزمان کار می کند و بیشترین را انتخاب می کند گزینه های مناسبدر زمانی کوتاه بی سابقه تراکنش های بانکی در یک چشم به هم زدن رمزگشایی خواهند شد که برای رایانه های مدرن غیرقابل دسترسی است.

با این حال، بخش بانکی نیازی به نگرانی ندارد - راز آن با روش رمزگذاری کوانتومی با پارادوکس اندازه گیری ذخیره می شود. وقتی سعی می کنید کد را باز کنید، یک اعوجاج رخ می دهد سیگنال ارسال شده. اطلاعات دریافت شده هیچ معنایی نخواهد داشت. سرویس‌های مخفی، که جاسوسی برای آنها یک روش معمول است، به امکانات محاسبات کوانتومی علاقه دارند.

مشکلات طراحی

مشکل در ایجاد شرایطی است که تحت آن یک بیت کوانتومی می تواند به طور نامحدود در حالت برهم نهی باقی بماند.

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

تعدادی از شرایط منحصر به فرد در اطراف عناصر میکروسکوپی یک ماشین منطقی ایجاد می شود. محیط:

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

یک انحراف جزئی در محیط باعث می شود کیوبیت ها فورا حالت برهم نهی خود را از دست بدهند و در نتیجه عملکرد نادرستی ایجاد می شود.

جلوتر از بقیه سیاره

اگر گوگل به همراه ناسا سال گذشته کامپیوتر کوانتومی D-Wave را از یک شرکت تحقیقاتی کانادایی خریداری نکرده بود، می‌توان به خلاقیت ذهن تب‌آلود یک نویسنده داستان‌های علمی تخیلی نسبت داد. 512 کیوبیت

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

اسنودن، که ایالات متحده را ترک کرد، همچنین یک بیانیه افشاگر مهم را 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 قراردادی با گوگل و ناسا، ساخت یک پردازنده 1000 کیوبیتی را آغاز کرد. مدل آینده از نظر سرعت و حجم محاسبات حداقل 300 هزار برابر از اولین نمونه اولیه تجاری فراتر خواهد رفت. کامپیوتر کوانتومی، که در تصویر زیر نشان داده شده است، اولین نسخه تجاری جهان از یک فناوری محاسباتی اساساً جدید است.

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

موفقیت یا فریب علمی

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

رز از همان ابتدای تحقیقات خود به دنبال ساخت پردازنده ای با حداقل تعداد کیوبیت 1000 بود. و او قطعاً مجبور بود یک گزینه تجاری داشته باشد - به منظور فروش و کسب درآمد.

بسیاری با دانستن وسواس و هوش تجاری رز سعی دارند او را به جعل متهم کنند. ظاهراً معمولی ترین پردازنده به عنوان کوانتومی شناخته می شود. این نیز با این واقعیت تسهیل می شود که تکنیک جدید هنگام اجرا عملکرد خارق العاده ای از خود نشان می دهد انواع خاصیمحاسبات 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 یک گروه تحقیقاتی که توسط خریداران مشترک نمونه اولیه سازماندهی شده است، در آینده نزدیک نتایج تحقیقات روی D-Wave را گزارش خواهد کرد.
شاید به زودی زمانی فرا برسد که کامپیوترهای کوانتومی درک ما از دنیای اطرافمان را متحول کنند. و تمام بشریت در این لحظه به بیشتر خواهد رسید سطح بالاتکامل آن

کامپیوتر کوانتومی یک دستگاه محاسباتی است که از پدیده های برهم نهی کوانتومی و درهم تنیدگی کوانتومی برای انتقال و پردازش داده ها استفاده می کند. یک کامپیوتر کوانتومی جهانی تمام عیار هنوز یک دستگاه فرضی است که امکان ساخت آن با توسعه جدی نظریه کوانتومی در زمینه بسیاری از ذرات و آزمایش‌های پیچیده مرتبط است. تحولات در این زمینه همراه است آخرین اکتشافاتو دستاوردهای فیزیک مدرن. بر در حال حاضرتنها چند سیستم آزمایشی عملاً پیاده‌سازی شدند و یک الگوریتم ثابت با پیچیدگی کم را اجرا کردند.

دانشمندان مؤسسه فیزیک و فناوری مسکو، همراه با همکارانش از سوئیس، آزمایشاتی را انجام دادند که در آن آنها با موفقیت یک کامپیوتر کوانتومی را مجبور کردند به وضعیت گذشته بازگردد. نتیجه گیری مختصرطبق بیانیه مطبوعاتی منتشر شده در Phys.org، مطالعاتی که احتمال این اثر را توصیف می کنند. جزئیات مطالعه یک تیم بین المللی از فیزیکدانان در مجله Scientific Reports.

بسیاری از کارشناسان مطمئن هستند که با ظهور کامپیوترهای کوانتومی تمام عیار، عصر رمزارزها و بلاک چین به پایان منطقی خود می رسد - سیستم های رمزنگاری که ارزهای رمزپایه بر اساس آنها ساخته شده اند، فوراً هک می شوند و خود ارزهای دیجیتال کاهش می یابند، زیرا اولین کاری که صاحب یک کامپیوتر کوانتومی انجام می دهد این است که بیت کوین های باقی مانده، اترها و دیگر «سکه های» محبوب را استخراج کند. این دقیقاً همان چیزی است که الکس بیت، فیزیکدان کانادایی که آینده تاریک ارزهای دیجیتال را در عصر کوانتومی پیش بینی کرده بود، فکر می کند.

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 استفاده می کنند کد باینری: 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 با قطر چند میکرون با برش است که 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.

از حلقه گذشت تشعشعات مایکروویو. 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 در یک زمان!!!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 کامپیوتر 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 اصولی 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 طرحی متشکل از قطعات مسی و طلایی، کویل های خنک کننده و سایر قطعات مشخصه، البته برای سازندگان آن مناسب نیست. 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 است عملکرد پایدارکامپیوتر کوانتومی به شکلی که امروز داریم، لازم است خنک کننده قوی. 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 همه چیز مشکلات فنیحل خواهد شد و یک روز کامپیوترهای کوانتومی با عظیمی قدرت پردازش، جایگزین مدرن ها خواهد 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. اصلی ترین چیزی که اکنون دانشمندان روی آن کار می کنند، 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 است.

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 استموفق 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 آزمایش‌های هاروش، اعتقاد بر این بود که مشاهده کوانتوم‌ها 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 درک ماهیت فناوری کوانتومی، از او می ترسند دلایل مختلف. در حال حاضر، رایانه‌سازی و همه فناوری‌های مرتبط با رایانه، افراد عادی را می‌ترسانند. کافی است رسوایی ها را در مورد چگونگی یادآوری کنیم خدمات ویژهبا استفاده از برنامه های داخلی در رایانه شخصی و حتی لوازم خانگیسازماندهی نظارت و جمع آوری داده ها در مورد مصرف کنندگان خود. به عنوان مثال، در بسیاری از کشورها، عینک های شناخته شده ممنوع شده اند - بالاخره آنها هم هستند درمان ایده آلبرای تیراندازی مخفیو نظارت 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. برای دریافت کلید کد، به یک کامپیوتر معمولییک میلیون سال طول خواهد کشید. اما با کمک کوانتوم، هر کسی می تواند این کار را فورا انجام دهد. معلوم می شود که جهان کاملاً ناامن خواهد شد: بالاخره، دنیای مدرنهمه چیز توسط کامپیوتر کنترل می شود: نقل و انتقالات بانکی، پرواز هواپیما، بورس، 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.

انشاالله خدا به ما کمک کنه تا به سلامت از این وضعیت خلاص بشیم...