29. siječnja 2017
Za mene je sintagma "kvantno računalo" usporediva, na primjer, s "fotonskim motorom", odnosno to je nešto vrlo složeno i fantastično. Međutim, sada sam pročitao u vijestima – “kvantno računalo se prodaje svakome tko ga želi”. Čudno je, da li pod ovim izrazom sada misle nešto drugo, ili je to samo lažnjak?
Pogledajmo pobliže...
KAKO JE SVE POČELO?
Tek sredinom 1990-ih teorija kvantnih računala i kvantnog računanja etablirala se kao novo područje znanosti. Kao što je često slučaj s velikim idejama, teško je odabrati otkrivača. Navodno je mađarski matematičar I. von Neumann prvi skrenuo pozornost na mogućnost razvoja kvantne logike. Međutim, u to vrijeme još nisu bila stvorena ne samo kvantna, nego ni obična, klasična računala. A s pojavom potonjeg, pokazalo se da su glavni napori znanstvenika prvenstveno usmjereni na pronalaženje i razvoj novih elemenata za njih (tranzistori, a zatim integrirani krugovi), a ne na stvaranju temeljno različitih računalnih uređaja.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar R. Landauer, koji je radio u IBM korporaciji, pokušao je skrenuti pozornost znanstvenog svijeta na činjenicu da je računanje uvijek neka vrsta fizikalnog procesa, što znači da je nemoguće razumjeti granice naših računalnih sposobnosti bez navođenja o kojoj se fizičkoj implementaciji radi. Nažalost, u to vrijeme među znanstvenicima je prevladao pogled na računanje kao neku vrstu apstraktnog logičkog postupka, koji bi trebali proučavati matematičari, a ne fizičari.
Kako su se računala širila, kvantni znanstvenici došli su do zaključka da je praktički nemoguće izravno izračunati stanje sustava u razvoju koji se sastoji od samo nekoliko desetaka čestica u interakciji, poput molekule metana (CH4). To se objašnjava činjenicom da za puni opis složen sustav, potrebno je u memoriji računala držati eksponencijalno velik (u smislu broja čestica) broj varijabli, tzv. kvantne amplitude. Nastala je paradoksalna situacija: poznavajući jednadžbu evolucije, poznavajući s dovoljnom točnošću sve potencijale međudjelovanja čestica među sobom i početno stanje sustava, praktički je nemoguće izračunati njegovu budućnost, čak i ako se sustav sastoji od samo 30 elektrona u potencijalnoj bušotini, a postoji i superračunalo s memorijom nasumičnog pristupa, čiji je broj bitova jednak broju atoma u vidljivom području Svemira (!). A u isto vrijeme, da biste proučavali dinamiku takvog sustava, možete jednostavno postaviti eksperiment s 30 elektrona, stavljajući ih u zadani potencijal i početno stanje. Na to je posebno ukazao ruski matematičar Yu. I. Manin, koji je 1980. godine ukazao na potrebu razvoja teorije kvantnih računalnih uređaja. Osamdesetih godina prošlog stoljeća isti je problem proučavao američki fizičar P. Benev, koji je jasno pokazao da kvantni sustav može izvoditi izračune, kao i engleski znanstvenik D. Deutsch, koji je teoretski razvio univerzalno kvantno računalo superiornije od klasičnog analoga .
Veliku pozornost na problem razvoja kvantnih računala privukao je dobitnik Nobelove nagrade za fiziku R. Feynman. Zahvaljujući njegovoj autoritativnoj privlačnosti, broj stručnjaka koji su obratili pažnju na kvantno računanje višestruko se povećao.
Osnova Shorovog algoritma: sposobnost kubita da pohranjuju više vrijednosti u isto vrijeme)
Ipak, dugo je bilo nejasno može li se iskoristiti hipotetska računalna snaga. kvantno računalo da se ubrza rješenje praktični zadaci... No, 1994. godine P. Shor, američki matematičar i zaposlenik Lucent Technologies (SAD), zaprepastio je znanstveni svijet predloživši kvantni algoritam koji omogućuje brzu faktorizaciju velikih brojeva (o važnosti ovog problema već je bilo riječi u uvodu). U usporedbi s najboljim do sada poznatim klasičnim metodama, Shorov kvantni algoritam daje višestruko ubrzanje izračunavanja, a što je faktorizirani broj duži, to je veći dobitak u brzini. Algoritam brze faktorizacije od velikog je praktičnog interesa za razne posebne usluge koje su nakupile banke nešifriranih poruka.
Godine 1996., Shorov kolega iz Lucent Technologies, L. Grover, predložio je kvantni algoritam brzog pretraživanja u neuređenoj bazi podataka. (Primjer takve baze podataka je telefonski imenik, u kojem su imena pretplatnika poredana ne abecednim redom, već proizvoljnim načinom.) Zadatak traženja, odabira optimalni element među brojnim opcijama, vrlo se često nalazi u ekonomskim, vojnim, inženjerskim problemima, u računalnim igrama. Groverov algoritam omogućuje ne samo ubrzavanje procesa pretraživanja, već i približno udvostručenje broja parametara koji se uzimaju u obzir pri odabiru optimuma.
Stvarno stvaranje kvantnih računala ometao je u biti jedini ozbiljan problem - pogreške ili smetnje. Činjenica je da ista razina interferencije kvari proces kvantnog računanja mnogo intenzivnije od klasičnog računanja.
Ako kažeš jednostavnim riječima, zatim: " kvantni sustav daje rezultat koji je točan samo s određenom vjerojatnošću. Drugim riječima, ako izbrojite 2 + 2, tada će 4 izaći samo s određenim stupnjem točnosti. Nikada nećete dobiti točno 4. Logika njegovog procesora nimalo nije slična procesoru na koji smo navikli.
Postoje metode za izračunavanje rezultata s unaprijed određenom točnošću, naravno s povećanjem količine vremena na računalu.
Ova značajka određuje popis zadataka. I ta se značajka ne reklamira, a u javnosti se stječe dojam da je kvantno računalo isto kao i obično računalo (isti 0 i 1), samo brzo i skupo. To u osnovi nije tako.
Da, i još nešto - za kvantno računalo i kvantno računalstvo općenito, posebno kako bi se iskoristila "snaga i brzina" kvantnog računalstva - potrebni su posebni algoritmi i modeli razvijeni posebno za specifičnosti kvantnog računanja. Stoga, složenost korištenja kvantnog računala nije samo u prisutnosti "hardvera", već i u kompilaciji novih metoda izračuna koje još nisu korištene. "
Sada idemo na praktična provedba kvantno računalo: komercijalni 512-qubit D-Wave procesor postoji već neko vrijeme i čak se prodaje !!!
Evo, čini se da je pravi proboj !!! A skupina uglednih znanstvenika u jednako uglednom časopisu Physical Review uvjerljivo svjedoči da su učinci kvantne isprepletenosti doista otkriveni u D-Waveu.
Sukladno tome, ovaj uređaj s dobrim razlogom ima pravo nazvati se pravim kvantnim računalom, arhitektonski je sasvim moguće za daljnje povećanje broja kubita, te stoga ima izvanredne izglede za budućnost... (T. Lanting i sur. . Zapletenost u procesoru kvantnog žarenja. FIZIČKI PREGLED X 4 , 021041 (2014.) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))
Istina, nešto kasnije, druga skupina uglednih znanstvenika u ništa manje uglednom časopisu Science, koji su proučavali isti računalni sustav D-Wave, procijenila je to isključivo u praksi: koliko dobro ovaj uređaj obavlja svoje računalne funkcije. I ova skupina znanstvenika, jednako temeljito i uvjerljivo kao i prva, pokazuje da u stvarnim testovima koji su optimalni za ovaj dizajn, D-Wave kvantno računalo ne daje nikakav dobitak u brzini u usporedbi s običnim, klasičnim računalima. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Definiranje i otkrivanje kvantnog ubrzanja. SCIENCE, lipanj 2014. Vol. 344 # 6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))
Zapravo, za skupi, ali specijalizirani "stroj budućnosti" nije bilo problema gdje bi mogao pokazati svoju kvantnu superiornost. Drugim riječima, sam smisao prilično skupih napora da se stvori takav uređaj pokazuje se pod velikom sumnjom ...
Rezultati su sljedeći: sada u znanstvenoj zajednici više nema sumnje da se rad elemenata u procesoru računala D-Wave doista odvija na temelju stvarnih kvantnih efekata između kubita.
Ali (a to je iznimno ozbiljno ALI), ključne značajke u dizajnu D-Wave procesora su takve da, u stvarnom radu, sva njegova kvantna fizika ne daje nikakvu prednost u usporedbi s običnim moćnim računalom s poseban softver, izoštren za rješavanje problema optimizacije.
Jednostavno rečeno, ne samo da znanstvenici koji testiraju D-Wave još nisu uspjeli vidjeti niti jedan pravi izazov gdje bi kvantno računalo moglo uvjerljivo dokazati svoju računsku superiornost, ali čak ni sam proizvođač nema pojma koji bi zadatak mogao biti...
Sve se radi o značajkama dizajna 512-kubitnog D-Wave procesora, koji je sastavljen od skupina od 8 kubita. Istodobno, unutar ovih grupa od 8 kubita, svi oni međusobno izravno komuniciraju, ali između ovih grupa veze su vrlo slabe (idealno bi SVI procesorski kubiti trebali međusobno komunicirati izravno). To, naravno, VRLO značajno smanjuje složenost izgradnje kvantnog procesora... ALI, odavde raste puno drugih problema, koji završavaju konačnom i vrlo skupom kriogenom opremom u radu, hlađenjem kruga na ultraniske temperature.
Pa što nam se sada nudi?
Kanadska tvrtka D-Wave objavila je početak prodaje svog kvantnog računala D-Wave 2000Q, koji je najavljen u rujnu prošle godine. Pridržavajući se vlastitog analoga Mooreova zakona, prema kojem se broj tranzistora na integriranom krugu udvostručuje svake dvije godine, D-Wave je na CPU (kvantnu procesorsku jedinicu) postavio 2048 kubita. Dinamika rasta broja kubita na CPU-u posljednjih godina izgleda ovako:
2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.
Štoviše, za razliku od tradicionalnih procesora, CPU-a i GPU-a, udvostručenje kubita nije popraćeno 2-strukim, već 1000-strukim povećanjem performansi. U usporedbi s računalom s tradicionalnom arhitekturom i konfiguracijom jednojezgrenog CPU-a i 2500-jezgrenog GPU-a, razlika u brzini je 1000 do 10 000 puta. Sve ove brojke su svakako impresivne, ali postoji nekoliko "ali".
Prvo, D-Wave 2000Q je izuzetno skup - 15 milijuna dolara To je prilično masivan i složen uređaj. Njegov mozak je procesor od obojenog metala nazvan niobij, čija supravodljiva svojstva (nužna za kvantna računala) nastaju u vakuumu na temperaturama blizu apsolutne nule ispod 15 milikelvina (to je 180 puta niže od temperature u svemiru).
Održavanje tako ekstremno niske temperature zahtijeva visoke troškove energije, 25 kW. No ipak, prema proizvođaču, to je 100 puta manje od ekvivalentnih performansi tradicionalnih superračunala. Dakle, performanse D-Wave 2000Q po vatu potrošnje energije su 100 puta veće. Ako tvrtka uspije nastaviti slijediti svoj "Mooreov zakon", tada će u njezinim budućim računalima ta razlika eksponencijalno rasti, uz održavanje potrošnje energije na trenutnoj razini.
Prvo, kvantna računala imaju vrlo specifičnu svrhu. U slučaju D-Wave 2000Q govorimo o tzv. adijabatska računala i rješavanje problema kvantne normalizacije. Oni se javljaju posebno u sljedećim područjima:
Strojno učenje:
Identificiranje statističkih anomalija
- pronalaženje komprimiranih modela
- prepoznavanje slika i uzoraka
- trening neuronskih mreža
- provjera i odobrenje softvera
- klasifikacija podataka bez strukture
- dijagnostika grešaka u krugu
Sigurnost i planiranje
Otkrivanje virusa i hakiranja mreže
- raspodjela resursa i pronalaženje optimalnih putova
- utvrđivanje pripadnosti skupu
- analiza svojstava grafikona
- faktorizacija cijelih brojeva (koristi se u kriptografiji)
Financijsko modeliranje
Identificiranje volatilnosti tržišta
- razvoj strategija trgovanja
- optimizacija putanja trgovanja
- optimizacija cijene imovine i zaštite od zaštite
- optimizacija portfelja
Zdravstvo i medicina
Otkrivanje prijevare (vjerojatno zdravstveno osiguranje)
- stvaranje ciljane ("molekularno ciljane") terapije lijekovima
- optimizacija liječenja [raka] radioterapijom
- stvaranje proteinskih modela.
Prvi kupac D-Wave 2000Q bio je TDS (Temporal Defense Systems), tvrtka za cyber sigurnost. Općenito, D-Wave proizvode koriste tvrtke i institucije kao što su Lockheed Martin, Google, Ames Research Center pri NASA-i, Sveučilište Južne Kalifornije i Nacionalni laboratorij Los Alamos pri Ministarstvu energetike SAD-a.
Dakle, riječ je o rijetkoj (D-Wave je jedina tvrtka na svijetu koja proizvodi komercijalne uzorke kvantnih računala) i skupoj tehnologiji s prilično uskom i specifičnom primjenom. No, stopa rasta njegove produktivnosti je nevjerojatna, a ako se ova dinamika nastavi, onda zahvaljujući adijabatskim računalima D-Wave (kojima bi se i druge tvrtke mogle pridružiti), možemo očekivati prave pomake u znanosti i tehnologiji u nadolazećim godinama. Posebno je zanimljiva kombinacija kvantnih računala s tako obećavajućom i brzo razvijajućom tehnologijom kao što je umjetna inteligencija, pogotovo jer takav autoritativni stručnjak kao što je Andy Rubin to vidi kao perspektivu.
Usput, znali ste da je korporacija IBM dopustila korisnicima interneta da se besplatno povežu na univerzalno kvantno računalo koje je napravila i eksperimentiraju s kvantnim algoritmima. Ovaj uređaj neće imati dovoljno snage za provalu u kriptografske sustave javni ključ ali ako se IBM-ovi planovi ostvare, sofisticiranija kvantna računala nisu daleko.
Kvantno računalo koje je IBM stavio na raspolaganje sadrži pet kubita: četiri za manipuliranje podacima, a peti za ispravljanje pogrešaka tijekom izračunavanja. Ispravljanje pogrešaka glavna je inovacija na koju su njezini programeri ponosni. To će olakšati povećanje broja kubita u budućnosti.
IBM naglašava da je njegovo kvantno računalo univerzalno i sposobno izvršiti sve kvantne algoritme. To ga izdvaja od adijabatskih kvantnih računala koje razvija D-Wave. Adijabatska kvantna računala dizajnirana su za pretraživanje optimalno rješenje funkcije i nisu prikladni za druge svrhe.
Vjeruje se da će vam univerzalna kvantna računala omogućiti rješavanje nekih problema koji su izvan moći konvencionalnih računala. Najpoznatiji primjer takvog problema je faktorizacija brojeva. Običnom računalu, čak i vrlo brzom, trebat će stotine godina da pronađe prafaktore velikog broja. Kvantno računalo će ih pronaći koristeći Shorov algoritam gotovo jednako brzo kao i množenje cijelih brojeva.
Nemogućnost brzog uračunavanja brojeva u proste faktore u središtu je kriptografskih sustava s javnim ključem. Ako nauče izvoditi ovu operaciju brzinom koju kvantni algoritmi obećavaju, onda većina moderna kriptografija morati zaboraviti.
Možete pokrenuti Shorov algoritam na IBM-ovom kvantnom računalu, ali dok nema više kubita, malo je koristi. To će se promijeniti u sljedećih deset godina. Do 2025. IBM planira izgraditi kvantno računalo koje će sadržavati pedeset do sto kubita. Prema riječima stručnjaka, čak i s pedeset kubita, kvantna računala će moći riješiti neke praktične probleme.
Evo još malo zanimljivosti o računalnoj tehnologiji: pročitajte kako, ali I ispada da možete i kakve
O kvantnom računarstvu, barem u teoriji, govori se desetljećima. Moderni tipovi strojeva koji koriste neklasičnu mehaniku za obradu potencijalno nezamislivih količina podataka veliki su proboj. Prema riječima programera, njihova implementacija se pokazala možda najsloženijom tehnologijom ikad stvorenom. Kvantni procesori rade na razinama materije koje je čovječanstvo poznavalo tek prije otprilike 100 godina. Potencijal za takve izračune je ogroman. Korištenje bizarnih svojstava kvanta ubrzat će izračune, pa će se riješiti mnogi problemi koji su trenutno izvan snage klasičnih računala. I to ne samo u području kemije i znanosti o materijalima. Interes pokazuje i Wall Street.
Ulaganje u budućnost
CME Grupa uložila je u tvrtku 1QB Information Technologies Inc. sa sjedištem u Vancouveru, koja razvija softver za kvantne procesore. Prema investitorima, takvi izračuni će vjerojatno imati najveći utjecaj na industrije koje se bave velikim količinama vremenski osjetljivih podataka. Financijske institucije su primjer takvih potrošača. Goldman Sachs je investirao u D-Wave Systems, a In-Q-Tel financira CIA. Prvi proizvodi strojeve koji rade ono što se zove "kvantno žarenje", odnosno rješavaju probleme optimizacije niske razine pomoću kvantnog procesora. Intel također ulaže u ovu tehnologiju, iako smatra da je njezina implementacija stvar budućnosti.
Zašto je ovo potrebno?
Razlog zašto je kvantno računalstvo tako uzbudljivo leži u njegovoj savršenoj kombinaciji s strojnim učenjem. Trenutno je to glavna aplikacija za takve izračune. Dio same ideje kvantnog računala je korištenje fizičkog uređaja za pronalaženje rješenja. Ponekad ovaj koncept objasni na primjeru igre Angry Birds. CPU tableta koristi matematičke jednadžbe za simulaciju gravitacije i interakcije sudarajućih objekata. Kvantni procesori okreću ovaj pristup naopačke. Ispuštaju nekoliko ptica i gledaju što se događa. Ptice se snimaju u mikročip, bacaju se, koja je optimalna putanja? Zatim se sve provjerava moguća rješenja ili barem njihova vrlo velika kombinacija, i odgovor je dat. U kvantnom računalu, a ne matematičaru, umjesto toga djeluju zakoni fizike.
Kako radi?
Osnovni gradivni blokovi našeg svijeta su kvantnomehanički. Ako pogledate molekule, razlog zašto se formiraju i ostaju stabilne je interakcija njihovih elektroničkih orbitala. Svi kvantnomehanički izračuni sadržani su u svakom od njih. Njihov broj raste eksponencijalno s brojem simuliranih elektrona. Na primjer, za 50 elektrona postoji 2 na 50. stepen moguće opcije... Ovo je fenomenalno, pa se to danas ne može izračunati. Povezivanje teorije informacija s fizikom može ukazati na put do rješavanja takvih problema. Računalo od 50 kubita to može.
Zora nove ere
Prema Landonu Downsu, predsjedniku i suosnivaču 1QBit-a, kvantni procesor- to je sposobnost korištenja računalne snage subatomskog svijeta, što je od velike važnosti za dobivanje novih materijala ili stvaranje novih lijekova. Događa se prijelaz iz paradigme otkrića u novu eru dizajna. Na primjer, kvantno računalstvo može se koristiti za modeliranje katalizatora koji izdvajaju ugljik i dušik iz atmosfere i na taj način pomažu u zaustavljanju globalnog zagrijavanja.
Na čelu napretka
Tehnološka zajednica je izuzetno uzbuđena i zaposlena. Timovi diljem svijeta u startupima, korporacijama, sveučilištima i vladinim laboratorijima utrkuju se u izgradnji strojeva koji imaju različite pristupe obradi kvantnih informacija. Stvoreni su supravodljivi qubit čipovi i zarobljeni ionski kubiti, koje proučavaju istraživači sa Sveučilišta Maryland i američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju. Microsoft razvija topološki pristup nazvan Station Q, koji ima za cilj korištenje neabelovog aniona za koji još nije konačno dokazano da postoji.
Godina vjerojatnog proboja
A ovo je tek početak. Od kraja svibnja 2017. broj procesora kvantnog tipa koji definitivno mogu napraviti nešto brže ili bolje od klasičnog računala je nula. Takav bi događaj uspostavio "kvantnu nadmoć", ali se to još nije dogodilo. Iako je izgledno da bi se to moglo dogoditi ove godine. Većina upućenih kaže da je očiti favorit google grupa koju vodi profesor fizike na Kalifornijskom sveučilištu u Santa Barbari, John Martini. Njegov je cilj postići računsku superiornost s procesorom od 49 kubita. Do kraja svibnja 2017. tim je uspješno testirao 22-kubitni čip kao privremeni korak prema rastavljanju klasičnog superračunala.
Kako je sve počelo?
Ideja korištenja kvantne mehanike za obradu informacija postoji već desetljećima. Jedan od ključnih događaja dogodio se 1981. kada su IBM i MIT zajedno bili domaćini konferencije o fizici računalstva. Poznati fizičar predložio je izgradnju kvantnog računala. Prema njegovim riječima, za modeliranje treba koristiti sredstva kvantne mehanike. A ovo je sjajan zadatak jer se ne čini tako lakim. U kvantnom procesoru princip rada temelji se na nekoliko čudnih svojstava atoma – superpoziciji i isprepletenosti. Čestica može biti u dva stanja u isto vrijeme. Međutim, kada se izmjeri, pojavit će se samo u jednom od njih. A nemoguće je predvidjeti koju, osim sa stajališta teorije vjerojatnosti. Taj je učinak u središtu misaonog eksperimenta sa Schrödingerovom mačkom, koja je istovremeno živa i mrtva u kutiji sve dok se promatrač ne ušulja unutra. Ništa unutra Svakidašnjica ne radi na taj način. Ipak, oko milijun eksperimenata provedenih od početka 20. stoljeća pokazuje da superpozicija postoji. I sljedeći korakće shvatiti kako koristiti ovaj koncept.
Kvantni procesor: opis posla
Klasični bitovi mogu imati vrijednost 0 ili 1. Ako prođete njihov niz kroz "logička vrata" (I, ILI, NOT, itd.), tada možete množiti brojeve, crtati slike itd. Kubit može poprimiti vrijednosti 0, 1 ili oboje u isto vrijeme. Ako su, recimo, 2 kubita zapetljana, to ih čini savršeno povezanim. Kvantni procesor može koristiti logička vrata. T. n. Hadamardova vrata, na primjer, stavljaju kubit u stanje savršene superpozicije. Kada se superpozicija i isprepletenost kombiniraju s pametno postavljenim kvantnim vratima, potencijal subatomskog računanja počinje se razvijati. 2 kubita omogućuju istraživanje 4 stanja: 00, 01, 10 i 11. Princip rada kvantnog procesora je takav da izvođenje logičke operacije omogućuje rad sa svim pozicijama odjednom. A broj dostupnih stanja je 2 na potenciju broja kubita. Dakle, ako napravite univerzalno kvantno računalo od 50 kubita, teoretski možete istražiti svih 1.125 kvadrilijuna kombinacija istovremeno.
Svaka čast
Na kvantni procesor u Rusiji se gleda malo drugačije. Znanstvenici s Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i Ruskog kvantnog centra stvorili su "kudits", koji su nekoliko "virtualnih" kubita s različitim "energetskim" razinama.
Amplitude
Kvantni procesor ima prednost što se kvantna mehanika temelji na amplitudama. Amplitude su slične vjerojatnosti, ali mogu biti i negativni i složeni brojevi. Dakle, ako je potrebno izračunati vjerojatnost događaja, možete dodati amplitude svih mogućih varijanti njihovog razvoja. Ideja koja stoji iza kvantnog računanja je pokušati ugoditi na takav način da neki putovi do pogrešnih odgovora imaju pozitivne amplitude, a neki negativne, tako da se međusobno poništavaju. A putevi koji vode do točnog odgovora imali bi amplitude koje su međusobno u fazi. Trik je u tome što trebate sve organizirati bez da unaprijed znate koji je odgovor točan. Stoga je eksponencijalnost kvantnih stanja, u kombinaciji s potencijalom interferencije između pozitivnih i negativnih amplituda, prednost ove vrste proračuna.
Shorov algoritam
Mnogo je zadataka koje računalo ne može riješiti. Na primjer, šifriranje. Problem je u tome što nije lako pronaći proste faktore 200-znamenkastog broja. Čak i ako prijenosno računalo ima odličan softver, možda će trebati godine da se pronađe odgovor. Dakle, još jedna prekretnica u kvantnom računarstvu bio je algoritam koji je 1994. objavio Peter Shor, sada profesor matematike na MIT-u. Njegova metoda je pronaći čimbenike velikog broja pomoću kvantnog računala koje još nije postojalo. U osnovi, algoritam izvodi operacije koje označavaju područja s točnim odgovorom. Sljedeće godine, Shore je otkrio metodu za kvantnu korekciju pogrešaka. Tada su mnogi shvatili da je to - alternativni način računanje, koje u nekim slučajevima može biti moćnije. Tada je došlo do porasta interesa fizičara za stvaranje kubita i logičkih vrata između njih. A sada, dva desetljeća kasnije, čovječanstvo je na rubu stvaranja punopravnog kvantnog računala.
Čovječanstvo je, kao prije 60 godina, ponovno na rubu grandioznog proboja u sferi računalna tehnologija... Vrlo brzo će kvantna računala zamijeniti današnje računalne strojeve.
Kakav je napredak postignut
Gordon Moore je još 1965. rekao da se u godinu dana broj tranzistora koji stane u silicijski mikročip udvostruči. Ovaj tempo napretka U posljednje vrijeme je usporio, a udvostručenje se događa rjeđe - jednom u dvije godine. Čak i ovom brzinom, u bliskoj budućnosti, tranzistori će moći doseći veličinu atoma. Dalje - linija, koju je nemoguće prijeći. Sa stajališta fizičke strukture tranzistora, ona nikako ne može biti manja od atomskih vrijednosti. Povećanje veličine čipa ne rješava problem. Rad tranzistora povezan je s oslobađanjem toplinske energije, a procesorima je potreban visokokvalitetan sustav hlađenja. Višejezgrena arhitektura također ne rješava pitanje daljnjeg rasta. Uskoro dolazi vrhunac u razvoju moderne procesorske tehnologije.
Programeri su shvatili ovaj problem u vrijeme kada su se osobna računala tek počela pojavljivati među korisnicima. Godine 1980., jedan od utemeljitelja kvantne informatike, sovjetski profesor Yuri Manin, formulirao je ideju kvantnog računanja. Godinu dana kasnije Richard Feyman je predložio prvi model računala s kvantnim procesorom. Teorijska osnova o tome kako bi kvantna računala trebala izgledati formulirao je Paul Benioff.
Kako radi kvantno računalo
Da biste razumjeli kako to radi novi procesor, potrebno je barem površno poznavanje principa kvantne mehanike. Nema smisla ovdje davati matematičke rasporede i izvoditi formule. Za laike je dovoljno upoznati se s tri karakteristične značajke kvantne mehanike:
- Stanje ili položaj čestice određuje se samo s bilo kojim stupnjem vjerojatnosti.
- Ako čestica može imati više stanja, tada se nalazi u svim mogućim stanjima odjednom. Ovo je princip superpozicije.
- Proces mjerenja stanja čestice dovodi do nestanka superpozicije. Karakteristično je da se saznanja dobivena mjerenjem o stanju čestice razlikuju od stvarnog stanja čestice prije mjerenja.
Sa stajališta zdravog razuma - potpuna glupost. U našem običnom svijetu, ova načela mogu se predstaviti na sljedeći način: vrata sobe su zatvorena, a istovremeno su i otvorena. Zatvorena i otvorena u isto vrijeme.
Ovo je upečatljiva razlika u računanju. Obični procesor u svojim radnjama djeluje s binarnim kodom. Računalni bitovi mogu biti u samo jednom stanju – imati logičku vrijednost 0 ili 1. Kvantna računala rade s kubitima, koji mogu imati logičku vrijednost 0, 1, 0 i 1 odjednom. Za rješavanje određenih problema imat će višemilijunsku prednost u odnosu na tradicionalna računala. Danas već postoje deseci opisa algoritama rada. Programeri stvaraju poseban programski kod koji može raditi na novim principima računanja.
Gdje će se primijeniti novi računalni stroj
Novi pristup procesu računanja omogućuje vam rad s ogromnim količinama podataka i izvođenje trenutnih računskih operacija. Pojavom prvih računala, neki ljudi, uključujući državnike, imali su veliki skepticizam prema njihovoj upotrebi u nacionalnoj ekonomiji. Danas postoje ljudi koji su puni dvojbi o važnosti računala temeljno nove generacije. Prilično dugo vremena tehnički časopisi odbijali su objavljivati članke o kvantnom računalstvu, smatrajući to uobičajenim prijevarnim trikom za zavaravanje investitora.
Novi način računanja stvorit će preduvjete za znanstvena grandiozna otkrića u svim industrijama. Medicina će riješiti mnoga problematična pitanja, kojih se posljednjih godina nagomilalo dosta. Rak će biti moguće dijagnosticirati u ranijoj fazi bolesti nego sada. Kemijska industrija moći će sintetizirati proizvode s jedinstvenim svojstvima.
Proboj u astronautici neće dugo čekati. Letenje na druge planete postat će svakodnevno kao i svakodnevna putovanja po gradu. Potencijal koji leži u kvantnom računarstvu zasigurno će transformirati naš planet do neprepoznatljivosti.
Ostalo razlikovna značajka da kvantna računala imaju je sposobnost kvantnog računanja da brzo pokupi potreban kod ili šifra. Konvencionalno računalo izvodi rješenje matematičke optimizacije uzastopno, ponavljajući jednu opciju za drugom. Kvantni konkurent radi s cijelim nizom podataka odjednom, odmah birajući najviše prikladne opcije u neviđeno kratkom vremenu. Bankovne transakcije bit će dešifrirane u tren oka, što nije dostupno modernim računalima.
Međutim, bankarski sektor možda neće brinuti - njegovu tajnu spasit će kvantna metoda šifriranja s paradoksom mjerenja. Prilikom pokušaja razbijanja koda, doći će do oštećenja odaslani signal... Primljene informacije neće imati nikakvog smisla. Tajne službe, za koje je špijunaža uobičajena, zainteresirane su za mogućnosti kvantnog računanja.
Poteškoće u izgradnji
Poteškoća leži u stvaranju uvjeta pod kojima kvantni bit može biti u stanju superpozicije beskonačno dugo vremena.
Svaki kubit je mikroprocesor koji radi na principima supravodljivosti i zakonima kvantne mehanike.
Oko mikroskopskih elemenata logičkog stroja stvara se niz jedinstvenih okolišnih uvjeta:
- temperatura 0,02 stupnja Kelvina (-269,98 Celzijusa);
- sustav zaštite od magnetskog i električnog zračenja (smanjuje utjecaj ovih čimbenika za 50 tisuća puta);
- sustav za uklanjanje topline i prigušivanje vibracija;
- razrjeđivanje zraka ispod atmosferskog tlaka za 100 milijardi puta.
Blago odstupanje u okolini uzrokuje da kubiti trenutno gube svoje stanje superpozicije, uzrokujući njihov kvar.
Ispred cijele planete
Sve navedeno moglo bi se pripisati kreativnosti upaljenog uma pisca znanstvenofantastičnih priča, da Google, zajedno s NASA-om, nije kupio D-Wave kvantno računalo s procesorom koji sadrži 512 kubita od jedne kanadske istraživačke korporacije. godina.
Uz njegovu pomoć, lider na tržištu računalne tehnologije riješit će probleme strojno učenje u sortiranju i analizi velikih količina podataka.
Snowden, koji je napustio Sjedinjene Države, također je dao važnu otkriću – NSA također planira razviti vlastito kvantno računalo.
2014. - početak ere D-Wave sustava
Uspješna kanadska atletičarka Geordie Rose, nakon dogovora s Googleom i NASA-om, počela je graditi procesor od 1000 kubita. Budući model nadmašit će prvi komercijalni prototip za najmanje 300 tisuća puta u brzini i proračunskom volumenu. Kvantno računalo, čija se fotografija nalazi ispod, u načelu je prva komercijalna opcija na svijetu nova tehnologija izračuni.
Na bavljenje znanstvenim razvojem potaknulo ga je njegovo poznavanje na sveučilištu s radovima Colina Williamsa o kvantnom računanju. Valja reći da je Williams trenutno zaposlen u Rose Corporation kao voditelj poslovnog projekta.
Proboj ili znanstvena obmana
Sam Rose ne zna u potpunosti što su kvantna računala. U deset godina njegov je tim prošao put od stvaranja 2-kubitnog procesora do današnje prve komercijalne zamisli.
Od samog početka svog istraživanja Rose je nastojao stvoriti procesor s minimalnim brojem od 1000 kubita. I svakako je morao imati komercijalnu verziju – prodati i zaraditi.
Mnogi ga, poznavajući Roseovu opsesiju i komercijalni duh, pokušavaju optužiti za krivotvorenje. Navodno se najobičniji procesor izdaje kao kvantni. To je olakšano činjenicom da nova tehnika pokazuje fenomenalne performanse pri izvođenju određenih vrsta proračuna. Inače se ponaša kao sasvim obično računalo, samo jako skupo.
Kada će se pojaviti
Neće se dugo čekati. Istraživačka skupina, koju organiziraju zajednički naručitelji prototipa, u bliskoj će budućnosti dati izvješće o rezultatima istraživanja na D-Waveu.
Možda uskoro dolazi vrijeme u kojem će kvantna računala promijeniti naše razumijevanje svijeta oko nas. I cijelo će čovječanstvo u ovom trenutku dosegnuti višu razinu svoje evolucije.
L. Fedichkin, doktor fizike i matematike (Institut za fiziku i tehnologiju Ruske akademije znanosti).
Koristeći zakone kvantne mehanike, možete stvoriti temeljno novu vrstu računala koja će vam omogućiti rješavanje nekih problema koji su nedostupni čak i najmoćnijim modernim superračunalima. Brzina mnogih složenih izračuna skočit će u nebo; poruke poslane preko kvantnih komunikacijskih linija ne mogu se presresti niti kopirati. Prototipovi ovih kvantnih računala budućnosti već su stvoreni.
Američki matematičar i fizičar mađarskog podrijetla Johann von Neumann (1903-1957).
Američki teorijski fizičar Richard Phillips Feynman (1918-1988).
Američki matematičar Peter Shore, stručnjak za područje kvantnog računanja. Predložen je kvantni algoritam za brzu faktorizaciju velikih brojeva.
Kvantni bit, ili kubit. Stanja i odgovaraju, na primjer, smjeru spina atomske jezgre gore ili dolje.
Kvantni registar je niz kvantnih bitova. Jedno- ili dvokubitna kvantna vrata izvode logičke operacije na kubitima.
UVOD, ILI MALO O ZAŠTITI INFORMACIJA
Što mislite koji softver ima najviše prodanih licenci na svijetu? Neću se usuditi inzistirati da znam točan odgovor, ali sigurno znam jedan pogrešan: jest ne bilo koju od verzija Microsoft Windows... Najčešći operativni sustav nadmašio je skromni proizvod tvrtke RSA Data Security, Inc. - program koji implementira RSA algoritam šifriranja javnog ključa, nazvan po svojim autorima - američkim matematičarima Rivestu, Shamiru i Adelmanu.
Činjenica je da RSA algoritam ugrađen je u većinu prodanih operativnih sustava, kao i mnoge druge aplikacije koje se koriste u uređajima, od pametnih kartica do Mobiteli... Konkretno, dostupan je i u Microsoft Windowsima, što znači da je namjerno širi od ovog popularnog operacijski sustav... Za otkrivanje tragova RSA, na primjer, u Internet preglednik Explorer (program za pregled www-stranica na Internetu), samo otvorite izbornik Pomoć, uđite u podizbornik O Internet Exploreru i pogledajte popis korištenih proizvoda trećih strana. Drugi uobičajeni preglednik, Netscape Navigator, također koristi RSA algoritam. Općenito teško pronaći poznata tvrtka radeći na terenu visoka tehnologija to ne bi kupilo licencu za ovaj program. Danas RSA Data Security, Inc. je već prodao preko 450 milijuna (!) licenci.
Zašto je RSA algoritam toliko važan?
Zamislite da trebate brzo razmijeniti poruku s udaljenom osobom. Zahvaljujući razvoju interneta, takva je razmjena danas postala dostupna većini ljudi - samo trebate imati računalo s modemom ili mrežnu karticu. Naravno, prilikom razmjene informacija putem mreže, željeli biste svoje poruke čuvati u tajnosti od nepoznatih osoba. Međutim, nemoguće je u potpunosti zaštititi proširenu komunikacijsku liniju od prisluškivanja. To znači da prilikom slanja poruke moraju biti šifrirane, a kod primanja dešifrirane. No kako se vi i vaš sugovornik možete dogovoriti koji ključ ćete koristiti? Ako pošaljete ključ šifre preko iste linije, tada ga napadač koji prisluškuje može lako presresti. Ključ možete, naravno, prenijeti nekom drugom komunikacijskom linijom, na primjer, poslati telegramom. Ali ova metoda je obično nezgodna i, štoviše, nije uvijek pouzdana: može se dodirnuti i druga linija. Dobro je da ste vi i vaš primatelj unaprijed znali da ćete razmjenjivati enkripcije, te stoga unaprijed prenijeli ključeve jedan drugome. A što učiniti, na primjer, ako želite poslati povjerljivo komercijalni prijedlog mogući poslovni partner ili kupiti proizvod koji vam se sviđa kreditnom karticom u novoj internet trgovini?
Sedamdesetih godina prošlog stoljeća predloženi su sustavi za šifriranje kako bi riješili ovaj problem, koristeći dvije vrste ključeva za istu poruku: otvorene (ne zahtijevaju tajnost) i zatvorene (vrlo tajne). Javni ključ se koristi za šifriranje poruke, a privatni ključ za dešifriranje. Vi svom dopisniku šaljete javni ključ, a on njime šifrira svoju poruku. Sve što napadač koji presretne javni ključ može učiniti jest šifrirati svoje pismo i proslijediti ga nekome. Ali neće moći dešifrirati prepisku. Poznavajući privatni ključ (u početku je pohranjen kod vas), lako možete pročitati poruku koja vam je upućena. Za šifriranje odgovornih poruka koristit ćete javni ključ koji vam je poslao dopisnik (a on zadržava odgovarajući privatni ključ za sebe).
Ovo je kriptografska shema koja se koristi u RSA, najčešće korištenoj metodi šifriranja javnog ključa. Štoviše, za stvaranje para javnih i privatnih ključeva koristi se sljedeća važna hipoteza. Ako postoje dvije velike (za koje je potrebno više od sto decimalnih znamenki za svoj zapis) jednostavan brojeva M i K, tada neće biti teško pronaći njihov umnožak N = MK (za to nije potrebno niti imati računalo: dovoljno točna i strpljiva osoba takve brojeve može množiti olovkom i papirom). Ali riješiti inverzni problem, odnosno znati veliki broj N, razdijelite ga na proste faktore M i K (tzv problem faktorizacije) - skoro nemoguće! Upravo s ovim problemom suočit će se napadač koji odluči "provaliti" RSA algoritam i pročitati njime šifrirane informacije: da biste saznali privatni ključ, poznavajući javni, morat ćete izračunati M ili K.
Kako bi se provjerila valjanost hipoteze o praktičnoj složenosti faktoringa velikih brojeva, održana su i još se održavaju posebna natjecanja. Dekompozicija samo 155-znamenkastog (512-bitnog) broja smatra se zapisom. Proračuni su vođeni paralelno na mnogim računalima sedam mjeseci 1999. godine. Kada bi se ovaj zadatak obavljao na jednom modernom osobnom računalu, trebalo bi oko 35 godina rada na računalu! Proračuni pokazuju da se čak i korištenjem tisuća modernih radnih stanica i najboljih danas poznatih računalnih algoritama jedan 250-znamenkasti broj može faktorizirati za oko 800 tisuća godina, a 1000-znamenkasti broj - za 10 25 (!) godina. (Za usporedbu, starost svemira je ~ 10 10 godina.)
Stoga su se kriptografski algoritmi poput RSA, koji rade na dovoljno dugim ključevima, smatrali potpuno pouzdanim i korišteni su u mnogim aplikacijama. I sve je bilo u redu do tada ... sve dok se nisu pojavila kvantna računala.
Ispada da je korištenjem zakona kvantne mehanike moguće izgraditi računala za koja problem faktorizacije (i mnoge druge!) neće biti težak. Procjenjuje se da je kvantno računalo sa samo oko 10.000 kvantnih bitova memorije sposobno faktorizirati 1000-znamenkasti broj u proste faktore u samo nekoliko sati!
KAKO JE SVE POČELO?
Tek sredinom 90-ih godina prošlog stoljeća teorija kvantnih računala i kvantnog računanja uspostavljena je kao novo područje znanosti. Kao što je često slučaj s velikim idejama, teško je odabrati otkrivača. Navodno je mađarski matematičar I. von Neumann prvi skrenuo pozornost na mogućnost razvoja kvantne logike. Međutim, u to vrijeme još nisu bila stvorena ne samo kvantna, nego ni obična, klasična računala. A s pojavom potonjeg, pokazalo se da su glavni napori znanstvenika usmjereni prvenstveno na traženje i razvoj novih elemenata za njih (tranzistori, a zatim integrirani krugovi), a ne na stvaranje temeljno različitih računalnih uređaja.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar R. Landauer, koji je radio u IBM korporaciji, pokušao je skrenuti pozornost znanstvenog svijeta na činjenicu da je računanje uvijek neka vrsta fizikalnog procesa, što znači da je nemoguće razumjeti granice naših računalnih sposobnosti bez navođenja o kojoj se fizičkoj implementaciji radi. Nažalost, u to vrijeme među znanstvenicima je prevladao pogled na računanje kao neku vrstu apstraktnog logičkog postupka, koji bi trebali proučavati matematičari, a ne fizičari.
Kako su se računala razmnožavala, kvantni znanstvenici došli su do zaključka da je praktički nemoguće izravno izračunati stanje evoluirajućeg sustava koji se sastoji od samo nekoliko desetaka interakcijskih čestica, poput molekule metana (CH 4). To se objašnjava činjenicom da je za potpuni opis složenog sustava potrebno u memoriji računala zadržati eksponencijalno velik (u smislu broja čestica) broj varijabli, tzv. kvantne amplitude. Nastala je paradoksalna situacija: poznavajući jednadžbu evolucije, poznavajući s dovoljnom točnošću sve potencijale međudjelovanja čestica među sobom i početno stanje sustava, praktički je nemoguće izračunati njegovu budućnost, čak i ako se sustav sastoji od samo 30 elektrona u potencijalnoj bušotini, a postoji i superračunalo s memorijom nasumičnog pristupa, čiji je broj bitova jednak broju atoma u vidljivom području Svemira (!). A u isto vrijeme, da biste proučavali dinamiku takvog sustava, možete jednostavno postaviti eksperiment s 30 elektrona, stavljajući ih u zadani potencijal i početno stanje. Na to je posebno ukazao ruski matematičar Yu. I. Manin, koji je 1980. godine ukazao na potrebu razvoja teorije kvantnih računalnih uređaja. Osamdesetih godina prošlog stoljeća isti je problem proučavao američki fizičar P. Benev, koji je jasno pokazao da kvantni sustav može izvoditi izračune, kao i engleski znanstvenik D. Deutsch, koji je teoretski razvio univerzalno kvantno računalo superiornije od klasičnog analoga .
Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku R. Feynman, koji je dobro poznat redovnim čitateljima Science and Life, privukao je veliku pozornost na problem razvoja kvantnih računala. Zahvaljujući njegovoj autoritativnoj privlačnosti, broj stručnjaka koji su obratili pažnju na kvantno računanje višestruko se povećao.
Pa ipak, dugo je bilo nejasno može li se hipotetska računalna snaga kvantnog računala iskoristiti za ubrzanje rješavanja praktičnih problema. No, 1994. godine P. Shor, američki matematičar i zaposlenik Lucent Technologies (SAD), zaprepastio je znanstveni svijet predloživši kvantni algoritam koji omogućuje brzu faktorizaciju velikih brojeva (o važnosti ovog problema već je bilo riječi u uvodu). U usporedbi s najboljim do sada poznatim klasičnim metodama, Shorov kvantni algoritam daje višestruko ubrzanje izračunavanja, a što je faktorizirani broj duži, to je veći dobitak u brzini. Algoritam brze faktorizacije od velikog je praktičnog interesa za razne posebne usluge koje su nakupile banke nešifriranih poruka.
Godine 1996., Shorov kolega iz Lucent Technologies, L. Grover, predložio je kvantni algoritam brzog pretraživanja u neuređenoj bazi podataka. (Primjer takve baze podataka je telefonski imenik, u kojem su imena pretplatnika raspoređena ne abecednim redom, već proizvoljnim načinom.) Zadatak traženja, odabira optimalnog elementa među brojnim opcijama vrlo je čest u gospodarskim, vojnim, inženjerski problemi, u računalnim igrama. Groverov algoritam omogućuje ne samo ubrzavanje procesa pretraživanja, već i približno udvostručenje broja parametara koji se uzimaju u obzir pri odabiru optimuma.
Stvarno stvaranje kvantnih računala ometao je u biti jedini ozbiljan problem - pogreške ili smetnje. Činjenica je da ista razina interferencije kvari proces kvantnog računanja mnogo intenzivnije od klasičnog računanja. Načine rješavanja ovog problema iznio je 1995. P. Shor, koji je razvio shemu za kodiranje kvantnih stanja i ispravljanje pogrešaka u njima. Nažalost, tema ispravljanja pogrešaka u kvantnim računalima jednako je važna koliko ju je teško pokriti u ovom članku.
UREĐAJ KVANTNOG RAČUNALA
Prije nego što kažemo kako kvantno računalo radi, prisjetimo se glavnih značajki kvantnih sustava (vidi također Znanost i život br. 8, 1998; br. 12, 2000).
Za razumijevanje zakona kvantni svijet ne oslanjajte se izravno na svakodnevno iskustvo. Na uobičajen način (u svakodnevnom smislu), kvantne čestice se ponašaju samo ako ih stalno "virimo", ili, strože rečeno, neprestano mjerimo stanje u kojem se nalaze. Ali čim se "okrenemo" (prestanemo promatrati), kvantne čestice odmah prelaze iz potpuno određenog stanja odjednom u nekoliko različitih hipostaza. Odnosno, elektron (ili bilo koji drugi kvantni objekt) će se djelomično nalaziti u jednoj točki, djelomično u drugoj, djelomično u trećoj, itd. To ne znači da je podijeljen na kriške, poput naranče. Tada bi se mogao pouzdano izolirati neki dio elektrona i izmjeriti njegov naboj ili masu. Ali iskustvo pokazuje da se elektron nakon mjerenja uvijek ispostavi da je "siguran i zdrav" u jednoj točki, unatoč činjenici da je prije toga uspio posjetiti gotovo svugdje u isto vrijeme. Takvo stanje elektrona, kada se nalazi na nekoliko točaka u prostoru odjednom, naziva se superpozicija kvantnih stanja a obično ih opisuje valna funkcija koju je 1926. uveo njemački fizičar E. Schrödinger. Veličina vrijednosti valne funkcije u bilo kojoj točki, na kvadrat, određuje vjerojatnost pronalaska čestice u ovoj točki u danom trenutku. Nakon mjerenja položaja čestice, njezina se valna funkcija, takoreći, skuplja (kolapsira) do točke na kojoj je čestica detektirana, a zatim se ponovno počinje širiti. Svojstvo kvantnih čestica da budu istovremeno u mnogim stanjima, tzv kvantni paralelizam, uspješno se koristi u kvantnom računarstvu.
Kvantni bit
Glavna ćelija kvantnog računala je kvantni bit, ili, ukratko, kubit(q-bit). To je kvantna čestica koja ima dva osnovna stanja, koja se označavaju s 0 i 1, ili, kako je uobičajeno u kvantnoj mehanici, i. Dvije vrijednosti kubita mogu odgovarati, na primjer, osnovnom i pobuđenom stanju atoma, smjeru gore i dolje spina atomske jezgre, smjeru struje u supravodljivom prstenu, dva moguća položaja elektron u poluvodiču itd.
Kvantni registar
Kvantni registar radi na isti način kao i klasični. Ovo je niz kvantnih bitova, nad kojima se mogu izvoditi jedno- i dvobitne logičke operacije (slično korištenju NE, 2AND-NE, itd., u klasičnom registru).
Osnovna stanja kvantnog registra formirana od L kubita uključuju, kao i u klasičnom, sve moguće nizove nula i jedinica duljine L. Ukupno može postojati 2 L različitih kombinacija. Mogu se smatrati zapisima brojeva u binarnom obliku od 0 do 2 L -1 i označeni. Međutim, ove osnovne vrijednosti ne iscrpljuju sve moguće vrijednosti kvantnog registra (za razliku od klasičnog), budući da postoje i superpozicijska stanja specificirana složenim amplitudama vezanim uz normalizacijski uvjet. Većina mogućih vrijednosti kvantnog registra (s izuzetkom osnovnih) jednostavno nema klasični analog. Stanja klasičnog registra samo su jadna sjena cjelokupnog bogatstva stanja kvantnog računala.
Zamislite da se na registar vrši vanjski utjecaj, na primjer, električni impulsi se šalju u dio prostora ili usmjeravaju laserske zrake... Ako se radi o klasičnom registru, impuls, koji se može promatrati kao računska operacija, promijenit će L varijabli. Ako se radi o kvantnom registru, tada se isti impuls može istovremeno transformirati u varijable. Dakle, kvantni registar je u principu sposoban obraditi informaciju jedanput brže od svog klasičnog kolege. Iz ovoga je odmah jasno da su mali kvantni registri (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.
Međutim, treba napomenuti da postoji klasa problema za koje kvantni algoritmi ne daju značajno ubrzanje u usporedbi s klasičnim. Jedan od prvih koji je to pokazao bio je ruski matematičar Yu. Ozhigov, koji je konstruirao niz primjera algoritama koji se ne mogu ubrzati niti jednim satom na kvantnom računalu.
Pa ipak, nema sumnje da su računala koja rade prema zakonima kvantne mehanike nova i odlučujuća faza u evoluciji računalnih sustava. Ostaje ih samo izgraditi.
KVANTNA RAČUNALA DANAS
Prototipovi kvantnih računala postoje i danas. Istina, dosad je eksperimentalno bilo moguće prikupiti samo male registre koji se sastoje od samo nekoliko kvantnih bitova. Primjerice, nedavno je grupa koju vodi američki fizičar I. Chang (IBM) najavila sklapanje 5-bitnog kvantnog računala. Ovo je nesumnjivo veliki uspjeh. Nažalost, postojeći kvantni sustavi još nisu sposobni pružiti pouzdane proračune, jer su ili nedovoljno kontrolirani ili vrlo osjetljivi na šum. Međutim, ne postoje fizička ograničenja za izgradnju učinkovitog kvantnog računala, potrebno je samo prevladati tehnološke poteškoće.
Postoji nekoliko ideja i prijedloga kako napraviti pouzdane i lako kontrolirane kvantne bitove.
I. Chang razvija ideju korištenja spinova jezgri nekih organskih molekula kao kubita.
Ruski istraživač M.V. Feigelman, koji radi na Institutu za teorijsku fiziku. LD Landau RAS, predlaže prikupljanje kvantnih registara iz minijaturnih supravodljivih prstenova. Svaki prsten ima ulogu kubita, a stanja 0 i 1 odgovaraju smjeru električne struje u prstenu – u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu. Takvi kubiti se mogu mijenjati pomoću magnetskog polja.
Na Institutu za fiziku i tehnologiju Ruske akademije znanosti skupina koju je predvodio akademik K. A. Valiev predložila je dvije opcije za postavljanje kubita u poluvodičke strukture. U prvom slučaju ulogu kubita ima elektron u sustavu dviju potencijalnih jažica stvorenih naponom primijenjenim na mini-elektrode na površini poluvodiča. Stanja 0 i 1 su položaji elektrona u jednoj od ovih jažica. Kubit se mijenja promjenom napona na jednoj od elektroda. U drugoj verziji, kubit je jezgra atoma fosfora ugrađena na određenoj točki u poluvodiču. Stanja 0 i 1 su smjerovi nuklearnog spina duž ili protiv vanjskog magnetskog polja. Upravljanje se provodi kombiniranim djelovanjem magnetskih impulsa rezonantne frekvencije i impulsa napona.
Dakle, istraživanja se aktivno provode i može se pretpostaviti da će u vrlo bliskoj budućnosti - za deset godina - biti stvoreno učinkovito kvantno računalo.
POGLED U BUDUĆNOST
Dakle, sasvim je moguće da će se u budućnosti kvantna računala proizvoditi tradicionalnim metodama mikroelektroničke tehnologije i sadržavati mnogo kontrolnih elektroda, nalik suvremenom mikroprocesoru. Kako bi se smanjila razina buke koja je kritična za normalan rad kvantnog računala, prvi modeli će se najvjerojatnije morati hladiti tekućim helijem. Prva kvantna računala vjerojatno će biti glomazni i skupi uređaji koji nisu mogli stati na stol, a održavalo ih je veliko osoblje sistemskih programera i hardverskih podešavanja u bijelim kutama. Prvo će im pristup dobiti samo vladine agencije, zatim bogate komercijalne organizacije. Ali era konvencionalnih računala započela je otprilike na isti način.
A što će biti s klasičnim računalima? Hoće li umrijeti? malo vjerojatno. I klasična i kvantna računala imaju svoja područja primjene. Iako će se, po svoj prilici, omjer na tržištu ipak postupno pomicati prema potonjem.
Uvođenje kvantnih računala neće dovesti do rješenja fundamentalno nerješivih klasičnih problema, već će samo ubrzati neke izračune. Osim toga, postat će moguća kvantna komunikacija – prijenos kubita na daljinu, što će dovesti do pojave svojevrsnog kvantnog interneta. Kvantna komunikacija osigurat će zaštićenu (po zakonima kvantne mehanike) od prisluškivanja povezanost svih međusobno. Vaše informacije pohranjene u kvantnim bazama podataka bit će sigurnije od kopiranja nego sada. Tvrtke koje proizvode programe za kvantna računala moći će ih zaštititi od bilo kakvog, uključujući i ilegalnog, kopiranja.
Za dublje razumijevanje ove teme, možete pročitati pregledni članak E. Riffela, V. Polaka "Osnove kvantnog računanja" objavljen u časopisu "Kvantna računala i kvantno računanje" objavljenom u Rusiji (br. 1, 2000.). (Usput rečeno, ovo je prvi i za sada jedini časopis na svijetu posvećen kvantnom računarstvu. Dodatne informacije o tome možete pronaći na Internetu na http://rcd.ru/qc.). Nakon što svladate ovaj rad, moći ćete čitati znanstvene članke o kvantnom računarstvu.
Malo više preliminarne matematičke obuke bit će potrebno za čitanje knjige A. Kitaeva, A. Shena, M. Vyalyja "Klasično i kvantno računanje" (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999.).
Brojni fundamentalni aspekti kvantne mehanike koji su bitni za kvantno računanje analizirani su u knjizi V.V.Belokurova, O.D. Timofejevske, O. A. Hrustaljeva "Kvantna teleportacija je obično čudo" (Izhevsk: RKhD, 2000).
Izdavačka kuća RKhD sprema se izdati u obliku zasebne knjige prijevod recenzije A. Steena posvećene kvantnim računalima.
Sljedeća literatura bit će korisna ne samo kognitivno, nego i povijesno:
1) Yu. I. Manin. Izračunljiv i neizračunljiv.
M .: Sov. radio, 1980.
2) I. von Neumann. Matematički temelji kvantne mehanike.
Moskva: Nauka, 1964.
3) R. Feynman. Simulacija fizike na računalima // Quantum Computer and Quantum Computing:
sub. u 2 sveska - Izhevsk: RKhD, 1999. Vol. 2, str. 96-123 (prikaz, stručni).
4) R. Feynman. Kvantno mehanička računala
// Ibid, str. 123.-156.
Vidi problem na istu temu
