Čovječanstvo je, kao i prije 60 godina, ponovno na rubu velikog proboja u području računalne tehnologije. 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. Ova stopa napretka je u posljednje vrijeme usporila, 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. Teorijske temelje kako bi kvantna računala trebala izgledati formulirao je Paul Benioff.
Kako radi kvantno računalo
Da biste razumjeli kako novi procesor radi, morate imati 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.
Još jedna prepoznatljiva značajka koju imaju kvantna računala je sposobnost kvantnog računanja da brzo pokupi pravi kod ili šifru. Konvencionalno računalo izvodi rješenje matematičke optimizacije uzastopno, ponavljajući jednu opciju za drugom. Kvantni konkurent radi s cijelim skupom podataka odjednom, trenutno birajući najprikladnije 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. Kada pokušate probiti kod, odaslani signal će biti izobličen. 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 strojnog učenja 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 sportašica 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, prva je svjetska komercijalna verzija temeljno nove računalne tehnologije.
Da se bavi 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.
25-09-2017, 16:25
U današnjem članku nećemo razmatrati zamršenost prošlih događaja ili paraznanstvene izopačenosti sadašnjosti. Danas ćemo pokušati pogledati u budućnost.
Tehnologija je često glavna tema razgovora o budućnosti – i, treba napomenuti, apsolutno zaslužena. Od svih čimbenika koji utječu na kretanje zupčanika povijesnog procesa, upravo se dinamika promjene tehnološkog poretka može nazvati najsnažnijom. Žrtve postupnog uvođenja novih tehnologija i naglog gubljenja značenja starih tijekom povijesti postale su i društvene institucije i čitava carstva, a u nekim slučajevima i civilizacije. Zbog toga, želja za susretom s novom serijom pripremljenih promjena izgleda više nego prirodno.
No, pritom treba napomenuti da je moderna tehnološka futurologija u velikoj mjeri pod utjecajem emocionalno uvjetovanog vizionara prilično loše vrste. Onaj u kojem je kvaliteta predviđanja manje prioritet od želje da se publika zapanji i oduševi na stilski način demonstrirajuće budućnosti visoke tehnologije. Poanta je, vjerojatno, u tome da ovakva futurologija nije toliko temeljna koliko primijenjena po svojoj prirodi, služeći prije zadaćama marketinga ovdje i sada, a ne potrebi da se shvati slika budućnosti kasnije. Zbog toga postoje prilično primitivne ideje da je budućnost kada:
1.Sve stilski, zaobljeno i pretežno bijelo (pokojni Steve Jobs i Apple);
2.Sve električno, višekratno i ekološki prihvatljivo (Elon Musk i njegovo carstvo iz SpaceXa, Tesle i SolarCityja);
3. sve kibernirano, umjetno inteligentno i s aplikacijama za modifikaciju ljudske prirode (Ray Kurzweil i Google, rijedak slučaj kada lice slike budućnosti nije prva osoba u tvrtki);
4. proizvoljna kombinacija gore navedenih stavki (prosječni pretplatnik bilo koje javnosti o znanstvenim i tehničkim temama).
U čemu je problem s navedenim opcijama za budućnost, kako je vidimo od danas? Činjenica da oni zapravo ne sadrže nikakve opcije za budućnost. Sve navedeno je u najboljem slučaju prikladno za opisivanje estetike neke znanstveno-fantastične franšize, čiji je dio publika pozvana kupiti u obliku proizvoda dotične tvrtke. Navedene opcije prilično su siromašne u opisivanju stvarnih problema i rješenja, a one koje su još prisutne su racionalizirane i, blago rečeno, sporne.
Ovdje se, čini se, nameće fraza "a sada ću vam pokazati pravu visokokvalitetnu futurologiju." Neće, međutim. Takva bi izjava bila previše smjela i preuzetna. Umjesto toga, razmotrimo samo jedno zasebno tehnološko pitanje koje će se odnositi na izglede za razvoj baze računalnih elemenata. A koliko će dobro ispasti - prosuditi, dragi čitatelji, prije svega za vas.
Relativno nedavno, šef države predložio je tečaj za izgradnju digitalne ekonomije. Mnogi su to shvatili kao prijedlog da IT sektor postane lokomotiva ruskog gospodarstva, slikovito rečeno, "nova nafta". Što nije sasvim točno i, iskreno, svodi predloženi koncept na banalan populizam. Same po sebi informacijske tehnologije nisu sposobne biti lokomotiva, jer ne stvaraju ništa materijalno, već samo pomažu da se taj materijal servisira i iskorištava. IT sektor jednostavno ne može postojati bez razvoja drugih industrija koje automatizira. Neki su čak i kritizirali ovu inicijativu s tih pozicija. Ali je li pošteno?
Kako ne bismo radili s pojednostavljenim modelima, pretpostavkama i sfernim konjima u vakuumu, okrenimo se izvornom izvoru. Odnosno, izravno na tekst programa "Digitalna ekonomija Ruske Federacije", odobrenog naredbom Vlade br. 1632-r od 28. srpnja 2017.
„Glavne end-to-end digitalne tehnologije koje spadaju u djelokrug ovog Programa su:
- veliki podaci;
- neurotehnologija i umjetna inteligencija;
- distribuirani registarski sustavi;
- kvantne tehnologije;
- nove proizvodne tehnologije;
- industrijski internet;
- komponente robotike i senzorike;
- bežična tehnologija;
- tehnologije virtualne i proširene stvarnosti."
Kao što vidite, ne radi se samo i ne toliko o IT sektoru. Posebnu pozornost u kontekstu našeg razgovora o imidžu budućnosti zaslužuje takva stavka ovog popisa kao "kvantne tehnologije". Od svega navedenog, možda je upravo on mogao imati najveći utjecaj na formiranje sljedećeg tehnološkog poretka. Ali da bismo razumjeli zašto točno, razgovor će morati započeti izdaleka.
Postoji takva vrijednost - dvadeset nanometara. To je nula točaka i dvadeset pet tisućinki debljine ljudske kose i, otprilike, nula bodova i tri tisućinke promjera crvenog krvnog zrnca. To je također najmanja veličina tranzistorskih vrata koja se koristi u modernim procesorima masovne proizvodnje.
U neznatnih nekoliko desetljeća, minijaturizacija elektronike postigla je uistinu izniman uspjeh, omogućivši stvaranje uređaja koji staju u džep, čija računalna snaga za kolosalnu marginu premašuje ukupnu snagu potrebnu za cijeli sovjetski svemirski program. A takvi uređaji nisu jedinstveni kuriozitet koji postoji u jednom primjerku u nekim strogo povjerljivim laboratorijima, već sastavni dio našeg života. Sa zaslona jednog od ovih uređaja, vrlo je moguće da čitate ovaj članak.
Nevjerojatno, zar ne? No rijetko tko o tome razmišlja, i to ne iz manjka znatiželje. Brzi razvoj računalne tehnologije već je postao nešto poznato, možda čak i uobičajeno. Kada se u prosjeku svake dvije godine udvostruči broj tranzistora koje su proizvođači uspjeli postaviti na standardnu procesorsku ploču, teško je očekivati izraženo oduševljenje pri svakoj iteraciji ove akcije. Naprotiv, počinje se činiti kao norma. I trend, tijekom čijeg je postojanja cijela generacija uspjela odrasti, počinje se činiti vječnim. Ali to nije slučaj. I ne u tako dalekoj budućnosti, ovaj praznik minijaturizacije mogao bi, ako ne potpuno završiti, onda značajno povećati vremenski odmak.
Činjenica je da je minimalna fizički moguća veličina vrata radnog silikonskog tranzistora pet nanometara. Ispod ove vrijednosti javlja se fenomen nazvan "efekt tuneliranja", koji se svodi na činjenicu da su elektroni u stanju probiti potencijalnu barijeru pn spoja (još se sjećate iz kolegija fizike, što je to?) I, otprilike, govoreći, počinju slobodno "šetati" u susjednim tranzistorima procesora. Nije teško pretpostaviti što će to značiti za računski proces koji se provodi. Prilično bliska analogija, mislim, bit će mačka koja odluči tjerati miševe preko klavijature klavira, na kojem u tom trenutku pokušavaju svirati Beethovena. Malo je vjerojatno da će rezultirajući zvukovi biti vrlo slični očekivanoj "Mjesečevoj sonati".
Dugo se vjerovalo da je to krajnja granica, nakon koje će ponovno povećanje produktivnosti računala, kao u vremenima "tople cijevi", dovesti do povećanja njihove veličine. A ta granica, ako se nastavi tempo minijaturizacije, bit će dostignuta za otprilike četiri godine.
Međutim, nije sve tako kobno. Godine 2016. grupa fizičara u Lawrence National Laboratory u Berkeleyu u Kaliforniji uspjela je stvoriti tranzistor s veličinom vrata od samo 1 nanometar. Da bi to učinili, morali su zamijeniti uobičajeni silicij molibdenitom (molibden disulfid) i koristiti ugljičnu nanocijev kao materijal za sama vrata.
Naravno, nije sve tako jednostavno. Mogućnost masovne proizvodnje ovakvih tranzistora je još jako daleko, u ovom trenutku, koliko vaš ponizni sluga posjeduje informacije, njihova konfiguracija na kristalu procesora još nije ni testirana. Osim toga, potrebno je razumjeti ključnu razliku između dobrog starog silicija (sadržaj u zemljinoj kori po masi je veći od dvadeset pet posto) i molibdena (sadržaj u zemljinoj kori je tri do deset na minus četvrtu potenciju). od postotka). Molibden je znatno skuplji, čak i ako govorimo o molibdenitu koji se nalazi u prirodi u slobodnom obliku. A grafenska nanocijev vjerojatno neće smanjiti troškove proizvodnje. Ipak, temeljna mogućnost pomicanja donje granice minijaturizacije tranzistora korištenjem novih materijala može se smatrati dokazanom. Ne bez poteškoća, i, naravno, ne na neodređeno vrijeme, ali je moguće.
Ipak, samo postojanje granice minijaturizacije, koja se dugi niz godina smatrala konačnom i neuništivom, nije mogla ne potaknuti istraživanje na pronalaženje zaobilaznih rješenja koja bi mogla pokriti potrebu za povećanjem računalne snage i izbjeći ograničenja svojstvena tranzistorskoj mikroelektronici. Rezultat ovih studija bio je koncept kvantnog računala.
Po prvi put ideju kvantnog računanja iznio je ruski matematičar Jurij Ivanovič Manin u knjizi "Izračunljivo i neizračunljivo" (1980.). Ubrzo je prvi osnovni model kvantnog računala predložio američki fizičar Richard Feynman u svom poznatom predavanju "Ima dovoljno prostora dolje" (1981.). U to vrijeme, međutim, još uvijek nije bilo govora o načinima zaobilaženja granica minijaturizacije – prema Maninu i Feynmanu, niša kvantnih računala modelirala je evoluciju kvantnog sustava, koji je zbog posebnosti predmetnog područja , nije bio pogodan za prihvatljivo točno i učinkovito modeliranje na klasičnim računalima.
Sama ideja kvantnog računanja, ako je pokušate izraziti više ili manje razumljivim neupućenim jezikom, temelji se na činjenici da ako povećanje broja tranzistora klasičnog procesora daje linearni porast broja opisana binarna stanja, tada će za kvantne elemente na dvije razine, inače zvane kvantni bitovi, ili, ukratko, u laktovima, dobitak biti eksponencijalan. S obzirom da jedan kubit može obraditi onoliko informacija koliko i jedan tranzistor: točno jedan bit. To postaje moguće zbog kombinacije principa kvantne superpozicije (pronalaženje objekta istovremeno u dva međusobno isključiva stanja) i fenomena kvantne isprepletenosti (međuovisnost kvantnih stanja dvaju ili više objekata).
Istodobno, u razgovoru o kubitima, sama riječ "minijaturizacija" nije baš prikladna, budući da različite verzije njegovog "radnog tijela" (da, kvantni fizičari će mi oprostiti takav sleng) mogu biti:
- smjer nuklearnog spina u kvantnoj točki na poluvodiču;
- Cooperov par (elektron-fonon-elektron) u točki supravodiča;
- atomi u optičkim zamkama.
Drugim riječima, riječ je o razmjerima elementarnih čestica čije se stanje kontrolira, ovisno o izvedbi, bilo protokom fotona ili superslabim magnetskim poljem. Manji, možda, već nigdje. Dodajte tome eksponencijalno povećanje brzine računanja u usporedbi s klasičnim računalima - i mogućnosti otvaranja počinju se činiti gotovo neograničenim.
Ali na mnogo načina to se samo čini. Jer, kao i kod svake revolucionarne tehnologije, postoji mnoštvo nijansi.
Zbog činjenice da mjerenje stanja kvantnog sustava također mijenja ovo stanje (prema Heisenbergovom principu nesigurnosti), rezultat kvantnog izračuna dobiva vrlo zanimljivo svojstvo: točan je samo s određenom vjerojatnošću. Ova se vjerojatnost može značajno približiti 100% ako se izračun mnogo puta ponovi i otkrije konvergencija rezultata određenoj vrijednosti. No, zbog toga (zapravo - ne samo, nego već konačno "prelijeva čašu") algoritmi klasičnih računala su neprimjenjivi za kvantno računanje. Stroj za kvantno računanje radi prema posebnim kvantnim algoritmima, čiji se razvoj temelji na zasebnom obećavajućem smjeru.
Također, stanje zamršenog kvantnog sustava je stvar izuzetno osjetljiva na apsolutno svaki vanjski utjecaj. Svatko, oprostite, kihanje je sposobno iskriviti računski proces, ako ne i potpuno uništiti kvantni sustav. Dakle, bez dodatnih, vrlo obimnih istraživanja screeninga vanjskih utjecaja, masovna uporaba kvantnih računala iznimno je otežana.
Jedan od najtežih problema u kvantnom računanju je takozvani problem skaliranja, povezan s istim principom Heisenbergove nesigurnosti. Pitanje je od kojeg maksimalnog broja spregnutih kubita je moguće izgraditi kvantno računalo prije efekta dekoherencije, to je i von Neumannova redukcija, to je i kolaps valne funkcije, u najjednostavnijem obliku - akumulacija izobličenja kao rezultat mjerenja, onemogućit će jasan izračun rezultata. Ovo pitanje predmet je posebnog znanstvenog područja koje se brzo razvija - kvantne mehanike s više čestica, a odgovor na njega, pojednostavljeno, ovisi o fizičkoj prirodi dekoherencije, koja je znanosti u ovom trenutku još uvijek nepoznata.
Međutim, ograničenje povezano s dekoherencijom, ako se otkrije, nikako neće postati nedvosmislena osuda cjelokupnog smjera kvantnog računanja. Uostalom, uopće nije potrebno držati apsolutno sve kubitove računala u stanju kvantne isprepletenosti - sasvim je moguća arhitektura s korištenjem neovisnih klastera kubita. Ipak, za daljnji razvoj smjera potrebno je razjasniti ovo pitanje.
I konačno, još jedna nijansa povezana s kvantnim računalstvom je da nisu svi algoritmi podložni kvantnom ubrzanju. Štoviše, čak su i manjina. To, međutim, prestaje izgledati kao nešto kobno ako pogledate točno koje algoritme još uspijevate ubrzati. A to su uglavnom algoritmi za rješavanje problema nabrajanja. Zvuči dovoljno jednostavno, moglo bi se čak reći - jednostavno, ali zadaci se temelje na njima:
- modeliranje i predviđanje strukturne dinamike složenih sustava, od stvarnih kvantnih do bioloških i, vrlo moguće, društvenih;
- kriptografija, gdje su kvantni algoritmi teoretski sposobni razbiti većinu modernih šifri koje se smatraju pouzdanima u razumnom vremenu, i izgraditi vlastite algoritme za šifriranje, koji su pouzdaniji od svih postojećih;
- umjetna inteligencija, gdje je brzina rješavanja raznih problema grube sile, u principu, kritično važan parametar.
Odnosno, iako je popis zadataka podložnih kvantnom ubrzanju ograničen, zadaci predstavljeni u njemu su najveći dio moderne faze razvoja računalne tehnologije.
Pa, ako prijeđemo na nijanse kvantnog računanja, koje se više klasificiraju kao ugodne, onda minimalno kvantno pražnjenje nije tako snažno vezano za binarnu logiku kao klasični tranzistor, a stvaranje qutrita (ćelije s tri stanja) u složenost ne premašuje uvelike stvaranje kubita. A to otvara vrlo zanimljive izglede. Prema istraživanju grupe znanstvenika sa Sveučilišta Queensland (Australija), objavljenom 2008. godine, korištenje višedimenzionalnih stanica u načelu može značajno pojednostaviti implementaciju kvantnih algoritama i računala.
Osim toga, sama ternarna logika, čak i bez uzimanja u obzir osobitosti fizičke implementacije, ima niz prednosti u odnosu na binarnu logiku, općenito govoreći, svode se na veću pouzdanost proračuna, dodatno dvostruko povećanje performansi kada rješavanje problema sa zbrajanjem i veća pogodnost u rješavanju problema koji po svojoj prirodi impliciraju ternarnost, kao što je obrada RGB slika (uključujući prepoznavanje uzoraka) ili zadataka modeliranja u trodimenzionalnom prostoru. Pritom se ternarna logika može percipirati kao produžetak binarne koja je u nju uključena, kao podskup, zbog čega ternarno računalo može raditi sve isto kao i binarno – i nešto više od toga. Ternarna računala nisu bila široko korištena zbog cijene, barem jedan i pol puta veće od cijene binarnog stroja. Međutim, u slučaju kvantnih računala, očekivana razlika u cijeni bit će manja. Pa zašto ne?
Potpuno univerzalno kvantno računalo u ovom trenutku ostaje čisto hipotetski uređaj. Međutim, do danas su mnogi znanstveni laboratoriji diljem svijeta stvorili izvodljive kvantne procesore, među kojima se može razlikovati uređaj s dva kubita koji je u Moskovskom laboratoriju za supravodljivost stvorila grupa Yu. Paškina (2005.) i zajednički rusko-američki projekt 51-kubitno računalo razvijeno za vodstvo M. Lukina i najsloženiji je takav sustav od postojećih (2017.). Ovi i drugi slični strojevi obično su stvoreni za rješavanje jednog problema, uglavnom za istraživanja u području kvantne mehanike, gdje su već pridonijeli otkrivanju niza dosad nepoznatih učinaka.
Zasebno možemo spomenuti i prvo dostupno iskustvo izrade komercijalnih kvantnih računala kanadske tvrtke D-Wave. Međutim, ovaj primjer je prilično kontroverzan. D-Wave računala rade na principima donekle drugačijim od ostalih kvantnih arhitektura, te nisu prikladni za implementaciju tradicionalnih kvantnih algoritama, rješavajući samo jedan problem - diskretnu optimizaciju. Osim toga, informacije koje potvrđuju da je D-Wave brži od konvencionalnog računala i da je u principu kvantan (koristi učinak kvantne isprepletenosti), koji ne bi došao od samog D-Wavea ili ga uzeo kao partnera u razvoj umjetne inteligencije Google, nije dostupan. Nećemo, naravno, davati glasne izjave, ali to postavlja određena pitanja, posebno u svjetlu činjenice da je Lockheed Martin najveći kupac D-Wavea, a puno se govori o kolosalnim razmjerima piljenja i izvlačenja operacije u američkoj obrambenoj industriji. Sapienti sat.
Zapravo, o čemu se tu radi, posebno u svjetlu programa digitalne ekonomije koji smo usvojili i ruskih razvoja u području kvantnog računalstva istaknutih u gornjem tekstu. Pa, i izravno futurološka prognoza.
Možda su svi čuli za početak nove informacijske ere. Ali u isto vrijeme, raširena je prilično netočna "pop" percepcija fenomena: kao svojevrsne IT utopije, u kojoj roboti rade, a ljudi ili pišu programe za njih, ili "generiraju sadržaj" daljinskim povezivanjem svog gadgeta s uređajem. radi server iz nekog tropskog ljetovališta...
Ali u praksi to nije slučaj. U stvarnosti, dolazi do neviđenog ubrzanja ekonomskih i društvenih procesa, uzrokovanih postojanjem temeljne mogućnosti da se u gotovo stvarnom vremenu pribave značajne količine informacija sa suprotne strane svijeta. Odnosno, stvar je prije u razvoju komunikacijskih sustava i njihovoj globalnoj distribuciji. U tim uvjetima informacije doista dobivaju posebnu vrijednost, jer vam omogućuju da na vrijeme reagirate na događaje koji se brzo razvijaju. Ali sam pristup informacijama nije dovoljan, budući da je samih informacija ponekad čak i previše – unatoč činjenici da mogu biti raspršene, nepotpune, netočne ili čak dezinformacije. To stvara sve veću potrebu za moćnim i pouzdanim alatima za obradu dolaznih informacija i razvoj rješenja na temelju njih.
Dakle, unatoč činjenici da nije poništen značaj „arhaičnih“ industrija (koje su manje sretni kod PR menadžera), treba očekivati svojevrsnu „trku u naoružanju“ u stvaranju ovakvih sustava, što možda neće postati (odnosno čak - već postaje) ne trgovačka stvar, nego državna. Moguće je, možda, i pretpostaviti sliku (pomalo hipertrofiranu na popularan način, ali ipak) u kojoj će burnu raspravu u parlamentu izazvati ne moralna ocjena modela industrije zabave, već usporedba složenih rasporeda situacije koje su razvili različiti sustavi. Uz detaljnu analizu pogrešaka modeliranja u tim sustavima.
Istodobno, svatko razumije da takav sustav, čak i najsavršeniji, ne znači ništa bez baze elemenata. A što se tiče tradicionalne mikroelektronike, teoretski je moguće ući u utrku sa Silicijskom dolinom, s njihovom već postojećom infrastrukturom i radnim znanstvenim područjima, no već će se u njoj moći izbiti na prva mjesta... Možda je također moguće, ali vrlo teško i nedopustivo dugo.
I tu kvantna računala privlače posebnu pozornost. Prvo, činjenica da je situacija s proizvodnom bazom za njihovo stvaranje otprilike ista u cijelom svijetu - ta baza jednostavno ne postoji. Drugo, činjenica da se problemi koje kvantna računala rješavaju najbolje poklapaju na izvanredan način s problemima nastalim početkom informacijskog doba. I treće, činjenica da ruski znanstvenici imaju vlastite čvrste temelje u području kvantnog računanja, i, što treba posebno istaknuti, ne u okviru opće globalne "kubitske utrke", već u svom smjeru - razvoju kubiti na supravodnicima (koji se paralelno razvija u obje teme).
Ukratko, ispada da je u području kvantnog računanja sve u našim rukama. I vrlo su realne šanse da ovo područje postane jedan od stupova (uz, primjerice, nuklearnu energiju, svemir i obranu) našeg budućeg vodstva. A za to moramo odmah početi vrlo blisko raditi na tome, iako još ima vremena.
Kvantna računala obećavaju pravu revoluciju, ne samo u računalstvu, već i u stvarnom životu. Mediji su puni naslova o tome kako će kvantna računala uništiti modernu kriptografiju, a snaga umjetne inteligencije zahvaljujući njima će se povećati za redove veličine.
Tijekom proteklih 10 godina, kvantna računala su prešla put od čiste teorije do prvih radnih prototipova. Istina, još je dug put do obećane revolucije, pa čak ni njezin utjecaj na kraju možda neće biti tako sveobuhvatan kako se sada čini.
Kako radi kvantno računalo
Kvantno računalo je uređaj koji koristi fenomene kvantne superpozicije i kvantne isprepletenosti. Osnovni element u takvim proračunima je kubit, odnosno kvantni bit. Iza svih ovih riječi krije se prilično komplicirana matematika i fizika, ali ako ih što više pojednostavite, dobit ćete nešto poput sljedećeg.
U običnim računalima imamo posla s bitovima. Bit je jedinica informacija u binarnom sustavu. Može uzeti vrijednost 0 i 1, što je vrlo prikladno ne samo za matematičke operacije, već i za logičke, budući da se nula može povezati s vrijednošću "lažno", a jedan - "true".
Moderni procesori izgrađeni su na temelju tranzistora, poluvodičkih elemenata koji mogu proći ili ne proći električnu struju. Drugim riječima, dajte dvije vrijednosti 0 i 1. Isto tako, tranzistor s plutajućim vratima može pohraniti naboj u flash memoriju. Ako jest, dobivamo jedan, ako ga nema, dobivamo nulu. Magnetno digitalno snimanje funkcionira na sličan način, samo što je nositelj informacije magnetska čestica, koja ima ili nema naboj.
Tijekom proračuna čitamo vrijednost bita (0 ili 1) iz memorije, a zatim propuštamo struju kroz tranzistor i, ovisno o tome prođe li ga ili ne, na izlazu dobivamo novi bit, eventualno s drugom vrijednošću.
Što su kubiti za kvantna računala? U kvantnom računalu glavni element je kubit – kvantni bit. Za razliku od običnog bita, on je u stanju kvantne superpozicije, odnosno ima vrijednost i 0 i 1, i bilo koju njihovu kombinaciju u bilo kojem trenutku. Ako u sustavu postoji nekoliko kubita, tada promjena jednog povlači i promjenu svih ostalih kubita.
To vam omogućuje da istovremeno izračunate sve moguće opcije. Običan procesor sa svojim binarnim izračunima zapravo izračunava opcije sekvencijalno. Prvo jedan scenarij, pa drugi, pa treći itd. Kako bi ubrzali, počeli su koristiti višenitno, paralelno izvodeći izračune, unaprijed dohvaćanje kako bi predvidjeli moguće opcije grananja i izračunali ih unaprijed. U kvantnom računalu sve se to radi paralelno.
Princip izračuna također je drugačiji. U određenom smislu, kvantno računalo već sadrži sve moguće opcije za rješavanje problema, naš jedini zadatak je razmotriti stanje kubita i ... odabrati ispravnu opciju od njih. I tu počinju poteškoće. Ovako radi kvantno računalo.
Izgradnja kvantnog računala
Kakva će biti fizička priroda kvantnog računala? Kvantno stanje može se postići samo s česticama. Kubit se ne može izgraditi od nekoliko atoma poput tranzistora. Ovaj problem još nije u potpunosti riješen. Postoji nekoliko opcija. Koriste se stanja naboja atoma, na primjer, prisutnost ili odsutnost elektrona u običnoj točki, supravodljivi elementi, fotoni itd.
Takve "suptilne stvari" nameću ograničenja na mjerenje stanja kubita. Energije su iznimno niske, potrebna su pojačala za čitanje podataka. Ali pojačala mogu utjecati na kvantni sustav i promijeniti njegova stanja, međutim, ne samo oni, već i sama činjenica promatranja može biti značajna.
Kvantno računalstvo uključuje niz operacija koje se izvode na jednom ili više kubita. Oni pak dovode do promjena u cijelom sustavu. Zadatak je odabrati iz njegovih stanja ono ispravno, što daje rezultat izračuna. U ovom slučaju može postojati koliko god želite, maksimalno blizu tome. Sukladno tome, točnost takvih izračuna će se razlikovati od jedne u gotovo svemu.
Dakle, punopravno kvantno računalo zahtijeva značajan napredak u fizici. Osim toga, programiranje za kvantno računalo bit će drugačije od onoga što je sada. Konačno, kvantna računala ne mogu riješiti probleme koji su izvan moći konvencionalnih računala, ali mogu ubrzati rješenja s kojima mogu. Međutim, opet ne svi.
Brojanje po kubitima, qubit kvantno računalo
Postupno se otklanjaju problemi na putu do kvantnog računala. Prvi kubiti izgrađeni su početkom stoljeća. Proces se ubrzao početkom desetljeća. Programeri su sada u poziciji proizvoditi procesore s desecima kubita.
Najnoviji proboj bilo je stvaranje procesora Bristlecone u utrobi Googlea. U ožujku 2018. tvrtka je rekla da je uspjela izraditi procesor od 72 kubita. Na kojim je fizičkim principima izgrađen Bristlecone, Google ne izvještava. Međutim, vjeruje se da je za postizanje "kvantne superiornosti", kada kvantno računalo počne nadmašiti konvencionalno, dovoljno 49 kubita. Google je uspio ispuniti ovaj uvjet, ali stopa pogreške od 0,6% dosad je viša od potrebnih 0,5%.
U jesen 2017. godine IBM je najavio stvaranje prototipa kvantnog procesora od 50 kubita. On je na testiranju. Ali 2017. godine IBM je otvorio svoj 20-kubitni procesor za računalstvo u oblaku. U ožujku 2018. lansirana je manja verzija IBM-a Q. Svatko može eksperimentirati na takvom računalu. Prema njihovim rezultatima već je objavljeno 35 znanstvenih radova.
Početkom 10. obljetnice na tržištu se pojavila švedska tvrtka D-Wave koja je svoja računala pozicionirala kao kvantna. To je izazvalo mnogo kontroverzi, jer je najavljivalo stvaranje strojeva od 1000 kubita, dok su priznati lideri "švrljali" sa samo nekoliko kubita. Računala švedskih programera prodavala su se za 10-15 milijuna dolara, pa ih nije bilo tako lako provjeriti.
D-Wave računala nisu kvantna u doslovnom smislu riječi, ali koriste neke kvantne efekte koji se mogu koristiti za rješavanje nekih problema optimizacije. Drugim riječima, nemaju svi algoritmi koji se mogu izvesti na kvantnom računalu dobiti kvantno ubrzanje na D-Waveu. Google je kupio jedan od švedskih sustava. Kao rezultat toga, njegovi istraživači prepoznali su računala kao "ograničeno kvantna". Ujedno se pokazalo da su kubiti grupirani u skupine od osam, odnosno njihov je stvarni broj osjetno manji od deklariranog.
Kvantno računalo u Rusiji
Tradicionalno snažna škola fizike omogućuje značajan doprinos rješavanju fizičkih problema za stvaranje kvantnog računala. U siječnju 2018. Rusi su stvorili pojačalo signala za kvantno računalo. S obzirom da je samo pojačalo sposobno svojim radom utjecati na stanje kubita, razina buke koju stvara trebala bi se malo razlikovati od "vakuumske". To su učinili ruski znanstvenici iz Laboratorija za supravodljive metamaterijale NUST MISIS i dva instituta Ruske akademije znanosti. Za stvaranje pojačala korišteni su supravodiči.
U Rusiji je također stvoren kvantni centar. To je nevladina istraživačka organizacija posvećena istraživanju u području kvantne fizike. Posebno se bavi problemom stvaranja kubita. Iza centra stoje biznismen Sergej Belousov i profesor sa Sveučilišta Harvard Mihail Lukin. Pod njegovim vodstvom na Harvardu je već stvoren 51-kubitni procesor, koji je neko vrijeme prije objave Bristlecona bio najmoćniji kvantni računalni uređaj na svijetu.
Razvoj kvantnog računalstva postao je dio državnog programa Digitalna ekonomija. U 2018.-2020. godini izdvajat će se državna potpora za rad u ovom području. Akcijski plan predviđa stvaranje kvantnog simulatora na osam supravodljivih kubita. Nakon toga će se riješiti pitanje daljnjeg skaliranja ove tehnologije.
Osim toga, do 2020. Rusija će testirati još jednu kvantnu tehnologiju: izgradnju kubita na neutralnim atomima i nabijenim ionima u zamkama.
Jedan od ciljeva programa je stvaranje uređaja za kvantnu kriptografiju i kvantne komunikacije. Stvorit će se centri za distribuciju kvantnih ključeva koji će ih distribuirati potrošačima - bankama, podatkovnim centrima, industrijskim poduzećima. Vjeruje se da potpuno kvantno računalo može razbiti bilo koji moderni algoritam šifriranja za nekoliko minuta.
Naposljetku
Dakle, kvantna računala su još uvijek eksperimentalna. Malo je vjerojatno da će se punopravno kvantno računalo s uistinu velikom računalnom snagom pojaviti prije sljedećeg desetljeća. Proizvodnja kubita i izgradnja stabilnih sustava od njih još je daleko od savršenstva.
Sudeći po činjenici da na fizičkoj razini kvantna računala imaju nekoliko rješenja koja se razlikuju po tehnologiji, a vjerojatno i po cijeni, neće biti unificirana još 10 godina, a proces standardizacije može potrajati.
Osim toga, već je jasno da će kvantna računala u sljedećem desetljeću vjerojatno biti "komad" i vrlo skupi uređaji. Malo je vjerojatno da će završiti u džepu običnog korisnika, ali se može očekivati da će se pojaviti popis superračunala.
Vjerojatno će kvantna računala biti ponuđena u modelu "oblaka", kada njihove resurse mogu koristiti zainteresirani istraživači i organizacije.
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 se ovaj koncept objašnjava 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 provjeravaju sva moguća rješenja, ili barem njihova vrlo velika kombinacija, i daje se odgovor. 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 postoje 2 mogućnosti na 50. stepen. 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 je sposobnost iskorištavanja računalne snage subatomskog svijeta, što je neophodno za izradu 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 UC Santa Barbara 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 u svakodnevnom životu ne funkcionira na ovaj način. Ipak, oko milijun eksperimenata provedenih od početka 20. stoljeća pokazuje da superpozicija postoji. I sljedeći korak je otkrivanje 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 računanja, koji u nekim slučajevima može biti moćniji. 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.
Svijet je na rubu još jedne kvantne revolucije. Prvo kvantno računalo odmah će riješiti probleme na koje najmoćniji moderni uređaj sada troši godine. Koji su to zadaci? Tko koristi, a tko je ugrožen masovnom upotrebom kvantnih algoritama? Što je superpozicija kubita, kako su ljudi naučili pronaći optimalno rješenje bez prolaska kroz trilijune opcija? Na ova pitanja odgovaramo pod naslovom "Samo o kompliciranim stvarima".
Prije kvantne teorije, u uporabi je bila klasična teorija elektromagnetskog zračenja. Godine 1900. njemački znanstvenik Max Planck, koji ni sam nije vjerovao u kvante, smatrao ih je izmišljenom i čisto teoretskom konstrukcijom, bio je prisiljen priznati da se energija zagrijanog tijela zrači u porcijama – kvantima; tako su se pretpostavke teorije poklopile s eksperimentalnim opažanjima. I pet godina kasnije, veliki Albert Einstein pribjegao je istom pristupu kada je objašnjavao fotoelektrični efekt: kada je izložen svjetlu, u metalima je nastala električna struja! Malo je vjerojatno da su Planck i Einstein mogli pretpostaviti da svojim djelima postavljaju temelje nove znanosti - kvantne mehanike, koja će biti predodređena da transformira naš svijet do neprepoznatljivosti, te da će se znanstvenici u 21. stoljeću približiti stvaranju kvantno računalo.
U početku je kvantna mehanika pomogla objasniti strukturu atoma i pomogla razumjeti procese koji se odvijaju unutar njega. Uglavnom se ostvario stari san alkemičara o transformaciji atoma jednih elemenata u atome drugih (da, čak i u zlato). A poznata Einsteinova formula E = mc2 dovela je do pojave atomske energije i, kao posljedice, atomske bombe.
IBM-ov kvantni procesor s pet kubita
Dalje više. Zahvaljujući radu Einsteina i engleskog fizičara Paula Diraca, u drugoj polovici 20. stoljeća nastao je laser – također kvantni izvor ultračiste svjetlosti, sakupljen u uskom snopu. Istraživanja o laserima donijela su Nobelovu nagradu više od desetak znanstvenika, a sami laseri našli su svoju primjenu u gotovo svim sferama ljudske djelatnosti – od industrijskih rezača i laserskih pušaka do skenera crtičnog koda i korekcije vida. Otprilike u isto vrijeme u tijeku su aktivna istraživanja poluvodiča - materijala s kojima možete lako kontrolirati protok električne struje. Na njihovoj osnovi su stvoreni prvi tranzistori - kasnije su postali glavni građevinski elementi moderne elektronike, bez kojih više ne možemo zamisliti svoj život.
Razvoj elektroničkih računala – računala – omogućio je brzo i učinkovito rješavanje mnogih problema. A postupno smanjenje njihove veličine i cijene (zbog masovne proizvodnje) utrlo je put računalima u svakom domu. Pojavom interneta, naša ovisnost o računalnim sustavima, uključujući i komunikaciju, postala je još jača.
Richard Feynman
Ovisnost raste, računalna snaga neprestano raste, ali vrijeme je da priznamo da računala, unatoč impresivnim mogućnostima, nisu uspjela riješiti sve probleme koje smo spremni staviti pred njih. Slavni fizičar Richard Feynman bio je jedan od prvih koji je o tome govorio: još 1981. godine na konferenciji rekao je da je u osnovi nemoguće točno izračunati pravi fizički sustav na običnim računalima. Sve je u njegovoj kvantnoj prirodi! Efekti mikroskala lako se objašnjavaju kvantnom mehanikom, a vrlo loše - klasičnom mehanikom na koju smo navikli: opisuje ponašanje velikih objekata. Tada je Feynman predložio korištenje kvantnih računala za izračunavanje fizičkih sustava kao alternativu.
Što je kvantno računalo i po čemu se razlikuje od računala na koja smo navikli? Sve je u tome kako sami sebi prezentiramo informacije.
Dok su u običnim računalima bitovi - nule i jedinice - odgovorni za ovu funkciju, u kvantnim računalima oni su zamijenjeni kvantnim bitovima (skraćeno qubits). Sam kubit je prilično jednostavna stvar. Još uvijek ima dvije osnovne vrijednosti (ili stanja, kako vole reći u kvantnoj mehanici), koje može uzeti: 0 i 1. Međutim, zahvaljujući svojstvu kvantnih objekata zvanom "superpozicija", kubit može poprimiti sve vrijednosti koje su kombinacija osnovnih. Štoviše, njegova kvantna priroda dopušta mu da bude u svim tim stanjima u isto vrijeme.
Tu leži paralelizam kvantnog računanja s kubitima. Sve se događa odjednom – više ne trebate prolaziti kroz sve moguće varijante stanja sustava, ali to je upravo ono što radi obično računalo. Pretraživanje velikih baza podataka, sastavljanje optimalne rute, razvoj novih lijekova samo su nekoliko primjera problema koje kvantni algoritmi mogu višestruko ubrzati. To su zadaci u kojima da biste pronašli točan odgovor morate proći kroz ogroman broj opcija.
Osim toga, za opisivanje točnog stanja sustava više nisu potrebne ogromna računalna snaga i količine RAM-a, jer za izračunavanje sustava od 100 čestica dovoljno je 100 kubita, a ne trilijuni trilijuna bitova. Štoviše, s povećanjem broja čestica (kao u stvarnim složenim sustavima), ta razlika postaje još značajnija.
Jedan od iscrpnih zadataka isticao se svojom naizgled beskorisnošću - razlaganje velikih brojeva na proste faktore (odnosno djeljive u potpunosti samo sa sobom i jednim). To se zove "faktorizacija". Činjenica je da obična računala mogu prilično brzo množiti brojeve, čak i ako su vrlo veliki. Međutim, s inverznim problemom dekompozicije velikog broja koji je rezultat množenja dvaju prostih brojeva u izvorne faktore, obična računala rade vrlo loše. Na primjer, da bi se broj od 256 znamenki razložio na dva faktora, čak i najmoćnijem računalu trebat će više od desetak godina. Ali kvantni algoritam koji ovaj problem može riješiti u nekoliko minuta izumio je 1997. engleski matematičar Peter Shore.
Pojavom Shorova algoritma znanstvena zajednica suočila se s ozbiljnim problemom. Još u kasnim 1970-ima, na temelju složenosti problema faktorizacije, kriptografski znanstvenici stvorili su algoritam za šifriranje podataka koji je postao sveprisutan. Konkretno, koristeći ovaj algoritam, počeli su štititi podatke na Internetu - lozinke, osobnu korespondenciju, bankovne i financijske transakcije. I nakon dugo godina uspješnog korištenja, odjednom se pokazalo da ovako šifrirana informacija postaje laka meta za Shorov algoritam koji radi na kvantnom računalu. Dešifriranje s njim postaje pitanje minuta. Jedna stvar je bila dobra vijest: kvantno računalo na kojem bi se mogao pokrenuti smrtonosni algoritam još nije stvoren.
U međuvremenu, diljem svijeta, deseci istraživačkih skupina i laboratorija počeli su se baviti eksperimentalnim istraživanjem kubita i mogućnosti stvaranja kvantnog računala od njih. Uostalom, jedno je teoretski izmisliti kubit, a sasvim drugo prevesti ga u stvarnost. Za to je bilo potrebno pronaći odgovarajući fizički sustav s dvije kvantne razine koje se mogu koristiti kao osnovna stanja kubita – nula i jedan. Sam Feynman je u svom pionirskom članku predložio korištenje fotona uvijenih u različitim smjerovima za ove svrhe, ali prvi eksperimentalno stvoreni kubiti bili su ioni zarobljeni u posebnim zamkama 1995. godine. Mnoge druge fizičke realizacije slijedile su ione: atomske jezgre, elektroni, fotoni, defekti u kristalima, supravodljivi lanci - svi su ispunjavali postavljene zahtjeve.
Ova sorta je imala svoje prednosti. Potaknute intenzivnom konkurencijom, razne znanstvene skupine stvarale su sve savršenije kubite i od njih gradile sve složenije sheme. Postojala su dva glavna kompetitivna parametra za kubite: njihov životni vijek i broj kubita koji se mogu natjerati da rade zajedno.
Laboratorij za umjetne kvantne sustave
Životni vijek kubita diktirao je koliko dugo je krhko kvantno stanje bilo pohranjeno u njima. To je pak odredilo koliko se računskih operacija može izvesti na kubitu prije nego što "umre".
Da bi kvantni algoritmi djelovali učinkovito, nije bio potreban jedan kubit, već barem stotinu, i štoviše, zajednički rad. Problem je bio u tome što kubiti nisu baš voljeli koegzistirati jedni s drugima i protestirali su zbog dramatičnog smanjenja njihovog životnog vijeka. Znanstvenici su morali ići na razne trikove kako bi zaobišli ovu svadljivost kubita. Pa ipak, do danas su znanstvenici uspjeli postići da maksimalno jedan do dva tuceta kubita rade zajedno.
Dakle, na radost kriptografa, kvantno računalo je još uvijek stvar budućnosti. Iako nije nimalo tako daleko kako se nekada moglo činiti, ipak su i najveće korporacije poput Intela, IBM-a i Googlea, kao i pojedine države, za koje je stvaranje kvantnog računala stvar strateške važnosti, aktivno sudjeluju u njegovom stvaranju.
Ne propustite predavanje:
