Kako bismo manje-više u potpunosti otkrili bit kvantnih računalnih tehnologija, dotaknimo se najprije povijesti kvantne teorije.
Rođen je zahvaljujući dvojici znanstvenika, čiji su rezultati istraživanja nagrađeni Nobelovom nagradom: otkriću kvanta M. Plancka 1918. i A. Einsteina fotona 1921. godine.
Godina rođenja ideje o kvantnom računalu bila je 1980., kada je Benioff uspio u praksi uspješno pokazati ispravnost kvantne teorije.
Pa, prvi prototip kvantnog računala stvorili su Gershenfeld i Chuang 1998. na Massachusetts Institute of Technology (MTI). Ista skupina istraživača stvorila je naprednije modele u sljedeće dvije godine.
Za nestručnjaka, kvantno računalo je nešto apsolutno fantastično po veličini; to je računalni stroj pred kojim je obično računalo kao abakus ispred računala. I, naravno, ovo je nešto vrlo daleko od utjelovljenja.
Za osobu koja je povezana s kvantnim računalima, ovo je uređaj čiji su opći principi rada manje-više jasni, ali postoje mnogi problemi koje je potrebno riješiti prije nego što se može utjeloviti u hardveru, a sada postoji mnogo laboratorija okolo. svijet pokušavaju prevladati prepreke. 
U području kvantne tehnologije već su uspjeli u prošlosti i privatne tvrtke, uključujući IBM i DWays.
O najnovijim dostignućima na ovom području redovito izvještavaju i danas. Većinu istraživanja provode japanski i američki znanstvenici. Japan, u potrazi za svjetskim vodstvom u hardveru i softveru, troši ogromne količine novca na razvoj u ovom području. Prema riječima potpredsjednika Hewlett-Packarda, do 70% svih studija provedeno je u zemlji izlazećeg sunca. Kvantna računala jedan su od koraka njihove namjerne tvrtke za preuzimanje vodstva na globalnom tržištu.
Što objašnjava želju za ovladavanjem ovim tehnologijama? Njihove neosporne teške prednosti u odnosu na poluvodička računala!
ŠTO JE?
Kvantno računalo je računalni uređaj koji radi na temelju kvantne mehanike.
Danas je kvantno računalo punog opsega hipotetski uređaj koji se ne može stvoriti korištenjem dostupnih podataka u kvantnoj teoriji.
Kvantno računalo za računanje ne koristi klasične algoritme, već složenije procese kvantne prirode, koji se također nazivaju kvantni algoritmi. Ovi algoritmi koriste kvantnomehaničke efekte: kvantnu isprepletenost i kvantni paralelizam.
Da bismo razumjeli zašto je kvantno računalo uopće potrebno, potrebno je zamisliti kako ono radi.
Ako konvencionalno računalo radi izvodeći sekvencijalne operacije s nulama i jedinicama, tada kvantno računalo koristi prstenove supravodljivog filma. Struja može teći kroz ove prstenove u različitim smjerovima, tako da lanac takvih prstenova može istovremeno provesti mnogo više operacija s nulama i jedinicama.
Velika snaga je glavna prednost kvantnog računala. Nažalost, ovi su prstenovi podložni čak i najmanjim vanjskim utjecajima, zbog čega se smjer struje može promijeniti, a izračuni se u ovom slučaju pokazuju netočnim.
RAZLIKA KVANTNOG RAČUNALA OD KONVENCIONALNOG
glavna razlika između kvantnih računala i običnih računala je u tome što se pohrana, obrada i prijenos podataka ne odvija uz pomoć "bitova", već "kubita" - jednostavno rečeno, "kvantnih bitova". Kao i obični bit, kubit može biti u uobičajenim stanjima "| 0>" i "| 1>", a osim toga, u stanju superpozicije A · | 0> + B · | 1>, gdje su A i B jesu li bilo koji kompleksni brojevi koji zadovoljavaju uvjet | A | 2 + | B | 2 = 1.
VRSTE KVANTNIH RAČUNALA
Postoje dvije vrste kvantnih računala. Obje se temelje na kvantnim fenomenima, samo različitog reda.
računala temeljena na kvantizaciji magnetskog toka na temelju kršenja supravodljivosti – Josephsonovi spojevi. Na Josephsonovom efektu već se izrađuju linearna pojačala, analogno-digitalni pretvarači, SQUID-i i korelatori.Ista elementna baza korištena je u projektu izrade petaflop (1015 ops/s) računala. Eksperimentalno je postignuta frekvencija takta od 370 GHz, koja se u budućnosti može povećati na 700 GHz. Međutim, vrijeme faznog odstupanja valnih funkcija u ovim uređajima usporedivo je s vremenom uključivanja pojedinih vrata, a zapravo na novim , kvantnim principima, implementirana je već poznata baza elemenata - okidači, registri i drugi logički elementi.
Druga vrsta kvantnih računala, također nazvana kvantno koherentna računala, zahtijeva održavanje koherentnosti valnih funkcija kubita korištenih tijekom cijelog vremena računanja - od početka do kraja (kubit može biti bilo koji kvantno mehanički sustav s dvije različite energetske razine). Kao rezultat toga, za neke je zadatke računska snaga koherentnih kvantnih računala proporcionalna 2N, gdje je N broj kubita u računalu. To je potonji tip uređaja koji se spominje kada se govori o kvantnim računalima.
KVANTNA RAČUNALA SADA
Ali danas se grade mala kvantna računala. U tom smjeru posebno je aktivna tvrtka D-Wave Systems, koja je još 2007. godine izradila kvantno računalo od 16 kubita. Ovo računalo uspješno se nosilo sa zadatkom posjećivanja gostiju za stol, na temelju činjenice da se neki od njih nisu voljeli. Sada D-Wave Systems nastavlja razvijati kvantna računala.
Grupa fizičara iz Japana, Kine i Sjedinjenih Država uspjela je prvi put u praksi izgraditi kvantno računalo bazirano na von Neumannovoj arhitekturi – odnosno s fizičkim odvajanjem kvantnog procesora i kvantne memorije. U ovom trenutku, za praktičnu implementaciju kvantnih računala (računala temeljena na neobičnim svojstvima objekata kvantne mehanike), fizičari koriste sve vrste egzotičnih objekata i fenomena - ione zarobljene u optičkoj zamci, nuklearnu magnetsku rezonanciju. Za novi rad znanstvenici su se oslonili na minijaturne supravodljive sklopove – mogućnost implementacije kvantnog računala pomoću takvih sklopova opisana je u Nature 2008. godine.
Računalo koje su sastavili znanstvenici sastojalo se od kvantne memorije čiju su ulogu imala dva mikrovalna rezonatora, procesor od dva kubita povezana sabirnicom (rezonator je također igrao svoju ulogu, a kubiti su bili supravodljivi krugovi) i uređaja za brisanje podataka. Koristeći ovo računalo, znanstvenici su implementirali dva glavna algoritma- takozvana kvantna Fourierova transformacija i konjunkcija pomoću Toffolijevih kvantnih logičkih vrata:
Prvi algoritam je kvantni analog diskretne Fourierove transformacije. Njegova posebnost je znatno manji (reda n2) broj funkcionalnih elemenata u implementaciji algoritma u usporedbi s analognim (reda n 2n). Diskretne Fourierove transformacije koriste se u raznim područjima ljudske aktivnosti – od proučavanja parcijalnih diferencijalnih jednadžbi do kompresije podataka.
Zauzvrat, Toffolijeva kvantna logička vrata su osnovni elementi iz kojih se, uz neke dodatne zahtjeve, može dobiti bilo koja Booleova funkcija (program). Posebnost ovih elemenata je reverzibilnost, koja, sa stajališta fizike, između ostalog, minimizira oslobađanje topline uređaja.
Prema znanstvenicima, sustav koji su stvorili ima jednu izuzetnu prednost - lako je skalabilan. Tako može poslužiti kao svojevrsni blok za izgradnju budućih računala. Prema istraživačima, novi rezultati jasno pokazuju obećanje nove tehnologije.
Kvantno računalo nije samo računalo sljedeće generacije, ono je mnogo više. Ne samo s gledišta korištenja najnovijih tehnologija, već i sa stajališta njezinih neograničenih, nevjerojatnih, fantastičnih mogućnosti, koje ne samo da mogu promijeniti ljudski svijet, nego čak i ... stvoriti drugačiju stvarnost.
Kao što znate, moderna računala koriste memoriju predstavljenu u binarnom kodu: 0 i 1. Baš kao u Morseovom kodu - točka i natpis. Uz pomoć dva znaka možete šifrirati bilo koju informaciju mijenjajući njihove kombinacije.
U memoriji modernog računala postoje milijarde tih bitova. Ali svaki od njih može biti u jednom od dva stanja - ili nula ili jedan. Kao žarulja: ili upaljena ili isključena.
Kvantni bit (qubit) je najmanji element za pohranu informacija u računalu budućnosti. Jedinica informacije u kvantnom računalu sada može biti ne samo nula ili jedan, nego oboje u isto vrijeme.
Jedna stanica obavlja dvije radnje, dvije do četiri, četiri do šesnaest itd. Zato kvantni sustavi mogu raditi dvostruko brže i s velikom količinom informacija od modernih.
Prvi put su kubit (Q-bit) "izmjerili" znanstvenici iz Ruskog kvantnog centra (RQC) i Laboratorija za supravodljive metamaterijale.
S tehničke strane, kubit je metalni prsten s rezovima, promjera nekoliko mikrona, nanesenih na poluvodič. Prsten se hladi na ultra-niske temperature kako bi postao supravodič. Pretpostavljamo da struja koja teče kroz prsten ide u smjeru kazaljke na satu - ovo je 1. Protiv - 0. To jest, postoje dva normalna stanja.
Mikrovalno zračenje je propušteno kroz prsten. Na izlazu iz prstena ovog zračenja mjeren je fazni pomak struje. Pokazalo se da cijeli ovaj sustav može biti u dva glavna, i mješovito stanje: oboje u isto vrijeme !!! U znanosti se to naziva principom superpozicije.
Eksperiment ruskih znanstvenika (sličan su proveli znanstvenici iz drugih zemalja) dokazao je da kubit ima pravo na život. Stvaranje kubita dovelo je do ideje i približilo znanstvenike snu o stvaranju optičkog kvantnog računala. Ostaje samo dizajnirati i stvoriti. Ali nije sve tako jednostavno...
Poteškoće, problemi u stvaranju kvantnog računala
Ako je potrebno, na primjer, izračunati milijardu varijanti u modernom računalu, onda treba "skrolati" milijardu takvih ciklusa. Postoji temeljna razlika na kvantnom računalu, ono može izračunati sve ove opcije u isto vrijeme.
Jedan od glavnih principa na kojem će raditi kvantno računalo je princip superpozicije i ne može se nazvati drugačije nego magijom!
To znači da ista osoba može biti na različitim mjestima u isto vrijeme. Fizičari se šale: "Ako niste šokirani kvantnom teorijom, onda je niste razumjeli."
Izgled kvantnih računala koji se sada stvaraju zapanjujuće je drugačiji od klasičnih. Izgledaju kao ... mjesečni aparat:
Takav dizajn, koji se sastoji od bakrenih i zlatnih dijelova, rashladnih zavojnica i drugih karakterističnih detalja, naravno ne odgovara njegovim kreatorima. Jedan od glavnih zadataka znanstvenika je učiniti ga kompaktnim i jeftinim. Da bi se to dogodilo, potrebno je riješiti nekoliko problema.
Prvi problem - nestabilnost superpozicija
Sve ove kvantne superpozicije su vrlo osjetljive. Čim ih počnete gledati, čim počnu komunicirati s drugim objektima, odmah bivaju uništeni. Oni postaju, takoreći, klasični. Ovo je jedan od najvažnijih problema u izgradnji kvantnog računala.
Drugi problem - potrebno je jako hlađenje
Druga prepreka je postizanje stabilnog rada kvantnog računala. u obliku kakav imamo danas, potrebno mu je jako hlađenje. Snažno je stvaranje opreme u kojoj se temperatura održava blizu apsolutne nule - minus 273 stupnja Celzijusa! Stoga sada prototipovi takvih računala, sa svojim kriogeno-vakuumskim instalacijama, izgledaju vrlo glomazno:
No, znanstvenici su uvjereni da će uskoro svi tehnički problemi biti riješeni i da će jednog dana kvantna računala s enormnom računalnom snagom zamijeniti moderna.
Neka tehnička rješenja u rješavanju problema
Do sada su znanstvenici pronašli niz značajnih rješenja za gore navedene probleme. Ova tehnološka otkrića, rezultat složenog i ponekad dugotrajnog, napornog rada znanstvenika, zaslužuju svako poštovanje.
Najbolji način da se usavrši kubit ... dijamanti
Sve je vrlo slično poznatoj pjesmi o djevojkama i dijamantima. Glavna stvar na kojoj znanstvenici sada rade je podizanje doživotno qubit, kao i "natjerati" kvantno računalo da radi na normalnim temperaturama... Da, dijamanti su potrebni za komunikaciju između kvantnih računala! Za sve to bilo je potrebno stvoriti i koristiti umjetne dijamante super visoke prozirnosti. Uz njihovu pomoć uspjeli su produžiti život kubita do dvije sekunde. Ova skromna postignuća – dvije sekunde života kubita i računalo koje radi na sobnoj temperaturi – zapravo su revolucija u znanosti.
Bit eksperimenta francuskog znanstvenika Sergea Arochea temelji se na činjenici da je uspio cijelom svijetu pokazati da svjetlost (kvantni tok fotona) koja prolazi između dva posebno stvorena zrcala ne gubi svoje kvantno stanje.
Natjeravši svjetlost da putuje 40 000 km između ovih zrcala, utvrdio je da se sve događa bez gubitka kvantnog stanja. Svjetlost se sastoji od fotona i do sada nitko nije mogao shvatiti gube li svoje kvantno stanje kada prijeđu određenu udaljenost. Dobitnik Nobelove nagrade Serge Arosh: “ Jedan foton se nalazi na više mjesta u isto vrijeme, uspjeli smo to popraviti." Zapravo ovo je princip superpozicije... “U našem velikom svijetu to je nemoguće. A u mikro-svijetu postoje različiti zakoni", kaže Arosh.
Unutar rezonatora bili su klasični atomi koji su se mogli izmjeriti. Iz ponašanja atoma, fizičar je naučio identificirati i mjeriti neuhvatljive kvantne čestice. Prije Aroshovih pokusa vjerovalo se da je promatranje kvanta nemoguće. Nakon eksperimenta se počelo govoriti o osvajanju fotona, tj o približavanju ere kvantnih računala.
Zašto mnogi ljudi željno iščekuju stvaranje punopravnog kvantnog generatora, a drugi ga se boje
Kvantno računalo pružit će čovječanstvu velike mogućnosti
Kvantno računalo otvorit će čovječanstvu neograničene mogućnosti. Na primjer, pomoći će u stvaranju umjetnog uma, o čemu su pisci znanstvene fantastike harali tako dugo. Ili simulirati svemir. U potpunosti. Prema najkonzervativnijim prognozama, to će omogućiti gledanje dalje od mogućeg. Zamislimo svijet u kojem možete modelirati apsolutno sve što želite: dizajnirati molekulu, ultra-jaki metal, plastiku koja se brzo raspada, smisliti lijek za neizlječive bolesti. Stroj će simulirati cijeli naš svijet, kao cjelinu, do posljednjeg atoma. Možete čak i simulirati drugi svijet, čak i virtualni.
Kvantno računalo može postati instrument Apokalipse
Mnogi ljudi, nakon što su shvatili bit kvantne tehnologije, boje se toga iz raznih razloga. Već sada, informatizacija i sve skoro računalne tehnologije plaše prosječnog čovjeka. Dovoljno je prisjetiti se skandala o tome kako posebne službe, koristeći ugrađene programe u računala, pa čak i kućanske aparate, organiziraju nadzor i prikupljanje podataka o svojim potrošačima. Primjerice, u mnogim su zemljama poznate naočale zabranjene – uostalom, one su idealno sredstvo za tajno snimanje i praćenje. Već sada je sigurno svaki stanovnik bilo koje zemlje, a još više korisnik na internetu, upisan u neku bazu podataka. Štoviše, i sasvim realno, pojedini servisi mogu izračunati svaku njegovu akciju na internetu.
Ali za kvantna računala neće biti tajni! Ni jedan. Sva računalna sigurnost temelji se na vrlo dugim brojevima lozinki. Običnom računalu trebalo bi milijun godina da pronađe ključ koda. Ali uz pomoć kvantnog, svatko to može učiniti odmah. Ispada da će svijet postati potpuno nesiguran: uostalom, u suvremenom svijetu sve je pod kontrolom računala: bankovni transferi, letovi zrakoplova, burze, nuklearni projektili! I tako ispada: onaj tko posjeduje informacije posjeduje i Svijet. Tko je prvi taj je i bog. Kvantno računalo će postati jače od bilo kojeg kompleksa oružja... Na Zemlji bi mogla početi (ili je već počela) nova utrka u naoružanju, samo sada, ne nuklearna, već računalna.
Dao nam Bog da se sigurno izvučemo iz toga...
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 uopće nije tako daleko kako se nekada moglo činiti, ipak su i najveće korporacije poput Intela, IBM-a i Googlea, kao i pojedinačne države, za koje je stvaranje kvantnog računala stvar strateške važnosti, aktivno sudjeluju u njegovom stvaranju.
Ne propustite predavanje:
