Znanost ne miruje, a čini se da je ono što se jučer smatralo misticizmom danas neosporna stvarnost. Dakle, sada mitovi o paralelnim svjetovima mogu postati uobičajena činjenica u budućnosti. Vjeruje se da će istraživanja u području stvaranja kvantnog računala pomoći da se dođe do ove tvrdnje. Vodstvo zauzima Japan, više od 70% svih studija je u ovoj zemlji. Bit ovog otkrića razumljivija je onima koji su na neki način povezani s fizikom. Ali većina nas je završila srednju školu, gdje udžbenik za 11. razred pokriva neka od pitanja kvantne fizike.
Kako je sve počelo
Podsjetimo, početak su postavila dva glavna otkrića, za koja su njihovi autori dobili Nobelovu nagradu. 1918. Max Planck je otkrio kvantnu, i Albert Einstein u 1921 foton. Ideja o stvaranju kvantnog računala rođena je 1980. godine, kada je dokazano da je kvantna teorija istinita. A ideje su se počele provoditi tek 1998. godine. Masivan, a ujedno i prilično učinkovit posao, obavljen je tek u posljednjih 10 godina.
Osnovni principi su jasni, ali svakim korakom naprijed javlja se sve više problema za čije rješavanje treba puno vremena, iako se tim problemom bavi dosta laboratorija diljem svijeta. Zahtjevi za takvo računalo su vrlo visoki, budući da točnost mjerenja mora biti vrlo visoka, a broj vanjskih utjecaja mora biti minimiziran, od kojih će svaki narušiti rad kvantnog sustava.
ZAŠTO VAM TREBA KVANTNO RAČUNALO?
Što je osnova rada kvantnog računala
Svatko, u većoj ili manjoj mjeri, ima ideju o tome kako radi obično računalo. Njegovo značenje je korištenje binarnog kodiranja, gdje se prisutnost određene vrijednosti napona uzima kao 1, a odsutnost 0., izražena kao 0 ili 1, smatra se bitom. Rad kvantnog računala povezan je s konceptom spina. Za koje je fizika ograničena na školsko znanje, oni mogu ustvrditi postojanje tri elementarne čestice i da imaju jednostavne karakteristike kao što su masa i naboj.
No, fizičari neprestano nadopunjuju klasu elementarnih čestica i njihovih karakteristika, od kojih je jedna spin. I određeni smjer vrtnje čestice uzima se kao 1, a suprotan smjer kao 0. Ovo je slično uređaju tranzistora. Glavni element će se već zvati kvantni bit ili kubit. To mogu biti fotoni, atomi, ioni, jezgre atoma.
Glavni uvjet ovdje je prisutnost dvaju kvantnih stanja. Promjena stanja određenog bita u običnom računalu ne dovodi do promjene u drugim, ali u kvantnom računalu promjena u jednom će uvesti promjenu stanja drugih čestica. Ova promjena se može kontrolirati i zamislite da postoje stotine takvih čestica.
Zamislite samo koliko će se puta povećati produktivnost takvog stroja. Ali stvaranje integralnog modernog računala samo je hipoteza; fizičari moraju puno raditi u tom području kvantne mehanike, koje se naziva višečestica. Prvo mini kvantno računalo sastojalo se od 16 kubita. Nedavno su puštena računala koja koriste 512 kubita, ali se već koriste za povećanje brzine izvođenja najsloženijih računskih operacija. Quipper je jezik dizajniran posebno za takve strojeve.
Redoslijed operacija
U stvaranju računala nove generacije razlikuju se četiri smjera koji se razlikuju po tome što djeluju kao logički kubiti:
- smjer vrtnje čestica koje čine osnovu atoma;
- prisutnost ili odsutnost Cooperovog para na određenom mjestu u svemiru;
- kakvo je stanje vanjskog elektrona;
- različita stanja fotona.
Pogledajmo sada shemu po kojoj računalo radi. Za početak se uzima skup kubita i bilježe njihovi početni parametri. Pretvorbe se izvode pomoću logičkih operacija, upisuje se rezultirajuća vrijednost koja je rezultat računalnog izlaza. Kubiti se ponašaju kao žice, a transformacije čine logičke blokove. Takav procesor je predložio D. Deutsch, koji je 1995. godine uspio stvoriti lanac sposoban izvesti bilo kakve izračune na kvantnoj razini. Ali takav sustav daje male pogreške koje se mogu malo smanjiti povećanjem broja operacija uključenih u algoritam.
Kako radi kvantno računalo?
Što ste postigli
Do sada su razvijene samo dvije vrste kvantnih računala, ali znanost ne stoji mirno. Rad oba stroja temelji se na kvantnim fenomenima:
- povezana sa supravodljivošću. Kada se prekrši, opaža se kvantizacija;
- na temelju takvog svojstva kao što je koherentnost. Brzina računanja takvih računala dvostruko je veća od broja kubita.
Druga vrsta razmatranih smatra se prioritetom u području stvaranja kvantnih računala.
Postignuća raznih zemalja.
Ukratko, postignuća u posljednjih 10 godina su značajna. Može se primijetiti dvokubitno računalo sa softverom stvorenim u Americi. Također se pokazalo da je sposoban izdati dvokubitno računalo s dijamantnim kristalom. U ulozi kubita korišten je smjer spina dušikovih čestica, njegovih sastojaka: jezgre i elektrona. Za pružanje značajne zaštite razvijen je vrlo sofisticirani sustav koji vam omogućuje da date rezultate s 95% točnosti.
ICQT 2017. John Martinis, Google: Kvantno računalo: Život nakon Mooreovog zakona
Čemu sve ovo?
Već smo govorili o stvaranju kvantnih računala. Ova računala nisu rezultat onoga čemu su težili, ali su našla kupca. Američka obrambena tvrtka Lockheed Martin platila je 10 milijuna dolara. Njihovo stjecanje sposobno je pronaći greške u najsloženijem programu instaliranom na lovcu F-35. Google svojom akvizicijom želi lansirati softver za strojno učenje.
Budućnost
U razvoju kvantnog računala velike tvrtke i država su jako zainteresirani. To će dovesti do novih otkrića u razvoju kriptografskog algoritma. Vrijeme će odlučiti hoće li to biti na ruku državi ili hakerima. Ali posao na izradi i prepoznavanju kripto ključeva bit će obavljen odmah. Mnogi problemi povezani s bankovnom karticom bit će riješeni.
Poruke će se prenositi velikom brzinom i neće biti problema kontaktirati bilo koju točku na globusu, a možda i šire.
Takvo će računalo pomoći u tome, posebno u dekodiranju genetskog koda. To će dovesti do rješavanja mnogih zdravstvenih problema.
I, naravno, otvorit će vrata u zemlju mističnih tajni, paralelnih svjetova.
Očekuju nas najjači šokovi. Sve na što smo navikli samo je dio tog svijeta, koji je već dobio ime kvantna stvarnost. Pomoći će ići izvan materijalnog svijeta, koji čini princip rada kvantnog računala.
Prošli tjedan pojavile su se vijesti da je Google napravio proboj u kvantnom računarstvu -
tvrtka je shvatila kako će se takvo računalo nositi
s vlastitim greškama. O kvantnim računalima se priča već nekoliko godina: o tome, na primjer, na naslovnici časopisa Time. Ako se takva računala pojave, bit će to iskorak sličan pojavi klasičnih računala – ili još ozbiljniji. Look At Me objašnjava u čemu su kvantna računala dobra i što je točno Google napravio.
Što je kvantno računalo?
Kvantno računalo je mehanizam na sjecištu informatike i kvantne fizike, najteže grane teorijske fizike. Richard Feynman, jedan od najvećih fizičara 20. stoljeća, jednom je rekao: "Ako mislite da razumijete kvantnu fiziku, onda je ne razumijete." Stoga, imajte na umu da su objašnjenja koja slijede nevjerojatno pojednostavljena. Ljudima je potrebno mnogo godina da shvate kvantnu fiziku.
Kvantna fizika se bavi elementarnim česticama manjim od atoma. Način na koji su te čestice raspoređene i kako se ponašaju proturječi mnogim našim idejama o svemiru. Kvantna čestica može biti na više mjesta u isto vrijeme – i to u više stanja u isto vrijeme. Zamislite da bacite novčić: dok je u zraku, ne možete reći hoće li se pojaviti glava ili rep; ovaj novčić je kao glava i rep u isto vrijeme. Ovako se ponašaju kvantne čestice. To se zove princip superpozicije.
Kvantno računalo je još uvijek hipotetski uređaj koji će koristiti princip superpozicije. (i druga kvantna svojstva)
za računanje. Obično računalo radi s tranzistorima,
koji svaku informaciju percipiraju kao nule i jedinice. Binarni kod može opisati cijeli svijet - i riješiti sve probleme unutar njega. Kvantni analog klasičnog bita naziva se lakat (qubit, qu - od riječi quantum, quantum)... Koristeći princip superpozicije, lakat se može istovremeno locirati
u stanju 0 i 1 - a to će ne samo značajno povećati snagu u usporedbi s tradicionalnim računalima, već će vam omogućiti i rješavanje neočekivanih problema,
za što obična računala nisu sposobna.
Načelo superpozicije je jedino
na čemu će se temeljiti kvantna računala?
Ne. Zbog činjenice da kvantna računala postoje samo u teoriji, znanstvenici zasad samo nagađaju kako će točno raditi. Na primjer, vjeruje se da će kvantna računala također koristiti kvantnu isprepletenost.
Ovo je fenomen koji je Albert Einstein nazvao "jezivim" ( općenito je bio protiv kvantne teorije, jer se ne uklapa u njegovu teoriju relativnosti)... Značenje fenomena je da dvije čestice u Svemiru mogu biti međusobno povezane, i obrnuto: recimo, ako je spirala
(postoji takva karakteristika stanja elementarnih čestica, nećemo ulaziti u detalje) prve čestice je pozitivna, tada će spiralnost druge uvijek biti negativna, i obrnuto. Taj se fenomen naziva "jezivim" iz dva razloga. Prvo, ova veza djeluje trenutno, brže od brzine svjetlosti. Drugo, zapletene čestice mogu se nalaziti na bilo kojoj udaljenosti jedna od druge.
od prijatelja: na primjer, na različitim krajevima Mliječne staze.
Kako se može koristiti kvantno računalo?
Znanstvenici traže aplikacije za kvantna računala i u isto vrijeme smišljaju kako ih izgraditi. Glavna stvar je da će kvantno računalo moći vrlo brzo optimizirati informacije i općenito raditi s velikim podacima koje akumuliramo, ali još ne razumijemo kako ih koristiti.
Zamislimo ovu opciju (naravno, jako pojednostavljeno): spremate se gađati lukom u metu i trebate izračunati koliko visoko želite pogoditi. Recimo da trebate izračunati visinu od 0 do 100 cm. Konvencionalno računalo će izračunati svaku putanju redom: prvo 0 cm, zatim 1 cm, zatim 2 cm i tako dalje. Kvantno računalo izračunat će sve opcije u isto vrijeme - i odmah dati onu koja će vam omogućiti da točno pogodite metu. Mnogi se procesi mogu optimizirati na ovaj način:
iz medicine (recimo, dijagnosticirati rak ranije) prije zrakoplovstva (na primjer, radite složenije autopilote).
Postoji i verzija da će takvo računalo moći riješiti probleme za koje obično računalo jednostavno nije sposobno – ili za koje bi bile potrebne tisuće godina računanja. Kvantno računalo će moći raditi s najsloženijim simulacijama: na primjer, izračunati postoje li u Svemiru inteligentna bića osim ljudi. Moguće je da će stvaranje kvantnih računala dovesti do toga
do pojave umjetne inteligencije. Zamislite što je pojava konvencionalnih računala učinila našem svijetu - kvantna računala mogu biti otprilike isti proboj.
Tko razvija kvantna računala?
Sve. Vlade, vojska, tehnološke tvrtke. Gotovo svatko će imati koristi od stvaranja kvantnog računala. Na primjer, među dokumentima koje je objavio Edward Snowden nalazila se informacija da NSA ima projekt "Razmještanje u složene svrhe", koji uključuje stvaranje kvantnog računala za šifriranje informacija. Microsoft se ozbiljno bavi kvantnim računalima – prvo istraživanje na ovom području započelo je 2007. godine. IBM je u razvoju i prije nekoliko je godina najavio da je napravio čip od tri kubita. Konačno, Google i NASA su se udružili
s D-Waveom, koji kaže da se već proizvodi
"Prvi komercijalni kvantni procesor" (točnije, drugi, sada se njihov model zove D-Wave Two) ali još ne radi kvantno -
podsjećamo da ne postoje.
Koliko smo blizu stvaranju
kvantno računalo?
Nitko ne može sa sigurnošću reći. Vijesti o proboju tehnologije (poput nedavnih Google vijesti) pojavljuju se stalno, ali možemo biti vrlo udaljeni
iz punopravnog kvantnog računala, i vrlo mu blizu. Recimo da postoje studije koje sugeriraju da je za sve dovoljno stvoriti računalo
s nekoliko stotina lakata kako bi radio kao punopravno kvantno računalo. D-Wave tvrdi da je napravio procesor od 84 kubita -
ali kritičari koji su analizirali njihov procesor tvrde da radi,
kao klasično računalo, a ne kao kvantno. Google surađuje
s D-Waveom vjeruju da je njihov procesor tek u vrlo ranoj fazi razvoja i da će na kraju raditi kao kvantni. U svakom slučaju, sada
kvantna računala imaju jedan veliki problem - greške. Bilo koja računala griješe, ali klasična računala lako se nose s njima, dok kvantna još ne. Nakon što istraživači shvate pogreške, ostat će samo nekoliko godina do pojave kvantnog računala.
Otežava ispravljanje pogrešaka
u kvantnim računalima?
Jednostavno rečeno, pogreške u kvantnim računalima mogu se podijeliti u dvije razine. Prva su pogreške koje čine bilo koje računalo, pa tako i klasično. Pogreška se može pojaviti u memoriji računala kada se 0 nehotice promijeni u 1 zbog vanjske buke - na primjer, kozmičkih zraka ili zračenja. Ove pogreške je lako riješiti, svi podaci se provjeravaju za takve promjene. A ovaj problem u kvantnim računalima tek je nedavno riješen u Googleu: stabilizirali su lanac od devet lakata.
i spasio je od pogrešaka. Međutim, postoji jedno upozorenje za ovaj napredak: Google se bavio klasičnim pogreškama u klasičnom računalstvu. Postoji druga razina pogreške u kvantnim računalima koju je mnogo teže razumjeti i objasniti.
Laktovi su izrazito nestabilni, podložni su kvantnoj dekoherenciji - to je kršenje komunikacije unutar kvantnog sustava pod utjecajem okoline. Kvantni procesor mora biti izoliran što je više moguće od utjecaja okoline (iako se dekoherencija ponekad javlja kao rezultat unutarnjih procesa) kako bi se greške svele na minimum. Istodobno, kvantne greške se ne mogu potpuno eliminirati, ali ako se učine dovoljno rijetkima, kvantno računalo može raditi. U isto vrijeme, neki istraživači vjeruju da će 99% snage takvog računala biti samo usmjereno
za otklanjanje grešaka, ali preostalih 1% dovoljno je za rješavanje problema.
Prema fizičaru Scottu Aaronsonu, Googleovo postignuće se može smatrati trećim
pola od sedam koraka potrebnih za stvaranje kvantnog računala — drugim riječima, na pola smo puta.
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...
