29. siječnja 2017
Za mene je sintagma "kvantno računalo" usporediva, na primjer, s "fotonskim motorom", odnosno to je nešto vrlo složeno i fantastično. Međutim, sada sam pročitao u vijestima – “kvantno računalo se prodaje svakome tko ga želi”. Čudno je, da li pod ovim izrazom sada misle nešto drugo, ili je to samo lažnjak?
Pogledajmo pobliže...
KAKO JE SVE POČELO?
Tek sredinom 90-ih godina prošlog stoljeća teorija kvantnih računala i kvantnog računanja uspostavljena je kao novo područje znanosti. Kao što je često slučaj s velikim idejama, teško je odabrati otkrivača. Navodno je mađarski matematičar I. von Neumann prvi skrenuo pozornost na mogućnost razvoja kvantne logike. Međutim, u to vrijeme još nisu bila stvorena ne samo kvantna, nego ni obična, klasična računala. A s pojavom potonjeg, pokazalo se da su glavni napori znanstvenika usmjereni prvenstveno na traženje i razvoj novih elemenata za njih (tranzistori, a zatim integrirani krugovi), a ne na stvaranje temeljno različitih računalnih uređaja.
Šezdesetih godina prošlog stoljeća američki fizičar R. Landauer, koji je radio u IBM korporaciji, pokušao je skrenuti pozornost znanstvenog svijeta na činjenicu da je računanje uvijek neka vrsta fizikalnog procesa, što znači da je nemoguće razumjeti granice naših računalnih sposobnosti bez navođenja o kojoj se fizičkoj implementaciji radi. Nažalost, u to vrijeme među znanstvenicima je prevladao pogled na računanje kao neku vrstu apstraktnog logičkog postupka, koji bi trebali proučavati matematičari, a ne fizičari.
Kako su se računala širila, kvantni znanstvenici došli su do zaključka da je praktički nemoguće izravno izračunati stanje sustava u razvoju koji se sastoji od samo nekoliko desetaka čestica u interakciji, poput molekule metana (CH4). To se objašnjava činjenicom da je za potpuni opis složenog sustava potrebno u memoriji računala zadržati eksponencijalno velik (u smislu broja čestica) broj varijabli, tzv. kvantne amplitude. Nastala je paradoksalna situacija: poznavajući jednadžbu evolucije, poznavajući s dovoljnom točnošću sve potencijale međudjelovanja čestica među sobom i početno stanje sustava, praktički je nemoguće izračunati njegovu budućnost, čak i ako se sustav sastoji od samo 30 elektrona u potencijalnoj bušotini, a postoji i superračunalo s memorijom nasumičnog pristupa, čiji je broj bitova jednak broju atoma u vidljivom području Svemira (!). A u isto vrijeme, da biste proučavali dinamiku takvog sustava, možete jednostavno postaviti eksperiment s 30 elektrona, stavljajući ih u zadani potencijal i početno stanje. Na to je posebno ukazao ruski matematičar Yu. I. Manin, koji je 1980. godine ukazao na potrebu razvoja teorije kvantnih računalnih uređaja. Osamdesetih godina prošlog stoljeća isti je problem proučavao američki fizičar P. Benev, koji je jasno pokazao da kvantni sustav može izvoditi izračune, kao i engleski znanstvenik D. Deutsch, koji je teoretski razvio univerzalno kvantno računalo superiornije od klasičnog analoga .
Veliku pozornost na problem razvoja kvantnih računala privukao je dobitnik Nobelove nagrade za fiziku R. Feynman. Zahvaljujući njegovoj autoritativnoj privlačnosti, broj stručnjaka koji su obratili pažnju na kvantno računanje višestruko se povećao.
Osnova Shorovog algoritma: sposobnost kubita da pohranjuju više vrijednosti u isto vrijeme)
Pa ipak, dugo je bilo nejasno može li se hipotetska računalna snaga kvantnog računala iskoristiti za ubrzanje rješavanja praktičnih problema. No, 1994. godine P. Shor, američki matematičar i zaposlenik Lucent Technologies (SAD), zaprepastio je znanstveni svijet predloživši kvantni algoritam koji omogućuje brzu faktorizaciju velikih brojeva (o važnosti ovog problema već je bilo riječi u uvodu). U usporedbi s najboljim do sada poznatim klasičnim metodama, Shorov kvantni algoritam daje višestruko ubrzanje izračunavanja, a što je faktorizirani broj duži, to je veći dobitak u brzini. Algoritam brze faktorizacije od velikog je praktičnog interesa za razne posebne usluge koje su nakupile banke nešifriranih poruka.
Godine 1996., Shorov kolega iz Lucent Technologies, L. Grover, predložio je kvantni algoritam brzog pretraživanja u neuređenoj bazi podataka. (Primjer takve baze podataka je telefonski imenik, u kojem su imena pretplatnika raspoređena ne abecednim redom, već proizvoljnim načinom.) Zadatak traženja, odabira optimalnog elementa među brojnim opcijama vrlo je čest u gospodarskim, vojnim, inženjerski problemi, u računalnim igrama. Groverov algoritam omogućuje ne samo ubrzavanje procesa pretraživanja, već i približno udvostručenje broja parametara koji se uzimaju u obzir pri odabiru optimuma.
Stvarno stvaranje kvantnih računala ometao je u biti jedini ozbiljan problem - pogreške ili smetnje. Činjenica je da ista razina interferencije kvari proces kvantnog računanja mnogo intenzivnije od klasičnog računanja.
Jednostavnim riječima, onda: " kvantni sustav daje rezultat koji je točan samo s određenom vjerojatnošću. Drugim riječima, ako izbrojite 2 + 2, tada će 4 izaći samo s određenim stupnjem točnosti. Nikada nećete dobiti točno 4. Logika njegovog procesora nimalo nije slična procesoru na koji smo navikli.
Postoje metode za izračunavanje rezultata s unaprijed određenom točnošću, naravno s povećanjem količine vremena na računalu.
Ova značajka određuje popis zadataka. I ta se značajka ne reklamira, a u javnosti se stječe dojam da je kvantno računalo isto kao i obično računalo (isti 0 i 1), samo brzo i skupo. To u osnovi nije tako.
Da, i još nešto - za kvantno računalo i kvantno računalstvo općenito, posebno kako bi se iskoristila "snaga i brzina" kvantnog računalstva - potrebni su posebni algoritmi i modeli razvijeni posebno za specifičnosti kvantnog računanja. Stoga, složenost korištenja kvantnog računala nije samo u prisutnosti "hardvera", već i u kompilaciji novih metoda izračuna koje još nisu korištene. "
A sada prijeđimo na praktičnu implementaciju kvantnog računala: komercijalni 512-kubitni D-Wave procesor postoji već neko vrijeme i čak se prodaje !!!
Evo, čini se da je pravi proboj !!! A skupina uglednih znanstvenika u jednako uglednom časopisu Physical Review uvjerljivo svjedoči da su učinci kvantne isprepletenosti doista otkriveni u D-Waveu.
Sukladno tome, ovaj uređaj s dobrim razlogom ima pravo nazvati se pravim kvantnim računalom, arhitektonski je sasvim moguće za daljnje povećanje broja kubita, te stoga ima izvanredne izglede za budućnost... (T. Lanting i sur. . Zapletenost u procesoru kvantnog žarenja. FIZIČKI PREGLED X 4 , 021041 (2014.) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))
Istina, nešto kasnije, druga skupina uglednih znanstvenika u ništa manje uglednom časopisu Science, koji su proučavali isti računalni sustav D-Wave, procijenila je to isključivo u praksi: koliko dobro ovaj uređaj obavlja svoje računalne funkcije. I ova skupina znanstvenika, jednako temeljito i uvjerljivo kao i prva, pokazuje da u stvarnim testovima koji su optimalni za ovaj dizajn, D-Wave kvantno računalo ne daje nikakav dobitak u brzini u usporedbi s običnim, klasičnim računalima. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Definiranje i otkrivanje kvantnog ubrzanja. SCIENCE, lipanj 2014. Vol. 344 # 6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))
Zapravo, za skupi, ali specijalizirani "stroj budućnosti" nije bilo problema gdje bi mogao pokazati svoju kvantnu superiornost. Drugim riječima, sam smisao prilično skupih napora da se stvori takav uređaj pokazuje se pod velikom sumnjom ...
Rezultati su sljedeći: sada u znanstvenoj zajednici više nema sumnje da se rad elemenata u procesoru računala D-Wave doista odvija na temelju stvarnih kvantnih efekata između kubita.
Ali (a to je iznimno ozbiljno ALI) ključne značajke u dizajnu D-Wave procesora su takve da, u stvarnom radu, sva njegova kvantna fizika ne daje nikakav dobitak u usporedbi s običnim moćnim računalom s posebnim softverom , izoštren za rješavanje problema optimizacije.
Pojednostavljeno rečeno, ne samo da znanstvenici koji testiraju D-Wave još nisu uspjeli vidjeti niti jedan stvarni problem u kojem bi kvantno računalo moglo uvjerljivo demonstrirati svoju računsku superiornost, nego čak ni sam proizvođač nema pojma koji bi zadatak mogao biti. .
Sve se radi o značajkama dizajna 512-kubitnog D-Wave procesora, koji je sastavljen od skupina od 8 kubita. Istodobno, unutar ovih grupa od 8 kubita, svi oni međusobno izravno komuniciraju, ali između ovih grupa veze su vrlo slabe (idealno bi SVI procesorski kubiti trebali međusobno komunicirati izravno). To, naravno, VRLO značajno smanjuje složenost izgradnje kvantnog procesora... ALI, odavde raste puno drugih problema, koji završavaju konačnom i vrlo skupom kriogenom opremom u radu, hlađenjem kruga na ultraniske temperature.
Pa što nam se sada nudi?
Kanadska tvrtka D-Wave objavila je početak prodaje svog kvantnog računala D-Wave 2000Q, koji je najavljen u rujnu prošle godine. Pridržavajući se vlastitog analoga Mooreova zakona, prema kojem se broj tranzistora na integriranom krugu udvostručuje svake dvije godine, D-Wave je na CPU (kvantnu procesorsku jedinicu) postavio 2048 kubita. Dinamika rasta broja kubita na CPU-u posljednjih godina izgleda ovako:
2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.
Štoviše, za razliku od tradicionalnih procesora, CPU-a i GPU-a, udvostručenje kubita nije popraćeno 2-strukim, već 1000-strukim povećanjem performansi. U usporedbi s računalom s tradicionalnom arhitekturom i konfiguracijom jednojezgrenog CPU-a i 2500-jezgrenog GPU-a, razlika u brzini je 1000 do 10 000 puta. Sve ove brojke su svakako impresivne, ali postoji nekoliko "ali".
Prvo, D-Wave 2000Q je izuzetno skup - 15 milijuna dolara To je prilično masivan i složen uređaj. Njegov mozak je procesor od obojenog metala nazvan niobij, čija supravodljiva svojstva (nužna za kvantna računala) nastaju u vakuumu na temperaturama blizu apsolutne nule ispod 15 milikelvina (to je 180 puta niže od temperature u svemiru).
Održavanje tako ekstremno niske temperature zahtijeva visoke troškove energije, 25 kW. No ipak, prema proizvođaču, to je 100 puta manje od ekvivalentnih performansi tradicionalnih superračunala. Dakle, performanse D-Wave 2000Q po vatu potrošnje energije su 100 puta veće. Ako tvrtka uspije nastaviti slijediti svoj "Mooreov zakon", tada će u njezinim budućim računalima ta razlika eksponencijalno rasti, uz održavanje potrošnje energije na trenutnoj razini.
Prvo, kvantna računala imaju vrlo specifičnu svrhu. U slučaju D-Wave 2000Q govorimo o tzv. adijabatska računala i rješavanje problema kvantne normalizacije. Oni se javljaju posebno u sljedećim područjima:
Strojno učenje:
Identificiranje statističkih anomalija
- pronalaženje komprimiranih modela
- prepoznavanje slika i uzoraka
- trening neuronskih mreža
- provjera i odobrenje softvera
- klasifikacija podataka bez strukture
- dijagnostika grešaka u krugu
Sigurnost i planiranje
Otkrivanje virusa i hakiranja mreže
- raspodjela resursa i pronalaženje optimalnih putova
- utvrđivanje pripadnosti skupu
- analiza svojstava grafikona
- faktorizacija cijelih brojeva (koristi se u kriptografiji)
Financijsko modeliranje
Identificiranje volatilnosti tržišta
- razvoj strategija trgovanja
- optimizacija putanja trgovanja
- optimizacija cijene imovine i zaštite od zaštite
- optimizacija portfelja
Zdravstvo i medicina
Otkrivanje prijevare (vjerojatno zdravstveno osiguranje)
- stvaranje ciljane ("molekularno ciljane") terapije lijekovima
- optimizacija liječenja [raka] radioterapijom
- stvaranje proteinskih modela.
Prvi kupac D-Wave 2000Q bio je TDS (Temporal Defense Systems), tvrtka za cyber sigurnost. Općenito, D-Wave proizvode koriste tvrtke i institucije kao što su Lockheed Martin, Google, Ames Research Center pri NASA-i, Sveučilište Južne Kalifornije i Nacionalni laboratorij Los Alamos pri Ministarstvu energetike SAD-a.
Dakle, riječ je o rijetkoj (D-Wave je jedina tvrtka na svijetu koja proizvodi komercijalne uzorke kvantnih računala) i skupoj tehnologiji s prilično uskom i specifičnom primjenom. No, stopa rasta njegove produktivnosti je nevjerojatna, a ako se ova dinamika nastavi, onda zahvaljujući adijabatskim računalima D-Wave (kojima bi se i druge tvrtke mogle pridružiti), možemo očekivati prave pomake u znanosti i tehnologiji u nadolazećim godinama. Posebno je zanimljiva kombinacija kvantnih računala s tako obećavajućom i brzo razvijajućom tehnologijom kao što je umjetna inteligencija, pogotovo jer takav autoritativni stručnjak kao što je Andy Rubin to vidi kao perspektivu.
Usput, znali ste da je korporacija IBM dopustila korisnicima interneta da se besplatno povežu na univerzalno kvantno računalo koje je napravila i eksperimentiraju s kvantnim algoritmima. Ovaj uređaj neće imati moć razbiti kriptografske sustave s javnim ključem, ali ako se IBM-ovi planovi ostvare, sofisticiranija kvantna računala su odmah iza ugla.
Kvantno računalo koje je IBM stavio na raspolaganje sadrži pet kubita: četiri za manipuliranje podacima, a peti za ispravljanje pogrešaka tijekom izračunavanja. Ispravljanje pogrešaka glavna je inovacija na koju su njezini programeri ponosni. To će olakšati povećanje broja kubita u budućnosti.
IBM naglašava da je njegovo kvantno računalo univerzalno i sposobno izvršiti sve kvantne algoritme. To ga izdvaja od adijabatskih kvantnih računala koje razvija D-Wave. Adijabatska kvantna računala dizajnirana su za pronalaženje optimalnih rješenja za funkcije i nisu prikladna za druge svrhe.
Vjeruje se da će vam univerzalna kvantna računala omogućiti rješavanje nekih problema koji su izvan moći konvencionalnih računala. Najpoznatiji primjer takvog problema je faktorizacija brojeva. Običnom računalu, čak i vrlo brzom, trebat će stotine godina da pronađe prafaktore velikog broja. Kvantno računalo će ih pronaći koristeći Shorov algoritam gotovo jednako brzo kao i množenje cijelih brojeva.
Nemogućnost brzog uračunavanja brojeva u proste faktore u središtu je kriptografskih sustava s javnim ključem. Ako nauče izvoditi ovu operaciju brzinom koju obećavaju kvantni algoritmi, tada će većina moderne kriptografije morati biti zaboravljena.
Možete pokrenuti Shorov algoritam na IBM-ovom kvantnom računalu, ali dok nema više kubita, malo je koristi. To će se promijeniti u sljedećih deset godina. Do 2025. IBM planira izgraditi kvantno računalo koje će sadržavati pedeset do sto kubita. Prema riječima stručnjaka, čak i s pedeset kubita, kvantna računala će moći riješiti neke praktične probleme.
Evo još malo zanimljivosti o računalnoj tehnologiji: pročitajte kako, ali I ispada da možete i kakve
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:
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 atletičarka Geordie Rose, nakon dogovora s Googleom i NASA-om, počela je graditi procesor od 1000 kubita. Budući model nadmašit će prvi komercijalni prototip za najmanje 300 tisuća puta u brzini i proračunskom volumenu. Kvantno računalo, čija se fotografija nalazi ispod, prva je svjetska komercijalna verzija temeljno nove računalne tehnologije.
Na bavljenje znanstvenim razvojem potaknulo ga je njegovo poznavanje na sveučilištu s radovima Colina Williamsa o kvantnom računanju. Valja reći da je Williams trenutno zaposlen u Rose Corporation kao voditelj poslovnog projekta.
Proboj ili znanstvena obmana
Sam Rose ne zna u potpunosti što su kvantna računala. U deset godina njegov je tim prošao put od stvaranja 2-kubitnog procesora do današnje prve komercijalne zamisli.
Od samog početka svog istraživanja Rose je nastojao stvoriti procesor s minimalnim brojem od 1000 kubita. I svakako je morao imati komercijalnu verziju – prodati i zaraditi.
Mnogi ga, poznavajući Roseovu opsesiju i komercijalni duh, pokušavaju optužiti za krivotvorenje. Navodno se najobičniji procesor izdaje kao kvantni. To je olakšano činjenicom da nova tehnika pokazuje fenomenalne performanse pri izvođenju određenih vrsta proračuna. Inače se ponaša kao sasvim obično računalo, samo jako skupo.
Kada će se pojaviti
Neće se dugo čekati. Istraživačka skupina, koju organiziraju zajednički naručitelji prototipa, u bliskoj će budućnosti dati izvješće o rezultatima istraživanja na D-Waveu.
Možda uskoro dolazi vrijeme u kojem će kvantna računala promijeniti naše razumijevanje svijeta oko nas. I cijelo će čovječanstvo u ovom trenutku dosegnuti višu razinu svoje evolucije.
Kvantno računalo je računalni uređaj koji koristi fenomene kvantne superpozicije i kvantne isprepletenosti za prijenos i obradu podataka. Potpuno univerzalno kvantno računalo još uvijek je hipotetski uređaj, čija je sama mogućnost izgradnje povezana s ozbiljnim razvojem kvantne teorije u području mnogih čestica i složenih eksperimenata; razvoj u ovom području povezan je s najnovijim otkrićima i dostignućima moderne fizike. Trenutno je praktički implementirano samo nekoliko eksperimentalnih sustava koji izvode fiksni algoritam niske složenosti.
Znanstvenici s Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju zajedno s kolegama iz Švicarske proveli su i eksperimente u kojima su kvantno računalo uspješno vratili u stanje prošlosti. Sažetak nalaza studije, koji opisuje mogućnost ovog učinka, navodi se u priopćenju za javnost objavljenom na web stranici Phys.org. Detalji istraživanja međunarodnog tima fizičara u znanstvenim izvješćima.
Mnogi stručnjaci uvjereni su da će s pojavom punopravnih kvantnih računala era kriptovaluta i blockchaina doći svom logičnom kraju - kriptografski sustavi na kojima se temelje kriptovalute bit će trenutno hakirani, a same kriptovalute deprecirati, jer prva stvar koju će vlasnik kvantnog računala učiniti je rudariti preostale bitcoine, etere i druge popularne "kovanice". Upravo to vjeruje Alex Beat, kanadski fizičar koji je predvidio sumornu budućnost kriptovaluta u kvantnoj eri.
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...
