29 ianuarie 2017
Pentru mine, expresia „calculator cuantic” este comparabilă, de exemplu, cu „motor fotonic”, adică este ceva foarte complex și fantastic. Totuși, citesc acum în știri - „un computer cuantic se vinde oricui îl dorește”. Este ciudat, fie această expresie înseamnă acum altceva, fie este doar un fals?
Să aruncăm o privire mai atentă...
CUM A ÎNCEPUT TOTUL?
Abia la mijlocul anilor 1990 teoria calculatoarelor cuantice și calculul cuantic s-a impus ca un zona nouaştiinţă. Așa cum se întâmplă adesea cu ideile grozave, este greu să desemnezi un pionier. Aparent, matematicianul maghiar I. von Neumann a fost primul care a atras atenția asupra posibilității dezvoltării logicii cuantice. Cu toate acestea, la acel moment, nu fuseseră încă create computere cuantice, ci și obișnuite, clasice. Și odată cu apariția acestuia din urmă, principalele eforturi ale oamenilor de știință au fost îndreptate în primul rând către căutarea și dezvoltarea de noi elemente pentru ei (tranzistori și apoi circuite integrate), și nu pe crearea de dispozitive de calcul fundamental diferite.
În anii 1960, fizicianul american R. Landauer, care lucra la IBM Corporation, a încercat să atragă atenția lumii științifice asupra faptului că calculele sunt întotdeauna un proces fizic, ceea ce înseamnă că este imposibil să înțelegem limitele calculului nostru. capabilități fără a specifica ce implementare fizică sunt acestea.se potrivesc. Din păcate, la acel moment, opinia predominantă în rândul oamenilor de știință era că calculul era o procedură logică abstractă care ar trebui studiată de matematicieni, nu de fizicieni.
Pe măsură ce computerele au proliferat, oamenii de știință implicați în obiectele cuantice au ajuns la concluzia că era practic imposibil să se calculeze direct starea unui sistem în evoluție format din doar câteva zeci de particule care interacționează, cum ar fi o moleculă de metan (CH4). Acest lucru se explică prin faptul că pt descriere completa Pentru un sistem complex, este necesar să se păstreze în memoria computerului un număr exponențial de mare (din punct de vedere al numărului de particule) de variabile, așa-numitele amplitudini cuantice. A apărut o situație paradoxală: cunoscând ecuația evoluției, cunoscând cu suficientă acuratețe toate potențialele interacțiunii particulelor între ele și starea inițială a sistemului, este practic imposibil să-i calculăm viitorul, chiar dacă sistemul este format doar din 30 de electroni într-un puț de potențial și este disponibil un supercalculator cu RAM, al cărui număr de biți este egal cu numărul de atomi din regiunea vizibilă a Universului(!). Și, în același timp, pentru a studia dinamica unui astfel de sistem, se poate realiza pur și simplu un experiment cu 30 de electroni, plasându-i într-un anumit potențial și stare inițială. În special, matematicianul rus Yu. I. Manin a atras atenția asupra acestui lucru, subliniind în 1980 necesitatea dezvoltării unei teorii a dispozitivelor de calcul cuantic. În anii 1980, aceeași problemă a fost studiată de fizicianul american P. Benev, care a arătat clar că un sistem cuantic poate efectua calcule, precum și de savantul englez D. Deutsch, care a dezvoltat teoretic un computer cuantic universal care îl depășește pe omologul său clasic. .
R. Feynman, laureat al Premiului Nobel pentru fizică, a atras multă atenție asupra problemei dezvoltării computerelor cuantice. Datorită apelului său autoritar, numărul specialiștilor care au acordat atenție calculului cuantic a crescut de multe ori.
Baza algoritmului lui Shor: capacitatea qubiților de a stoca mai multe valori în același timp)
Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp, a rămas neclar dacă puterea de calcul ipotetică ar putea fi utilizată calculator cuantic pentru a grăbi soluția sarcini practice. Dar în 1994, matematicianul american, angajat al Lucent Technologies (SUA), P. Shor, a uluit lumea științifică propunând un algoritm cuantic care permite factorizarea rapidă a numerelor mari (importanța acestei probleme a fost deja discutată în introducere). ). În comparație cu cea mai bună metodă clasică cunoscută astăzi, algoritmul cuantic al lui Shor oferă o accelerare multiplă a calculelor, iar cu cât numărul factorizabil este mai lung, cu atât câștigul în viteză este mai mare. Algoritmul de factorizare rapidă prezintă un mare interes practic pentru diverse servicii speciale care au acumulat bănci de mesaje necriptate.
În 1996, colegul lui Shor de la Lucent Technologies, L. Grover, a propus un algoritm de căutare rapidă cuantică într-o bază de date neordonată. (Un exemplu de astfel de bază de date este o carte de telefon, în care numele abonaților nu sunt aranjate alfabetic, ci într-un mod arbitrar.) Sarcina de a căuta, selecta element optim printre numeroasele opțiuni, se găsește foarte des în sarcini economice, militare, de inginerie, în jocurile pe calculator. Algoritmul lui Grover permite nu numai să accelereze procesul de căutare, ci și să dubleze aproximativ numărul de parametri luați în considerare la alegerea optimului.
Crearea reală a calculatoarelor cuantice a fost împiedicată, în esență, de singura problemă serioasă – erorile sau interferența. Faptul este că același nivel de interferență strică procesul de calcul cuantic mult mai intens decât cele clasice.
Daca spui în cuvinte simple, apoi: " un sistem cuantic dă un rezultat care este corect numai cu o anumită probabilitate. Cu alte cuvinte, dacă calculezi 2+2, atunci 4 va ieși doar cu un anumit grad de precizie. Nu vei primi niciodată exact 4. Logica procesorului său nu seamănă deloc cu procesorul cu care suntem obișnuiți.
Există metode de calculare a rezultatului cu o precizie predeterminată, desigur cu o creștere a timpului de calculator.
Această caracteristică definește lista de sarcini. Și această caracteristică nu este promovată, iar publicul are impresia că un computer cuantic este la fel ca un PC obișnuit (aceleași 0 și 1), doar rapid și scump. Acest lucru nu este în principiu adevărat.
Da, și încă un punct - pentru un computer cuantic și pentru calculul cuantic în general, mai ales pentru a folosi „puterea și viteza” calculului cuantic, sunt necesari algoritmi și modele speciali dezvoltate special pentru specificul calculului cuantic. Prin urmare, complexitatea utilizării unui computer cuantic nu este doar în prezența hardware-ului, ci și în compilarea unor metode de calcul noi, neutilizate până acum. "
Acum să revenim la implementare practică computer cuantic: un procesor comercial D-Wave de 512 qubiți există deja de ceva timp și chiar este vândut !!!
Aici, el, s-ar părea, este o adevărată descoperire !!! Iar un grup de oameni de știință de renume din revista Physical Review, nu mai puțin reputată, mărturisește în mod convingător că efectele de intricare cuantică au fost într-adevăr descoperite în D-Wave.
În consecință, acest dispozitiv are tot dreptul să fie numit un computer cuantic real, din punct de vedere arhitectural, permite pe deplin o creștere suplimentară a numărului de qubiți și, prin urmare, are perspective excelente pentru viitor ... (T. Lanting et al. Entanglement într-un procesor de recoacere cuantică.PHYSICAL REVIEW X 4 , 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))
Adevărat, puțin mai târziu, un alt grup de oameni de știință reputați din revista la fel de reputată Science, care a studiat același sistem de calcul D-Wave, l-a evaluat pur practic: cât de bine își îndeplinește acest dispozitiv funcțiile de calcul. Și acest grup de oameni de știință demonstrează la fel de amănunțit și convingător ca primul că în testele reale de verificare, care sunt potrivite în mod optim pentru acest design, computerul cuantic D-Wave nu oferă niciun câștig de viteză în comparație cu computerele convenționale, clasice. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Definiting and detecting quantum speedup. SCIENCE, iunie 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))
De fapt, nu existau sarcini pentru „mașinăria viitorului” costisitoare, dar specializată, în care să-și poată demonstra superioritatea cuantică. Cu alte cuvinte, sensul însuși al eforturilor foarte costisitoare de a crea un astfel de dispozitiv este în mare îndoială ...
Rezultatele sunt următoarele: acum nu există nicio îndoială în comunitatea științifică că funcționarea elementelor din procesorul computerului D-Wave are loc într-adevăr pe baza efectelor cuantice reale între qubiți.
Dar (și acesta este un DAR extrem de serios), caracteristicile cheie în designul procesorului D-Wave sunt de așa natură încât, în funcționare reală, toată fizica sa cuantică nu oferă niciun câștig în comparație cu un computer puternic convențional care are un special software, adaptat pentru rezolvarea problemelor de optimizare.
Mai simplu spus, nu numai oamenii de știință care testează D-Wave nu au reușit încă să vadă un singur sarcină reală, unde un computer cuantic și-ar putea demonstra în mod convingător superioritatea computațională, dar nici producătorul însuși nu are idee despre ce fel de sarcină ar putea fi...
Este vorba despre caracteristicile de design ale procesorului D-Wave de 512 qubiți, care este asamblat din grupuri de 8 qubiți. În același timp, în interiorul acestor grupuri de 8 qubiți, toți comunică direct între ele, dar între aceste grupuri, conexiunile sunt foarte slabe (ideal, TOȚI qubiții procesorului ar trebui să comunice direct între ei). Asta, desigur, reduce FOARTE semnificativ complexitatea construirii unui procesor cuantic... DAR, de aici cresc o multime de alte probleme, inchizand in final si pe echipamente criogenice foarte scumpe care racesc circuitul la temperaturi ultra-scazute.
Deci, ce ne oferă ei acum?
Compania canadiană D-Wave a anunțat începutul vânzărilor computerului său cuantic D-Wave 2000Q, anunțat în septembrie anul trecut. Aderând la propria sa versiune a Legii lui Moore, conform căreia numărul de tranzistori de pe un circuit integrat se dublează la fiecare doi ani, D-Wave a plasat 2.048 de qubiți pe un CPU (dispozitiv de procesare cuantică). Dinamica de creștere a numărului de qubiți de pe CPU în ultimii ani arată astfel:
2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.
Mai mult, spre deosebire de procesoarele, procesoarele și GPU-urile tradiționale, dublarea qubiților este însoțită nu de o creștere de 2 ori, ci de o creștere de 1000 de ori a performanței. În comparație cu un computer cu arhitectură tradițională și configurație de procesor cu un singur nucleu și GPU de 2500 de nuclee, diferența de performanță este de 1.000 până la 10.000 de ori. Toate aceste cifre sunt cu siguranță impresionante, dar există câteva „dar”.
În primul rând, D-Wave 2000Q este extrem de scump, la 15 milioane de dolari, este un dispozitiv destul de masiv și complex. Creierul său este un procesor format dintr-un metal neferos numit niobiu, ale cărui proprietăți supraconductoare (necesare pentru calculatoarele cuantice) apar în vid, la o temperatură apropiată de zero absolut sub 15 milikelvin (de 180 de ori mai mică decât temperatura din spațiul cosmic) .
Menținerea unei temperaturi atât de scăzute necesită o cantitate mare de energie, 25 kW. Dar totuși, conform producătorului, acesta este de 100 de ori mai puțin decât supercalculatoarele tradiționale cu performanță echivalentă. Deci, performanța D-Wave 2000Q per watt de energie consumată este de 100 de ori mai mare. Dacă compania reușește să-și urmeze în continuare „legea lui Moore”, atunci în computerele sale viitoare această diferență va crește exponențial, menținând în același timp consumul de energie la nivelurile actuale.
În primul rând, computerele cuantice au un scop foarte specific. În cazul lui D-Wave 2000Q, vorbim despre așa-numitul. calculatoare adiabatice și rezolvarea problemelor de normalizare cuantică. Acestea apar în special în următoarele domenii:
Învățare automată:
Detectarea anomaliilor statistice
— găsirea modelelor comprimate
— recunoașterea imaginilor și modelelor
- antrenament în rețea neuronală
— verificarea și aprobarea software-ului
— clasificarea datelor nestructurate
- diagnosticarea erorilor din circuit
Securitate și planificare
Detectare viruși și hack-uri în rețea
— distribuirea resurselor și găsirea căilor optime
— definiția apartenenței la un set
— analiza proprietăților diagramei
- factorizarea numerelor întregi (utilizată în criptografie)
modelare financiară
Identificarea instabilității pieței
— dezvoltarea strategiilor de tranzacționare
— optimizarea traiectoriilor de tranzacționare
— optimizarea prețului activelor și a acoperirii
— optimizarea portofoliului
Asistență medicală și medicină
Detectarea fraudei (probabil asigurare de sanatate)
— generarea de terapie medicamentoasă țintită (“molecular-targeted”)
– optimizarea tratamentului [cancerului] cu radioterapie
— crearea de modele proteice.
Primul cumpărător al D-Wave 2000Q a fost TDS (Temporal Defense Systems), o companie de securitate cibernetică. În general, produsele D-Wave sunt folosite de companii și instituții precum Lockheed Martin, Google, NASA Ames Research Center, Universitatea din California de Sud și Laboratorul Național Los Alamos din cadrul Departamentului de Energie al SUA.
Astfel, vorbim de o tehnologie rară (D-Wave este singura companie din lume care produce mostre comerciale de calculatoare cuantice) și costisitoare, cu o aplicație destul de îngustă și specifică. Dar rata de creștere a productivității sale este uimitoare, iar dacă această dinamică continuă, atunci datorită calculatoarelor adiabatice D-Wave (la care alte companii se pot alătura în cele din urmă), ne pot aștepta adevărate descoperiri în știință și tehnologie în următorii ani. Un interes deosebit este combinarea calculatoarelor cuantice cu o tehnologie atât de promițătoare și în dezvoltare rapidă precum inteligența artificială, mai ales că un specialist atât de autoritar precum Andy Rubin vede un viitor în asta.
Apropo, știați că IBM Corporation a permis utilizatorilor de Internet să se conecteze gratuit la computerul cuantic universal pe care l-a construit și să experimenteze algoritmi cuantici. Acest dispozitiv nu este suficient de puternic pentru a sparge sistemele criptografice cheie publică, dar dacă planurile IBM devin realitate, apariția unor calculatoare cuantice mai complexe este chiar după colț.
Calculatorul cuantic pe care IBM l-a pus la dispoziție conține cinci qubiți: patru sunt folosiți pentru a lucra cu date, iar al cincilea este pentru corectarea erorilor în timpul calculelor. Corectarea erorilor este principala inovație de care dezvoltatorii săi sunt mândri. Va facilita creșterea numărului de qubiți în viitor.
IBM subliniază că computerul său cuantic este universal și capabil să execute orice algoritm cuantic. Acest lucru îl deosebește de computerele cuantice adiabatice pe care D-Wave le dezvoltă. Calculatoarele cuantice adiabatice sunt proiectate să caute soluție optimă funcții și nu sunt potrivite pentru alte scopuri.
Se crede că computerele cuantice universale vor permite rezolvarea unor probleme care depășesc puterea computerelor obișnuite. Cel mai cunoscut exemplu al unei astfel de probleme este factorizarea numerelor în factori primi. Ar dura sute de ani pentru ca un computer obișnuit, chiar și unul foarte rapid, să găsească factorii primi ai unui număr mare. Un computer cuantic le va găsi folosind algoritmul lui Shor aproape la fel de rapid ca înmulțirea numerelor întregi.
Imposibilitatea descompunerii rapide a numerelor în factori primi stă la baza sistemelor criptografice cu cheie publică. Dacă se învață că această operație este efectuată la viteza promisă de algoritmii cuantici, atunci în cea mai mare parte criptografia modernă va trebui să uite.
Este posibil să rulați algoritmul lui Shor pe un computer cuantic IBM, dar până când există mai mulți qubiți, acest lucru este de puțin folos. În următorii zece ani, situația se va schimba. Până în 2025, IBM intenționează să construiască un computer cuantic care să conțină de la cincizeci la o sută de qubiți. Potrivit experților, chiar și cu cincizeci de qubiți, calculatoarele cuantice vor putea rezolva unele probleme practice.
Iată câteva informații mai interesante despre tehnologia computerelor: citiți cum, dar se dovedește și că este posibil și ce fel de
De zeci de ani se vorbește despre calculul cuantic, cel puțin în teorie. Tipurile moderne de mașini care folosesc mecanică non-clasică pentru a procesa cantități potențial de neimaginat de date au reprezentat o mare descoperire. Potrivit dezvoltatorilor, implementarea lor s-a dovedit a fi poate cea mai complexă tehnologie creată vreodată. Procesoarele cuantice lucrează la nivelurile de materie despre care omenirea a învățat cu doar 100 de ani în urmă. Potențialul unor astfel de calcule este uriaș. Folosirea proprietăților bizare ale cuanticelor va accelera calculele, așa că multe probleme care sunt în prezent dincolo de puterea computerelor clasice vor fi rezolvate. Și nu numai în domeniul chimiei și al științei materialelor. Wall Street-ul este, de asemenea, interesat.
Investiție în viitor
CME Group a investit în 1QB Information Technologies Inc., cu sediul în Vancouver, care dezvoltă software pentru procesoare de tip cuantic. Potrivit investitorilor, este posibil ca astfel de calcule să aibă cel mai mare impact asupra industriilor care lucrează cu volume mari de date sensibile la timp. Instituțiile financiare sunt un exemplu de astfel de consumatori. Goldman Sachs a investit în D-Wave Systems, iar In-Q-Tel este finanțat de CIA. Primul produce mașini care fac ceea ce se numește „recoacere cuantică”, adică rezolvă probleme de optimizare la nivel scăzut folosind un procesor cuantic. Intel investește și el în această tehnologie, deși consideră implementarea acesteia o chestiune de viitor.
De ce este nevoie de asta?
Motivul pentru care calculul cuantic este atât de interesant este din cauza combinației sale perfecte cu învățarea automată. În prezent, aceasta este principala aplicație pentru astfel de calcule. O parte din însăși ideea unui computer cuantic este utilizarea unui dispozitiv fizic pentru a găsi soluții. Uneori acest concept explicați exemplul jocului Angry Birds. CPU-ul tabletei folosește ecuații matematice pentru a simula gravitația și interacțiunea obiectelor care se ciocnesc. Procesoarele cuantice întorc această abordare pe cap. Ei „aruncă” câteva păsări și văd ce se întâmplă. Păsările sunt înregistrate pe microcip, sunt aruncate, care este traiectoria optimă? Apoi toate sunt verificate solutii posibile sau cel puțin o combinație foarte mare a acestora și este returnat un răspuns. Într-un computer cuantic, nu există matematician; în schimb, legile fizicii funcționează.
Cum functioneaza?
Elementele de bază ale lumii noastre sunt mecanica cuantică. Dacă te uiți la molecule, motivul pentru care se formează și rămân stabile este din cauza interacțiunii orbitalilor lor de electroni. Toate calculele mecanice cuantice sunt cuprinse în fiecare dintre ele. Numărul lor crește exponențial cu numărul de electroni simulați. De exemplu, pentru 50 de electroni există puterea de la 2 la a 50-a Opțiuni. Acest lucru este fenomenal, prin urmare nu poate fi calculat astăzi. Conectarea teoriei informațiilor la fizică poate indica calea către rezolvarea unor astfel de probleme. Un computer de 50 de qubiți o poate face.
Zorii unei noi ere
Potrivit Landon Downes, președinte și co-fondator al 1QBit, procesor cuantic este capacitatea de a folosi puterea de calcul a lumii subatomice, care este de mare importanță pentru obținerea de noi materiale sau crearea de noi medicamente. Există o tranziție de la paradigma descoperirii la o nouă eră a designului. De exemplu, calculul cuantic poate fi folosit pentru a modela catalizatori care permit eliminarea carbonului și azotului din atmosferă și, prin urmare, ajută la oprirea încălzirii globale.
În fruntea progresului
Comunitatea de dezvoltatori pentru această tehnologie este extrem de încântată și ocupată. Echipe din întreaga lume din start-up-uri, corporații, universități și laboratoare guvernamentale se întrec pentru a construi mașini care utilizează abordări diferite pentru procesarea informațiilor cuantice. Cipurile qubit supraconductoare și qubiții cu ioni prinși au fost create de cercetătorii de la Universitatea din Maryland și de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA. Microsoft dezvoltă o abordare topologică numită Station Q, care urmărește să exploateze un anion non-abelian a cărui existență nu a fost încă dovedită în mod concludent.
Anul de descoperire probabil
Și acesta este doar începutul. De la sfârșitul lui mai 2017, numărul procesoarelor de tip cuantic care fac fără echivoc ceva mai rapid sau mai bun decât un computer clasic este zero. Un astfel de eveniment ar stabili „supremația cuantică”, dar până acum nu s-a întâmplat. Deși este probabil ca acest lucru să se întâmple anul acesta. Majoritatea persoanelor din interior spun că favoritul clar este grup Google condus de profesorul de fizică UC Santa Barbara, John Martini. Scopul său este de a atinge superioritatea computațională cu un procesor de 49 de qubiți. Până la sfârșitul lui mai 2017, echipa a testat cu succes un cip de 22 de qubiți ca pas intermediar către dezasamblarea unui supercomputer clasic.
Cum a început totul?
Ideea de a folosi mecanica cuantică pentru a procesa informații este veche de zeci de ani. Unul dintre evenimentele cheie a avut loc în 1981, când IBM și MIT au organizat împreună o conferință despre fizica computerului. Celebrul fizician a propus să construiască un computer cuantic. Potrivit lui, pentru modelare, ar trebui să se folosească mijloacele mecanicii cuantice. Și aceasta este o sarcină grozavă, pentru că nu pare atât de simplă. Principiul de funcționare al unui procesor cuantic se bazează pe mai multe proprietăți ciudate ale atomilor - suprapunere și încurcare. O particulă poate fi în două stări în același timp. Cu toate acestea, atunci când este măsurat, va fi doar în unul dintre ele. Și este imposibil de prezis în care, decât din punctul de vedere al teoriei probabilităților. Acest efect stă la baza experimentului de gândire cu pisica lui Schrödinger, care este atât vie, cât și moartă într-o cutie, până când un observator aruncă o privire în ea. Nimic in Viata de zi cu zi nu merge asa. Cu toate acestea, aproximativ 1 milion de experimente efectuate de la începutul secolului al XX-lea arată că suprapunerea există. Și urmatorul pas va afla cum să folosească acest concept.
Procesor cuantic: descrierea postului
Biții clasici pot lua valoarea 0 sau 1. Dacă treceți șirul lor prin „porți logice” (ȘI, SAU, NU etc.), atunci puteți înmulți numere, desena imagini etc. Un qubit poate lua valori 0 , 1 sau ambele în același timp. Dacă, să zicem, 2 qubiți sunt încurși, atunci asta îi face să fie perfect corelați. Un procesor de tip cuantic poate folosi porți logice. T. n. poarta Hadamard, de exemplu, pune qubitul într-o stare de suprapunere perfectă. Când suprapunerea și încurcarea sunt combinate cu porți cuantice plasate inteligent, potențialul calculului subatomic începe să se dezvolte. 2 qubiți vă permit să explorați 4 stări: 00, 01, 10 și 11. Principiul de funcționare al unui procesor cuantic este de așa natură încât executarea unei operații logice face posibilă lucrul cu toate pozițiile simultan. Iar numărul de stări disponibile este de 2 la puterea numărului de qubiți. Deci, dacă faci un computer cuantic universal de 50 de qubiți, atunci teoretic poți explora toate combinațiile de 1,125 de cvadrilioane în același timp.
Cuditate
Un procesor cuantic din Rusia este văzut oarecum diferit. Oamenii de știință de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova și de la Centrul Cuantic din Rusia au creat „kudit-uri”, care sunt mai mulți qubiți „virtuali” cu diferite niveluri de „energie”.
Amplitudini
Procesorul de tip cuantic are avantajul că mecanica cuantică se bazează pe amplitudini. Amplitudinile sunt ca probabilitățile, dar pot fi și numere negative și complexe. Deci, dacă trebuie să calculați probabilitatea unui eveniment, puteți adăuga amplitudinile tuturor opțiunilor posibile pentru dezvoltarea lor. Ideea din spatele calculului cuantic este de a încerca să se regleze în așa fel încât unele căi către răspunsuri greșite să aibă amplitudine pozitivă, iar unele să aibă amplitudine negativă, astfel încât să se anuleze reciproc. Iar căile care duc la răspunsul corect ar avea amplitudini care sunt în fază unele cu altele. Trucul este să organizezi totul fără să știi dinainte care răspuns este corect. Deci, exponențialitatea stărilor cuantice, combinată cu potențialul de interferență între amplitudinile pozitive și negative, este un avantaj al acestui tip de calcul.
algoritmul lui Shor
Există multe probleme pe care un computer nu le poate rezolva. De exemplu, criptarea. Problema este că nu este ușor să găsești factorii primi ai unui număr de 200 de cifre. Chiar dacă laptopul rulează un software grozav, poate dura ani pentru a găsi răspunsul. Deci, o altă piatră de hotar în calculul cuantic a fost un algoritm publicat în 1994 de Peter Shor, acum profesor de matematică la MIT. Metoda lui este de a căuta factori de un număr mare folosind un computer cuantic, care încă nu exista. În esență, algoritmul efectuează operații care indică regiunile cu răspunsul corect. În anul următor, Shor a descoperit o modalitate de corectare a erorilor cuantice. Apoi mulți și-au dat seama că este... cale alternativă calcule, care în unele cazuri pot fi mai puternice. Apoi a urmat o creștere a interesului din partea fizicienilor de a crea qubiți și porți logice între ei. Și acum, două decenii mai târziu, omenirea este pe punctul de a crea un computer cuantic cu drepturi depline.
Omenirea, ca acum 60 de ani, este din nou în pragul unei descoperiri grandioase în domeniul tehnologii de calcul. Calculatoarele cuantice vor înlocui în curând computerele de astăzi.
Câte progrese s-au făcut
În 1965, Gordon Moore spunea că într-un an numărul de tranzistori care se potrivesc într-un microcip de siliciu se dublează. Acest ritm de progres timpuri recenteîncetinit, iar dublarea are loc mai rar - o dată la doi ani. Chiar și în acest ritm, în viitorul apropiat, tranzistorii vor atinge dimensiunea unui atom. Apoi există o linie care nu poate fi depășită. Din punct de vedere al structurii fizice a tranzistorului, acesta nu poate fi mai mic decât mărimile atomice. Mărirea dimensiunii cipului nu rezolvă problema. Funcționarea tranzistoarelor este asociată cu eliberarea de energie termică, iar procesoarele au nevoie de un sistem de răcire de înaltă calitate. De asemenea, arhitectura multi-core nu rezolvă problema creșterii ulterioare. Atingerea vârfului în dezvoltarea tehnologiei moderne de procesor se va întâmpla în curând.
Dezvoltatorii au ajuns să înțeleagă această problemă într-un moment în care computerele personale abia începeau să fie disponibile pentru utilizatori. În 1980, unul dintre fondatorii informaticii cuantice, profesorul sovietic Yuri Manin, a formulat ideea de calcul cuantic. Un an mai târziu, Richard Feiman a propus primul model de computer cu procesor cuantic. Baza teoretica despre cum ar trebui să arate computerele cuantice, formulat de Paul Benioff.
Principiul de funcționare al unui computer cuantic
Pentru a înțelege cum funcționează procesor nou, este necesar să aveți o cunoaștere cel puțin superficială a principiilor mecanicii cuantice. Nu are sens să oferim aici machete matematice și să derivăm formule. Este suficient ca profanul să se familiarizeze cu cele trei trăsături distinctive ale mecanicii cuantice:
- Starea sau poziția unei particule este determinată doar cu un anumit grad de probabilitate.
- Dacă o particulă poate avea mai multe stări, atunci se află în toate stările posibile simultan. Acesta este principiul suprapunerii.
- Procesul de măsurare a stării particulei duce la dispariția suprapunerii. În mod caracteristic, cunoștințele despre starea particulei obținute prin măsurare diferă de starea reală a particulei înainte de măsurători.
Din punctul de vedere al bunului-simț - prostie completă. În lumea noastră obișnuită, aceste principii pot fi reprezentate după cum urmează: ușa camerei este închisă și, în același timp, deschisă. Inchis si deschis in acelasi timp.
Aceasta este diferența izbitoare dintre calcule. Un procesor convențional operează în acțiunile sale cu un cod binar. Biții de computer pot fi într-o singură stare - au o valoare logică de 0 sau 1. Calculatoarele cuantice operează pe qubiți, care pot avea o valoare logică de 0, 1, 0 și 1 simultan. Pentru anumite sarcini, aceștia vor avea un avantaj de milioane de dolari față de computerele tradiționale. Astăzi există deja zeci de descrieri ale algoritmilor de lucru. Programatorii creează un cod de program special care poate funcționa conform noilor principii de calcul.
Unde va fi folosit noul computer?
O nouă abordare a procesului de calcul vă permite să lucrați cu cantități uriașe de date și să efectuați operațiuni de calcul instantanee. Odată cu apariția primelor calculatoare, unii oameni, inclusiv oameni de stat, au avut un mare scepticism cu privire la utilizarea lor în economia națională. Există și astăzi oameni care sunt plini de îndoieli cu privire la importanța computerelor fundamental de nouă generație. Multă vreme, jurnalele tehnice au refuzat să publice articole despre calculul cuantic, considerând acest domeniu un truc obișnuit fraudulos pentru a păcăli investitorii.
Noul mod de calcul va crea premisele pentru descoperiri științifice grandioase în toate industriile. Medicina va rezolva multe probleme problematice, care s-au acumulat destul de mult în ultima perioadă. Va fi posibil să se diagnosticheze cancerul într-un stadiu mai precoce al bolii decât este acum. Industria chimică va putea sintetiza produse cu proprietăți unice.
O descoperire în astronautică nu vă va face să așteptați. Zborurile către alte planete vor deveni la fel de banale ca călătoriile zilnice în jurul orașului. Potențialul inerent în calculul cuantic va transforma cu siguranță planeta noastră dincolo de recunoaștere.
Alte trăsătură distinctivă, pe care o au computerele cuantice este abilitatea de a prelua rapid calculul cuantic codul dorit sau cifră. Un computer obișnuit realizează o soluție de optimizare matematică secvenţial, trecând printr-o opțiune după alta. Un concurent cuantic lucrează cu întreaga matrice de date simultan, alegând instantaneu cele mai multe opțiuni adecvateîntr-un timp fără precedent. Tranzacțiile bancare vor fi descifrate într-o clipă, ceea ce nu este disponibil pentru computerele moderne.
Cu toate acestea, sectorul bancar poate să nu-și facă griji - secretul său va fi salvat prin metoda de criptare cuantică cu paradoxul măsurării. Dacă încercați să deschideți codul, va apărea o distorsiune semnal transmis. Informațiile primite nu vor avea niciun sens. Serviciile secrete, pentru care spionajul este un lucru obișnuit, sunt interesate de posibilitățile de calcul cuantic.
Dificultăți de proiectare
Dificultatea constă în crearea condițiilor în care un bit cuantic poate fi într-o stare de suprapunere pentru o perioadă de timp infinit de lungă.
Fiecare qubit este un microprocesor care funcționează pe principiile supraconductivității și pe legile mecanicii cuantice.
O serie de condiții unice de mediu sunt create în jurul elementelor microscopice ale motorului logic:
- temperatura 0,02 grade Kelvin (-269,98 Celsius);
- sistem de protecție împotriva radiațiilor magnetice și electrice (reduce impactul acestor factori de 50 de mii de ori);
- sistem de îndepărtare a căldurii și amortizare a vibrațiilor;
- rarefierea aerului sub presiunea atmosferică de 100 de miliarde de ori.
O ușoară abatere de mediu face ca qubiții să-și piardă momentan starea de suprapunere, ducând la o defecțiune.
Înaintea planetei
Toate cele de mai sus ar putea fi atribuite creativității minții inflamate a unui scriitor de science fiction, dacă Google, împreună cu NASA, nu ar cumpăra anul trecut un computer cuantic D-Wave de la o corporație de cercetare canadiană, al cărei procesor conține 512 qubiți.
Cu ajutorul său, liderul pe piața tehnologiei informatice va rezolva problemele învățare automatăîn sortarea și analizarea marilor mari de date.
O declarație revelatoare importantă a fost făcută de Snowden, care a părăsit Statele Unite - NSA plănuiește, de asemenea, să-și dezvolte propriul computer cuantic.
2014 - începutul erei sistemelor D-Wave
Atletul canadian de succes Geordie Rose, după o înțelegere cu Google și NASA, a început să construiască un procesor de 1000 de qubiți. Viitorul model din punct de vedere al vitezei și al volumului de calcule va depăși de cel puțin 300.000 de ori primul prototip comercial. Calculatorul cuantic, a cărui fotografie se află mai jos, este prima versiune comercială din lume a fundamentally tehnologie nouă tehnica de calcul.
El a fost îndemnat să se angajeze în dezvoltarea științifică datorită cunoștințelor sale la universitate cu lucrările lui Colin Williams despre calculul cuantic. Trebuie să spun că Williams lucrează astăzi în Rose Corporation ca manager de proiect de afaceri.
Revoluție sau înșelăciune științifică
Rose însuși nu știe pe deplin ce sunt computerele cuantice. În zece ani, echipa sa a trecut de la crearea unui procesor de 2 qubiți la primul descendent comercial de astăzi.
De la începutul cercetărilor sale, Rose și-a propus să creeze un procesor cu un număr minim de qubiți de 1.000. Și trebuie să fi avut o opțiune comercială - să vândă și să câștige bani.
Mulți, cunoscând obsesia și perspicacitatea comercială a lui Rose, încearcă să-l acuze de fals. Se presupune că cel mai obișnuit procesor este emis pentru quantum. Acest lucru este facilitat de faptul că viteza fenomenală a noii tehnici se manifestă atunci când se efectuează anumite tipuri de calcule. În rest, se comportă ca un computer complet obișnuit, doar că foarte scump.
Când vor apărea
Nu este mult de așteptat. Grupul de cercetare, organizat de cumpărătorii comune de prototipuri, va raporta în curând rezultatele cercetării privind D-Wave.
Poate că va veni în curând momentul în care computerele cuantice ne vor schimba înțelegerea lumii din jurul nostru. Și întreaga umanitate în acel moment va atinge un nivel superior al evoluției sale.
Candidat la Științe Fizice și Matematice L. FEDICHKIN (Institutul Fizico-Tehnologic al Academiei Ruse de Științe.
Folosind legile mecanicii cuantice, este posibil să se creeze un tip fundamental nou de calculatoare care să permită rezolvarea unor probleme care sunt inaccesibile chiar și celor mai puternice supercalculatoare moderne. Viteza multor calcule complexe va crește dramatic; mesajele trimise prin linii de comunicare cuantică nu pot fi nici interceptate, nici copiate. Astăzi, prototipurile acestor computere cuantice ale viitorului au fost deja create.
Matematician și fizician american de origine maghiară Johann von Neumann (1903-1957).
Fizicianul teoretic american Richard Phillips Feynman (1918-1988).
Matematicianul american Peter Shor, specialist în domeniul calculului cuantic. El a propus un algoritm cuantic pentru factorizarea rapidă a numerelor mari.
Bit sau qubit cuantic. Stările și corespund, de exemplu, direcției de rotație a nucleului atomic în sus sau în jos.
Un registru cuantic este un lanț de biți cuantici. Porțile cuantice de unul sau doi qubiți efectuează operații logice pe qubiți.
INTRODUCERE SAU PUȚIN DESPRE PROTECȚIA INFORMAȚIILOR
Care crezi că este cel mai licențiat program din lume? Nu mă voi îndrăzni să insist că știu răspunsul corect, dar știu unul greșit: acesta este nu oricare dintre versiuni Microsoft Windows. Cel mai comun sistem de operare este înaintea unui produs modest de la RSA Data Security, Inc. - un program care implementează algoritmul de criptare a cheii publice RSA, numit după autorii săi - matematicienii americani Rivest, Shamir și Adelman.
Adevărul este că algoritmul RSA integrate în majoritatea sistemelor de operare comerciale, precum și în multe alte aplicații utilizate în diverse dispozitive - de la smart carduri la telefoane mobile. În special, este disponibil și în Microsoft Windows, ceea ce înseamnă că este, evident, mai răspândit decât atât de popular sistem de operare. Pentru a detecta urme de RSA, de exemplu, în motor de cautare Explorer (un program pentru vizualizarea paginilor www-pe Internet), trebuie doar să deschideți meniul „Ajutor” (Ajutor), să intrați în submeniul „Despre Internet Explorer” și să vedeți o listă de produse terțe utilizate. Un alt browser comun, Netscape Navigator, folosește și algoritmul RSA. În general, greu de găsit firma cunoscuta lucrează în zonă tehnologie avansata care nu ar cumpăra o licență pentru acest program. Până în prezent, RSA Data Security, Inc. a vândut deja peste 450 de milioane(!) de licențe.
De ce este algoritmul RSA atât de important?
Imaginează-ți că trebuie să schimbi rapid un mesaj cu o persoană care se află departe. Datorită dezvoltării internetului, un astfel de schimb a devenit disponibil astăzi pentru majoritatea oamenilor - trebuie doar să aveți un computer cu un modem sau o placă de rețea. Desigur, atunci când faceți schimb de informații prin rețea, ați dori să păstrați mesajele secrete față de cei din afară. Cu toate acestea, este imposibil să protejați complet o linie de comunicație extinsă de interceptări. Aceasta înseamnă că atunci când se trimit mesaje, acestea trebuie criptate, iar atunci când sunt primite, trebuie decriptate. Dar cum sunteți de acord cu interlocutorul dvs. asupra cheii pe care o veți folosi? Dacă trimiteți cheia cifrului pe aceeași linie, atunci un atacator care interceptează cu urechea o poate intercepta cu ușurință. Puteți, desigur, să trimiteți cheia printr-o altă linie de comunicare, de exemplu, să o trimiteți prin telegramă. Dar o astfel de metodă este de obicei incomodă și, în plus, nu întotdeauna de încredere: poate fi accesată și o altă linie. Este bine dacă tu și destinatarul tău știai dinainte că vei face schimb de criptări și, prin urmare, ți-ai predat cheile unul altuia în avans. Dar dacă, de exemplu, doriți să trimiteți o confidențialitate oferi un potențial partener de afaceri sau cumpărați un produs care vă place într-un nou magazin online cu un card de credit?
În anii 1970, sistemele de criptare au fost propuse pentru a rezolva această problemă, folosind două tipuri de chei pentru același mesaj: deschise (nu necesită stocare secretă) și închise (strict secrete). Cheia publică este folosită pentru a cripta mesajul, iar cheia privată este folosită pentru a-l decripta. Îi trimiți corespondentului tău cheia publică, iar el își criptează mesajul cu ea. Tot ceea ce poate face un atacator care a interceptat cheia publică este să-și cripteze scrisoarea cu ea și să o trimită cuiva. Dar nu va putea descifra corespondența. Tu, cunoscând cheia privată (inițial este stocată la tine), vei citi cu ușurință mesajul care ți se adresează. Pentru a cripta mesajele de răspuns, vei folosi cheia publică trimisă de corespondentul tău (și el păstrează cheia privată corespunzătoare pentru el).
Doar o astfel de schemă criptografică este utilizată în algoritmul RSA - cea mai comună metodă de criptare a cheii publice. Mai mult, următoarea ipoteză importantă este utilizată pentru a crea o pereche de chei publice și private. Dacă există două mari (necesită mai mult de o sută de cifre zecimale pentru introducerea lor) simplu numerele M și K, atunci nu va fi dificil să găsiți produsul lor N=MK (nici măcar nu este necesar să aveți un computer pentru asta: o persoană destul de precisă și răbdătoare poate înmulți astfel de numere cu un pix și hârtie). Dar pentru a rezolva problema inversă, adică a știi număr mare N, descompuneți-l în factori primi M și K (așa-numiții problema de factorizare) - aproape imposibil! Este această problemă cu care se va confrunta un atacator care decide să „crape” algoritmul RSA și să citească informațiile criptate cu acesta: pentru a afla cheia privată, cunoscând cheia publică, va trebui să calculeze M sau K.
Pentru a testa validitatea ipotezei despre complexitatea practică a factorizării numerelor mari, au fost și încă se desfășoară concursuri speciale. Înregistrarea este descompunerea unui număr de numai 155 de cifre (512 biți). Calculele au fost efectuate în paralel pe multe computere pe parcursul a șapte luni în 1999. Dacă această sarcină ar fi efectuată pe un singur computer personal modern, ar dura aproximativ 35 de ani de utilizare a computerului! Calculele arată că, folosind chiar și o mie de stații de lucru moderne și cel mai bun algoritm de calcul cunoscut astăzi, un număr de 250 de cifre poate fi factorizat în aproximativ 800 de mii de ani și un număr de 1000 de cifre în 10 25 (!) ani. (Pentru comparație, vârsta Universului este de ~10-10 ani.)
Prin urmare, algoritmii criptografici precum RSA, care funcționează cu chei suficient de lungi, au fost considerați absolut fiabili și au fost utilizați în multe aplicații. Și totul a fost bine până atunci ...până când au apărut computerele cuantice.
Se dovedește că folosind legile mecanicii cuantice, puteți construi computere pentru care problema factorizării (și multe altele!) nu este dificilă. Se estimează că un computer cuantic cu doar aproximativ 10.000 de biți cuantici de memorie poate factoriza un număr de 1.000 de cifre în factori primi în doar câteva ore!
CUM A ÎNCEPUT TOTUL?
Abia la mijlocul anilor 1990 teoria calculatoarelor cuantice și calculul cuantic s-a impus ca un nou domeniu al științei. Așa cum se întâmplă adesea cu ideile grozave, este greu să desemnezi un pionier. Aparent, matematicianul maghiar I. von Neumann a fost primul care a atras atenția asupra posibilității dezvoltării logicii cuantice. Cu toate acestea, la acel moment, nu fuseseră încă create computere cuantice, ci și obișnuite, clasice. Și odată cu apariția acestuia din urmă, principalele eforturi ale oamenilor de știință s-au dovedit a fi îndreptate în primul rând către căutarea și dezvoltarea de noi elemente pentru ei (tranzistoare și apoi circuite integrate), și nu către crearea de dispozitive de calcul fundamental diferite.
În anii 1960, fizicianul american R. Landauer, care lucra la IBM Corporation, a încercat să atragă atenția lumii științifice asupra faptului că calculele sunt întotdeauna un proces fizic, ceea ce înseamnă că este imposibil să înțelegem limitele calculului nostru. capabilități fără a specifica ce implementare fizică sunt acestea.se potrivesc. Din păcate, la acel moment, opinia predominantă în rândul oamenilor de știință era că calculul era o procedură logică abstractă care ar trebui studiată de matematicieni, nu de fizicieni.
Pe măsură ce computerele au proliferat, oamenii de știință implicați în obiectele cuantice au ajuns la concluzia că era practic imposibil să se calculeze direct starea unui sistem în evoluție format din doar câteva zeci de particule care interacționează, cum ar fi o moleculă de metan (CH4). Acest lucru se explică prin faptul că, pentru o descriere completă a unui sistem complex, este necesar să se păstreze în memoria computerului un număr exponențial de mare (din punct de vedere al numărului de particule) de variabile, așa-numitele amplitudini cuantice. A apărut o situație paradoxală: cunoscând ecuația evoluției, cunoscând cu suficientă acuratețe toate potențialele interacțiunii particulelor între ele și starea inițială a sistemului, este practic imposibil să-i calculăm viitorul, chiar dacă sistemul este format doar din 30 de electroni într-un puț de potențial și este disponibil un supercalculator cu RAM, al cărui număr de biți este egal cu numărul de atomi din regiunea vizibilă a Universului(!). Și, în același timp, pentru a studia dinamica unui astfel de sistem, se poate realiza pur și simplu un experiment cu 30 de electroni, plasându-i într-un anumit potențial și stare inițială. În special, matematicianul rus Yu. I. Manin a atras atenția asupra acestui lucru, subliniind în 1980 necesitatea dezvoltării unei teorii a dispozitivelor de calcul cuantic. În anii 1980, aceeași problemă a fost studiată de fizicianul american P. Benev, care a arătat clar că un sistem cuantic poate efectua calcule, precum și de savantul englez D. Deutsch, care a dezvoltat teoretic un computer cuantic universal care îl depășește pe omologul său clasic. .
Câștigătorul Premiului Nobel pentru fizică R. Feynman, care este bine cunoscut cititorilor obișnuiți ai Science and Life, a atras multă atenție asupra problemei dezvoltării computerelor cuantice. Datorită apelului său autoritar, numărul specialiștilor care au acordat atenție calculului cuantic a crescut de multe ori.
Și totuși, pentru o lungă perioadă de timp a rămas neclar dacă puterea de calcul ipotetică a unui computer cuantic ar putea fi folosită pentru a accelera soluționarea problemelor practice. Dar în 1994, matematicianul american, angajat al Lucent Technologies (SUA), P. Shor, a uluit lumea științifică propunând un algoritm cuantic care permite factorizarea rapidă a numerelor mari (importanța acestei probleme a fost deja discutată în introducere). ). În comparație cu cea mai bună metodă clasică cunoscută astăzi, algoritmul cuantic al lui Shor oferă o accelerare multiplă a calculelor, iar cu cât numărul factorizabil este mai lung, cu atât câștigul în viteză este mai mare. Algoritmul de factorizare rapidă prezintă un mare interes practic pentru diverse servicii speciale care au acumulat bănci de mesaje necriptate.
În 1996, colegul lui Shor de la Lucent Technologies, L. Grover, a propus un algoritm de căutare rapidă cuantică într-o bază de date neordonată. (Un exemplu de astfel de bază de date este o carte de telefon, în care numele abonaților nu sunt aranjate alfabetic, ci arbitrar.) Sarcina de a găsi, alege elementul optim dintre numeroasele opțiuni este foarte comună în problemele economice, militare, de inginerie, în jocurile pe calculator. Algoritmul lui Grover permite nu numai să accelereze procesul de căutare, ci și să dubleze aproximativ numărul de parametri luați în considerare la alegerea optimului.
Crearea reală a calculatoarelor cuantice a fost împiedicată, în esență, de singura problemă serioasă – erorile sau interferența. Faptul este că același nivel de interferență strică procesul de calcul cuantic mult mai intens decât cele clasice. Modalități de rezolvare a acestei probleme au fost schițate în 1995 de P. Shor, care a dezvoltat o schemă pentru codificarea stărilor cuantice și corectarea erorilor din acestea. Din păcate, subiectul corectării erorilor în calculatoarele cuantice este pe atât de important, pe atât de greu de acoperit în acest articol.
DISPOZITIV AL UNUI CALCULATOR CUANTUM
Înainte de a descrie modul în care funcționează un computer cuantic, să ne amintim principalele caracteristici ale sistemelor cuantice (vezi și „Știința și viața” nr. 8, 1998; nr. 12, 2000).
Pentru a înțelege legile lumea cuantică nu ar trebui să se bazeze direct pe experiența de zi cu zi. În modul obișnuit (în înțelegerea de zi cu zi) particulele cuantice se comportă numai dacă le „spionăm” în mod constant sau, mai strict vorbind, măsuram constant în ce stare se află. Dar de îndată ce ne „întoarcem” (nu mai observăm), particulele cuantice trec imediat dintr-o stare complet definită în mai multe ipostaze diferite deodată. Adică, un electron (sau orice alt obiect cuantic) va fi parțial într-un punct, parțial într-un altul, parțial într-un al treilea și așa mai departe.Asta nu înseamnă că este împărțit în segmente, ca o portocală. Atunci ar fi posibil să izolați în mod fiabil o parte a electronului și să măsurați sarcina sau masa acestuia. Dar experiența arată că, după măsurare, electronul se dovedește întotdeauna a fi „în siguranță” într-un singur punct, în ciuda faptului că înainte a avut timp să viziteze aproape peste tot în același timp. Această stare a unui electron, atunci când este situat în mai multe puncte din spațiu simultan, se numește suprapunerea stărilor cuanticeși sunt de obicei descrise de funcția de undă introdusă în 1926 de fizicianul german E. Schrödinger. Valoarea absolută a funcției de undă în orice punct, la pătrat, determină probabilitatea de a găsi o particulă în acel punct la un moment dat. După măsurarea poziției unei particule, funcția ei de undă, așa cum ar fi, se contractă (se prăbușește) până la punctul în care particula a fost detectată și apoi începe să se răspândească din nou. Proprietatea particulelor cuantice de a fi în mai multe stări în același timp, numită paralelism cuantic, a fost folosit cu succes în calculul cuantic.
bit cuantic
Unitatea de bază a unui computer cuantic este un bit cuantic sau, pe scurt, qubit(q-biți). Aceasta este o particulă cuantică care are două stări de bază, care sunt notate cu 0 și 1, sau, așa cum este obișnuit în mecanica cuantică, și. Două valori ale unui qubit pot corespunde, de exemplu, stărilor fundamentale și excitate ale unui atom, direcțiilor în sus și în jos ale rotației nucleului atomic, direcției curentului într-un inel supraconductor, două poziții posibile de un electron într-un semiconductor și așa mai departe.
registrul cuantic
Registrul cuantic este aranjat aproape în același mod ca și cel clasic. Acesta este un lanț de biți cuantici peste care pot fi efectuate operații logice pe unul și doi biți (similar cu utilizarea operațiilor NOT, 2AND-NOT etc. într-un registru clasic).
Stările de bază ale unui registru cuantic format din L qubiți cuprind, la fel ca în cel clasic, toate secvențele posibile de zerouri și unele de lungime L. În total, pot exista 2 L combinații diferite. Ele pot fi considerate ca o înregistrare a numerelor în formă binară de la 0 la 2 L -1 și notate. Cu toate acestea, aceste condiții de bază nu le epuizează pe toate valori posibile registrul cuantic (spre deosebire de cel clasic), deoarece există și stări de suprapunere specificate de amplitudini complexe legate de condiția de normalizare. Cele mai multe dintre valorile posibile ale registrului cuantic (cu excepția celor de bază) pur și simplu nu au un analog clasic. Stările registrului clasic sunt doar o umbră jalnică a întregii bogății de stări a unui computer cuantic.
Imaginează-ți că registrului i se aplică o influență externă, de exemplu, impulsurile electrice sunt aplicate unei părți a spațiului sau dirijate raze laser. Dacă acesta este un registru clasic, un impuls, care poate fi considerat o operație de calcul, va schimba L variabile. Dacă acesta este un registru cuantic, atunci același impuls se poate transforma simultan în variabile. Astfel, un registru cuantic, în principiu, este capabil să proceseze informații de multe ori mai rapid decât omologul său clasic. Acest lucru arată imediat că registrele cuantice mici (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.
Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că există o clasă de probleme pentru care algoritmii cuantici nu oferă o accelerare semnificativă în comparație cu cei clasici. Unul dintre primii care au arătat acest lucru a fost matematicianul rus Yu. Ozhigov, care a construit o serie de exemple de algoritmi care, în principiu, nu sunt accelerați pe un computer cuantic de un singur ciclu de ceas.
Cu toate acestea, nu există nicio îndoială că calculatoarele care funcționează conform legile mecanicii cuantice reprezintă o etapă nouă și decisivă în evoluția sistemelor de calcul. Rămâne doar să le construim.
CALCULATELE CUANTICE AZI
Prototipuri de calculatoare cuantice există deja astăzi. Adevărat, până acum au fost asamblate experimental doar registre mici, constând din câțiva biți cuantici. De exemplu, recent un grup condus de fizicianul american I. Chang (IBM) a anunțat asamblarea unui computer cuantic pe 5 biți. Fără îndoială, acesta este un mare succes. Din păcate, sistemele cuantice existente nu sunt încă capabile să ofere calcule fiabile, deoarece sunt fie insuficient controlabile, fie foarte susceptibile la zgomot. Cu toate acestea, nu există interdicții fizice privind construirea unui computer cuantic eficient, este necesar doar depășirea dificultăților tehnologice.
Există mai multe idei și propuneri despre cum să faci biți cuantici fiabili și ușor de gestionat.
I. Chang dezvoltă ideea de a folosi spinurile nucleelor unor molecule organice ca qubiți.
Cercetătorul rus M. V. Feigelman, care lucrează la Institutul de Fizică Teoretică. L. D. Landau, Academia Rusă de Științe, propune să asambleze registre cuantice din inele supraconductoare miniaturale. Fiecare inel joacă rolul unui qubit, iar stările 0 și 1 corespund direcției curentului electric din inel - în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic. Astfel de qubiți pot fi comutați printr-un câmp magnetic.
La Institutul de Fizică și Tehnologie al Academiei Ruse de Științe, un grup condus de academicianul K. A. Valiev a propus două opțiuni pentru plasarea qubiților în structurile semiconductoare. În primul caz, rolul unui qubit este jucat de un electron într-un sistem de două puțuri de potențial create de o tensiune aplicată mini-electrozilor de pe suprafața semiconductorului. Stările 0 și 1 sunt pozițiile electronului într-una dintre aceste godeuri. Qubit-ul este comutat prin schimbarea tensiunii pe unul dintre electrozi. Într-o altă versiune, qubit-ul este nucleul unui atom de fosfor încorporat într-un anumit punct în semiconductor. Stările 0 și 1 - direcția de rotație a nucleului de-a lungul sau împotriva câmpului magnetic extern. Controlul se realizează folosind acțiunea comună a impulsurilor magnetice de frecvență de rezonanță și impulsuri de tensiune.
Astfel, cercetările se desfășoară în mod activ și se poate presupune că în viitorul foarte apropiat - în zece ani - va fi creat un computer cuantic eficient.
O privire în viitor
Astfel, este foarte posibil ca în viitor calculatoarele cuantice să fie fabricate folosind metode tradiționale ale tehnologiei microelectronice și să conțină mulți electrozi de control, asemănător unui microprocesor modern. Pentru a reduce nivelul de zgomot, care este critic pentru funcționarea normală a unui computer cuantic, primele modele vor trebui, cel mai probabil, să fie răcite cu heliu lichid. Este probabil ca primele computere cuantice să fie dispozitive voluminoase și costisitoare, care nu se potrivesc pe un birou și sunt conduse de un personal numeros de programatori de sisteme înveliți în alb și tehnicieni hardware. La ele vor avea acces la început doar structurile de stat, apoi organizațiile comerciale bogate. Dar era computerelor convenționale a început cam în același mod.
Și ce se va întâmpla cu computerele clasice? Vor muri? Cu greu. Atât computerele clasice, cât și cele cuantice au propriile lor aplicații. Deși, aparent, raportul din piață se va deplasa în continuare treptat către acesta din urmă.
Introducerea calculatoarelor cuantice nu va duce la rezolvarea unor probleme clasice fundamental de nerezolvat, ci doar va accelera unele calcule. În plus, comunicarea cuantică va deveni posibilă - transferul de qubiți la distanță, ceea ce va duce la apariția unui fel de Internet cuantic. Comunicarea cuantică va oferi o conexiune protejată (prin legile mecanicii cuantice) împotriva interceptării cu urechea a tuturor. Informațiile dvs. stocate în bazele de date cuantice vor fi mai protejate împotriva copierii decât sunt acum. Companiile care produc programe pentru calculatoare cuantice le vor putea proteja de orice copiere, inclusiv ilegală.
Pentru o înțelegere mai profundă a acestui subiect, puteți citi articolul de recenzie al lui E. Riffel, V. Polak „Fundamentals of Quantum Computing”, publicat în revista rusă „Quantum Computers and Quantum Computing” (nr. 1, 2000). (Apropo, acesta este primul și până acum singurul jurnal din lume dedicat calculului cuantic. Informații suplimentare despre aceasta pot fi găsite pe internet la http://rcd.ru/qc .). După ce stăpâniți această lucrare, veți putea citi articole științifice despre calculul cuantic.
O pregătire preliminară matematică ceva mai mare va fi necesară când se citește cartea lui A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly „Classical and Quantum Computing” (Moscova: MTsNMO-Chero, 1999).
O serie de aspecte fundamentale ale mecanicii cuantice care sunt esențiale pentru calculul cuantic sunt analizate în cartea „Teleportarea cuantică - un miracol obișnuit” de V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev (Izhevsk: RHD, 2000).
Editura RCD se pregătește să publice o traducere a recenziei lui A. Steen despre computerele cuantice ca o carte separată.
Următoarea literatură va fi utilă nu numai în termeni cognitivi, ci și istorici:
1) Yu. I. Manin. Calculabil și necalculabil.
M.: Sov. radio, 1980.
2) I. von Neumann. Fundamentele matematice ale mecanicii cuantice.
Moscova: Nauka, 1964.
3) R. Feynman. Simularea fizicii pe computere // Calculator cuantic și calcul cuantic:
sat. în 2 volume - Izhevsk: RHD, 1999. Vol. 2, p. 96-123.
4) R. Feynman. Calculatoare cuantice mecanice
// Ibid., p. 123.-156.
Vedeți într-o cameră pe același subiect
