Omenirea, la fel ca acum 60 de ani, este din nou în pragul unei descoperiri grandioase în domeniul tehnologiilor 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 a încetinit recent, 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. Bazele teoretice ale cum ar trebui să arate computerele cuantice au fost formulate de Paul Benioff.
Principiul de funcționare al unui computer cuantic
Pentru a înțelege cum funcționează noul procesor, 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 computere, 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. De foarte 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.
O altă trăsătură distinctivă pe care o au computerele cuantice este capacitatea calculului cuantic de a găsi rapid codul sau cifrul potrivit. 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 cele mai potrivite opțiuni la viteza fulgerului într-un timp fără precedent. Tranzacțiile bancare vor fi descifrate cât ai clipi, 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, semnalul transmis va fi distorsionat. 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 eliminare 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 de pe piața tehnologiei informatice va rezolva problemele de învățare automată în sortarea și analiza matricelor 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 unei tehnologii de calcul fundamental noi.
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 cercetării 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.
25-09-2017, 16:25
În articolul de astăzi, nu vom lua în considerare nici complexitatea evenimentelor din trecut, nici perversiunile paraștiințifice ale prezentului. Astăzi vom încerca să privim în viitor.
Subiectul emblematic al conversațiilor despre viitor este adesea problema tehnologiei - și, trebuie remarcat, este absolut meritată. Dintre toți factorii care influențează mișcarea angrenajelor procesului istoric, dinamica schimbărilor în structura tehnologică poate fi numită cea mai puternică. De-a lungul istoriei, atât instituțiile sociale, cât și imperii întregi, și în unele cazuri chiar civilizații, au devenit victime ale introducerii treptate a noilor tehnologii și ale pierderii bruște a sensului în cele vechi. Din această cauză, dorința de a întâlni un nou lot de schimbări pregătite pare mai mult decât firească.
Dar, în același timp, trebuie remarcat faptul că futurologia tehnologică modernă este în mare măsură afectată de vizionarismul motivat emoțional de un tip destul de prost. Unul în care calitatea prognozei este mai puțin prioritară decât dorința de a uimi și de a încânta publicul într-un mod elegant al unui viitor sfidător de înaltă tehnologie. Ideea, probabil, este că acest tip de futurologie nu este atât de fundamentală, cât aplicată în natură, servind mai degrabă sarcinilor de marketing aici și acum decât nevoii de a înțelege imaginea viitorului cândva mai târziu. Din această cauză, există idei destul de primitive că viitorul este atunci când:
1. totul este elegant, rotunjit și în mare parte alb (răposații Steve Jobs și Apple);
2. totul este electric, reutilizabil și durabil (Elon Musk și imperiul său SpaceX, Tesla și SolarCity);
3. totul cibernat, inteligent artificial și cu aplicații pentru modificarea naturii umane (Ray Kurzweil și Google, caz rar când fața imaginii viitorului nu este prima persoană din companie);
4. o combinație arbitrară a articolelor de mai sus (abonatul mediu al oricărui public pe teme științifice și tehnice).
Care este problema opțiunilor enumerate pentru viitor, așa cum o vedem de astăzi? Faptul că nu conțin cu adevărat opțiuni pentru viitor. Toate cele de mai sus sunt în cel mai bun caz potrivite ca o descriere a esteticii unor francize science fiction, o bucată din care publicului i se oferă să o cumpere sub formă de produse ale companiei corespunzătoare. Opțiunile enumerate sunt destul de slabe în ceea ce privește descrierea problemelor și soluțiilor reale, iar cele care sunt încă prezente sunt simplificate și, pentru a spune ușor, nu sunt controversate.
Aici, s-ar părea, expresia „și acum vă voi arăta o adevărată futurologie de înaltă calitate” sugerează de la sine. Ea, însă, nu o va face. O astfel de afirmație ar fi prea îndrăzneață și prezumtivă. În schimb, să luăm în considerare doar o singură problemă tehnologică care va viza perspectivele de dezvoltare a bazei de elemente informatice. Și cât de bine va ieși - să judecați, dragi cititori, în primul rând pentru voi.
Relativ recent, șeful statului a propus un curs spre construirea unei economii digitale. Aceasta a fost percepută de mulți ca o propunere de a face din sectorul IT locomotiva economiei ruse, la figurat vorbind, „petrol nou”. Ceea ce nu este în întregime corect și, sincer, reduce conceptul propus la populism banal. În sine, tehnologiile informaționale nu sunt capabile să fie nici un fel de locomotivă, deoarece nu creează nimic material, ci doar ajută la întreținerea și exploatarea acestui material. Sectorul IT pur și simplu nu poate exista fără dezvoltarea altor industrii pe care le automatizează. Unii chiar au criticat această inițiativă din aceste poziții. Dar este corect?
Pentru a nu opera cu modele simplificate, presupuneri și cai sferici în vid, să trecem la sursa originală. Adică direct la textul programului „Economia digitală a Federației Ruse”, aprobat prin Decretul Guvernului nr. 1632-r din 28 iulie 2017.
„Principalele tehnologii digitale end-to-end care sunt incluse în domeniul de aplicare al acestui Program sunt:
- Date mare;
- neurotehnologii și inteligență artificială;
- sisteme de registre distribuite;
- tehnologii cuantice;
- noi tehnologii de productie;
- Internet industrial;
- componente de robotică și senzori;
- tehnologii de comunicare fără fir;
- tehnologii de realitate virtuală și augmentată.
După cum puteți vedea, nu este vorba doar și nu atât de mult despre sectorul IT. O atenție deosebită în contextul conversației noastre despre imaginea viitorului merită un astfel de articol pe această listă ca „tehnologii cuantice”. Dintre toate cele de mai sus, poate că el este cel care ar putea avea impactul maxim asupra formării următoarei ordini tehnologice. Dar pentru a înțelege de ce exact, conversația va trebui să înceapă de departe.
Există o astfel de valoare - douăzeci de nanometri. Acesta este punctul zero și douăzeci și cinci de miimi din grosimea unui fir de păr uman și, rotunjit, punctul zero și trei miimi din diametrul unei celule roșii din sânge. Este, de asemenea, dimensiunea minimă a porții a unui tranzistor utilizat în procesoarele moderne produse în serie.
În doar câteva decenii, miniaturizarea electronicii a obținut un succes cu adevărat remarcabil, făcând posibilă crearea unor dispozitive care să încapă în buzunarul tău, a căror putere de calcul depășește cu o marjă colosală puterea totală necesară întregului program spațial sovietic. Iar astfel de dispozitive nu sunt curiozități unice care există într-un singur exemplar în unele laboratoare extrem de secrete, ci o parte integrantă a vieții noastre. De pe ecranul unuia dintre aceste dispozitive, este posibil să citiți acest articol.
Uimitor, nu-i așa? Dar rar se gândește cineva la asta și nu din lipsă de curiozitate. Dezvoltarea rapidă a tehnologiei informatice a devenit deja ceva familiar, poate chiar banal. Când numărul de tranzistori pe care producătorii reușesc să îi pună pe un cip de procesor standard se dublează în medie la fiecare doi ani, este greu de așteptat la un entuziasm pronunțat la fiecare iterație a acestei acțiuni. Dimpotrivă, începe să pară normal. Iar tendința, în timpul existenței căreia a reușit să crească o întreagă generație, începe să pară eternă. Dar nu este. Și într-un viitor nu prea îndepărtat, această sărbătoare a miniaturizării se poate, dacă nu se va termina complet, atunci crește semnificativ decalajul de timp.
Faptul este că dimensiunea minimă fizic posibilă a porții a unui tranzistor de siliciu funcțional este de cinci nanometri. Sub această valoare, are loc un fenomen numit „efect de tunel”, care se rezumă la faptul că electronii au posibilitatea de a sparge bariera de potențial a tranziției pn (își mai amintesc ce este de la un curs de fizică?) și , aproximativ vorbind, încep să „umblu” liber în tranzistoarele de procesor vecine. Nu este greu de ghicit ce consecințe va implica acest lucru pentru procesul de calcul în curs. O analogie destul de apropiată, cred, ar fi o pisică care decide să urmărească șoarecii în jurul tastaturii pianului, pe care în acel moment încearcă să cânte Beethoven. Este puțin probabil ca sunetele rezultate să fie foarte asemănătoare cu așteptatul „Moonlight Sonata”.
Multă vreme s-a crezut că aceasta este limita extremă, după care creșterea din nou a productivității computerelor, ca în vremurile „lampii calde”, va duce la o creștere a dimensiunii acestora. Iar această limită, dacă ritmul miniaturizării va continua, va fi atinsă în aproximativ patru ani.
Cu toate acestea, nu totul este atât de fatal. În 2016, o echipă de fizicieni de la Lawrence National Laboratory din Berkeley, California, a reușit să creeze un tranzistor cu o dimensiune a porții de doar 1 nanometru. Pentru a face acest lucru, au trebuit să înlocuiască siliciul obișnuit cu molibdenită (disulfură de molibden) și să folosească un nanotub de carbon ca material pentru obturatorul în sine.
Desigur, nu totul este atât de simplu. Este încă foarte departe de posibilitatea producerii în masă a unor astfel de tranzistoare, momentan, din câte slujitorul tău ascultător știe informațiile, configurația lor pe cipul procesorului nici măcar nu a fost testată încă. În plus, este necesar să înțelegem diferența cheie dintre siliciul vechi bun (conținutul din scoarța terestră în masă este mai mare de douăzeci și cinci la sută) și molibden (conținutul din scoarța terestră în masă este de trei ori zece față de minus). a patra putere a unui procent). Molibdenul este mult mai scump, chiar dacă vorbim despre forma liberă a molibdenitului găsită în natură. Și este puțin probabil ca nanotubul de grafen să reducă costul de producție. Cu toate acestea, posibilitatea fundamentală de a împinge înapoi limita inferioară a miniaturizării tranzistoarelor prin utilizarea de noi materiale poate fi considerată dovedită. Nu fără dificultate și, desigur, nu la infinit, dar este posibil.
Cu toate acestea, însăși existența limitei de miniaturizare, care timp de mulți ani a fost considerată definitivă și inviolabilă, nu a putut decât să stimuleze cercetarea în ceea ce privește găsirea unor soluții care ar putea să înlăture nevoia unei puteri de calcul crescute și să evite limitările inerente microelectronicii tranzistorilor. Rezultatul acestor studii a fost conceptul de computer cuantic.
Ideea calculului cuantic a fost exprimată pentru prima dată de matematicianul rus Yuri Ivanovich Manin în cartea Computable and Uncomputable (1980). Curând după aceea, fizicianul american Richard Feynman a propus primul model de bază al unui computer cuantic în celebra sa prelegere „There's Enough Space Down There” (1981). La acea vreme, însă, încă nu se vorbea despre modalități de a ocoli limitele miniaturizării - conform lui Manin și Feynman, nișa calculatoarelor cuantice era simularea evoluției unui sistem cuantic, care, datorită naturii domeniul subiectului, nu a fost susceptibil de simulare acceptabil de precisă și eficientă pe computerele clasice.
Ideea calculului cuantic în sine, dacă încercați să o exprimați într-un limbaj mai mult sau mai puțin înțeles pentru cei neinițiați, se bazează pe faptul că, dacă o creștere a numărului de tranzistori ai unui procesor clasic dă o creștere liniară a numărul de stări binare descrise, apoi pentru elemente cuantice cu două niveluri, denumite altfel biți cuantici sau, prescurtare pentru qubiți, creșterea va fi exponențială. Având în vedere că un singur qubit poate procesa la fel de multă informație ca un singur tranzistor: exact un bit. Acest lucru devine posibil datorită combinației dintre principiul suprapunerii cuantice (un obiect aflându-se simultan în două stări care se exclud reciproc) și fenomenul de încurcare cuantică (interdependența stărilor cuantice a două sau mai multe obiecte).
În același timp, într-o conversație despre qubiți, cuvântul „miniaturizare” în sine nu este nici măcar potrivit, deoarece diferite versiuni ale „corpului său de lucru” (fizicienii cuantici să mă ierte un astfel de argo) pot fi:
- direcția spinului nuclear într-un punct cuantic pe un semiconductor;
- perechea Cooper (electron-fonon-electron) în punctul supraconductorului;
- atomi în capcane optice.
Cu alte cuvinte, vorbim despre scarile particulelor elementare, a căror stare este controlată, în funcție de implementare, fie de un flux de fotoni, fie de un câmp magnetic superslab. Mai mic, poate, deja nicăieri. Adăugați la aceasta creșterea exponențială a vitezei de calcul în comparație cu computerele clasice - iar posibilitățile care se deschid încep să pară aproape nelimitate.
Dar în multe feluri - se pare. Pentru că, ca întotdeauna cu orice tehnologie inovatoare, există o mulțime de nuanțe.
Datorită faptului că măsurarea stării unui sistem cuantic modifică și această stare (după principiul incertitudinii Heisenberg), rezultatul unui calcul cuantic capătă o proprietate foarte interesantă: este corect doar cu o anumită probabilitate. Această probabilitate poate fi adusă semnificativ mai aproape de sută la sută dacă calculul se repetă de mai multe ori și se dezvăluie convergența rezultatelor la o anumită valoare. Cu toate acestea, din această cauză (de fapt - nu numai, dar deja complet „debordează bolul”), algoritmii computerelor clasice pentru calculul cuantic sunt inaplicabili. Un computer cuantic funcționează conform unor algoritmi cuantici speciali, a căror dezvoltare duce la o direcție promițătoare separată.
De asemenea, starea unui sistem cuantic încurcat este un lucru extrem de sensibil la absolut orice influență externă. Scuză-mă oricine, care este capabil să introducă distorsiuni în procesul de calcul, dacă nu să distrugă complet sistemul cuantic. Astfel, fără cercetări suplimentare foarte extinse privind ecranarea influențelor externe, aplicarea în masă a calculatoarelor cuantice este extrem de dificilă.
Una dintre cele mai dificile probleme în calculul cuantic este așa-numita problemă de scalare, care este legată de același principiu al incertitudinii Heisenberg. Întrebarea este, din ce număr maxim de qubiți cuplati se poate construi un computer cuantic înainte de efectul de decoerență, cunoscut și sub denumirea de reducere von Neumann, sau prăbușirea funcției de undă, în forma cea mai simplificată - acumularea de distorsiuni ca un rezultat al măsurătorilor, va face imposibilă calculul unui rezultat clar. Această întrebare face obiectul unui domeniu științific separat în dezvoltare rapidă - mecanica cuantică a mai multor particule, iar răspunsul la aceasta, pentru a spune simplu, depinde de natura fizică a decoerenței, care este în prezent necunoscută științei.
Cu toate acestea, limitarea asociată cu decoerența, dacă va fi dezvăluită, nu va deveni în niciun caz un verdict fără echivoc pentru întreaga direcție a calculului cuantic. În cele din urmă, nu este absolut necesar să se mențină absolut toți qubiții unui computer într-o stare de entanglement cuantic - o arhitectură care folosește clustere de qubiți independente este destul de posibilă. Cu toate acestea, pentru dezvoltarea ulterioară a direcției, este necesar să se clarifice această problemă.
Și, în sfârșit, încă o nuanță asociată cu calculul cuantic este că nu toți algoritmii se pretează la accelerarea cuantică. Mai mult, sunt chiar o minoritate. Acest lucru, totuși, încetează să arate ca ceva fatal dacă te uiți la ce algoritmi pot fi încă accelerați. Și aceștia sunt în mare parte algoritmi pentru rezolvarea problemelor de enumerare. Sună destul de simplu, poți chiar să spui - simplu, dar sarcinile se bazează pe ele:
- modelarea şi prognozarea dinamicii structurale a sistemelor complexe, de la cuantică propriu-zisă la cele biologice şi, foarte posibil, sociale;
- criptografia, unde algoritmii cuantici sunt teoretic capabili atât să spargă majoritatea cifrurilor moderne care sunt considerate fiabile într-un timp rezonabil, cât și să-și construiască proprii algoritmi de criptare care le depășesc pe toți cei existente în fiabilitate;
- inteligența artificială, unde viteza de rezolvare a diverselor probleme de enumerare este, în principiu, un parametru de importanță critică.
Adică, deși lista sarcinilor susceptibile de accelerare cuantică este limitată, sarcinile prezentate în ea sunt cele mai importante din etapa modernă de dezvoltare a tehnologiei computerelor.
Ei bine, dacă trecem la nuanțele de calcul cuantic, clasificate mai mult ca fiind plăcute, atunci descărcarea cuantică minimă nu este atât de strâns legată de logica binară precum tranzistorul clasic, iar crearea unui qutrit (o celulă cu trei stări) este nu mult mai complex decât crearea unui qubit. Și asta deschide perspective foarte interesante. Potrivit cercetărilor unui grup de oameni de știință de la Universitatea din Queensland (Australia), publicate în 2008, utilizarea celulelor multidimensionale, în principiu, poate simplifica semnificativ implementarea algoritmilor cuantici și a calculatoarelor.
În plus, logica ternară în sine, chiar și fără a ține cont de caracteristicile implementării fizice, are o serie de avantaje în comparație cu logica binară, care în termeni generali se rezumă la o mai mare fiabilitate a calculelor, o creștere suplimentară de două ori a vitezei la rezolvarea problemelor de adunare. , și o mai mare comoditate atunci când rezolvați probleme care implică natura ternară, cum ar fi procesarea imaginilor RGB (inclusiv recunoașterea modelelor) sau sarcini de modelare 3D. În același timp, logica ternară poate fi percepută ca o extensie a binarului inclus în ea, ca un subset, datorită căruia computerul ternar poate face totul la fel ca cel binar - și puțin mai mult decât atât. Calculatoarele ternare nu au fost utilizate pe scară largă din cauza costului, de cel puțin o dată și jumătate mai mare decât costul unei mașini binare. Cu toate acestea, în cazul calculatoarelor cuantice, diferența de cost așteptată va fi mai mică. De ce nu?
Un computer cuantic universal cu drepturi depline rămâne în acest moment un dispozitiv pur ipotetic. Cu toate acestea, până în prezent, procesoare cuantice eficiente au fost create în multe laboratoare științifice din întreaga lume, printre care putem evidenția un dispozitiv cu doi qubiți creat în Laboratorul de supraconductivitate din Moscova de către grupul lui Yu. Pashkin (2005) și un comun ruso-american. proiect al unui computer de 51 de qubiți dezvoltat sub conducerea lui M. Lukin și fiind cel mai complex sistem de acest gen existent (2017). Acestea și alte mașini similare sunt de obicei create pentru a rezolva o singură problemă, în principal pentru cercetarea în domeniul mecanicii cuantice, unde au contribuit deja la descoperirea unui număr de efecte necunoscute anterior.
Separat, putem aminti prima experiență disponibilă în crearea de calculatoare cuantice comerciale de către compania canadiană D-Wave. Cu toate acestea, acest exemplu este destul de controversat. Calculatoarele D-Wave funcționează pe principii oarecum diferite de alte arhitecturi cuantice și nu sunt potrivite pentru implementarea algoritmilor cuantici tradiționali, rezolvând o singură problemă - optimizarea discretă. În plus, informații care confirmă că D-Wave este mai rapid decât un computer convențional și că este, în principiu, cuantic (folosește efectul întanglementării cuantice), care nu ar proveni de la D-Wave în sine sau Google, care l-a luat drept un partener în dezvoltarea inteligenței artificiale, nu este disponibil. Desigur, nu vom face declarații tare, dar acest lucru ridică anumite întrebări, mai ales în lumina faptului că Lockheed Martin este cel mai mare client pentru D-Wave și se vorbește mult despre scara colosală a lucrărilor de tăiere și transport. în industria americană de apărare. Sapienti sat.
De fapt, pentru ce sunt toate acestea, în special - în lumina programului de economie digitală adoptat de noi și a evoluțiilor rusești în domeniul calculului cuantic subliniate în textul de mai sus. Ei bine, și direct previziuni futurologice.
Aproape toată lumea a auzit despre apariția unei noi ere a informației. Dar, în același timp, o percepție „pop” destul de incorectă a fenomenului este răspândită: ca un fel de utopie IT, în care roboții lucrează, iar oamenii fie scriu programe pentru ei, fie „generează conținut” conectându-și de la distanță gadgetul la un server de lucru dintr-o statiune tropicala.
Dar în practică nu este cazul. În realitate, există mai degrabă o accelerare fără precedent a proceselor economice și sociale, cauzată de posibilitatea fundamentală de a obține cantități semnificative de informații aproape în timp real din partea opusă a globului. Adică, punctul este mai degrabă în dezvoltarea sistemelor de comunicații și distribuția lor globală. În aceste condiții, informațiile capătă cu adevărat o valoare deosebită, deoarece vă permit să răspundeți în timp la evenimentele care se dezvoltă rapid. Dar doar accesul la informație nu este suficient, deoarece uneori există chiar prea multă informație în sine - în ciuda faptului că poate fi fragmentată, incompletă, incorectă sau chiar dezinformare. Acest lucru generează o nevoie în continuă creștere pentru instrumente puternice și fiabile pentru procesarea informațiilor primite și dezvoltarea de soluții bazate pe acestea.
Astfel, în ciuda faptului că importanța industriilor „arhaice” (care sunt mai puțin norocoase cu managerii de PR) nu a fost anulată, ar trebui să ne așteptăm la un fel de „cursă înarmărilor” în crearea unor astfel de sisteme, care în cele nu atât de îndepărtate. viitorul poate deveni (sau chiar - devine deja) nu o afacere, ci o afacere de stat. Se poate chiar imagina o imagine (oarecum hipertrofiată într-un stil popular popular, dar totuși), în care dezbaterile furtunoase din parlament nu vor fi cauzate de o evaluare morală a exemplelor din industria divertismentului, ci de o comparație a graficelor complexe. a evoluţiei situaţiei construite de diverse sisteme. Cu o analiză detaliată a erorilor de modelare din aceste sisteme.
În același timp, oricine înțelege că un astfel de sistem, chiar și cel mai perfect, fără o bază de element nu înseamnă nimic. Și în ceea ce privește microelectronica tradițională, teoretic este posibil să intrați într-o cursă cu Silicon Valley, cu infrastructura deja existentă și zonele științifice de lucru, dar va fi deja posibil să intrați în primele poziții în ea... Poate că, este de asemenea posibil, dar foarte dificil și pentru o perioadă inacceptabil de lungă.
Și aici computerele cuantice atrag o atenție deosebită. În primul rând, faptul că situația cu baza de producție pentru crearea lor este aproximativ aceeași în toată lumea - această bază pur și simplu nu există. În al doilea rând, prin faptul că sarcinile pe care computerele cuantice le rezolvă cel mai bine coincid în mod remarcabil cu sarcinile puse de apariția erei informației. Și în al treilea rând, faptul că oamenii de știință ruși au propriile lor baze solide în calculul cuantic și, ceea ce ar trebui remarcat în mod special, nu în cadrul „rasei qubiților” globală generală, ci în propria lor direcție - dezvoltarea qubiților pe supraconductori. (care este dezvoltată în paralel de ambele subiecte).
Pentru a rezuma, se dovedește că în domeniul calculului cuantic, totul este în mâinile noastre. Și există șanse destul de reale de a face din această zonă unul dintre pilonii (împreună cu, de exemplu, energia nucleară, spațiul și industria de apărare) ai conducerii noastre viitoare. Și pentru asta trebuie să începem să lucrăm foarte strâns la asta chiar acum - chiar dacă mai este timp.
Calculatoarele cuantice promit o adevărată revoluție, nu numai în calcul, ci și în viața reală. Mass-media este plină de titluri despre modul în care computerele cuantice vor distruge criptografia modernă, iar puterea inteligenței artificiale, datorită lor, va crește cu ordine de mărime.
În ultimii 10 ani, calculatoarele cuantice au trecut de la teorie pură la primele prototipuri funcționale. Adevărat, mai este un drum lung de parcurs până la revoluția promisă, iar influența ei în cele din urmă poate să nu fie atât de cuprinzătoare pe cât pare acum.
Cum funcționează un computer cuantic
Un computer cuantic este un dispozitiv care folosește fenomenele de suprapunere cuantică și întanglement cuantic. Elementul principal în astfel de calcule este qubitul sau bitul cuantic. În spatele tuturor acestor cuvinte se află matematică și fizică destul de complexe, dar dacă le simplificăm cât mai mult posibil, obținem ceva de genul următor.
În calculatoarele convenționale, avem de-a face cu biți. Bit - o unitate de informație în sistemul binar. Poate lua valoarea 0 și 1, ceea ce este foarte convenabil nu numai pentru operațiunile matematice, ci și pentru cele logice, deoarece zero i se poate atribui valoarea „fals” și unul - „adevărat”.
Procesoarele moderne sunt construite pe baza tranzistoarelor, elemente semiconductoare care pot trece sau nu curent electric. Cu alte cuvinte, scoateți două valori 0 și 1. În mod similar, în memoria flash, un tranzistor cu poartă plutitoare poate stoca o încărcare. Dacă există, obținem unul; dacă nu există, obținem zero. Înregistrarea digitală magnetică funcționează într-un mod similar, doar purtătorul de informații de acolo este o particulă magnetică, având sau nu încărcătură.
În calcule citim din memorie valoarea unui bit (0 sau 1) și apoi trecem curent prin tranzistor și, în funcție de trecerea acestuia sau nu, obținem la ieșire un nou bit, eventual având o altă valoare.
Ce sunt qubiții pentru calculatoarele cuantice? Într-un computer cuantic, elementul principal este un qubit - un bit cuantic. Spre deosebire de un bit obișnuit, acesta se află într-o stare de suprapunere cuantică, adică are o valoare atât 0, cât și 1 și orice combinație a acestora la un moment dat. Dacă există mai mulți qubiți în sistem, atunci schimbarea unuia implică și schimbarea tuturor celorlalți qubiți.
Acest lucru vă permite să calculați simultan toate opțiunile posibile. Un procesor convențional cu calculele sale binare calculează de fapt opțiunile secvenţial. Mai întâi un scenariu, apoi altul, apoi al treilea și așa mai departe. Pentru a accelera, au început să folosească multithreading, rulând calcule în paralel, prefaching pentru a prezice posibile opțiuni de ramificare și a le calcula în avans. Într-un computer cuantic, totul se face în paralel.
Principiul de calcul este, de asemenea, diferit. Într-un fel, un computer cuantic conține deja toate opțiunile posibile pentru rezolvarea problemei, sarcina noastră este doar să citim starea qubiților și... să alegem opțiunea corectă dintre aceștia. Și aici încep dificultățile. Acesta este principiul de funcționare al unui computer cuantic.
Crearea unui computer cuantic
Care va fi natura fizică a unui computer cuantic? Doar particulele pot atinge o stare cuantică. Nu puteți construi un qubit din mai mulți atomi, ca un tranzistor. Până acum, această problemă nu a fost pe deplin rezolvată. Există mai multe opțiuni. Stările de sarcină ale atomilor sunt utilizate, de exemplu, prezența sau absența unui electron într-un punct obișnuit, elemente supraconductoare, fotoni etc.
Astfel de „probleme subtile” impun, de asemenea, restricții asupra măsurătorilor stării qubiților. Energiile sunt extrem de scăzute, sunt necesare amplificatoare pentru a citi datele. Dar amplificatoarele pot afecta un sistem cuantic și pot schimba stările acestuia, cu toate acestea, nu numai ele, ci chiar și faptul de a observa poate fi important.
Calculul cuantic implică o succesiune de operații care sunt efectuate pe unul sau mai mulți qubiți. Acestea, la rândul lor, duc la schimbări în întregul sistem. Sarcina este de a alege cel corect din stările sale, care dă rezultatul calculelor. În acest caz, pot exista în mod arbitrar multe stări care sunt cât mai aproape de una. În consecință, acuratețea unor astfel de calcule va diferi aproape întotdeauna de unitate.
Astfel, pentru un computer cuantic cu drepturi depline, sunt necesare progrese semnificative în fizică. În plus, programarea pentru un computer cuantic va fi diferită de ceea ce există acum. În cele din urmă, calculatoarele cuantice nu vor putea rezolva probleme pe care cele obișnuite nu le pot, dar pot accelera soluțiile celor pe care le pot gestiona. Adevărat, din nou, nu toate.
Numărând pe qubiți, computer cuantic qubit
Treptat, problemele pe drumul către un computer cuantic sunt eliminate. Primii qubiți au fost construiți la începutul secolului. Procesul s-a accelerat la începutul deceniului. Astăzi, dezvoltatorii sunt deja capabili să producă procesoare cu zeci de qubiți.
Cea mai recentă descoperire a fost crearea procesorului Bristlecone în măruntaiele Google. În martie 2018, compania a declarat că a fost capabilă să construiască un procesor de 72 de qubiți. Pe ce principii fizice este construit Bristlecone, Google nu raportează. Cu toate acestea, se crede că 49 de qubiți sunt suficienți pentru a atinge „superioritatea cuantică”, atunci când un computer cuantic începe să-l depășească pe unul convențional. Google a reușit să îndeplinească această condiție, dar rata de eroare de 0,6% este încă mai mare decât cea cerută de 0,5%.
În toamna lui 2017, IBM a anunțat crearea unui prototip de procesor cuantic de 50 de qubiți. El este testat. Dar în 2017, IBM și-a deschis procesorul de 20 de qubiți pentru cloud computing. În martie 2018, a fost lansată o versiune mai mică a IBM Q. Oricine poate experimenta pe un astfel de computer. Pe baza rezultatelor lor, au fost deja publicate 35 de lucrări științifice.
La începutul celei de-a 10-a aniversări, a apărut pe piață compania suedeză D-Wave, care și-a poziționat calculatoarele cuantice. A generat multe controverse, deoarece a anunțat crearea de mașini de 1000 de qubiți, în timp ce liderii recunoscuți „făceau” doar câțiva qubiți. Calculatoarele de la dezvoltatori suedezi au fost vândute cu 10-15 milioane de dolari, așa că nu a fost atât de ușor să le verifici.
Calculatoarele D-Wave nu sunt cuantice în sensul direct al cuvântului, dar folosesc unele efecte cuantice care pot fi aplicate pentru a rezolva unele probleme de optimizare. Cu alte cuvinte, nu toți algoritmii care pot fi executați pe un computer cuantic primesc accelerație cuantică pe D-Wave. Google a achiziționat unul dintre sistemele suedezilor. Drept urmare, cercetătorii săi au recunoscut computerele drept „cuantice limitate”. În același timp, s-a dovedit că qubiții sunt grupați în grupuri de opt, adică numărul lor real este vizibil mai mic decât cel declarat.
Calculator cuantic în Rusia
Școala tradițională puternică de fizică face posibilă contribuția semnificativă la soluționarea problemelor fizice pentru crearea unui computer cuantic. În ianuarie 2018, rușii au creat un amplificator de semnal pentru un computer cuantic. Având în vedere că amplificatorul în sine este capabil să influențeze starea qubiților prin funcționarea sa, nivelul de zgomot generat de acesta ar trebui să difere puțin de cel „vid”. Acest lucru a fost realizat de oamenii de știință ruși de la laboratorul „Superconducting Metamaterials” al NUST „MISiS” și două institute ale Academiei Ruse de Științe. S-au folosit supraconductori pentru a crea amplificatorul.
Un centru cuantic a fost creat și în Rusia. Este o organizație neguvernamentală de cercetare implicată în cercetare în domeniul fizicii cuantice. În special, ea se ocupă de problema creării qubiților. În spatele centrului se află omul de afaceri Serghei Belousov și profesorul de la Universitatea Harvard Mihail Lukin. Sub conducerea sa, la Harvard fusese deja creat un procesor de 51 de qubiți, care cu ceva timp înainte de anunțul Bristlecon era cel mai puternic dispozitiv de computer cuantic din lume.
Dezvoltarea calculului cuantic a devenit parte a programului de stat al economiei digitale. În 2018-20, sprijinul statului va fi alocat pentru lucrări în acest domeniu. Planul de acțiune prevede crearea unui simulator cuantic bazat pe opt qubiți supraconductori. După aceea, se va decide problema extinderii în continuare a acestei tehnologii.
În plus, până în 2020 Rusia va testa o altă tehnologie cuantică: construirea de qubiți pe atomi neutri și ioni încărcați în capcane.
Unul dintre obiectivele programului este de a crea dispozitive pentru criptografia cuantică și comunicațiile cuantice. Vor fi create centre de distribuție cu cheie cuantică, care le vor distribui consumatorilor - bănci, centre de date, întreprinderi din industrie. Se crede că un computer cuantic cu drepturi depline poate sparge orice algoritm modern de criptare în câteva minute.
În cele din urmă
Deci, computerele cuantice sunt încă experimentale. Este puțin probabil ca înainte de următorul deceniu să apară un computer cuantic cu drepturi depline, care oferă o putere de calcul cu adevărat mare. Producția de qubiți și construcția de sisteme stabile din aceștia este încă departe de a fi perfectă.
Judecând după faptul că la nivel fizic, calculatoarele cuantice au mai multe soluții care diferă ca tehnologie și, probabil, ca cost, acestea nu vor mai fi unificate încă 10 ani.Procesul de standardizare poate dura mult timp.
În plus, este deja clar că computerele cuantice sunt susceptibile de a fi dispozitive „uniformizate” și foarte scumpe în următorul deceniu. Este puțin probabil ca acestea să fie în buzunarul unui simplu utilizator, dar este de așteptat să apară lista de supercomputere.
Este probabil ca computerele cuantice să fie oferite în modelul „cloud”, atunci când cercetătorii și organizațiile interesate își pot folosi resursele.
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 peste 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. Prima 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 este explicat folosind 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 soluțiile posibile, sau cel puțin o combinație foarte mare a acestora, sunt testate și răspunsul este returnat. Într-un computer cuantic, nu există un 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 interacțiunea orbitalilor lor de electroni. Toate calculele mecanice cuantice sunt cuprinse în fiecare dintre ele. Numărul lor crește exponențial odată cu numărul de electroni simulați. De exemplu, pentru 50 de electroni, există 2 posibilități la puterea lui 50. 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 lui Landon Downes, președinte și co-fondator al 1QBit, un 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. Echipele din întreaga lume din startup-uri, corporații, universități și laboratoare guvernamentale se întrec pentru a construi mașini care utilizează diferite abordări ale procesării 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 că acest lucru se poate întâmpla anul acesta. Majoritatea persoanelor din interior spun că favoritul clar este grupul 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 în viața de zi cu zi nu funcționează așa. Cu toate acestea, aproximativ 1 milion de experimente efectuate de la începutul secolului al XX-lea arată că suprapunerea există. Iar următorul pas este să descoperi cum să folosești 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 procesorului cuantic este de așa natură încât executarea unei operații logice face posibilă lucrul cu toate pozițiile simultan. Și numărul de stări disponibile este 2 față de 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 să încercăm să reglați în așa fel încât unele căi către răspunsuri incorecte 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 între ele. 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 excelent, poate dura ani până să găsești 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 acesta este un mod alternativ de calcul, care în unele cazuri poate fi mai puternic. 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.
Lumea este în pragul unei alte revoluții cuantice. Primul computer cuantic va rezolva instantaneu probleme pe care cel mai puternic dispozitiv modern ia acum ani să le rezolve. Care sunt aceste sarcini? Cine beneficiază și cine este amenințat de utilizarea masivă a algoritmilor cuantici? Ce este o suprapunere de qubits, cum au învățat oamenii să găsească soluția optimă fără a trece prin miliarde de opțiuni? Răspundem la aceste întrebări sub titlul „Doar despre complex”.
Înainte de cea cuantică, teoria clasică a radiațiilor electromagnetice era în uz. În 1900, omul de știință german Max Planck, care el însuși nu credea în cuante, le considera o construcție fictivă și pur teoretică, a fost nevoit să admită că energia unui corp încălzit este emisă în porțiuni - cuante; astfel, ipotezele teoriei au coincis cu observațiile experimentale. Și cinci ani mai târziu, marele Albert Einstein a recurs la aceeași abordare atunci când a explicat efectul fotoelectric: la iradierea cu lumină, un curent electric a apărut în metale! Este puțin probabil că Planck și Einstein și-ar fi putut imagina că prin munca lor pun bazele unei noi științe - mecanica cuantică, care ar fi menită să transforme lumea noastră dincolo de recunoaștere și că în secolul XXI oamenii de știință vor fi aproape de a crea. un computer cuantic.
La început, mecanica cuantică a făcut posibilă explicarea structurii atomului și a ajutat la înțelegerea proceselor care au loc în interiorul acestuia. În general, vechiul vis al alchimiștilor despre transformarea atomilor unor elemente în atomi ai altora (da, chiar și în aur) s-a împlinit. Iar celebra formulă a lui Einstein E=mc2 a dus la apariția energiei nucleare și, ca urmare, a bombei atomice.
Procesor cuantic pe cinci qubiți de la IBM
Mai departe mai mult. Datorită muncii lui Einstein și a fizicianului englez Paul Dirac, în a doua jumătate a secolului XX a fost creat un laser - de asemenea o sursă cuantică de lumină ultrapură colectată într-un fascicul îngust. Cercetarea cu laser a adus Premiul Nobel la mai mult de o duzină de oameni de știință, iar laserele în sine și-au găsit aplicația în aproape toate domeniile activității umane - de la tăietoare industriale și pistoale cu laser la scanere de coduri de bare și corectarea vederii. Cam în același timp, au existat cercetări active în domeniul semiconductorilor - materiale cu care puteți controla cu ușurință fluxul de curent electric. Pe baza lor, au fost creați primii tranzistori - au devenit ulterior principalele blocuri de construcție ale electronicii moderne, fără de care acum nu ne putem imagina viața.
Dezvoltarea calculatoarelor electronice – calculatoare – a permis rezolvarea multor probleme rapid și eficient. Iar reducerea treptată a dimensiunii și costului acestora (datorită producției în masă) a deschis calea pentru calculatoare în fiecare casă. Odată cu apariția internetului, dependența noastră de sistemele informatice, inclusiv pentru comunicare, a devenit și mai puternică.
Richard Feynman
Dependența este în creștere, puterea de calcul este în continuă creștere, dar este timpul să recunoaștem că, în ciuda capacităților lor impresionante, computerele nu au reușit să rezolve toate problemele pe care suntem gata să le punem. Celebrul fizician Richard Feynman a fost unul dintre primii care a vorbit despre asta: în 1981, la o conferință, a declarat că este fundamental imposibil să calculezi cu exactitate un sistem fizic real pe computere obișnuite. Totul ține de natura sa cuantică! Efectele la microscală sunt ușor de explicat de mecanica cuantică și foarte rău - de mecanica clasică cunoscută nouă: descrie comportamentul obiectelor mari. Apoi, ca alternativă, Feynman a sugerat utilizarea calculatoarelor cuantice pentru a calcula sistemele fizice.
Ce este un computer cuantic și cum diferă el de computerele cu care suntem obișnuiți? Totul este despre modul în care ne prezentăm informațiile.
Dacă în computerele obișnuite biții - zerouri și unu - sunt responsabili pentru această funcție, atunci în computerele cuantice ei sunt înlocuiți cu biți cuantici (abreviați ca qubiți). Qubit-ul în sine este un lucru destul de simplu. Are încă două valori de bază (sau stări, după cum le place să spună în mecanica cuantică) pe care le poate lua: 0 și 1. Cu toate acestea, datorită unei proprietăți a obiectelor cuantice numită „suprapoziție”, un qubit poate prelua toate valorile care sunt o combinație a celor de bază. În același timp, natura sa cuantică îi permite să fie în toate aceste stări simultan.
Acesta este paralelismul calculului cuantic cu qubiți. Totul se întâmplă odată - nu mai trebuie să sortați toate opțiunile posibile pentru stările sistemului și exact asta face un computer obișnuit. Căutarea prin baze de date mari, compilarea unei rute optime, dezvoltarea de noi medicamente sunt doar câteva exemple de sarcini pe care algoritmii cuantici le pot accelera de multe ori. Acestea sunt sarcinile în care, pentru a găsi răspunsul corect, trebuie să treci printr-un număr mare de opțiuni.
În plus, pentru a descrie starea exactă a sistemului, puterea de calcul uriașă și cantitățile de RAM nu mai sunt necesare, deoarece 100 de qubiți sunt suficienți pentru a calcula un sistem de 100 de particule și nu trilioane de trilioane de biți. Mai mult, pe măsură ce numărul de particule crește (ca și în sistemele complexe reale), această diferență devine și mai semnificativă.
Una dintre sarcinile de enumerare s-a remarcat prin aparenta sa inutilitate - descompunerea numerelor mari în factori primi (adică divizibile doar între ele și unul). Aceasta se numește „factorizare”. Cert este că computerele obișnuite pot înmulți numere destul de repede, chiar dacă sunt foarte mari. Cu toate acestea, cu problema inversă a descompunerii unui număr mare rezultat din înmulțirea a două numere prime în factorii originali, computerele obișnuite se descurcă foarte prost. De exemplu, pentru a descompune un număr de 256 de cifre în doi factori, chiar și cel mai puternic computer va avea nevoie de mai mult de o duzină de ani. Dar un algoritm cuantic care poate rezolva această problemă în câteva minute a fost inventat în 1997 de matematicianul englez Peter Shor.
Odată cu apariția algoritmului Shor, comunitatea științifică s-a confruntat cu o problemă serioasă. La sfârșitul anilor 1970, pe baza complexității problemei de factorizare, criptografii au creat un algoritm de criptare a datelor care a devenit larg răspândit. În special, folosind acest algoritm, au început să protejeze datele de pe Internet - parole, corespondență personală, tranzacții bancare și financiare. Și după mulți ani de utilizare cu succes, s-a dovedit brusc că informațiile criptate în acest fel devin o țintă ușoară pentru algoritmul Shor care rulează pe un computer cuantic. Decriptarea cu ea devine o chestiune de câteva minute. Un lucru era bun: un computer cuantic care ar putea rula un algoritm mortal nu fusese încă creat.
Între timp, în întreaga lume, zeci de grupuri științifice și laboratoare au început să se angajeze în studii experimentale ale qubiților și posibilitatea de a crea un computer cuantic din aceștia. La urma urmei, una este să inventezi teoretic un qubit și alta este să îl traduci în realitate. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să se găsească un sistem fizic adecvat cu două niveluri cuantice care să poată fi folosite ca stări de bază ale qubitului - zero și unu. Însuși Feynman, în articolul său de pionierat, a sugerat utilizarea fotonilor răsuciți în direcții diferite în aceste scopuri, dar primii qubiți creați experimental au fost ioni capturați în capcane speciale în 1995. Ionii au fost urmați de multe alte realizări fizice: nuclee de atomi, electroni, fotoni, defecte în cristale, circuite supraconductoare - toate au îndeplinit cerințele.
Această diversitate avea meritele ei. Conduse de concurență acerbă, diverse grupuri științifice au creat qubiți din ce în ce mai avansați și au construit circuite din ce în ce mai complexe din ei. Qubiții aveau doi parametri concurenți principali: durata lor de viață și numărul de qubiți care puteau fi făcuți să funcționeze împreună.
Angajații Laboratorului de Sisteme Cuantice Artificiale
Durata de viață a qubiților a determinat cât timp a fost stocată starea cuantică fragilă în ei. Aceasta, la rândul său, a determinat câte operații de calcul ar putea fi efectuate pe qubit înainte ca acesta să „murească”.
Pentru funcționarea eficientă a algoritmilor cuantici, nu a fost nevoie de un qubit, ci de cel puțin o sută, în plus, lucrând împreună. Problema a fost că qubitilor nu le plăcea foarte mult să fie unul lângă altul și au protestat reducându-și dramatic durata de viață. Pentru a ocoli această ceartă a qubiților, oamenii de știință au trebuit să meargă la tot felul de trucuri. Și totuși, până în prezent, oamenii de știință au reușit să obțină maximum una sau două duzini de qubiți pentru a lucra împreună.
Deci, spre bucuria criptografilor, computerul cuantic este încă un lucru al viitorului. Deși nu este deloc atât de departe pe cât părea cândva, deoarece atât cele mai mari corporații precum Intel, IBM și Google, cât și statele individuale, pentru care crearea unui computer cuantic este o chestiune de importanță strategică, sunt implicate activ. în crearea sa.
Nu rata prelegerea:
