Pentru a dezvălui mai mult sau mai puțin pe deplin esența tehnologiilor computerizate cuantice, să ne atingem mai întâi de istoria teoriei cuantice.
Ea a luat naștere datorită a doi oameni de știință ale căror rezultate de cercetare au fost distinse cu premii Nobel: descoperirea cuantii de către M. Planck în 1918 și descoperirea fotonului de către A. Einstein în 1921.
Anul în care s-a născut ideea unui computer cuantic a fost 1980, când Benioff a reușit să demonstreze cu succes în practică corectitudinea teoriei cuantice.
Ei bine, primul prototip al unui computer cuantic a fost creat de Gershenfeld și Chuang în 1998 la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MTI). Același grup de cercetători a creat modele mai avansate în următorii doi ani.
Pentru un nespecialist, un computer cuantic este ceva absolut fantastic la scară; este o mașină de calcul, în fața căreia un computer obișnuit este ca un abac în fața unui computer. Și, desigur, acesta este ceva foarte departe de a fi realizat.
Pentru o persoană care este asociată cu calculatoarele cuantice, acesta este un dispozitiv ale cărui principii generale de funcționare sunt mai mult sau mai puțin clare, dar există o mulțime de probleme care trebuie rezolvate înainte de a putea fi implementat în hardware, iar acum multe laboratoare din jur. lumea folosește aceste obstacole și încearcă să fie depășite. 
Au existat progrese în tehnologia cuantică în trecut de către companii private, inclusiv IBM și DWays.
Ei raportează în mod regulat despre cele mai recente evoluții în acest domeniu astăzi. Cercetările sunt efectuate în principal de oameni de știință japonezi și americani. Japonia, în căutarea sa de lider mondial în hardware și software, cheltuiește sume uriașe de bani pentru dezvoltarea în acest domeniu. Potrivit vicepreședintelui Hewlett-Packard, până la 70% din toate cercetările au fost efectuate în țara soarelui răsare. Calculatoarele cuantice sunt unul dintre pașii companiei lor concentrate pentru a câștiga conducerea pe piața globală.
Ce explică dorința de a stăpâni aceste tehnologii? Avantajele lor semnificative incontestabile față de computerele cu semiconductor!
CE ESTE?
Un computer cuantic este un dispozitiv de calcul care funcționează pe baza mecanicii cuantice.
Astăzi, un computer cuantic la scară largă este un dispozitiv ipotetic care nu poate fi creat având în vedere datele disponibile în teoria cuantică.
Un computer cuantic nu folosește algoritmi clasici pentru calcule, ci procese mai complexe de natură cuantică, care sunt numite și algoritmi cuantici. Acești algoritmi folosesc efecte mecanice cuantice: întanglement cuantic și paralelism cuantic.
Pentru a înțelege de ce este nevoie de un computer cuantic, este necesar să ne imaginăm principiul funcționării acestuia.
În timp ce un computer convențional funcționează prin efectuarea de operații secvențiale pe zerouri și unități, un computer cuantic folosește inele de film supraconductor. Curentul poate curge prin aceste inele în direcții diferite, astfel încât un lanț de astfel de inele poate implementa simultan multe mai multe operațiuni cu zerouri și unu.
Puterea mare este principalul avantaj al unui computer cuantic. Din păcate, aceste inele sunt supuse chiar și celor mai mici influențe externe, în urma cărora direcția curentului se poate schimba, iar în acest caz calculele se dovedesc a fi incorecte.
DIFERENTA UNUI CALCULATOR CUANTUM DE UN CONVENTIONAL
Principala diferență dintre calculatoarele cuantice și cele convenționale este că stocarea, procesarea și transmiterea datelor nu au loc folosind „biți”, ci „qubiți” - pur și simplu, „biți cuantici”. Ca un bit obișnuit, un qubit poate fi în stările familiare „|0>” și „|1>”, și în plus - în starea de suprapunere A·|0> + B·|1>, unde A și B sunt numere complexe care îndeplinesc condiția | A |2 + | B |2 = 1.
TIPURI DE CALCULORE CUANTICE
Există două tipuri de calculatoare cuantice. Ambele se bazează pe fenomene cuantice, doar de o ordine diferită.
calculatoare bazate pe cuantificarea fluxului magnetic pe baza încălcărilor de supraconductivitate - joncțiuni Josephson. Efectul Josephson este deja folosit pentru a face amplificatoare liniare, convertoare analog-digitale, SQUID și corelatoare.Aceeași bază de elemente este folosită în proiect pentru a crea un computer petaflop (1015 op./s). S-a realizat experimental o frecvență de ceas de 370 GHz, care în viitor poate fi mărită la 700 GHz. Cu toate acestea, timpul de defazare al funcțiilor de undă din aceste dispozitive este comparabil cu timpul de comutare al supapelor individuale și, de fapt, deja familiar baza elementului este implementată pe principii noi, cuantice - flip-flops, registre și alte elemente logice.
Un alt tip de calculatoare cuantice, numite și calculatoare cuantice coerente, necesită menținerea coerenței funcțiilor de undă ale qubiților utilizați pe tot parcursul timpului de calcul - de la început până la sfârșit (un qubit poate fi orice sistem mecanic cuantic cu două niveluri de energie dedicate). Ca rezultat, pentru unele probleme, puterea de calcul a calculatoarelor cuantice coerente este proporțională cu 2N, unde N este numărul de qubiți din computer. Este din urmă tip de dispozitiv care se referă atunci când vorbim despre computere cuantice.
CALCULATELE CUANTICE ACUM
Dar calculatoarele cuantice mici sunt create astăzi. Compania D-Wave Systems lucrează în mod deosebit activ în această direcție, care a creat un computer cuantic de 16 qubiți în 2007. Acest computer a făcut față cu succes sarcinii de a așeza oaspeții la masă, pe baza faptului că unii dintre ei nu s-au plăcut. Acum, D-Wave Systems continuă să dezvolte calculatoare cuantice.
Un grup de fizicieni din Japonia, China și SUA a reușit pentru prima dată să construiască un computer cuantic folosind arhitectura von Neumann - adică cu o separare fizică a procesorului cuantic și a memoriei cuantice. În prezent, pentru implementarea practică a calculatoarelor cuantice (calculatoare bazate pe proprietățile neobișnuite ale obiectelor mecanicii cuantice), fizicienii folosesc diferite tipuri de obiecte și fenomene exotice - ioni capturați într-o capcană optică, rezonanță magnetică nucleară. Pentru noua lucrare, oamenii de știință s-au bazat pe circuite supraconductoare miniaturale - posibilitatea de a implementa un computer cuantic folosind astfel de circuite a fost descrisă în Nature în 2008.
Calculatorul asamblat de oamenii de știință a constat dintr-o memorie cuantică, al cărei rol era jucat de două rezonatoare cu microunde, un procesor de doi qubiți conectați printr-un autobuz (rolul său a fost jucat și de un rezonator, iar qubiții erau circuite supraconductoare), și dispozitive pentru ștergerea datelor. Folosind acest computer, oamenii de știință și-au dat seama doi algoritmi principali- așa-numita transformată Fourier cuantică și conjuncție folosind elemente logice cuantice Toffoli:
Primul algoritm este un analog cuantic al transformatei Fourier discrete. Caracteristica sa distinctivă este un număr mult mai mic (de ordinul n2) de elemente funcționale la implementarea algoritmului în comparație cu analogul său (de ordinul n 2n). Transformata Fourier discretă este utilizată într-o varietate de domenii ale activității umane - de la studiul ecuațiilor diferențiale parțiale la compresia datelor.
La rândul lor, porțile logice cuantice Toffoli sunt elemente de bază din care, cu unele cerințe suplimentare, se poate obține orice funcție (program) booleană. O trăsătură distinctivă a acestor elemente este reversibilitatea lor, care, din punct de vedere fizic, permite, printre altele, să minimizeze generarea de căldură a dispozitivului.
Potrivit oamenilor de știință, sistemul pe care l-au creat are un avantaj remarcabil - este ușor scalabil. Astfel, poate servi ca un fel de bloc pentru viitoarele computere. Potrivit cercetătorilor, noile rezultate demonstrează în mod clar promisiunea noii tehnologii.
Un computer cuantic nu este doar un computer de generație viitoare, este mult mai mult decât atât. Nu doar din punctul de vedere al utilizării celor mai noi tehnologii, ci și din punctul de vedere al posibilităților sale nelimitate, incredibile, fantastice, capabile nu doar să schimbe lumea oamenilor, ci chiar... să creeze o altă realitate. .
După cum știți, computerele moderne folosesc memoria reprezentată în cod binar: 0 și 1. La fel ca în codul Morse - punct și titlu. Folosind două caractere, puteți cripta orice informație variind combinațiile acestora.
Există miliarde de acești biți în memoria unui computer modern. Dar fiecare dintre ele poate fi într-una din două stări - fie zero, fie una. Ca un bec: fie aprins, fie stins.
Un bit cuantic (qubit) este cel mai mic element de stocare a informațiilor într-un computer al viitorului. Unitatea de informație dintr-un computer cuantic poate fi acum nu numai zero sau unu, dar ambele in acelasi timp.
O celulă efectuează două acțiuni, două - patru, patru - șaisprezece, etc. Acesta este motivul pentru care sistemele cuantice pot funcționa de două ori mai repede și cu cantități mai mari de informații decât cele moderne.
Pentru prima dată, oamenii de știință de la Centrul cuantic din Rusia (RCC) și de la Laboratorul de metamateriale supraconductoare au „măsurat” un qubit (Q-bit).
Din punct de vedere tehnic, un qubit este un inel metalic cu un diametru de câțiva microni cu tăieturi, depus pe un semiconductor. Inelul este răcit la temperaturi foarte scăzute, astfel încât să devină un supraconductor. Să presupunem că curentul care curge prin inel merge în sensul acelor de ceasornic - acesta este 1. Împotriva - 0. Adică două stări obișnuite.
Radiația cu microunde a fost trecută prin inel. La ieșirea din inel a acestei radiații s-a măsurat defazajul curentului. Sa dovedit că întregul sistem poate fi localizat atât în două principale, cât și în stare mixta: ambele in acelasi timp!!!În știință, acesta se numește principiul suprapunerii.
Un experiment al oamenilor de știință ruși (oameni de știință din alte țări au efectuat altele similare) a dovedit că qubitul are dreptul la viață. Crearea qubitului a condus la idee și a adus oamenii de știință mai aproape de visul de a crea un computer cuantic optic. Tot ce rămâne este să-l proiectezi și să-l creezi. Dar nu totul este atât de simplu...
Dificultăți și probleme în crearea unui computer cuantic
Dacă, de exemplu, un computer modern trebuie să calculeze un miliard de opțiuni, atunci trebuie să „defileze” un miliard de cicluri similare. Există o diferență fundamentală cu un computer cuantic: poate calcula toate aceste opțiuni în același timp.
Unul dintre principiile principale pe care va funcționa un computer cuantic este principiul suprapunerii și nu poate fi numit altceva decât magic!
Înseamnă că aceeași persoană poate fi în locuri diferite în același timp. Fizicienii glumesc: „Dacă teoria cuantică nu te șochează, atunci nu o înțelegi.”
Aspectul computerelor cuantice care sunt create astăzi este izbitor de diferit de cele clasice. Arată... încă ca o lună:
Un astfel de design, constând din piese de cupru și aur, serpentine de răcire și alte părți caracteristice, desigur, nu se potrivește creatorilor săi. Una dintre sarcinile principale ale oamenilor de știință este să o facă compactă și ieftină. Pentru ca acest lucru să se întâmple, trebuie rezolvate mai multe probleme.
Problema unu - instabilitatea suprapunerilor
Toate aceste suprapuneri cuantice sunt foarte „blande”. De îndată ce începi să le privești, de îndată ce încep să interacționeze cu alte obiecte, sunt imediat distruse. Ele devin, parcă, clasice. Aceasta este una dintre cele mai importante probleme în crearea unui computer cuantic.
Problema a doua: este necesară o răcire puternică
Al doilea obstacol este realizarea unei funcționări stabile a unui computer cuantic. în forma pe care o avem astăzi, necesită o răcire puternică. Puternic, aceasta este crearea de echipamente în care temperatura este menținută aproape de zero absolut - minus 273 de grade Celsius! Prin urmare, acum prototipurile unor astfel de computere, cu instalațiile lor criogenice-vid, arată foarte greoaie:
Cu toate acestea, oamenii de știință sunt încrezători că în curând toate problemele tehnice vor fi rezolvate și într-o zi calculatoarele cuantice cu o putere de calcul enormă le vor înlocui pe cele moderne.
Câteva soluții tehnice pentru a rezolva probleme
Până în prezent, oamenii de știință au găsit o serie de soluții semnificative pentru a rezolva problemele de mai sus. Aceste descoperiri tehnologice, rezultatul muncii complexe și uneori îndelungate, intense ale oamenilor de știință, merită tot respectul.
Cel mai bun mod de a îmbunătăți performanța qubitului... diamante
Totul seamănă foarte mult cu celebra melodie despre fete și diamante. Principalul lucru la care lucrează acum oamenii de știință este să crească durata de viață qubit, precum și „a face” un computer cuantic să funcționeze la temperaturi normale. Da, comunicarea între calculatoarele cuantice necesită diamante! Pentru toate acestea, a fost necesară crearea și utilizarea diamantelor artificiale de o transparență extrem de ridicată. Cu ajutorul lor, au reușit să prelungească durata de viață a unui qubit la două secunde. Aceste realizări modeste: două secunde de viață qubit și funcționarea computerului la temperatura camerei, sunt de fapt o revoluție în știință.
Esența experimentului omului de știință francez Serge Haroche se bazează pe faptul că a fost capabil să arate lumii întregi că lumina (un flux cuantic de fotoni) care trece între două oglinzi special create de el nu își pierde starea cuantică.
Forțând lumina să parcurgă 40.000 km între aceste oglinzi, el a stabilit că totul s-a întâmplat fără a-și pierde starea cuantică. Lumina este formată din fotoni și până acum nimeni nu a putut să-și dea seama dacă își pierd starea cuantică atunci când parcurg o anumită distanță. Laureatul Nobel Serge Haroche: „ Un foton este în mai multe locuri în același timp, am reușit să înregistrăm asta.” De fapt acesta este principiul suprapunerii. „În lumea noastră mare, acest lucru este imposibil. Dar în lumea micro există legi diferite”, spune Arosh.
În interiorul cavității se aflau atomi clasici care pot fi măsurați. Pe baza comportamentului atomilor, fizicianul a învățat să identifice și să măsoare particulele cuantice evazive. Înainte de experimentele lui Harosh, se credea că observarea cuantelor era imposibilă. După experiment, au început să vorbească despre cucerirea fotonilor, adică despre apropierea erei calculatoarelor cuantice.
De ce mulți așteaptă cu nerăbdare crearea unui generator cuantic cu drepturi depline, în timp ce alții se tem de asta
Calculatorul cuantic va oferi omenirii oportunități enorme
Un computer cuantic va deschide posibilități infinite pentru umanitate. De exemplu, va contribui la crearea inteligenței artificiale, despre care scriitorii de science-fiction s-au bucurat atât de mult timp. Sau simulează universul. În întregime. Conform celor mai conservatoare prognoze, ne va permite să privim dincolo de limitele posibilului. Să ne imaginăm o lume în care poți simula absolut orice vrei: proiectează o moleculă, metal super-puternic, descompune rapid plasticul, vine cu remedii pentru boli incurabile. Mașina va simula întreaga noastră lume, până la ultimul atom. Puteți chiar simula o altă lume, chiar și una virtuală.
Un computer cuantic ar putea deveni o armă a Apocalipsei
Mulți oameni, care au aprofundat în esența tehnologiei cuantice, se tem de ea din diverse motive. Deja acum, computerizarea și toate tehnologiile legate de computere sperie omul obișnuit. Este suficient să ne amintim scandalurile despre modul în care serviciile speciale, folosind programe încorporate în PC-uri și chiar în aparatele de uz casnic, organizează supravegherea și colectarea de date despre consumatorii lor. De exemplu, multe țări au interzis cunoscutii ochelari - la urma urmei, aceștia sunt un mijloc ideal de filmare și supraveghere sub acoperire. Deja acum, cu siguranță, fiecare rezident al oricărei țări, și cu atât mai mult un utilizator de pe Internet, este introdus într-o bază de date. Mai mult, și în mod destul de realist, anumite servicii își pot calcula fiecare acțiune pe internet.
Dar nu vor exista secrete pentru calculatoarele cuantice! Deloc. Toată securitatea computerelor se bazează pe numere de parole foarte lungi. Un computer obișnuit i-ar lua un milion de ani pentru a obține cheia codului. Dar cu ajutorul quantum, oricine poate face acest lucru instantaneu. Se dovedește că lumea va deveni complet nesigură: la urma urmei, în lumea modernă totul este controlat de computere: transferuri bancare, zboruri cu avionul, burse de valori, arme nucleare cu rachete! Deci se dovedește: cine deține informațiile deține Lumea. Oricine este primul este Dumnezeu. Un computer cuantic va deveni mai puternic decât orice sistem de arme. O nouă cursă a înarmărilor poate începe (sau a început deja) pe Pământ, doar că acum nu nucleară, ci computerizată.
Dumnezeu sa ne ajute sa iesim in siguranta din ea...
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 inimaginabile de date, au reprezentat o descoperire majoră. Potrivit dezvoltatorilor, implementarea lor s-a dovedit a fi poate cea mai complexă tehnologie creată vreodată. Procesoarele cuantice operează la niveluri de materie pe care omenirea le-a învățat doar cu aproximativ 100 de ani în urmă. Potențialul unui astfel de calcul este enorm. Folosirea proprietăților bizare ale cuantelor va accelera calculele, așa că multe probleme care în prezent depășesc capacitățile computerelor clasice vor fi rezolvate. Și nu numai în domeniul chimiei și al științei materialelor. Wall Street este și el interesat.
Investind în viitor
CME Group a investit în 1QB Information Technologies Inc., cu sediul în Vancouver, care dezvoltă software pentru procesoare cuantice. Un astfel de calcul va avea probabil cel mai mare impact asupra industriilor care se ocupă cu volume mari de date sensibile la timp, spun investitorii. Un exemplu de astfel de consumatori sunt instituțiile financiare. 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 necesar acest lucru?
Motivul pentru care calculul cuantic este atât de interesant este din cauza combinației sale perfecte cu învățarea automată. Aceasta este în prezent principala aplicație pentru astfel de calcule. O parte din ideea unui computer cuantic este utilizarea unui dispozitiv fizic pentru a găsi soluții. Uneori acest concept este explicat folosind exemplul jocului Angry Birds. Pentru a simula gravitația și interacțiunea obiectelor care se ciocnesc, procesorul tabletei folosește ecuații matematice. Procesoarele cuantice întorc această abordare pe cap. Ei „aruncă” câteva păsări și văd ce se întâmplă. Păsările sunt înregistrate pe un microcip, sunt aruncate, care este traiectoria optimă? Apoi toate soluțiile posibile, sau cel puțin o combinație foarte mare a acestora, sunt testate și este returnat un răspuns. Într-un computer cuantic nu există matematician, legile fizicii funcționează în schimb.
Cum functioneazã?
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 cu numărul de electroni simulați. De exemplu, pentru 50 de electroni există opțiuni posibile de la 2 la a 50-a putere. Acest lucru este fenomenal, așa că este imposibil de calculat astăzi. Conectarea teoriei informațiilor la fizică poate indica calea către rezolvarea unor astfel de probleme. Un computer de 50 de qubiți poate face acest lucru.
Zorii unei noi ere
Potrivit lui Landon Downs, președinte și co-fondator al 1QBit, un procesor cuantic este capacitatea de a valorifica puterea de calcul a lumii subatomice, ceea ce are implicații enorme pentru obținerea de noi materiale sau crearea de noi medicamente. Există o schimbare de la paradigma descoperirii la o nouă eră a designului. De exemplu, calculul cuantic poate fi folosit pentru a modela catalizatori care elimină carbonul și azotul din atmosferă și, prin urmare, ajută la oprirea încălzirii globale.
În fruntea progresului
Comunitatea de dezvoltare tehnologică este extrem de entuziasmată și activă. Echipele din întreaga lume din startup-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 își propune să exploateze un anion non-abelian care nu a fost încă dovedit în mod concludent că există.
Anul unei posibile descoperiri
Și acesta este doar începutul. De la sfârșitul lui mai 2017, numărul procesoarelor cuantice care în mod clar fac ceva mai rapid sau mai bun decât un computer clasic este zero. Un astfel de eveniment ar stabili „supremația cuantică”, dar nu a avut loc încă. Deși este probabil ca acest lucru să se întâmple anul acesta. Majoritatea persoanelor din interior spun că favorita clară este echipa Google condusă de profesorul de fizică UC Santa Barbara, John Martini. Scopul său este de a atinge superioritatea computațională folosind 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.
De unde a început totul?
Ideea de a folosi mecanica cuantică pentru a procesa informații există 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 construirea unui computer cuantic. Potrivit lui, mecanica cuantică ar trebui folosită pentru modelare. Și aceasta este o sarcină grozavă pentru că nu pare atât de ușoară. Principiul de funcționare al procesorului cuantic se bazează pe câteva proprietăți ciudate ale atomilor - suprapunerea și încurcarea. O particulă poate fi în două stări în același timp. Cu toate acestea, atunci când este măsurat, va apărea doar în unul dintre ele. Și este imposibil de prezis care dintre ele, decât din perspectiva teoriei probabilităților. Acest efect stă la baza experimentului de gândire al pisicii lui Schrödinger, care este atât vie cât și moartă într-o cutie până când un observator aruncă o privire. Nimic din 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.), 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 acest lucru îi face să fie perfect corelați. Un procesor cuantic poate folosi porți logice. T.n. Poarta Hadamard, de exemplu, plasează 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 efectuarea unei operații logice face posibilă lucrarea cu toate pozițiile simultan. Iar numărul de stări disponibile este de 2 la puterea numărului de qubiți. Deci, dacă ai face un computer cuantic universal de 50 de qubiți, teoretic ai putea explora toate combinațiile de 1,125 de cvadrilioane simultan.
Felicitari
Procesorul cuantic din Rusia este văzut oarecum diferit. Oamenii de știință de la MIPT și Centrul cuantic rusesc au creat „qudit-uri”, care sunt mai mulți qubiți „virtuali” cu diferite niveluri de „energie”.
Amplitudini
Un procesor cuantic are avantajul că mecanica cuantică se bazează pe amplitudini. Amplitudinile sunt similare cu probabilitatea, 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-l reglați astfel încât unele căi către răspunsuri greșite să aibă o amplitudine pozitivă, iar unele să aibă o 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 natura exponențială a 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 atât de ușor să găsiți factorii primi ai unui număr de 200 de cifre. Chiar dacă laptopul dvs. rulează un software excelent, poate fi necesar să așteptați ani pentru a găsi răspunsul. Deci, o altă piatră de hotar în calculul cuantic a fost un algoritm publicat în 1994 de Peter Shore, acum profesor de matematică la MIT. Metoda lui este de a găsi factorii unui număr mare folosind un computer cuantic care nu exista încă. În esență, algoritmul efectuează operații care indică zonele cu răspunsul corect. În anul următor, Shor a descoperit o metodă de corectare a erorilor cuantice. Apoi mulți și-au dat seama că acesta era un mod alternativ de calcul, care în unele cazuri ar putea fi mai puternic. Apoi a existat o creștere a interesului din partea fizicienilor pentru crearea de 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 în prezent ani de zile 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 teoria cuantică, era în uz teoria clasică a radiațiilor electromagnetice. În 1900, omul de știință german Max Planck, care el însuși nu credea în cuante și le considera un construct fictiv și pur teoretic, 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, visul de lungă durată al alchimiștilor de a transforma atomii 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, în consecință, a bombei atomice.
Procesor cuantic de cinci qubiți de la IBM
Mai departe mai mult. Datorită muncii lui Einstein și fizicianului englez Paul Dirac, în a doua jumătate a secolului XX a fost creat un laser - de asemenea o sursă cuantică de lumină ultra-pură 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. Aproximativ în același timp, au fost în curs de desfășurare cercetări active asupra semiconductorilor - materiale cu care fluxul de curent electric poate fi ușor controlat. Pe baza lor, au fost create primele tranzistoare - au devenit ulterior principalele elemente de construcție ale electronicii moderne, fără de care nu ne mai putem imagina viața.
Dezvoltarea calculatoarelor electronice – calculatoare – a făcut posibilă rezolvarea rapidă și eficientă a multor probleme. Iar reducerea treptată a dimensiunii și costului lor (datorită producției în masă) a deschis calea pentru computere 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 a sosit momentul să recunoaștem că, în ciuda capacităților lor impresionante, computerele nu au reușit să rezolve toate problemele pe care suntem gata să le punem în fața. Celebrul fizician Richard Feynman a fost unul dintre primii care a vorbit despre asta: în 1981, la o conferință, a declarat că era fundamental imposibil să calculezi cu exactitate un sistem fizic real pe computere obișnuite. Totul ține de natura sa cuantică! Efectele la microscală sunt ușor explicate de mecanica cuantică și foarte puțin explicate de mecanica clasică cu care suntem obișnuiți: descrie comportamentul obiectelor mari. Atunci, ca alternativă, Feynman a propus utilizarea calculatoarelor cuantice pentru a calcula sistemele fizice.
Ce este un computer cuantic și cum este diferit de computerele cu care suntem obișnuiți? Totul este despre modul în care prezentăm informațiile.
Dacă în computerele convenționale 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 fundamentale (sau stări, după cum le place să spună mecanica cuantică) pe care le poate lua: 0 și 1. Cu toate acestea, datorită unei proprietăți a obiectelor cuantice numită „suprapunere”, un qubit poate prelua toate valorile. care sunt o combinație a celor fundamentale. Mai mult, natura sa cuantică îi permite să fie în toate aceste stări în același timp.
Acesta este paralelismul calculului cuantic cu qubiți. Totul se întâmplă odată - nu mai este nevoie să parcurgeți toate opțiunile posibile pentru stările sistemului și exact asta face un computer obișnuit. Căutarea prin baze de date mari, elaborarea unei rute optime, dezvoltarea de noi medicamente sunt doar câteva exemple de probleme care pot fi rezolvate de multe ori mai rapid prin algoritmi cuantici. Acestea sunt acele sarcini în care să găsiți răspunsul corect de care aveți nevoie pentru a trece printr-un număr mare de opțiuni.
În plus, pentru a descrie starea exactă a sistemului, nu mai sunt necesare putere de calcul uriașă și cantități de RAM, deoarece pentru a calcula un sistem de 100 de particule, 100 de qubiți sunt de ajuns, 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 problemele de enumerare s-a remarcat prin aparenta sa inutilitate - descompunerea numerelor mari în factori primi (adică divizibile doar cu ele însele și unul). Aceasta se numește „factorizare”. Cert este că computerele obișnuite pot înmulți numere destul de repede, chiar și pe cele foarte mari. Cu toate acestea, computerele convenționale fac față foarte prost problemei inverse a descompunerii unui număr mare rezultat din înmulțirea a două numere prime în factorii lor inițiali. De exemplu, pentru a factoriza 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 lui Shor, comunitatea științifică s-a confruntat cu o problemă serioasă. La sfârșitul anilor 1970, pe baza complexității problemei de factorizare, oamenii de știință criptografici au creat un algoritm de criptare a datelor care a devenit larg răspândit. În special, cu ajutorul acestui 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 lui Shor care rulează pe un computer cuantic. Decriptarea cu ajutorul ei devine o chestiune de câteva minute. Un lucru era bun: un computer cuantic pe care să poată fi rulat algoritmul 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 posibilităților de a crea un computer cuantic din aceștia. La urma urmei, una este să inventezi teoretic un qubit și alta este să-l aduci 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 propus 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 implementări fizice: nuclee atomice, electroni, fotoni, defecte în cristale, circuite supraconductoare - toate au îndeplinit cerințele.
Această diversitate avea meritele ei. Conduse de o competiție intensă, diverse grupuri științifice au creat qubiți din ce în ce mai avansați și au construit circuite din ce în ce mai complexe din ei. Au existat doi parametri competitivi principali pentru qubiți: durata de viață a acestora și numărul de qubiți care ar putea 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 o funcționare eficientă a algoritmilor cuantici, nu a fost nevoie de un qubit, ci de cel puțin o sută și să lucreze împreună. Problema a fost că qubitilor nu prea le plăcea să fie unul lângă altul și au protestat reducându-și dramatic durata de viață. Pentru a ocoli această incompatibilitate a qubiților, oamenii de știință au fost nevoiți să recurgă 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, un computer cuantic este încă un lucru al viitorului. Deși nu este deloc atât de departe pe cât ar fi putut 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 implicat activ în crearea acestuia.
Nu rata prelegerea:
