Kompjuter fotonik. Mënyra më e mirë për të përsosur një kubit ... diamante

18.04.2019 Windows 7, XP

29 janar 2017

Për mua shprehja "kompjuter kuantik" është e krahasueshme, për shembull, me një "motor foton", domethënë është diçka shumë komplekse dhe fantastike. Megjithatë, lexova tani në lajme - "një kompjuter kuantik po i shitet kujtdo që e dëshiron". Është e çuditshme, nëse nën këtë shprehje tani nënkuptojnë diçka tjetër, apo është thjesht një falsifikim?

Le të hedhim një vështrim më të afërt ...

SI FILLOI GJITHA?

Vetëm nga mesi i viteve 1990 teoria e kompjuterëve kuantikë dhe informatikës kuantike u krijua si zonë e re shkencat. Siç ndodh shpesh me idetë e shkëlqyera, është e vështirë të dallosh një zbulues. Me sa duket, matematikani hungarez I. von Neumann ishte i pari që tërhoqi vëmendjen për mundësinë e zhvillimit të logjikës kuantike. Mirëpo, në atë kohë nuk ishin krijuar ende kompjuterë jo vetëm kuantikë, por edhe të zakonshëm, klasikë. Dhe me ardhjen e kësaj të fundit, përpjekjet kryesore të shkencëtarëve rezultuan se kishin për qëllim kryesisht gjetjen dhe zhvillimin e elementeve të rinj për ta (tranzistorë, dhe më pas qarqe të integruara), dhe jo në krijimin e pajisjeve llogaritëse thelbësisht të ndryshme.

Në vitet 1960, fizikani amerikan R. Landauer, i cili punonte në korporatën IBM, u përpoq të tërhiqte vëmendjen e botës shkencore për faktin se llogaritja është gjithmonë një lloj procesi fizik, që do të thotë se është e pamundur të kuptohen kufijtë. të aftësive tona llogaritëse pa specifikuar se çfarë zbatimi fizik janë. Fatkeqësisht, në atë kohë, midis shkencëtarëve, pikëpamja mbizotëruese e llogaritjes si një lloj procedure logjike abstrakte, e cila duhet të studiohet nga matematikanët, jo nga fizikanët.

Ndërsa kompjuterët u shumuan, shkencëtarët kuantikë arritën në përfundimin se ishte praktikisht e pamundur të llogaritet drejtpërdrejt gjendja e një sistemi në zhvillim të përbërë nga vetëm disa duzina grimcash ndërvepruese, siç është një molekulë metani (CH4). Kjo shpjegohet me faktin se për përshkrim i plotë një sistem kompleks, është e nevojshme të ruhet në kujtesën e kompjuterit një numër i madh (përsa i përket numrit të grimcave) variablash, të ashtuquajturat amplituda kuantike. U krijua një situatë paradoksale: duke ditur ekuacionin e evolucionit, duke ditur me saktësi të mjaftueshme të gjitha potencialet e ndërveprimit të grimcave me njëra-tjetrën dhe gjendjen fillestare të sistemit, është praktikisht e pamundur të llogaritet e ardhmja e tij, edhe nëse sistemi përbëhet nga vetëm 30 elektronet në një pus potencial, dhe ekziston një superkompjuter me memorie të aksesit të rastësishëm, numri i biteve të të cilit është i barabartë me numrin e atomeve në rajonin e dukshëm të Universit (!). Dhe në të njëjtën kohë, për të studiuar dinamikën e një sistemi të tillë, thjesht mund të vendosni një eksperiment me 30 elektrone, duke i vendosur ato në një potencial të caktuar dhe gjendje fillestare. Kjo, në veçanti, u theksua nga matematikani rus Yu. I. Manin, i cili vuri në dukje në vitin 1980 nevojën për të zhvilluar një teori të pajisjeve kompjuterike kuantike. Në vitet 1980, i njëjti problem u studiua nga fizikani amerikan P. Benev, i cili tregoi qartë se një sistem kuantik mund të kryejë llogaritje, si dhe shkencëtari anglez D. Deutsch, i cili teorikisht zhvilloi një kompjuter kuantik universal, superior ndaj analogut klasik. .

Shumë vëmendje për problemin e zhvillimit të kompjuterëve kuantikë tërhoqi laureati i çmimit Nobel në fizikë R. Feynman. Falë thirrjes së tij autoritative, numri i specialistëve që i kushtuan vëmendje llogaritjes kuantike është rritur shumëfish.

Baza e algoritmit të Shor: aftësia e kubit për të ruajtur vlera të shumta në të njëjtën kohë)

Megjithatë për një kohë të gjatë ishte e paqartë nëse fuqia hipotetike llogaritëse mund të shfrytëzohej. kompjuter kuantik për të shpejtuar zgjidhjen detyra praktike... Por në vitin 1994, P. Shore, një matematikan amerikan dhe punonjës i Lucent Technologies (SHBA), mahniti botën shkencore duke propozuar një algoritëm kuantik që lejon faktorizimin e shpejtë të numrave të mëdhenj (rëndësia e këtij problemi u diskutua tashmë në hyrje). Në krahasim me metodat më të mira klasike të njohura deri më sot, algoritmi kuantik i Shor jep një përshpejtim të shumëfishtë të llogaritjeve dhe sa më i gjatë të jetë numri i faktorizuar, aq më i madh është fitimi në shpejtësi. Algoritmi i faktorizimit të shpejtë është me interes të madh praktik për shërbime të ndryshme speciale që kanë grumbulluar banka mesazhesh të pakriptuara.

Në vitin 1996, kolegu i Shor në Lucent Technologies, L. Grover, propozoi një algoritëm kërkimi të shpejtë kuantik në një bazë të dhënash të parregulluar. (Një shembull i një baze të tillë të dhënash është një libër telefonik, në të cilin emrat e pajtimtarëve janë renditur jo në mënyrë alfabetike, por në mënyrë arbitrare.) Detyra e kërkimit, përzgjedhjes element optimal ndër opsionet e shumta, ajo gjendet shumë shpesh në problemet ekonomike, ushtarake, inxhinierike, në lojërat kompjuterike. Algoritmi i Grover lejon jo vetëm përshpejtimin e procesit të kërkimit, por edhe përafërsisht dyfishimin e numrit të parametrave të marrë parasysh kur zgjedh opsionin optimal.

Nëse thua me fjalë të thjeshta, pastaj: " një sistem kuantik jep një rezultat që është i saktë vetëm me njëfarë probabiliteti. Me fjalë të tjera, nëse numëroni 2 + 2, atëherë 4 do të dalë me vetëm një shkallë saktësie. Ju kurrë nuk do të merrni saktësisht 4. Logjika e procesorit të tij nuk është aspak e ngjashme me procesorin me të cilin jemi mësuar.

Ka metoda për të llogaritur rezultatin me një saktësi të paracaktuar, natyrisht me një rritje të sasisë së kohës së kompjuterit.
Kjo veçori përcakton listën e detyrave. Dhe kjo veçori nuk reklamohet dhe publiku ka përshtypjen se një kompjuter kuantik është i njëjtë me një PC të rregullt (të njëjtat 0 dhe 1), vetëm i shpejtë dhe i shtrenjtë. Në thelb nuk është kështu.

Po, dhe një gjë tjetër - për një kompjuter kuantik dhe llogaritje kuantike në përgjithësi, veçanërisht për të përdorur "fuqinë dhe shpejtësinë" e llogaritjes kuantike - nevojiten algoritme dhe modele speciale të zhvilluara posaçërisht për specifikat e llogaritjes kuantike. Prandaj, kompleksiteti i përdorimit të një kompjuteri kuantik nuk është vetëm në praninë e "hardware", por edhe në përpilimin e metodave të reja të llogaritjes që ende nuk janë përdorur. "

Tani le të kalojmë tek zbatim praktik një kompjuter kuantik: një procesor komercial 512-qubit D-Wave ekziston prej disa kohësh dhe madje po shitet !!!

Këtu, ai duket se është një zbulim i vërtetë !!! Dhe një grup shkencëtarësh me reputacion në revistën Physical Review me po aq reputacion dëshmon bindshëm se efektet e ngatërresës kuantike janë zbuluar vërtet në D-Wave.

Prandaj, kjo pajisje me arsye të mirë ka të drejtën të quhet një kompjuter kuantik i vërtetë, arkitektonikisht është mjaft e mundur për një rritje të mëtejshme të numrit të kubitëve, dhe për këtë arsye ka perspektiva të jashtëzakonshme për të ardhmen ... (T. Lanting et al. Ngatërrim në një procesor kuantik Pjekja.

Vërtetë, pak më vonë, një grup tjetër shkencëtarësh të respektuar në revistën jo më pak të respektuar Science, të cilët studiuan të njëjtin sistem kompjuterik D-Wave, e vlerësuan atë thjesht në praktikë: sa mirë i kryen kjo pajisje funksionet e saj llogaritëse. Dhe ky grup shkencëtarësh, po aq tërësisht dhe bindshëm sa i pari, tregon se në testet reale të provës që janë optimale për këtë dizajn, kompjuteri kuantik D-Wave nuk jep ndonjë rritje të shpejtësisë në krahasim me kompjuterët e zakonshëm, klasikë. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Përcaktimi dhe zbulimi i shpejtësisë kuantike. SCIENCE, qershor 2014 Vol. 344 # 6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

Në fakt, për një "makinë të së ardhmes" të shtrenjtë, por të specializuar, nuk kishte probleme ku mund të tregonte epërsinë e saj kuantike. Me fjalë të tjera, vetë kuptimi i përpjekjeve mjaft të shtrenjta për të krijuar një pajisje të tillë rezulton të jetë në dyshim të madh ...
Rezultatet janë si më poshtë: tani në komunitetin shkencor nuk ka më asnjë dyshim se puna e elementeve në procesorin kompjuterik D-Wave në fakt ndodh në bazë të efekteve reale kuantike midis kubitëve.

Por (dhe kjo është një POR jashtëzakonisht serioze), tiparet kryesore në hartimin e procesorit D-Wave janë të tilla që, në funksionimin real, e gjithë fizika e tij kuantike nuk jep ndonjë avantazh në krahasim me një kompjuter të zakonshëm të fuqishëm me një e veçantë software, i mprehur për zgjidhjen e problemeve të optimizimit.

E thënë thjesht, jo vetëm shkencëtarët që testojnë D-Wave nuk kanë qenë ende në gjendje të shohin një të vetme sfidë e vërtetë ku një kompjuter kuantik mund të demonstrojë bindshëm epërsinë e tij llogaritëse, por edhe vetë prodhuesi nuk e ka idenë se cila mund të jetë detyra ...

Gjithçka ka të bëjë me veçoritë e projektimit të procesorit D-Wave 512-qubit, i cili është mbledhur nga grupe prej 8 kubitësh. Në të njëjtën kohë, brenda këtyre grupeve prej 8 kubitësh, të gjithë komunikojnë drejtpërdrejt me njëri-tjetrin, por midis këtyre grupeve, lidhjet janë shumë të dobëta (idealisht, TË GJITHA kubitët e procesorit duhet të komunikojnë drejtpërdrejt me njëri-tjetrin). Kjo, natyrisht, zvogëlon shumë kompleksitetin e ndërtimit të një procesori kuantik ... POR, nga këtu rriten shumë probleme të tjera, duke përfunduar në pajisjen përfundimtare dhe shumë të shtrenjta kriogjenike në funksionim, duke ftohur qarkun në temperatura ultra të ulëta.

Pra, çfarë po na ofrohet tani?

Kompania kanadeze D-Wave njoftoi fillimin e shitjeve të kompjuterit të saj kuantik D-Wave 2000Q, i cili u njoftua në shtator të vitit të kaluar. Duke iu përmbajtur analogut të tij të Ligjit të Moore, sipas të cilit numri i transistorëve në një qark të integruar dyfishohet çdo dy vjet, D-Wave vendosi 2048 kubit në CPU (njësia e përpunimit kuantik). Dinamika e rritjes së numrit të kubitëve në CPU në vitet e fundit duket si kjo:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

Për më tepër, ndryshe nga procesorët tradicionalë, CPU-të dhe GPU-të, dyfishimi i kubitëve shoqërohet jo me një rritje 2-fish, por me një rritje 1000-fish të performancës. Krahasuar me një kompjuter me një arkitekturë tradicionale dhe konfigurim të një CPU me një bërthamë dhe një GPU me 2500 bërthama, diferenca në shpejtësi është 1000 deri në 10000 herë. Të gjitha këto shifra janë sigurisht mbresëlënëse, por ka disa "por".

Së pari, D-Wave 2000Q është jashtëzakonisht i shtrenjtë - 15 milion dollarë. Është një pajisje mjaft masive dhe komplekse. Truri i tij është një CPU me metal me ngjyra të quajtur niobium, vetitë superpërçuese të të cilit (të nevojshme për kompjuterët kuantikë) lindin në vakum në temperatura afër zeros absolute nën 15 millikelvin (kjo është 180 herë më e ulët se temperatura në hapësirën e jashtme).

Ruajtja e një temperature kaq jashtëzakonisht të ulët kërkon një kosto të lartë energjie, 25 kW. Por megjithatë, sipas prodhuesit, kjo është 100 herë më pak se ajo e ekuivalentit në performancën e superkompjuterëve tradicionalë. Pra, performanca e D-Wave 2000Q për vat konsumi të energjisë është 100 herë më e lartë. Nëse kompania arrin të vazhdojë të ndjekë "Ligjin e Moores", atëherë në kompjuterët e saj të ardhshëm kjo diferencë do të rritet në mënyrë eksponenciale, duke ruajtur konsumin e energjisë në nivelin aktual.

Së pari, kompjuterët kuantikë kanë një qëllim shumë specifik. Në rastin e D-Wave 2000Q, ne po flasim për të ashtuquajturat. kompjuterët adiabatikë dhe zgjidhja e problemeve të normalizimit kuantik. Ato lindin veçanërisht në fushat e mëposhtme:

Mësimi i makinerisë:

Identifikimi i anomalive statistikore
- gjetja e modeleve të ngjeshur
- njohja e imazhit dhe modelit
- trajnimi i rrjeteve nervore
- verifikimi dhe miratimi i softuerit
- klasifikimi i të dhënave pa strukturë
- diagnostifikimi i gabimeve në qark

Siguria dhe planifikimi

Zbulimi i hakimit të viruseve dhe rrjetit
- alokimi i burimeve dhe gjetja e shtigjeve optimale
- përcaktimi i përkatësisë në një grup
- analiza e vetive të grafikut
- faktorizimi i numrave të plotë (përdoret në kriptografi)

Modelimi financiar

Identifikimi i paqëndrueshmërisë së tregut
- zhvillimi i strategjive tregtare
- optimizimi i trajektoreve të tregtimit
- optimizimi i çmimit të aseteve dhe mbrojtjes
- optimizimi i portofolit

Shëndetësia dhe mjekësia

Zbulimi i mashtrimit (ndoshta sigurimi shëndetësor)
- gjenerimi i terapisë medikamentoze të synuar ("molekulare të synuar").
- optimizimi i trajtimit [kancerit] me radioterapi
- krijimi i modeleve proteinike.

Blerësi i parë i D-Wave 2000Q ishte TDS (Temporal Defense Systems), një kompani e sigurisë kibernetike. Në përgjithësi, produktet D-Wave përdoren nga kompani dhe institucione të tilla si Lockheed Martin, Google, Qendra Kërkimore Ames në NASA, Universiteti i Kalifornisë Jugore dhe Laboratori Kombëtar Los Alamos në Departamentin e Energjisë të SHBA.

Pra, ne po flasim për një teknologji të rrallë (D-Wave është e vetmja kompani në botë që prodhon mostra komerciale të kompjuterëve kuantikë) dhe të shtrenjtë me një aplikim mjaft të ngushtë dhe specifik. Por shkalla e rritjes së produktivitetit të saj është e mahnitshme, dhe nëse kjo dinamikë vazhdon, atëherë falë kompjuterëve adiabatikë D-Wave (të cilëve mund t'i bashkohen kompanitë e tjera), zbulimet e vërteta në shkencë dhe teknologji mund të na presin në vitet e ardhshme. Me interes të veçantë është kombinimi i kompjuterëve kuantikë me një teknologji kaq premtuese dhe me zhvillim të shpejtë si inteligjenca artificiale, veçanërisht pasi një ekspert i tillë autoritar si Andy Rubin sheh një perspektivë në këtë.

Meqë ra fjala, e dinit që Korporata IBM i lejoi përdoruesit e internetit të lidhen falas me kompjuterin kuantik universal që ndërtoi dhe të eksperimentonin me algoritme kuantike. Kjo pajisje nuk do të ketë fuqi të mjaftueshme për të hyrë në sistemet kriptografike çelës publik por nëse planet e IBM realizohen, kompjuterët kuantikë më të sofistikuar nuk janë larg.

Kompjuteri kuantik që IBM ka vënë në dispozicion përmban pesë kubit: katër për manipulimin e të dhënave dhe i pesti për korrigjimin e gabimeve gjatë llogaritjes. Korrigjimi i gabimeve është risia kryesore me të cilën krenohen zhvilluesit e tij. Do ta bëjë më të lehtë rritjen e numrit të kubitëve në të ardhmen.

IBM thekson se kompjuteri i saj kuantik është universal dhe i aftë për të ekzekutuar çdo algoritëm kuantik. Kjo e veçon atë nga kompjuterët kuantikë adiabatikë të zhvilluar nga D-Wave. Kompjuterët kuantikë adiabatikë janë krijuar për të kërkuar zgjidhje optimale funksionojnë dhe nuk janë të përshtatshëm për qëllime të tjera.

Besohet se kompjuterët kuantikë universalë do t'ju lejojnë të zgjidhni disa probleme që janë përtej fuqisë së kompjuterëve konvencionalë. Shembulli më i famshëm i një problemi të tillë është faktorizimi i numrave. Një kompjuter i zakonshëm, qoftë edhe shumë i shpejtë, do t'i duhen qindra vjet për të gjetur faktorët kryesorë të një numri të madh. Një kompjuter kuantik do t'i gjejë ato duke përdorur algoritmin e Shor pothuajse aq shpejt sa shumëzimi i numrave të plotë.

Pamundësia për të faktorizuar shpejt numrat në faktorët kryesorë është në qendër të sistemeve kriptografike me çelës publik. Nëse ata mësojnë ta kryejnë këtë operacion me shpejtësinë që premtojnë algoritmet kuantike, atëherë shumica kriptografi moderne duhet harruar.

Mund të ekzekutoni algoritmin e Shor në një kompjuter kuantik IBM, por derisa të ketë më shumë kubit, ka pak përfitim. Kjo do të ndryshojë gjatë dhjetë viteve të ardhshme. Deri në vitin 2025, IBM planifikon të ndërtojë një kompjuter kuantik që përmban pesëdhjetë deri në njëqind kubit. Sipas ekspertëve, edhe me pesëdhjetë kubit, kompjuterët kuantikë do të jenë në gjendje të zgjidhin disa probleme praktike.

Këtu ka disa gjëra pak më interesante në lidhje me teknologjinë kompjuterike: lexoni si, por rezulton se mundeni dhe çfarë lloji

Për informatën kuantike, të paktën në teori, është folur për dekada. Llojet moderne të makinerive që përdorin mekanikë jo-klasike për të përpunuar sasi potencialisht të paimagjinueshme të dhënash janë përparime të mëdha. Sipas zhvilluesve, zbatimi i tyre doli të ishte ndoshta teknologjia më komplekse e krijuar ndonjëherë. Përpunuesit kuantikë funksionojnë në nivele të materies që njerëzimi i dinte vetëm rreth 100 vjet më parë. Potenciali për llogaritje të tilla është i madh. Përdorimi i vetive të çuditshme të kuanteve do të përshpejtojë llogaritjet, kështu që shumë probleme që aktualisht janë përtej fuqisë së kompjuterëve klasikë do të zgjidhen. Dhe jo vetëm në fushën e kimisë dhe shkencës së materialeve. Edhe Wall Street po shfaq interes.

Investimi në të ardhmen

CME Group ka investuar në 1QB Information Technologies Inc. me bazë në Vankuver, e cila zhvillon softuer për përpunuesit kuantikë. Sipas investitorëve, llogaritjet e tilla ka të ngjarë të kenë ndikimin më të madh në industritë që merren me sasi të mëdha të dhënash të ndjeshme ndaj kohës. Institucionet financiare janë një shembull i konsumatorëve të tillë. Goldman Sachs ka investuar në D-Wave Systems dhe In-Q-Tel financohet nga CIA. E para prodhon makina që bëjnë atë që quhet "pjekja kuantike", domethënë, ato zgjidhin problemet e optimizimit të nivelit të ulët duke përdorur një procesor kuantik. Edhe Intel po investon në këtë teknologji, megjithëse e konsideron zbatimin e saj si çështje të së ardhmes.

Pse është e nevojshme kjo?

Arsyeja pse kompjuteri kuantik është kaq emocionues qëndron në kombinimin e tij të përsosur me mësimin e makinerive. Aktualisht është aplikacioni kryesor për llogaritje të tilla. Pjesë e vetë idesë së një kompjuteri kuantik është përdorimi i një pajisjeje fizike për të gjetur zgjidhje. Ndonjehere këtë koncept shpjegoni duke përdorur shembullin e lojës Angry Birds. CPU-ja e tabletit përdor ekuacione matematikore për të simuluar gravitetin dhe ndërveprimin e objekteve që përplasen. Procesorët kuantikë e kthejnë këtë qasje me kokë poshtë. Ata lëshojnë disa zogj dhe shikojnë se çfarë ndodh. Zogjtë regjistrohen në mikroçip, hidhen, cila është trajektorja optimale? Pastaj të gjitha kontrollohen zgjidhjet e mundshme ose të paktën një kombinim shumë i madh i tyre, dhe përgjigja jepet. Në një kompjuter kuantik, jo në një matematikan, ligjet e fizikës funksionojnë në vend të kësaj.

Si punon?

Blloqet bazë të ndërtimit të botës sonë janë mekanike kuantike. Nëse shikoni molekulat, arsyeja pse ato formohen dhe mbeten të qëndrueshme është ndërveprimi i orbitaleve të tyre elektronike. Të gjitha llogaritjet mekanike kuantike janë të përfshira në secilën prej tyre. Numri i tyre rritet në mënyrë eksponenciale me numrin e elektroneve të simuluara. Për shembull, për 50 elektrone ka 2 deri në fuqinë e 50-të opsionet e mundshme... Kjo është fenomenale, ndaj nuk mund të llogaritet sot. Lidhja e teorisë së informacionit me fizikën mund të tregojë rrugën për zgjidhjen e problemeve të tilla. Një kompjuter 50 kubit mund ta bëjë këtë.

Agimi i një epoke të re

Sipas Landon Downs, President dhe Bashkëthemelues i 1QBit, procesor kuantik- kjo është aftësia për të përdorur fuqinë llogaritëse të botës nënatomike, e cila ka një rëndësi të madhe për marrjen e materialeve të reja ose krijimin e barnave të reja. Një tranzicion nga një paradigmë zbulimi në një epokë të re të dizajnit po ndodh. Për shembull, llogaritja kuantike mund të përdoret për të modeluar katalizatorët që nxjerrin karbonin dhe azotin nga atmosfera dhe në këtë mënyrë ndihmojnë në ndalimin e ngrohjes globale.

Në ballë të progresit

Komuniteti i teknologjisë është jashtëzakonisht i emocionuar dhe i zënë. Ekipet në mbarë botën në startup, korporata, universitete dhe laboratorë qeveritarë po garojnë për të ndërtuar makina që marrin qasje të ndryshme për përpunimin e informacionit kuantik. Janë krijuar çipa kubit superpërçues dhe kubit jonikë të bllokuar, të cilët po studiohen nga studiues nga Universiteti i Maryland-it dhe Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë në SHBA. Microsoft po zhvillon një qasje topologjike të quajtur Station Q, e cila synon të përdorë një anion jo-abelian që ende nuk është vërtetuar përfundimisht se ekziston.

Viti i përparimit të mundshëm

Dhe ky është vetëm fillimi. Nga fundi i majit 2017, numri i procesorëve të tipit kuantik që mund të bëjnë diçka më të shpejtë ose më të mirë se një kompjuter klasik është zero. Një ngjarje e tillë do të krijonte "supremacinë kuantike", por ende nuk ka ndodhur. Edhe pse ka të ngjarë që kjo të ndodhë këtë vit. Shumica e të brendshëm thonë se favoriti i qartë është grupi google udhëhequr nga profesori i fizikës në Universitetin e Kalifornisë në Santa Barbara, John Martini. Qëllimi i tij është të arrijë epërsi llogaritëse me një procesor 49-qubit. Deri në fund të majit 2017, ekipi kishte testuar me sukses çipin 22-kubit si një hap i përkohshëm drejt çmontimit të një superkompjuteri klasik.

Si nisi gjithçka?

Ideja e përdorimit të mekanikës kuantike për përpunimin e informacionit ka ekzistuar prej dekadash. Një nga ngjarjet kryesore ndodhi në vitin 1981 kur IBM dhe MIT bashkë-organizuan një konferencë mbi fizikën e informatikës. Fizikani i famshëm propozoi të ndërtohej një kompjuter kuantik. Sipas tij, për modelim duhet përdorur mjetet e mekanikës kuantike. Dhe kjo është një detyrë e madhe pasi nuk duket aq e lehtë. Në një procesor kuantik, parimi i funksionimit bazohet në disa veti të çuditshme të atomeve - mbivendosje dhe ngatërrim. Një grimcë mund të jetë në dy gjendje në të njëjtën kohë. Megjithatë, kur matet, do të shfaqet vetëm në njërën prej tyre. Dhe është e pamundur të parashikohet se cila, përveç nga këndvështrimi i teorisë së probabilitetit. Ky efekt është në qendër të eksperimentit të mendimit me macen e Schrödinger-it, e cila është njëkohësisht e gjallë dhe e vdekur në një kuti derisa vëzhguesi të futet fshehurazi atje. Asgjë në Jeta e përditshme nuk funksionon kështu. Megjithatë, rreth 1 milion eksperimente të kryera që nga fillimi i shekullit të 20-të tregojnë se mbivendosja ekziston. DHE hapi tjeter do të kuptojë se si të përdoret ky koncept.

Procesori kuantik: përshkrimi i punës

Bitët klasikë mund të marrin vlerën 0 ose 1. Nëse kaloni vargun e tyre nëpër "portat logjike" (DHE, OSE, JO, etj.), atëherë mund të shumëzoni numrat, të vizatoni imazhe, etj. Një qubit mund të marrë vlerat 0, 1 ose të dyja në të njëjtën kohë. Nëse, të themi, 2 kubit janë të ngatërruar, atëherë kjo i bën ato të lidhen në mënyrë të përsosur. Një procesor kuantik mund të përdorë porta logjike. T. n. një portë Hadamard, për shembull, vendos një kubit në një gjendje superpozimi të përsosur. Kur mbivendosja dhe ngatërrimi kombinohen me portat kuantike të vendosura me zgjuarsi, potenciali i llogaritjes nënatomike fillon të shpaloset. 2 kubit ju lejojnë të eksploroni 4 gjendje: 00, 01, 10 dhe 11. Parimi i funksionimit të një procesori kuantik është i tillë që kryerja e një operacioni logjik bën të mundur punën me të gjitha pozicionet në të njëjtën kohë. Dhe numri i gjendjeve të disponueshme është 2 në fuqinë e numrit të kubitëve. Pra, nëse bëni një kompjuter kuantik universal 50 kubitësh, atëherë teorikisht mund të eksploroni të gjitha kombinimet 1,125 kuadrilion në të njëjtën kohë.

Përshëndetje

Një procesor kuantik në Rusi shihet pak më ndryshe. Shkencëtarët nga Instituti i Fizikës dhe Teknologjisë në Moskë dhe Qendra Kuantike Ruse kanë krijuar "kudits", të cilët janë disa kubit "virtuale" me nivele të ndryshme "energjie".

Amplituda

Një procesor kuantik ka avantazhin që mekanika kuantike bazohet në amplituda. Amplituda janë të ngjashme me probabilitetet, por ato mund të jenë edhe numra negativë dhe kompleksë. Pra, nëse është e nevojshme të llogaritni probabilitetin e një ngjarjeje, mund të shtoni amplitudat e të gjitha varianteve të mundshme të zhvillimit të tyre. Ideja e llogaritjes kuantike është të përpiqemi të akordojmë në atë mënyrë që disa rrugë drejt përgjigjeve të gabuara të kenë amplituda pozitive dhe disa negative, në mënyrë që të anulojnë njëra-tjetrën. Dhe shtigjet që çojnë në përgjigjen e saktë do të kishin amplituda që janë në fazë me njëra-tjetrën. Truku është se ju duhet të organizoni gjithçka pa e ditur paraprakisht se cila përgjigje është e saktë. Pra, eksponencialiteti i gjendjeve kuantike, i kombinuar me potencialin për ndërhyrje ndërmjet amplitudave pozitive dhe negative, është një avantazh i këtij lloji të llogaritjes.

Algoritmi i Shor

Ka shumë detyra që kompjuteri nuk mund t'i zgjidhë. Për shembull, enkriptimi. Problemi është se nuk është e lehtë të gjesh faktorët kryesorë të një numri 200-shifror. Edhe nëse laptopi ka softuer të shkëlqyeshëm, mund të duhen vite për të gjetur përgjigjen. Pra, një tjetër moment historik në llogaritjen kuantike ishte një algoritëm i botuar në 1994 nga Peter Shor, tani profesor i matematikës në MIT. Metoda e tij është të gjejë faktorët e një numri të madh duke përdorur një kompjuter kuantik që ende nuk ekzistonte. Në thelb, algoritmi kryen operacione që tregojnë zonat me përgjigjen e saktë. Vitin tjetër, Shore zbuloi një metodë për korrigjimin e gabimeve kuantike. Atëherë shumë e kuptuan se ishte - mënyrë alternative llogaritje, e cila në disa raste mund të jetë më e fuqishme. Pastaj pati një rritje të interesit nga ana e fizikantëve për krijimin e kubitëve dhe portave logjike ndërmjet tyre. Dhe tani, dy dekada më vonë, njerëzimi është në prag të krijimit të një kompjuteri kuantik të plotë.

Njerëzimi, si 60 vjet më parë, është përsëri në prag të një përparimi madhështor në sferë teknologji kompjuterike... Shumë shpejt, kompjuterët kuantikë do të zëvendësojnë makinat e sotme kompjuterike.

Çfarë progresi ka arritur

Në vitin 1965, Gordon Moore tha se brenda një viti numri i transistorëve që përshtaten në një mikroçip silikoni dyfishohet. Ky ritëm progresi Kohët e funditështë ngadalësuar, dhe dyfishimi ndodh më rrallë - një herë në dy vjet. Edhe me këtë shpejtësi, në të ardhmen e afërt, transistorët do të jenë në gjendje të arrijnë madhësinë e një atomi. Më tej - linja, e cila është e pamundur të kalohet. Nga pikëpamja e strukturës fizike të tranzistorit, ai në asnjë mënyrë nuk mund të jetë më i vogël se vlerat atomike. Rritja e madhësisë së çipit nuk e zgjidh problemin. Puna e transistorëve shoqërohet me lëshimin e energjisë termike, dhe përpunuesit kanë nevojë për një sistem ftohjeje me cilësi të lartë. Arkitektura me shumë bërthama gjithashtu nuk e trajton çështjen e rritjes së mëtejshme. Kulmi në zhvillimin e teknologjisë moderne të procesorëve po vjen së shpejti.
Zhvilluesit arritën ta kuptonin këtë problem në një kohë kur kompjuterët personalë sapo kishin filluar të shfaqeshin në mesin e përdoruesve. Në vitin 1980, një nga themeluesit e informatikës kuantike, profesori sovjetik Yuri Manin, formuloi idenë e llogaritjes kuantike. Një vit më vonë, Richard Feyman propozoi modelin e parë të një kompjuteri me një procesor kuantik. Baza teorike se si duhet të duken kompjuterët kuantikë u formulua nga Paul Benioff.

Si funksionon një kompjuter kuantik

Për të kuptuar se si funksionon procesor i ri, është e nevojshme të keni të paktën një njohuri sipërfaqësore të parimeve të mekanikës kuantike. Nuk ka kuptim të japim këtu paraqitje matematikore dhe të nxjerrim formula. Për laikin, mjafton të njihet me tre tipare dalluese të mekanikës kuantike:

Gjendja ose pozicioni i një grimce përcaktohet vetëm me çdo shkallë probabiliteti.
Nëse një grimcë mund të ketë disa gjendje, atëherë ajo është në të gjitha gjendjet e mundshme menjëherë. Ky është parimi i mbivendosjes.
Procesi i matjes së gjendjes së një grimce çon në zhdukjen e mbivendosjes. Është karakteristikë se njohuritë e marra nga matja për gjendjen e grimcës ndryshojnë nga gjendja reale e grimcës para matjeve.

Nga pikëpamja e sensit të përbashkët - marrëzi e plotë. Në botën tonë të zakonshme, këto parime mund të përfaqësohen si më poshtë: dera e dhomës është e mbyllur, dhe në të njëjtën kohë ajo është e hapur. E mbyllur dhe e hapur në të njëjtën kohë.

Ky është ndryshimi i mrekullueshëm në llogaritje. Një procesor i zakonshëm operon në veprimet e tij me një kod binar. Bitët e kompjuterit mund të jenë vetëm në një gjendje - kanë një vlerë logjike prej 0 ose 1. Kompjuterët kuantikë funksionojnë me kubit, të cilët mund të kenë një vlerë logjike prej 0, 1, 0 dhe 1 në të njëjtën kohë. Për të zgjidhur disa probleme, ata do të kenë një avantazh shumëmilionësh ndaj kompjuterëve tradicionalë. Sot ka tashmë dhjetëra përshkrime të algoritmeve të punës. Programuesit krijojnë kod të veçantë programi që mund të funksionojë në parime të reja të llogaritjes.

Ku do të aplikohet makina e re informatike

Një qasje e re në procesin e llogaritjes ju lejon të punoni me sasi të mëdha të dhënash dhe të kryeni operacione llogaritëse të menjëhershme. Me ardhjen e kompjuterëve të parë, disa njerëz, duke përfshirë shtetarët, kishin skepticizëm të madh për përdorimin e tyre në ekonominë kombëtare. Sot ka njerëz që janë plot dyshime për rëndësinë e kompjuterëve të një brezi thelbësisht të ri. Për një kohë mjaft të gjatë, revistat teknike refuzuan të botonin artikuj mbi llogaritjen kuantike, duke e konsideruar atë një dredhi të zakonshme mashtruese për të mashtruar investitorët.

Mënyra e re e llogaritjes do të krijojë parakushtet për zbulime madhështore shkencore në të gjitha industritë. Mjekësia do të zgjidhë shumë çështje problematike, të cilat janë grumbulluar mjaft gjatë viteve të fundit. Do të jetë e mundur të diagnostikohet kanceri në një fazë më të hershme të sëmundjes sesa tani. Industria kimike do të jetë në gjendje të sintetizojë produkte me veti unike.

Një përparim në astronautikë nuk do të vonojë shumë. Fluturimi në planetë të tjerë do të bëhet po aq i zakonshëm sa udhëtimet e përditshme nëpër qytet. Potenciali që qëndron në llogaritjen kuantike sigurisht që do ta transformojë planetin tonë përtej njohjes.

Të tjera tipar dallues që kanë kompjuterët kuantikë është aftësia e llogaritjes kuantike për të marrë shpejt kodi i kërkuar ose shifër. Një kompjuter konvencional kryen një zgjidhje optimizimi matematikor në mënyrë sekuenciale, duke u përsëritur mbi një opsion pas tjetrit. Një konkurrent kuantik punon me të gjithë grupin e të dhënave menjëherë, duke zgjedhur në çast më shumë opsione të përshtatshme në një kohë të shkurtër të paprecedentë. Transaksionet bankare do të deshifrohen sa hap e mbyll sytë, gjë që nuk është e disponueshme për kompjuterët modernë.

Sidoqoftë, sektori bankar mund të mos shqetësohet - sekreti i tij do të ruhet nga një metodë e kriptimit kuantik me një paradoks matjeje. Kur përpiqeni të thyeni kodin, do të ndodhë korrupsion sinjali i transmetuar... Informacioni i marrë nuk do të ketë kuptim. Shërbimet sekrete, për të cilat spiunazhi është i zakonshëm, janë të interesuar për mundësitë e llogaritjes kuantike.

Vështirësitë e ndërtimit

Vështirësia qëndron në krijimin e kushteve në të cilat një bit kuantik mund të jetë në një gjendje mbivendosjeje për një kohë pafundësisht të gjatë.

Çdo kubit është një mikroprocesor që funksionon mbi parimet e superpërçueshmërisë dhe ligjet e mekanikës kuantike.

Rreth elementëve mikroskopikë të makinës logjike krijohen një sërë kushtesh unike mjedisore:

temperatura 0,02 gradë Kelvin (-269,98 Celsius);
një sistem mbrojtjeje kundër rrezatimit magnetik dhe elektrik (zvogëlon ndikimin e këtyre faktorëve me 50 mijë herë);
sistem për heqjen e nxehtësisë dhe zbutjen e dridhjeve;
rrallimi i ajrit nën presionin atmosferik me 100 miliardë herë.

Një devijim i lehtë në mjedis bën që kubitët të humbasin menjëherë gjendjen e tyre të mbivendosjes, duke shkaktuar keqfunksionimin e tyre.

Përpara gjithë planetit

Të gjitha sa më sipër mund t'i atribuohen krijimtarisë së mendjes së përflakur të shkrimtarit të tregimeve fantashkencë, nëse Google, së bashku me NASA-n, nuk do të kishin blerë një kompjuter kuantik D-Wave me një procesor që përmban 512 kubit nga një korporatë kërkimore kanadeze. vit.

Me ndihmën e tij, lideri në tregun e teknologjisë kompjuterike do të zgjidhë çështjet mësimi i makinës në renditjen dhe analizimin e sasive të mëdha të të dhënave.

Snowden, i cili u largua nga Shtetet e Bashkuara, bëri gjithashtu një deklaratë të rëndësishme zbuluese - NSA gjithashtu planifikon të zhvillojë kompjuterin e saj kuantik.

2014 - fillimi i epokës së sistemeve D-Wave

Atletja e suksesshme kanadeze Geordie Rose, pas një marrëveshjeje me Google dhe NASA, filloi ndërtimin e një procesori 1000 kubit. Modeli i ardhshëm do të tejkalojë prototipin e parë tregtar me të paktën 300 mijë herë në shpejtësi dhe vëllim llogaritës. Kompjuteri kuantik, fotografia e të cilit ndodhet më poshtë, është në parim opsioni i parë komercial në botë Teknologji e re llogaritjet.

Për t'u angazhuar në zhvillimet shkencore ai u nxit nga njohja e tij në universitet me veprat e Colin Williams mbi llogaritjen kuantike. Duhet thënë se Williams aktualisht është i punësuar nga Rose Corporation si menaxher i projekteve të biznesit.

Përparim ose mashtrim shkencor

Vetë Rose nuk e di plotësisht se çfarë janë kompjuterët kuantikë. Në dhjetë vjet, ekipi i tij ka kaluar nga krijimi i një procesori 2-kubit në idenë e parë komerciale të sotme.

Që në fillim të kërkimit të tij, Rose u përpoq të krijonte një procesor me një numër minimal prej 1000 kubitësh. Dhe ai patjetër duhej të kishte një version komercial - të shiste dhe të fitonte para.

Shumë, duke e ditur obsesionin dhe mendjemprehtësinë tregtare të Rozës, përpiqen ta akuzojnë atë për falsifikim. Me sa duket, procesori më i zakonshëm është lëshuar si kuantik. Kjo lehtësohet nga fakti se teknika e re shfaq performancë fenomenale gjatë kryerjes së llojeve të caktuara të llogaritjeve. Përndryshe, ai sillet si një kompjuter krejtësisht i zakonshëm, vetëm shumë i shtrenjtë.

Kur do të shfaqen

Nuk do të zgjasë shumë për të pritur. Grupi kërkimor, i organizuar nga blerësit e përbashkët të prototipit, do të japë një raport mbi rezultatet e hulumtimit në D-Wave në të ardhmen e afërt.
Ndoshta do të vijë së shpejti koha në të cilën kompjuterët kuantikë do të ndryshojnë kuptimin tonë për botën përreth nesh. Dhe i gjithë njerëzimi në këtë moment do të arrijë një nivel më të lartë të evolucionit të tij.

L. Fedichkin, doktoraturë në fizikë dhe matematikë (Instituti i Fizikës dhe Teknologjisë i Akademisë së Shkencave Ruse.

Duke përdorur ligjet e mekanikës kuantike, ju mund të krijoni një lloj krejtësisht të ri kompjuterësh që do t'ju lejojë të zgjidhni disa probleme që janë të paarritshme edhe për superkompjuterët më të fuqishëm modernë. Shpejtësia e shumë llogaritjeve komplekse do të rritet në qiell; mesazhet e dërguara përmes linjave kuantike të komunikimit nuk mund të përgjohen dhe as të kopjohen. Prototipet e këtyre kompjuterëve kuantikë të së ardhmes janë krijuar tashmë.

Matematikani dhe fizikani amerikan me origjinë hungareze Johann von Neumann (1903-1957).

Fizikani teorik amerikan Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Matematikani amerikan Peter Shore, një ekspert në fushën e informatikës kuantike. Propozoi një algoritëm kuantik për faktorizimin e shpejtë të numrave të mëdhenj.

Bit kuantik, ose kubit. Gjendjet dhe korrespondojnë, për shembull, me drejtimin e rrotullimit të bërthamës atomike lart ose poshtë.

Një regjistër kuantik është një varg bitash kuantike. Portat kuantike me një ose dy kubit kryejnë operacione logjike në kubit.

HYRJE, OSE PAK RRETH MBROJTJES SË INFORMACIONIT

Cili softuer mendoni se ka më shumë licenca të shitura në botë? Nuk do të guxoj të insistoj që ta di përgjigjen e saktë, por e di patjetër një të gabuar: është jo ndonjë nga versionet Microsoft Windows... Sistemi operativ më i zakonshëm është tejkaluar nga një produkt modest nga RSA Data Security, Inc. - një program që zbaton algoritmin e enkriptimit të çelësit publik RSA, i quajtur sipas autorëve të tij - matematikanëve amerikanë Rivest, Shamir dhe Adelman.

Fakti është se Algoritmi RSAështë i integruar në shumicën e sistemeve operative të shitura, si dhe në shumë aplikacione të tjera të përdorura në pajisje duke filluar nga kartat inteligjente deri te telefonat celularë... Në veçanti, është gjithashtu i disponueshëm në Microsoft Windows, që do të thotë se është qëllimisht më i gjerë se ky popullor sistemi operativ... Për të zbuluar gjurmët e RSA, për shembull, në Shfletuesi i internetit Explorer (një program për shikimin e faqeve www në internet), thjesht hapni menunë Ndihmë, hyni në nënmenynë Rreth Internet Explorer dhe shikoni një listë të produkteve të palëve të treta të përdorura. Një tjetër shfletues i zakonshëm, Netscape Navigator, përdor gjithashtu algoritmin RSA. Në përgjithësi e vështirë për t'u gjetur kompani e njohur duke punuar në terren teknologjisë së lartë që nuk do të blinte një licencë për këtë program. Sot RSA Data Security, Inc. ka shitur tashmë mbi 450 milionë (!) licenca.

Pse është algoritmi RSA kaq i rëndësishëm?

Imagjinoni që duhet të shkëmbeni shpejt një mesazh me një person larg. Falë zhvillimit të internetit, një shkëmbim i tillë është bërë i disponueshëm për shumicën e njerëzve sot - thjesht duhet të keni një kompjuter me një modem ose një kartë rrjeti. Natyrisht, kur shkëmbeni informacion në rrjet, dëshironi t'i mbani sekret mesazhet tuaja nga të huajt. Megjithatë, është e pamundur të mbrohet plotësisht një linjë e zgjeruar komunikimi nga përgjimi. Kjo do të thotë se gjatë dërgimit të mesazheve, ato duhet të jenë të koduara, dhe kur merren, ato duhet të deshifrohen. Por si mund të bini dakord ju dhe bashkëbiseduesi juaj se cilin çelës do të përdorni? Nëse e dërgoni çelësin te shifra në të njëjtën linjë, atëherë një sulmues përgjues mund ta përgjojë lehtësisht atë. Ju, natyrisht, mund ta transmetoni çelësin përmes një linje tjetër komunikimi, për shembull, ta dërgoni atë me telegram. Por kjo metodë është zakonisht e papërshtatshme dhe, për më tepër, jo gjithmonë e besueshme: mund të preket edhe një linjë tjetër. Është mirë nëse ju dhe adresuesi juaj e dinit paraprakisht se do të shkëmbeni kriptime, dhe për këtë arsye ia transferonit çelësat njëri-tjetrit paraprakisht. Dhe çfarë të bëni, për shembull, nëse doni të dërgoni konfidenciale propozim tregtar një partner i mundshëm biznesi apo blini një produkt që ju pëlqen me një kartë krediti në një dyqan të ri online?

Në vitet 1970, sistemet e enkriptimit u propozuan për të zgjidhur këtë problem, duke përdorur dy lloje çelësash për të njëjtin mesazh: të hapur (që nuk kërkon fshehtësi) dhe të mbyllur (shumë sekret). Çelësi publik përdoret për të enkriptuar mesazhin dhe çelësi privat përdoret për të deshifruar atë. Ju i dërgoni korrespondentit tuaj një çelës publik dhe ai kodon mesazhin e tij me të. Gjithçka që mund të bëjë një sulmues që kap një çelës publik është të kodojë letrën e tij dhe t'ia përcjellë dikujt. Por ai nuk do të jetë në gjendje të deshifrojë korrespondencën. Duke ditur çelësin privat (ai fillimisht ruhet me ju), mund ta lexoni lehtësisht mesazhin që ju drejtohet. Për të kriptuar mesazhet e përgjigjes, do të përdorni çelësin publik të dërguar nga korrespondenti juaj (dhe ai e mban çelësin privat përkatës për vete).

Kjo është skema kriptografike e përdorur në RSA, metoda më e përdorur e enkriptimit të çelësit publik. Për më tepër, për të krijuar një palë çelësash publikë dhe privatë, përdoret hipoteza e rëndësishme e mëposhtme. Nëse ka dy të mëdha (që kërkojnë më shumë se njëqind shifra dhjetore për shënimin e tyre) thjeshtë numrat M dhe K, atëherë gjetja e produktit të tyre N = MK nuk do të jetë e vështirë (për këtë nuk është as e nevojshme të keni një kompjuter: një person mjaft i saktë dhe i durueshëm mund të shumëzojë numra të tillë me një stilolaps dhe letër). Por për të zgjidhur problemin e anasjelltë, domethënë të dish numër i madh N, faktorizoni atë në faktorët kryesorë M dhe K (të ashtuquajturit problemi i faktorizimit) - pothuajse e pamundur! Pikërisht me këtë problem do të përballet një sulmues që vendos të "plas" algoritmin RSA dhe të lexojë informacionin e koduar me të: për të gjetur çelësin privat, duke ditur atë publik, do të duhet të llogaritni M ose K.

Për të testuar vlefshmërinë e hipotezës për kompleksitetin praktik të faktorizimit të numrave të mëdhenj, janë mbajtur dhe po zhvillohen konkurse speciale. Zbërthimi i vetëm një numri 155-shifror (512-bit) konsiderohet një rekord. Llogaritjet u kryen paralelisht në shumë kompjuterë për shtatë muaj në 1999. Nëse kjo detyrë do të kryhej në një kompjuter personal modern, do të duheshin rreth 35 vjet kohë kompjuteri! Llogaritjet tregojnë se duke përdorur edhe mijëra stacione pune moderne dhe algoritmet më të mira llogaritëse të njohura sot, një numër 250-shifror mund të faktorizohet në rreth 800 mijë vjet, dhe një numër 1000-shifror - në 10 25 (!) Vite. (Për krahasim, mosha e universit është ~ 10 10 vjet.)

Prandaj, algoritmet kriptografike si RSA, që funksionojnë në çelësa mjaft të gjatë, u konsideruan plotësisht të besueshëm dhe u përdorën në shumë aplikacione. Dhe gjithçka ishte në rregull deri atëherë ... derisa u shfaqën kompjuterët kuantikë.

Rezulton se duke përdorur ligjet e mekanikës kuantike, është e mundur të ndërtohen kompjuterë për të cilët problemi i faktorizimit (dhe shumë të tjerë!) nuk do të jetë i vështirë. Është vlerësuar se një kompjuter kuantik me vetëm rreth 10,000 bit kuantike memorie është në gjendje të faktorizojë një numër 1000-shifror në faktorët kryesorë në vetëm disa orë!

SI FILLOI GJITHA?

Vetëm nga mesi i viteve 1990, teoria e kompjuterëve kuantikë dhe informatikës kuantike u krijua si një fushë e re e shkencës. Siç ndodh shpesh me idetë e shkëlqyera, është e vështirë të dallosh një zbulues. Me sa duket, matematikani hungarez I. von Neumann ishte i pari që tërhoqi vëmendjen për mundësinë e zhvillimit të logjikës kuantike. Mirëpo, në atë kohë nuk ishin krijuar ende kompjuterë jo vetëm kuantikë, por edhe të zakonshëm, klasikë. Dhe me ardhjen e kësaj të fundit, përpjekjet kryesore të shkencëtarëve rezultuan të drejtoheshin kryesisht në kërkimin dhe zhvillimin e elementeve të rinj për ta (tranzistorë, dhe më pas qarqet e integruara), dhe jo në krijimin e pajisjeve thelbësisht të ndryshme llogaritëse.

Ndërsa kompjuterët u shumuan, shkencëtarët kuantikë arritën në përfundimin se ishte praktikisht e pamundur të llogaritet drejtpërdrejt gjendja e një sistemi në zhvillim të përbërë nga vetëm disa duzina grimcash ndërvepruese, siç është një molekulë metani (CH 4). Kjo shpjegohet me faktin se për një përshkrim të plotë të një sistemi kompleks, është e nevojshme të ruhet në kujtesën e kompjuterit një numër i madh (përsa i përket numrit të grimcave) variablash, të ashtuquajturat amplituda kuantike. U krijua një situatë paradoksale: duke ditur ekuacionin e evolucionit, duke ditur me saktësi të mjaftueshme të gjitha potencialet e ndërveprimit të grimcave me njëra-tjetrën dhe gjendjen fillestare të sistemit, është praktikisht e pamundur të llogaritet e ardhmja e tij, edhe nëse sistemi përbëhet nga vetëm 30 elektronet në një pus potencial, dhe ekziston një superkompjuter me memorie të aksesit të rastësishëm, numri i biteve të të cilit është i barabartë me numrin e atomeve në rajonin e dukshëm të Universit (!). Dhe në të njëjtën kohë, për të studiuar dinamikën e një sistemi të tillë, thjesht mund të vendosni një eksperiment me 30 elektrone, duke i vendosur ato në një potencial të caktuar dhe gjendje fillestare. Kjo, në veçanti, u theksua nga matematikani rus Yu. I. Manin, i cili vuri në dukje në vitin 1980 nevojën për të zhvilluar një teori të pajisjeve kompjuterike kuantike. Në vitet 1980, i njëjti problem u studiua nga fizikani amerikan P. Benev, i cili tregoi qartë se një sistem kuantik mund të kryejë llogaritje, si dhe shkencëtari anglez D. Deutsch, i cili teorikisht zhvilloi një kompjuter kuantik universal, superior ndaj analogut klasik. .

Laureati i çmimit Nobel në fizikë R. Feynman, i cili është i njohur për lexuesit e rregullt të Shkencës dhe Jetës, ka tërhequr shumë vëmendjen ndaj problemit të zhvillimit të kompjuterëve kuantikë. Falë thirrjes së tij autoritative, numri i specialistëve që i kushtuan vëmendje llogaritjes kuantike është rritur shumëfish.

E megjithatë, për një kohë të gjatë mbeti e paqartë nëse fuqia hipotetike llogaritëse e një kompjuteri kuantik mund të përdoret për të shpejtuar zgjidhjen e problemeve praktike. Por në vitin 1994, P. Shore, një matematikan amerikan dhe punonjës i Lucent Technologies (SHBA), mahniti botën shkencore duke propozuar një algoritëm kuantik që lejon faktorizimin e shpejtë të numrave të mëdhenj (rëndësia e këtij problemi u diskutua tashmë në hyrje). Në krahasim me metodat më të mira klasike të njohura deri më sot, algoritmi kuantik i Shor jep një përshpejtim të shumëfishtë të llogaritjeve dhe sa më i gjatë të jetë numri i faktorizuar, aq më i madh është fitimi në shpejtësi. Algoritmi i faktorizimit të shpejtë është me interes të madh praktik për shërbime të ndryshme speciale që kanë grumbulluar banka mesazhesh të pakriptuara.

Në vitin 1996, kolegu i Shor në Lucent Technologies, L. Grover, propozoi një algoritëm kërkimi të shpejtë kuantik në një bazë të dhënash të parregulluar. (Një shembull i një baze të tillë të dhënash është një libër telefonik, në të cilin emrat e abonentëve janë renditur jo në mënyrë alfabetike, por në mënyrë arbitrare.) Detyra e kërkimit, zgjedhjes së elementit optimal midis opsioneve të shumta haset shumë shpesh në fushën ekonomike, ushtarake. , probleme inxhinierike, në lojërat kompjuterike. Algoritmi i Grover lejon jo vetëm përshpejtimin e procesit të kërkimit, por edhe përafërsisht dyfishimin e numrit të parametrave të marrë parasysh kur zgjedh opsionin optimal.

Krijimi i vërtetë i kompjuterëve kuantikë u pengua nga problemi i vetëm serioz - gabimet ose ndërhyrjet. Fakti është se i njëjti nivel i ndërhyrjes e prish procesin e llogaritjes kuantike shumë më intensivisht sesa llogaritja klasike. Mënyrat e zgjidhjes së këtij problemi u përshkruan në vitin 1995 nga P. Shor, i cili zhvilloi një skemë për kodimin e gjendjeve kuantike dhe korrigjimin e gabimeve në to. Fatkeqësisht, tema e korrigjimit të gabimeve në kompjuterët kuantikë është po aq e rëndësishme sa është e vështirë të mbulohet në këtë artikull.

PAJISJE E NJË KOMPJUTERI KUANTUM

Përpara se të tregojmë se si funksionon një kompjuter kuantik, le të kujtojmë tiparet kryesore të sistemeve kuantike (shih gjithashtu Science and Life Nr. 8, 1998; Nr. 12, 2000).

Për të kuptuar ligjet bota kuantike mos u mbështetni drejtpërdrejt në përvojën e përditshme. Në mënyrën e zakonshme (në kuptimin e përditshëm), grimcat kuantike sillen vetëm nëse vazhdimisht i "përgjojmë" ose, thënë më saktë, matim vazhdimisht gjendjen në të cilën ndodhen. Por, sapo të "largojmë" (ndalojmë së vëzhguari), grimcat kuantike kalojnë menjëherë nga një gjendje krejtësisht e caktuar menjëherë në disa hipostaza të ndryshme. Kjo do të thotë, një elektron (ose çdo objekt tjetër kuantik) do të jetë pjesërisht i vendosur në një pikë, pjesërisht në një tjetër, pjesërisht në një të tretë, etj. Kjo nuk do të thotë se është i ndarë në feta, si një portokall. Atëherë dikush mund të izolojë me siguri një pjesë të elektronit dhe të matë ngarkesën ose masën e tij. Por përvoja tregon se pas matjes, elektroni gjithmonë rezulton të jetë "i sigurt dhe i shëndoshë" në një pikë të vetme, pavarësisht se para kësaj ai arriti të vizitonte pothuajse kudo në të njëjtën kohë. Një gjendje e tillë e një elektroni, kur ai ndodhet në disa pika të hapësirës në të njëjtën kohë, quhet mbivendosje e gjendjeve kuantike dhe zakonisht përshkruhen nga funksioni valor i prezantuar në vitin 1926 nga fizikani gjerman E. Schrödinger. Madhësia e vlerës së funksionit të valës në çdo pikë, në katror, përcakton mundësinë e gjetjes së një grimce në këtë pikë në një moment të caktuar. Pas matjes së pozicionit të grimcës, funksioni i saj valor, si të thuash, tkurret (kolapsohet) deri në pikën ku u zbulua grimca dhe pastaj përsëri fillon të përhapet. Vetia e grimcave kuantike të jetë njëkohësisht në shumë gjendje, quhet paralelizmi kuantik, është përdorur me sukses në llogaritjen kuantike.

Bit kuantik

Qeliza kryesore e një kompjuteri kuantik është një bit kuantik, ose shkurtimisht, kubit(q-bit). Është një grimcë kuantike që ka dy gjendje themelore, të cilat shënohen 0 dhe 1, ose, siç është zakon në mekanikën kuantike, dhe. Dy vlera të një kubiti mund të korrespondojnë, për shembull, gjendjet tokësore dhe të ngacmuara të atomit, drejtimet lart e poshtë të rrotullimit të bërthamës atomike, drejtimin e rrymës në unazën superpërçuese, dy pozicione të mundshme të elektron në gjysmëpërçues etj.

Regjistri kuantik

Regjistri kuantik funksionon në të njëjtën mënyrë si ai klasik. Ky është një varg bitash kuantikë, mbi të cilët mund të kryhen operacione logjike një dhe dy-bit (e ngjashme me përdorimin e NOT, 2AND-NOT, etj., në një regjistër klasik).

Gjendjet bazë të regjistrit kuantik të formuar nga kubitët L përfshijnë, si në atë klasik, të gjitha sekuencat e mundshme të zerove dhe njësheve me gjatësi L. Mund të ketë 2 L kombinime të ndryshme në total. Ato mund të konsiderohen si numra që shkruajnë në formë binare nga 0 në 2 L -1 dhe shënohen. Megjithatë, këto linja bazë nuk i shterojnë të gjitha vlerat e mundshme regjistri kuantik (në ndryshim nga ai klasik), pasi ka edhe gjendje të mbivendosjes të specifikuara nga amplituda komplekse të lidhura me kushtin e normalizimit. Shumica e vlerave të mundshme të regjistrit kuantik (me përjashtim të atyre bazë) thjesht nuk kanë një analog klasik. Gjendjet e regjistrit klasik janë vetëm një hije e dhimbshme e të gjithë pasurisë së gjendjeve të një kompjuteri kuantik.

Imagjinoni që një ndikim i jashtëm kryhet në regjistër, për shembull, impulset elektrike dërgohen në një pjesë të hapësirës ose drejtohen rrezet lazer... Nëse është një regjistër klasik, një impuls, i cili mund të shihet si një operacion llogaritës, do të ndryshojë variablat L. Nëse është një regjistër kuantik, atëherë i njëjti puls mund të shndërrohet njëkohësisht në variabla. Kështu, një regjistër kuantik është, në parim, i aftë të përpunojë informacionin një herë më shpejt se homologu i tij klasik. Nga kjo është menjëherë e qartë se regjistrat e vegjël kuantikë (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Sidoqoftë, duhet theksuar se ekziston një klasë problemesh për të cilat algoritmet kuantike nuk ofrojnë përshpejtim të konsiderueshëm në krahasim me ato klasike. Një nga të parët që e tregoi këtë ishte matematikani rus Yu. Ozhigov, i cili ndërtoi një sërë shembujsh algoritmesh që nuk mund të përshpejtohen nga një orë e vetme në një kompjuter kuantik.

E megjithatë nuk ka dyshim se kompjuterët që funksionojnë sipas ligjeve të mekanikës kuantike janë një fazë e re dhe vendimtare në evolucionin e sistemeve kompjuterike. Mbetet vetëm për t'i ndërtuar ato.

KOMPJUTERËT KUANTUM SOT

Sot ekzistojnë prototipe të kompjuterëve kuantikë. Vërtetë, deri më tani eksperimentalisht ka qenë e mundur të mblidhen vetëm regjistra të vegjël të përbërë nga vetëm disa bit kuantikë. Për shembull, kohët e fundit një grup i udhëhequr nga fizikani amerikan I. Chang (IBM) njoftoi montimin e një kompjuteri kuantik 5-bit. Ky është padyshim një sukses i madh. Fatkeqësisht, sistemet kuantike ekzistuese nuk janë ende në gjendje të ofrojnë llogaritje të besueshme, pasi ato janë ose të pamjaftueshme të kontrollueshme ose shumë të ndjeshme ndaj zhurmës. Sidoqoftë, nuk ka kufizime fizike në ndërtimin e një kompjuteri kuantik efikas, është e nevojshme vetëm për të kapërcyer vështirësitë teknologjike.

Ka disa ide dhe sugjerime se si të bëhen bit kuantikë të besueshëm dhe lehtësisht të kontrollueshëm.

I. Chang zhvillon idenë e përdorimit të rrotullimeve të bërthamave të disa molekulave organike si kubit.

Studiuesi rus M.V. Feigelman, duke punuar në Institutin për Fizikën Teorike. LD Landau RAS, propozon mbledhjen e regjistrave kuantikë nga unazat miniaturë superpërcjellëse. Çdo unazë luan rolin e një kubit, dhe gjendjet 0 dhe 1 korrespondojnë me drejtimin e rrymës elektrike në unazë - në drejtim të akrepave të orës dhe në të kundërt. Kubit të tillë mund të ndërrohen duke përdorur një fushë magnetike.

Në Institutin e Fizikës dhe Teknologjisë të Akademisë Ruse të Shkencave, një grup i udhëhequr nga akademiku K. A. Valiev propozoi dy opsione për vendosjen e kubiteve në strukturat gjysmëpërçuese. Në rastin e parë, roli i një kubit luhet nga një elektron në një sistem prej dy pusesh potenciale të krijuara nga një tension i aplikuar në mini-elektroda në sipërfaqen gjysmëpërçuese. Gjendjet 0 dhe 1 janë pozicionet e një elektroni në një nga këto puse. Kubiti ndërrohet duke ndryshuar tensionin në njërën nga elektrodat. Në një version tjetër, kubiti është bërthama e një atomi fosfori të ngulitur në një pikë specifike në gjysmëpërçues. Gjendjet 0 dhe 1 janë drejtimet e rrotullimit bërthamor përgjatë ose kundër fushës magnetike të jashtme. Kontrolli kryhet duke përdorur veprimin e kombinuar të impulseve magnetike të impulseve të frekuencës rezonante dhe tensionit.

Kështu, kërkimet po kryhen në mënyrë aktive dhe mund të supozohet se në të ardhmen shumë të afërt - në dhjetë vjet - do të krijohet një kompjuter kuantik efektiv.

NJË VËSHTRIM NË TË ARDHMEN

Kështu, është mjaft e mundur që në të ardhmen, kompjuterët kuantikë të prodhohen duke përdorur metoda tradicionale të teknologjisë mikroelektronike dhe të përmbajnë shumë elektroda kontrolli, të ngjashme me një mikroprocesor modern. Për të reduktuar nivelin e zhurmës, i cili është kritik për funksionimin normal të një kompjuteri kuantik, modelet e para ka shumë të ngjarë të ftohen me helium të lëngshëm. Kompjuterët e parë kuantikë ka të ngjarë të jenë pajisje të mëdha dhe të shtrenjta që nuk mund të përshtateshin në një tavolinë dhe të mirëmbaheshin nga një staf i madh programuesish të sistemit dhe rregullues harduerësh me veshje të bardha. Së pari, vetëm agjencitë qeveritare do të kenë akses në to, pastaj organizatat e pasura tregtare. Por epoka e kompjuterëve konvencionale filloi pothuajse në të njëjtën mënyrë.

Dhe çfarë do të bëhet me kompjuterët klasikë? A do të vdesin? Nuk ka gjasa. Të dy kompjuterët klasikë dhe kuantikë kanë fushat e tyre të aplikimit. Edhe pse, sipas të gjitha gjasave, raporti në treg do të zhvendoset gradualisht drejt këtij të fundit.

Futja e kompjuterëve kuantikë nuk do të çojë në zgjidhjen e problemeve klasike thelbësisht të pazgjidhshme, por vetëm do të shpejtojë disa llogaritje. Për më tepër, komunikimi kuantik do të bëhet i mundur - transmetimi i kubitëve në një distancë, i cili do të çojë në shfaqjen e një lloj interneti kuantik. Komunikimi kuantik do të sigurojë një lidhje të mbrojtur (nga ligjet e mekanikës kuantike) nga përgjimi i të gjithëve me njëri-tjetrin. Informacioni juaj i ruajtur në bazat e të dhënave kuantike do të jetë më i sigurt nga kopjimi se sa është tani. Firmat që prodhojnë programe për kompjuterë kuantikë do të jenë në gjendje t'i mbrojnë ata nga çdo kopjim, duke përfshirë edhe atë të paligjshëm.

Për një kuptim më të thellë të kësaj teme, mund të lexoni artikullin e rishikimit nga E. Riffel, V. Polak "Bazat e informatikës kuantike", botuar në revistën "Kompjuterët kuantë dhe llogaritja kuantike" botuar në Rusi (Nr. 1, 2000) . (Meqë ra fjala, kjo është e para dhe deri më tani e vetmja revistë në botë që i kushtohet llogaritjes kuantike. Informacione shtesë në lidhje me të mund të gjenden në internet në http://rcd.ru/qc.). Pasi të keni zotëruar këtë punë, do të jeni në gjendje të lexoni artikuj shkencorë mbi llogaritjen kuantike.

Do të kërkohet pak më shumë trajnim paraprak matematikor gjatë leximit të librit të A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Informatikë klasike dhe kuantike" (Moskë: MTsNMO-CheRo, 1999).

Një numër aspektesh themelore të mekanikës kuantike që janë thelbësore për llogaritjen kuantike diskutohen në librin e V.V.Belokurov, O.D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev "Teleportimi kuantik është një mrekulli e zakonshme" (Izhevsk: RKhD, 2000).

Shtëpia Botuese RKhD po përgatitet të botojë në formën e një libri të veçantë përkthimin e recensionit të A. Steen kushtuar kompjuterëve kuantikë.

Literatura e mëposhtme do të jetë e dobishme jo vetëm nga ana njohëse, por edhe historike:

1) Yu. I. Manin. E llogaritshme dhe e pa llogaritshme.

M .: Sov. radio, 1980.

2) I. von Neumann. Bazat matematikore të mekanikës kuantike.

Moskë: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulimi i fizikës në kompjuterë // Kompjuteri kuantik dhe kompjuteri kuantik:

Shtu. në 2 vëllime - Izhevsk: RKhD, 1999.Vëllimi 2, f. 96-123.

4) R. Feynman. Kompjuterët mekanikë kuantikë

// Po aty, f. 123.-156.

Shihni çështjen në të njëjtën temë