Njerëzimi, si 60 vjet më parë, është sërish në prag të një përparimi të madh në fushën e teknologjisë informatike. 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. Kjo normë përparimi është ngadalësuar kohët e fundit 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. Bazat teorike se si duhet të duken kompjuterët kuantikë u formuluan nga Paul Benioff.
Si funksionon një kompjuter kuantik
Për të kuptuar se si funksionon një procesor i ri, duhet 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.
Një veçori tjetër dalluese që kanë kompjuterët kuantikë është aftësia e llogaritjes kuantike për të marrë shpejt kodin ose shifrën e duhur. 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 opsionet më 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, sinjali i transmetuar do të shtrembërohet. 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 ndezur të shkrimtarit të tregimeve fantastiko-shkencore, 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 problemet e mësimit të makinerive 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
Atleti i suksesshëm kanadez 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 versioni i parë komercial në botë i një teknologjie thelbësisht të re informatike.
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.
25-09-2017, 16:25
Në artikullin e sotëm nuk do të shqyrtojmë ndërlikimet e ngjarjeve të së kaluarës ose perversitetet parashkencore të së tashmes. Sot do të përpiqemi të shikojmë në të ardhmen.
Teknologjia është shpesh tema kryesore e bisedave për të ardhmen - dhe, duhet theksuar, absolutisht e merituar. Nga të gjithë faktorët që ndikojnë në lëvizjen e ingranazheve të procesit historik, është pikërisht dinamika e ndryshimit të rendit teknologjik që mund të quhet më i fuqishmi. Viktimat e futjes graduale të teknologjive të reja dhe humbjes së papritur të kuptimit të të vjetrave gjatë historisë janë bërë institucione shoqërore dhe perandori të tëra, e në disa raste edhe qytetërime. Për shkak të kësaj, dëshira për të përmbushur grupin e ri të ndryshimeve të përgatitura duket më se e natyrshme.
Por në të njëjtën kohë, duhet theksuar se futurologjia moderne teknologjike ndikohet kryesisht nga një vizionar i kushtëzuar emocionalisht i një lloji mjaft të keq. Një ku cilësia e parashikimit është më pak prioritet sesa dëshira për të mahnitur dhe kënaqur audiencën në një mënyrë elegante të një të ardhmeje demonstrative të teknologjisë së lartë. Çështja, ndoshta, është se kjo lloj futurologjie nuk është aq thelbësore sa e aplikuar në natyrë, duke i shërbyer detyrave të marketingut këtu dhe tani, sesa nevojën për të kuptuar imazhin e së ardhmes diku më vonë. Për shkak të kësaj, ekzistojnë ide mjaft primitive se e ardhmja është kur:
1. Gjithçka elegante, e rrumbullakosur dhe kryesisht e bardhë (i ndjeri Steve Jobs dhe Apple);
2.Çdo gjë elektrike, e ripërdorshme dhe miqësore me mjedisin (Elon Musk dhe perandoria e tij nga SpaceX, Tesla dhe SolarCity);
3. çdo gjë kibernike, artificialisht inteligjente dhe me aplikacione për modifikimin e natyrës njerëzore (Ray Kurzweil dhe Google, një rast i rrallë kur fytyra e imazhit të së ardhmes nuk është personi i parë në kompani);
4. një kombinim arbitrar i artikujve të mësipërm (abonenti mesatar i çdo publiku për tema shkencore dhe teknike).
Cili është problemi me opsionet e listuara për të ardhmen, siç e shohim sot? Fakti që ato në të vërtetë nuk përmbajnë asnjë opsion për të ardhmen. Të gjitha sa më sipër janë të përshtatshme në rastin më të mirë për të përshkruar estetikën e disa ekskluziviteteve fantastiko-shkencore, një pjesë të së cilës publiku ftohet ta blejë në formën e produkteve të kompanisë përkatëse. Opsionet e listuara janë mjaft të dobëta për sa i përket përshkrimit të problemeve dhe zgjidhjeve reale, dhe ato që janë ende të pranishme janë të thjeshta dhe, për ta thënë butë, të diskutueshme.
Këtu, me sa duket, fraza sugjeron veten "dhe tani unë do t'ju tregoj një futurologji të vërtetë me cilësi të lartë". Megjithatë, nuk do. Një deklaratë e tillë do të ishte shumë e guximshme dhe arrogante. Në vend të kësaj, le të shqyrtojmë vetëm një çështje të veçantë teknologjike që do të lidhet me perspektivat për zhvillimin e një baze elementesh kompjuterike. Dhe sa mirë do të dalë - për të gjykuar, të dashur lexues, para së gjithash, për ju.
Relativisht kohët e fundit, kreu i shtetit propozoi një kurs për ndërtimin e ekonomisë dixhitale. Shumë e perceptuan këtë si një propozim për ta bërë sektorin e IT lokomotivë të ekonomisë ruse, në mënyrë figurative, "naftë e re". Gjë që nuk është plotësisht e saktë dhe, sinqerisht, e redukton konceptin e propozuar në populizëm banal. Vetë teknologjitë e informacionit nuk janë në gjendje të jenë lokomotivë, pasi nuk krijojnë asgjë materiale, por vetëm ndihmojnë që ky material të servisohet dhe të shfrytëzohet. Sektori i IT thjesht nuk mund të ekzistojë pa zhvillimin e industrive të tjera që ai automatizon. Madje disa e kritikuan këtë iniciativë nga këto qëndrime. Por a është e drejtë?
Për të mos vepruar me modele të thjeshtuara, hamendje dhe kuaj sferikë në vakum, le t'i drejtohemi burimit origjinal. Kjo është, drejtpërdrejt në tekstin e programit "Ekonomia Dixhitale e Federatës Ruse", miratuar me urdhrin e Qeverisë Nr. 1632-r, datë 28 korrik 2017.
"Teknologjitë kryesore dixhitale nga fundi në fund që përfshihen në objektin e këtij Programi janë:
- të dhëna të mëdha;
- neuroteknologji dhe inteligjencë artificiale;
- sistemet e regjistrit të shpërndarë;
- teknologjitë kuantike;
- teknologjitë e reja të prodhimit;
- internet industrial;
- komponentët e robotikës dhe sensorikës;
- teknologjia pa tela;
- teknologjitë e realitetit virtual dhe të shtuar."
Siç mund ta shihni, kjo nuk ka të bëjë vetëm dhe jo aq shumë për sektorin e IT. Vëmendje e veçantë në kontekstin e bisedës sonë për imazhin e së ardhmes meriton një artikull të tillë të kësaj liste si "teknologjitë kuantike". Nga të gjitha sa më sipër, ndoshta ishte ai që mund të kishte ndikimin maksimal në formimin e rendit të ardhshëm teknologjik. Por për të kuptuar pse saktësisht, biseda duhet të fillojë nga larg.
Ekziston një vlerë e tillë - njëzet nanometra. Kjo është pika zero dhe njëzet e pesë mijëtat e trashësisë së një floku të njeriut dhe, afërsisht, pika zero dhe tre të mijtët e diametrit të një qelize të kuqe të gjakut. Është gjithashtu madhësia më e vogël e portës së transistorit që përdoret në përpunuesit modernë të prodhuar në masë.
Në pak dekada të vogla, miniaturizimi i elektronikës ka arritur një sukses vërtet të jashtëzakonshëm, duke bërë të mundur krijimin e pajisjeve që përshtaten në një xhep, fuqia llogaritëse e të cilave me një diferencë kolosale tejkalon fuqinë totale të kërkuar për të gjithë programin hapësinor Sovjetik. Dhe pajisje të tilla nuk janë kuriozitete unike që ekzistojnë në një kopje të vetme në disa laboratorë top-sekret, por një pjesë integrale e jetës sonë. Nga ekrani i njërës prej këtyre pajisjeve, ju, me shumë mundësi, po e lexoni këtë artikull.
E mahnitshme, apo jo? Por rrallëherë dikush mendon për këtë dhe jo nga mungesa e kuriozitetit. Zhvillimi i shpejtë i teknologjisë kompjuterike tashmë është bërë diçka e njohur, ndoshta edhe e zakonshme. Kur numri i transistorëve që prodhuesit kanë arritur të vendosin në një procesor standard dyfishohet mesatarisht çdo dy vjet, është e vështirë të pritet një entuziazëm i theksuar në çdo përsëritje të këtij veprimi. Përkundrazi, fillon të duket si normë. Dhe trendi, gjatë ekzistencës së të cilit një brez i tërë arriti të rritet, fillon të duket i përjetshëm. Por ky nuk është rasti. Dhe jo në një të ardhme kaq të largët, kjo festë miniaturizimi, nëse jo plotësisht, mund të rrisë ndjeshëm vonesën kohore.
Fakti është se madhësia minimale fizikisht e mundshme e portës së një tranzistor silikoni të punueshëm është pesë nanometra. Nën këtë vlerë, ndodh një fenomen i quajtur "efekti i tunelit", i cili zbret në faktin se elektronet janë në gjendje të kalojnë pengesën potenciale të kryqëzimit pn (ende mbani mend nga kursi i fizikës, çfarë është kjo?) Dhe përafërsisht duke folur, filloni të "ecni" lirshëm në transistorët e procesorëve fqinjë. Nuk është e vështirë të merret me mend se çfarë do të sjellë kjo për procesin llogaritës që po kryhet. Një analogji mjaft e afërt, mendoj unë, do të jetë një mace që vendos të përzënë minjtë mbi tastierën e një pianoje, mbi të cilën ata po përpiqen të luajnë Bethoven në atë moment. Nuk ka gjasa që tingujt që rezultojnë të jenë shumë të ngjashëm me "Sonata e dritës së hënës" të pritshme.
Për një kohë të gjatë besohej se ky është kufiri ekstrem, pas së cilës rritja e produktivitetit të kompjuterëve përsëri, si në kohët e "tubit të ngrohtë", do të çojë në një rritje të madhësisë së tyre. Dhe ky kufi, nëse vazhdon ritmi i miniaturizimit, do të arrihet në rreth katër vjet.
Sidoqoftë, jo gjithçka është aq fatale. Në vitin 2016, një grup fizikantësh në Laboratorin Kombëtar Lawrence në Berkeley, Kaliforni arritën të krijonin një tranzistor me një madhësi porte prej vetëm 1 nanometër. Për ta bërë këtë, ata duhej të zëvendësonin silikonin e zakonshëm me molibdenit (disulfidi i molibdenit) dhe të përdornin një nanotub karboni si material për vetë portën.
Sigurisht, jo gjithçka është kaq e thjeshtë. Mundësia e prodhimit masiv të transistorëve të tillë është ende shumë larg, për momentin, për aq sa shërbëtori juaj modest zotëron informacionin, konfigurimi i tyre në kristalin e procesorit as nuk është testuar ende. Për më tepër, është e nevojshme të kuptohet ndryshimi kryesor midis silikonit të vjetër të mirë (përmbajtja në koren e tokës sipas masës është më shumë se njëzet e pesë përqind) dhe molibdenit (përmbajtja në koren e tokës është tre deri në dhjetë deri në fuqinë e katërt minus prej një për qind). Molibdeni është dukshëm më i shtrenjtë, edhe nëse flasim për molibdenit që gjendet natyrshëm në formë të lirë. Dhe nanotubi i grafenit nuk ka gjasa të zvogëlojë koston e prodhimit. Sidoqoftë, mundësia themelore e shtyrjes së kufirit të poshtëm të miniaturizimit të transistorëve përmes përdorimit të materialeve të reja mund të konsiderohet e provuar. Jo pa vështirësi, dhe, natyrisht, jo pafundësisht, por është e mundur.
Sidoqoftë, vetë ekzistenca e kufirit të miniaturizimit, i cili për shumë vite konsiderohej përfundimtar dhe i pathyeshëm, nuk mund të mos nxiste kërkimin për gjetjen e zgjidhjeve që mund të mbulonin nevojën për një rritje të fuqisë llogaritëse dhe të shmangnin kufizimet e qenësishme në mikroelektronikën e tranzistorit. Rezultati i këtyre studimeve ishte koncepti i një kompjuteri kuantik.
Për herë të parë, ideja e llogaritjes kuantike u shpreh nga matematikani rus Yuri Ivanovich Manin në librin "E llogaritshme dhe e pallogaritshme" (1980). Së shpejti modeli i parë bazë i një kompjuteri kuantik u propozua nga fizikani amerikan Richard Feynman në leksionin e tij të famshëm "Ka hapësirë të mjaftueshme atje poshtë" (1981). Në atë kohë, megjithatë, nuk flitej ende për mënyra për të anashkaluar kufijtë e miniaturizimit - sipas Manin dhe Feynman, zona e kompjuterëve kuantikë po modelonte evolucionin e një sistemi kuantik, i cili, për shkak të veçorive të fushës së temës , nuk iu dha një modelim mjaft i saktë dhe efikas në kompjuterët klasikë.
Vetë ideja e llogaritjes kuantike, nëse përpiqeni ta shprehni atë në një gjuhë pak a shumë të kuptueshme të pa iniciuar, bazohet në faktin se nëse një rritje në numrin e transistorëve të një procesori klasik jep një rritje lineare të numrit të përshkroi gjendjet binare, pastaj për elementët kuantikë me dy nivele, të quajtur ndryshe bit kuantikë, ose, shkurt, në kubitë, fitimi do të jetë eksponencial. Duke pasur parasysh se një kubit i vetëm mund të përpunojë aq informacion sa një transistor i vetëm: saktësisht një bit. Kjo bëhet e mundur për shkak të kombinimit të parimit të mbivendosjes kuantike (gjetja e një objekti njëkohësisht në dy gjendje reciproke ekskluzive) dhe dukurisë së ngatërrimit kuantik (ndërvarësia e gjendjeve kuantike të dy ose më shumë objekteve).
Në të njëjtën kohë, në një bisedë për kubitët, vetë fjala "miniaturë" nuk është as shumë e përshtatshme, pasi versione të ndryshme të "lëngjit të punës" të tij (po, fizikanët kuantikë do të më falin një zhargon të tillë) mund të jenë:
- drejtimi i rrotullimit bërthamor në një pikë kuantike në një gjysmëpërçues;
- Çifti i bakrit (elektron-fonon-elektron) në pikën e superpërçuesit;
- atomet në kurthe optike.
Me fjalë të tjera, bëhet fjalë për shkallët e grimcave elementare, gjendja e të cilave kontrollohet, në varësi të zbatimit, qoftë nga fluksi i fotoneve, qoftë nga një fushë magnetike super e dobët. Më e vogël, ndoshta, tashmë askund. Shtojini kësaj edhe rritjen eksponenciale të shpejtësisë së llogaritjeve në krahasim me kompjuterët klasikë - dhe mundësitë e hapjes fillojnë të duken pothuajse të pakufishme.
Por në shumë mënyra është thjesht të duket. Sepse, si me çdo teknologji tjetër përparimtare, ka shumë nuanca.
Për shkak të faktit se matja e gjendjes së një sistemi kuantik gjithashtu ndryshon këtë gjendje (sipas parimit të pasigurisë së Heisenberg), rezultati i një llogaritje kuantike fiton një veti shumë interesante: është i saktë vetëm me një probabilitet të caktuar. Ky probabilitet mund të afrohet ndjeshëm në 100% nëse llogaritja përsëritet shumë herë dhe zbulohet konvergjenca e rezultateve në një vlerë të caktuar. Sidoqoftë, për shkak të kësaj (në fakt - jo vetëm, por tashmë më në fund po "mbush kupa"), algoritmet e kompjuterëve klasikë janë të pazbatueshëm për llogaritjen kuantike. Një makinë llogaritëse kuantike punon sipas algoritmeve të veçanta kuantike, zhvillimi i të cilave mbështetet në një drejtim të veçantë premtues.
Gjithashtu, gjendja e një sistemi kuantik të ngatërruar është një gjë jashtëzakonisht e ndjeshme ndaj absolutisht çdo ndikimi të jashtëm. Kushdo, më vjen keq, teshtitja është në gjendje të shtrembërojë procesin llogaritës, nëse jo të shkatërrojë plotësisht një sistem kuantik. Kështu, pa kërkime shtesë, shumë voluminoze për shqyrtimin e ndikimeve të jashtme, përdorimi masiv i kompjuterëve kuantikë është jashtëzakonisht i vështirë.
Një nga problemet më të vështira në llogaritjen kuantike është i ashtuquajturi problem i shkallëzimit, i lidhur me të njëjtin parim të pasigurisë së Heisenberg. Pyetja është, nga cili numër maksimal i kubitëve të çiftuar është e mundur të ndërtohet një kompjuter kuantik përpara efektit të dekoherencës, është gjithashtu reduktimi i von Neumann, është gjithashtu kolapsi i funksionit të valës, në formën më të thjeshtuar - akumulimi. e shtrembërimeve si rezultat i matjeve, do të bëjë të pamundur llogaritjen e qartë të rezultatit. Kjo pyetje është objekt i një fushe shkencore të veçantë që zhvillohet me shpejtësi - mekanika kuantike me shumë grimca, dhe përgjigja për të, në një mënyrë të thjeshtuar, varet nga natyra fizike e dekoherencës, e cila është ende e panjohur për shkencën për momentin.
Sidoqoftë, kufizimi i lidhur me dekoherencën, nëse zbulohet, nuk do të bëhet aspak një dënim i qartë i të gjithë drejtimit të llogaritjes kuantike. Në fund të fundit, nuk është aspak e nevojshme të mbahen absolutisht të gjitha kubitët e një kompjuteri në një gjendje ngatërrimi kuantik - një arkitekturë me përdorimin e grupimeve të pavarura qubit është mjaft e mundur. Megjithatë, për zhvillimin e mëtejshëm të drejtimit, është e nevojshme të sqarohet kjo çështje.
Dhe së fundi, një nuancë tjetër që lidhet me llogaritjen kuantike është se jo të gjithë algoritmet i kushtohen nxitimit kuantik. Madje, ata janë edhe pakicë. Sidoqoftë, kjo nuk duket më si diçka fatale nëse shikoni saktësisht se cilat algoritme ende arrini të shpejtoni. Dhe këto janë kryesisht algoritme për zgjidhjen e problemeve të numërimit. Duket mjaft e thjeshtë, madje mund të thuhet - e thjeshtë, por detyrat bazohen në to:
- modelimi dhe parashikimi i dinamikës strukturore të sistemeve komplekse, nga kuantike aktuale në biologjike dhe, me shumë mundësi, sociale;
- kriptografia, ku algoritmet kuantike janë teorikisht të afta të thyejnë shumicën e shifrave moderne që konsiderohen të besueshme në një kohë të arsyeshme, dhe të ndërtojnë algoritmet e tyre të enkriptimit, të cilët janë më të besueshëm se të gjithë ata ekzistues;
- inteligjenca artificiale, ku shpejtësia e zgjidhjes së problemeve të ndryshme të forcës brutale është, në parim, një parametër shumë i rëndësishëm.
Kjo do të thotë, megjithëse lista e detyrave të përshtatshme për nxitimin kuantik është e kufizuar, detyrat e paraqitura në të janë më kryesoret e fazës moderne të zhvillimit të teknologjisë informatike.
Epo, nëse kalojmë në nuancat e llogaritjes kuantike, të klasifikuara më shumë si të këndshme, atëherë shkarkimi minimal kuantik nuk është aq fort i lidhur me logjikën binare sa një transistor klasik, dhe krijimi i një qutrit (një qelizë me tre gjendje) në kompleksiteti nuk e kalon shumë krijimin e një kubiti. Dhe kjo hap perspektiva shumë interesante. Sipas hulumtimit të një grupi shkencëtarësh nga Universiteti i Queensland (Australi), i publikuar në vitin 2008, përdorimi i qelizave shumëdimensionale, në parim, mund të thjeshtojë ndjeshëm zbatimin e algoritmeve kuantike dhe kompjuterëve.
Për më tepër, vetë logjika treshe, edhe pa marrë parasysh veçoritë e zbatimit fizik, ka një sërë avantazhesh ndaj logjikës binare, në terma të përgjithshëm, që zbret në një besueshmëri më të madhe të llogaritjeve, një rritje shtesë të dyfishtë të performancës kur zgjidhjen e problemeve të shtimit dhe lehtësi më të madhe në zgjidhjen e problemeve që nënkuptojnë një të trefishtë nga natyra e tyre, të tilla si përpunimi i imazheve RGB (përfshirë njohjen e modelit), ose modelimi i detyrave në hapësirën tredimensionale. Në të njëjtën kohë, logjika treshe mund të perceptohet si një zgjatim i binarit që përfshihet në të, si një nënbashkësi, për shkak të së cilës kompjuteri tresh mund të bëjë gjithçka njësoj si ai binar - dhe pak më shumë përtej kësaj. Kompjuterët treshe nuk u përdorën gjerësisht për shkak të kostos, të paktën një herë e gjysmë më e lartë se kostoja e një makinerie binare. Megjithatë, në rastin e kompjuterëve kuantikë, diferenca e pritshme e kostos do të jetë më e vogël. Pra, pse jo?
Një kompjuter kuantik universal me të drejta të plota për momentin mbetet një pajisje thjesht hipotetike. Megjithatë, deri më sot, shumë laboratorë shkencorë në mbarë botën kanë krijuar procesorë kuantikë të zbatueshëm, ndër të cilët mund të dallohet një pajisje me dy kubit e krijuar në Laboratorin e Superpërçueshmërisë së Moskës nga grupi i Yu. Pashkin (2005) dhe një projekt i përbashkët ruso-amerikan i një Kompjuteri 51-kubit i zhvilluar për udhëheqjen e M. Lukin dhe është sistemi më kompleks i tillë ekzistues (2017). Këto dhe makina të tjera të ngjashme zakonisht krijohen për të zgjidhur një problem të vetëm, kryesisht për kërkime në fushën e mekanikës kuantike, ku ato tashmë kanë kontribuar në zbulimin e një sërë efektesh të panjohura më parë.
Më vete, mund të përmendim edhe përvojën e parë të disponueshme të krijimit të kompjuterëve kuantikë komercialë nga kompania kanadeze D-Wave. Megjithatë, ky shembull është mjaft i diskutueshëm. Kompjuterët D-Wave funksionojnë në parime disi të ndryshme nga arkitekturat e tjera kuantike dhe nuk janë të përshtatshëm për zbatimin e algoritmeve tradicionale kuantike, duke zgjidhur vetëm një problem - optimizimin diskret. Për më tepër, informacioni që konfirmon se D-Wave është më i shpejtë se një kompjuter konvencional dhe se ai është, në parim, kuantik (përdor efektin e ndërthurjes kuantike), i cili nuk do të kishte ardhur nga vetë D-Wave ose nuk do ta merrte atë si partner në zhvillimi i inteligjencës artificiale Google, nuk është i disponueshëm. Sigurisht, ne nuk do të bëjmë deklarata me zë të lartë, por kjo ngre disa pyetje, veçanërisht në dritën e faktit që Lockheed Martin është klienti më i madh i D-Wave dhe flitet shumë për shkallën kolosale të sharrimit dhe tërheqjes. operacionet në industrinë amerikane të mbrojtjes. Sapienti u ul.
Në fakt, për çfarë bëhet fjalë, veçanërisht në dritën e programit të ekonomisë dixhitale që kemi miratuar dhe zhvillimeve ruse në fushën e llogaritjes kuantike të theksuara në tekstin e mësipërm. Epo, dhe drejtpërdrejt parashikimi futurologjik.
Ndoshta të gjithë kanë dëgjuar për fillimin e një epoke të re informacioni. Por në të njëjtën kohë, një perceptim mjaft i pasaktë "pop" i fenomenit është i përhapur: si një lloj utopie IT, ku robotët punojnë dhe njerëzit ose shkruajnë programe për ta, ose "gjenerojnë përmbajtje" duke e lidhur pajisjen e tyre në distancë me një server që punon nga një vendpushim tropikal ...
Por në praktikë nuk është kështu. Në realitet, ka një përshpejtim të paprecedentë të proceseve ekonomike dhe sociale, i shkaktuar nga prania e një mundësie themelore për të marrë pothuajse në kohë reale sasi të konsiderueshme informacioni nga ana e kundërt e globit. Kjo do të thotë, çështja është më tepër në zhvillimin e sistemeve të komunikimit dhe shpërndarjen e tyre globale. Në këto kushte, informacioni me të vërtetë fiton vlerë të veçantë, pasi ju lejon t'i përgjigjeni në kohë ngjarjeve që zhvillohen me shpejtësi. Por qasja vetëm në informacion nuk është e mjaftueshme, pasi vetë informacioni ndonjëherë është edhe i tepërt - pavarësisht faktit se ai mund të jetë i shpërndarë, i paplotë, i pasaktë apo edhe i dezinformuar. Kjo krijon një nevojë gjithnjë në rritje për mjete të fuqishme dhe të besueshme për përpunimin e informacionit në hyrje dhe zhvillimin e zgjidhjeve të bazuara në to.
Kështu, përkundër faktit se rëndësia e industrive "arkaike" (të cilat ishin më pak fat me menaxherët e PR) nuk është anuluar, duhet pritur një lloj "gare armatimi" në krijimin e sistemeve të tilla, të cilat mund të mos bëhen ( ose edhe - tashmë po bëhet) jo një çështje tregtare, por një çështje shtetërore. Është e mundur, ndoshta, edhe të supozohet një pamje (disi e hipertrofizuar në një mënyrë popullore, por ende), në të cilën një debat i nxehtë në parlament nuk do të shkaktohet nga një vlerësim moral i modeleve të industrisë së argëtimit, por nga një krahasim. të orareve komplekse të situatës të zhvilluara nga sisteme të ndryshme. Me një analizë të detajuar të gabimeve të modelimit në këto sisteme.
Në të njëjtën kohë, kushdo e kupton se një sistem i tillë, madje edhe më i përsosuri, nuk do të thotë asgjë pa një bazë elementare. Dhe për sa i përket mikroelektronikës tradicionale, hyrja në një garë me Silicon Valley, me infrastrukturën e tyre tashmë ekzistuese dhe fushat shkencore që punojnë, është thjesht teorikisht e mundur, por tashmë do të jetë e mundur të dilni në pozicionet e para në të ... Ndoshta kjo është gjithashtu e mundur, por shumë e vështirë dhe për një kohë të papranueshme të gjatë.
Dhe këtu kompjuterët kuantikë tërheqin vëmendje të veçantë. Së pari, fakti që situata me bazën e prodhimit për krijimin e tyre është afërsisht e njëjtë në të gjithë botën - kjo bazë thjesht nuk ekziston. Së dyti, fakti që problemet që zgjidhin më së miri kompjuterët kuantikë përkojnë në një mënyrë të jashtëzakonshme me problemet e paraqitura nga fillimi i epokës së informacionit. Dhe së treti, fakti që shkencëtarët rusë kanë përvojën e tyre solide në fushën e llogaritjes kuantike, dhe, ajo që duhet theksuar veçanërisht, jo brenda kornizës së "garës së qubit" të përgjithshme globale, por në drejtimin e tyre - zhvillimin e kubit mbi superpërçuesit (i cili po zhvillohet paralelisht nga të dyja temat).
Për ta përmbledhur, rezulton se në fushën e llogaritjes kuantike gjithçka është në duart tona. Dhe ka shanse shumë reale për ta bërë këtë zonë një nga shtyllat (së bashku me, për shembull, energjinë bërthamore, hapësirën dhe mbrojtjen) e lidershipit tonë të ardhshëm. Dhe për këtë ne duhet të fillojmë të punojmë shumë ngushtë për këtë që tani, edhe pse ka ende kohë.
Kompjuterët kuantikë premtojnë një revolucion të vërtetë, jo vetëm në informatikë, por edhe në jetën reale. Mediat janë plot me tituj se si kompjuterët kuantikë do të shkatërrojnë kriptografinë moderne dhe fuqia e inteligjencës artificiale, falë tyre, do të rritet me urdhra të përmasave.
Gjatë 10 viteve të fundit, kompjuterët kuantikë kanë kaluar nga teoria e pastër në prototipet e para të punës. Vërtetë, ka ende shumë rrugë për të bërë përpara revolucionit të premtuar, madje ndikimi i tij në fund mund të mos jetë aq gjithëpërfshirës sa duket tani.
Si funksionon një kompjuter kuantik
Një kompjuter kuantik është një pajisje që përdor fenomenet e mbivendosjes kuantike dhe ngatërresës kuantike. Elementi bazë në llogaritjet e tilla është kubiti, ose biti kuantik. Pas të gjitha këtyre fjalëve është matematika dhe fizika mjaft e ndërlikuar, por nëse i thjeshtoni sa më shumë që të jetë e mundur, do të merrni diçka si më poshtë.
Në kompjuterët e zakonshëm, kemi të bëjmë me bit. Biti është një njësi informacioni në sistemin binar. Mund të marrë vlerën 0 dhe 1, e cila është shumë e përshtatshme jo vetëm për operacionet matematikore, por edhe për ato logjike, pasi zero mund të shoqërohet me vlerën "e rreme", dhe një - "e vërtetë".
Procesorët modernë ndërtohen në bazë të tranzistorëve, elementëve gjysmëpërçues që mund të kalojnë ose jo të kalojnë rrymë elektrike. Me fjalë të tjera, jepni dy vlera 0 dhe 1. Po kështu, një transistor me portë lundruese mund të ruajë një ngarkesë në memorien flash. Nëse është, marrim një, nëse nuk është aty, marrim zero. Regjistrimi dixhital magnetik funksionon në mënyrë të ngjashme, vetëm bartësi i informacionit atje është një grimcë magnetike, ose ka ose nuk ka një ngarkesë.
Gjatë llogaritjeve, ne lexojmë vlerën e bitit (0 ose 1) nga memoria dhe më pas kalojmë rrymën përmes tranzistorit dhe, në varësi të faktit nëse ai e kalon atë apo jo, marrim një bit të ri në dalje, mundësisht me një vlerë të ndryshme.
Çfarë janë kubitët për kompjuterët kuantikë? Në një kompjuter kuantik, elementi kryesor është një kubit - një bit kuantik. Ndryshe nga një bit i zakonshëm, ai është në një gjendje të mbivendosjes kuantike, domethënë ka një vlerë prej 0 dhe 1 dhe çdo kombinim të tyre në çdo kohë. Nëse ka disa kubit në sistem, atëherë një ndryshim në një përfshin gjithashtu një ndryshim në të gjitha kubitët e tjerë.
Kjo ju lejon të llogaritni njëkohësisht të gjitha opsionet e mundshme. Një procesor i zakonshëm me llogaritjet e tij binare në fakt llogarit opsionet në mënyrë sekuenciale. Së pari një skenar, pastaj një tjetër, pastaj një i tretë, etj. Për të shpejtuar, ata filluan të përdorin multithreading, duke kryer llogaritjet paralelisht, duke marrë paraprakisht për të parashikuar opsionet e mundshme të degëzimit dhe për t'i llogaritur ato paraprakisht. Në një kompjuter kuantik, e gjithë kjo bëhet paralelisht.
Parimi i llogaritjeve është gjithashtu i ndryshëm. Në një farë kuptimi, një kompjuter kuantik tashmë përmban të gjitha opsionet e mundshme për zgjidhjen e problemit, detyra jonë e vetme është të marrim parasysh gjendjen e kubitëve dhe ... të zgjedhim opsionin e duhur prej tyre. Dhe këtu fillojnë vështirësitë. Kështu funksionon një kompjuter kuantik.
Ndërtimi i një kompjuteri kuantik
Cila do të jetë natyra fizike e një kompjuteri kuantik? Një gjendje kuantike mund të arrihet vetëm me grimca. Një kubit nuk mund të ndërtohet nga disa atome si një transistor. Ky problem ende nuk është zgjidhur plotësisht. Ka disa opsione. Përdoren gjendjet e ngarkimit të atomeve, për shembull, prania ose mungesa e një elektroni në një pikë të zakonshme, elementë superpërçues, fotone, etj.
Të tilla "çështje delikate" vendosin kufizime në matjet e gjendjes së kubitëve. Energjitë janë jashtëzakonisht të ulëta, nevojiten amplifikatorë për të lexuar të dhënat. Por amplifikatorët mund të ndikojnë në një sistem kuantik dhe të ndryshojnë gjendjet e tij, megjithatë, jo vetëm ata, por edhe vetë fakti i vëzhgimit mund të jetë i rëndësishëm.
Llogaritja kuantike përfshin një sërë operacionesh që kryhen në një ose më shumë kubit. Këto, nga ana tjetër, çojnë në ndryshime në të gjithë sistemin. Detyra është të zgjedhësh nga gjendjet e saj atë të saktë, e cila jep rezultatin e llogaritjeve. Në këtë rast, mund të ketë aq shtete sa të doni, maksimalisht afër kësaj. Prandaj, saktësia e llogaritjeve të tilla do të ndryshojë nga një në pothuajse çdo gjë.
Kështu, një kompjuter kuantik i plotë kërkon përparime të rëndësishme në fizikë. Përveç kësaj, programimi për një kompjuter kuantik do të jetë i ndryshëm nga ai që është tani. Së fundi, kompjuterët kuantikë nuk mund të zgjidhin probleme që janë përtej fuqisë së kompjuterëve konvencionalë, por mund të shpejtojnë zgjidhjet për ato me të cilat munden. Megjithatë, përsëri, jo të gjitha.
Numërimi për kubit, kompjuter kuantik kubit
Gradualisht, problemet në rrugën drejt një kompjuteri kuantik hiqen. Kubitët e parë u ndërtuan në fillim të shek. Procesi u përshpejtua në fillim të dekadës. Zhvilluesit tani janë në gjendje të prodhojnë procesorë me dhjetëra kubit.
Zbulimi më i fundit ishte krijimi i procesorit Bristlecone në zorrët e Google. Në mars 2018, kompania tha se ishte në gjendje të ndërtonte një procesor 72-qubit. Mbi cilat parime fizike është ndërtuar Bristlecone, Google nuk raporton. Megjithatë, besohet se për të arritur "epërsinë kuantike", kur një kompjuter kuantik fillon të jetë më i mirë se ai konvencional, mjaftojnë 49 kubit. Google ka arritur të përmbushë këtë kusht, por shkalla e gabimit 0.6% është deri më tani më e lartë se 0.5% e kërkuar.
Në vjeshtën e vitit 2017, IBM njoftoi krijimin e një prototipi të një procesori kuantik 50-kubit. Ai është duke u testuar. Por në vitin 2017, IBM hapi procesorin e saj 20 kubit për kompjuterin cloud. Në mars 2018, u lançua një version më i vogël i IBM Q. Çdokush mund të eksperimentojë në një kompjuter të tillë. Sipas rezultateve të tyre, tashmë janë publikuar 35 punime shkencore.
Në fillim të 10-vjetorit u shfaq në treg kompania suedeze D-Wave, e cila i pozicionoi kompjuterët e saj si kuantikë. Ajo ngjalli shumë polemika, pasi njoftoi krijimin e makinerive 1000 kubitësh, ndërkohë që liderët e njohur po "trokisnin" me vetëm disa kubit. Kompjuterët e zhvilluesve suedezë shiteshin për 10-15 milionë dollarë, kështu që nuk ishte aq e lehtë t'i kontrolloje.
Kompjuterët D-Wave nuk janë kuantikë në kuptimin e mirëfilltë të fjalës, por ata përdorin disa efekte kuantike që mund të përdoren për të zgjidhur disa probleme optimizimi. Me fjalë të tjera, jo të gjithë algoritmet që mund të ekzekutohen në një kompjuter kuantik marrin përshpejtim kuantik në D-Wave. Google bleu një nga sistemet suedeze. Si rezultat, studiuesit e tij i njohën kompjuterët si "kuantikë të kufizuar". Në të njëjtën kohë, rezultoi se kubitët janë grupuar në grupe prej tetë, domethënë numri i tyre real është dukshëm më i vogël se ai i deklaruar.
Kompjuteri kuantik në Rusi
Shkolla tradicionalisht e fortë e fizikës bën të mundur dhënien e një kontributi të rëndësishëm në zgjidhjen e problemeve fizike për krijimin e një kompjuteri kuantik. Në janar 2018, rusët krijuan një përforcues sinjali për një kompjuter kuantik. Duke marrë parasysh që vetë amplifikuesi është i aftë të ndikojë në gjendjen e kubiteve me funksionimin e tij, niveli i zhurmës që gjeneron duhet të ndryshojë pak nga ai "vakum". Kjo u bë nga shkencëtarët rusë nga Laboratori i Metamaterialeve Superpërçues të NUST MISIS dhe dy institute të Akademisë së Shkencave Ruse. Superpërçuesit u përdorën për të krijuar amplifikatorin.
Një qendër kuantike është krijuar gjithashtu në Rusi. Është një organizatë kërkimore joqeveritare e dedikuar për kërkime në fushën e fizikës kuantike. Në veçanti, ajo merret me problemin e krijimit të kubitëve. Pas qendrës është biznesmeni Sergei Belousov dhe profesori i Universitetit të Harvardit, Mikhail Lukin. Nën udhëheqjen e tij, një procesor 51-kubit u krijua tashmë në Harvard, i cili për ca kohë para shpalljes së Bristlecon ishte pajisja më e fuqishme kompjuterike kuantike në botë.
Zhvillimi i informatikës kuantike është bërë pjesë e programit shtetëror të Ekonomisë Dixhitale. Në vitin 2018-2020 do të ndahet mbështetje shtetërore për punën në këtë fushë. Plani i veprimit parashikon krijimin e një simulatori kuantik në tetë kubit superpërçues. Pas kësaj, çështja e shkallëzimit të mëtejshëm të kësaj teknologjie do të zgjidhet.
Për më tepër, deri në vitin 2020 Rusia do të testojë një teknologji tjetër kuantike: ndërtimin e kubiteve në atome neutrale dhe jonet e ngarkuara në kurthe.
Një nga qëllimet e programit është krijimi i pajisjeve për kriptografinë kuantike dhe komunikimet kuantike. Do të krijohen qendra për shpërndarjen e çelësave kuantikë, të cilat do t'i shpërndajnë ato tek konsumatorët - bankat, qendrat e të dhënave, ndërmarrjet e industrisë. Besohet se një kompjuter kuantik i plotë mund të thyejë çdo algoritëm modern të kriptimit në pak minuta.
Përfundimisht
Pra, kompjuterët kuantikë janë ende eksperimentalë. Nuk ka gjasa që një kompjuter kuantik i plotë me fuqi kompjuterike vërtet të lartë të shfaqet para dekadës së ardhshme. Prodhimi i kubitëve dhe ndërtimi i sistemeve të qëndrueshme prej tyre është ende larg të qenit i përsosur.
Duke gjykuar nga fakti se në nivelin fizik kompjuterët kuantikë kanë disa zgjidhje që ndryshojnë në teknologji dhe, ndoshta, në kosto, ato nuk do të unifikohen për 10 vjet të tjera.Procesi i standardizimit mund të zgjasë shumë.
Përveç kësaj, tashmë është e qartë se kompjuterët kuantikë në dekadën e ardhshme ka të ngjarë të jenë pajisje "copë" dhe shumë të shtrenjta. Nuk ka gjasa që ata të përfundojnë në xhepin e një përdoruesi të zakonshëm, por mund të pritet të shfaqet lista e superkompjuterëve.
Ka të ngjarë që kompjuterët kuantikë të ofrohen në modelin "cloud", kur burimet e tyre mund të përdoren nga studiues dhe organizata të interesuara.
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. Ndonjëherë ky koncept shpjegohet me 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? Më pas kontrollohen të gjitha zgjidhjet e mundshme ose të paktën një kombinim shumë i madh i tyre dhe jepet përgjigja. 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 mundësi për fuqinë e 50-të. 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, një procesor kuantik është aftësia për të shfrytëzuar fuqinë llogaritëse të botës nënatomike, e cila është thelbësore për të bërë materiale të reja ose për të krijuar ilaçe 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 superpërcjellës 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 njerëzve të brendshëm thonë se favoriti i qartë është grupi Google i udhëhequr nga profesori i fizikës në UC 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 jetën e përditshme nuk funksionon në këtë mënyrë. Megjithatë, rreth 1 milion eksperimente të kryera që nga fillimi i shekullit të 20-të tregojnë se mbivendosja ekziston. Dhe hapi tjetër është të zbuloni se si të përdorni këtë 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. Më pas shumë e kuptuan se kjo është një mënyrë alternative e llogaritjes, 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.
Bota është në prag të një revolucioni tjetër kuantik. Kompjuteri i parë kuantik do të zgjidhë menjëherë problemet për të cilat pajisja më e fuqishme moderne tani shpenzon vite. Cilat janë këto detyra? Kush përfiton dhe kush kërcënohet nga përdorimi masiv i algoritmeve kuantike? Çfarë është një mbivendosje e kubitëve, si kanë mësuar njerëzit të gjejnë zgjidhjen optimale pa kaluar nëpër triliona opsione? Ne po u përgjigjemi këtyre pyetjeve nën titullin "Vetëm për gjërat e ndërlikuara".
Përpara teorisë kuantike, ishte në përdorim teoria klasike e rrezatimit elektromagnetik. Në vitin 1900, shkencëtari gjerman Max Planck, i cili vetë nuk besonte në kuantet, i konsideronte ato një ndërtim imagjinar dhe thjesht teorik, u detyrua të pranonte se energjia e një trupi të nxehtë rrezatohet në pjesë - kuante; kështu, supozimet e teorisë përkonin me vëzhgimet eksperimentale. Dhe pesë vjet më vonë, i madhi Albert Einstein iu drejtua të njëjtës qasje kur shpjegoi efektin fotoelektrik: kur u ekspozua ndaj dritës, një rrymë elektrike u ngrit në metale! Nuk ka gjasa që Planck dhe Ajnshtajni të kenë mundur të supozojnë se me veprat e tyre ata hedhin themelet e një shkence të re - mekanikën kuantike, e cila do të jetë e destinuar të transformojë botën tonë përtej njohjes, dhe se në shekullin e 21 shkencëtarët do t'i afrohen krijimit të një kompjuter kuantik.
Në fillim, mekanika kuantike ndihmoi për të shpjeguar strukturën e atomit dhe ndihmoi për të kuptuar proceset që ndodhin brenda tij. Në përgjithësi, ëndrra e vjetër e alkimistëve u realizua për shndërrimin e atomeve të disa elementeve në atome të të tjerëve (po, edhe në ar). Dhe formula e famshme e Ajnshtajnit E = mc2 çoi në shfaqjen e energjisë atomike dhe, si pasojë, bombës atomike.
Procesor kuantik me pesë kubit nga IBM
Më tej më shumë. Falë punës së Ajnshtajnit dhe fizikantit anglez Paul Dirac, në gjysmën e dytë të shekullit të 20-të u krijua një lazer - gjithashtu një burim kuantik i dritës ultra të pastër, i mbledhur në një rreze të ngushtë. Kërkimet mbi lazerët kanë sjellë çmimin Nobel për më shumë se një duzinë shkencëtarësh, dhe vetë lazerët kanë gjetur aplikimin e tyre pothuajse në të gjitha sferat e veprimtarisë njerëzore - nga prerëset industriale dhe armët lazer te skanerët e barkodit dhe korrigjimi i shikimit. Përafërsisht në të njëjtën kohë, një kërkim aktiv ishte duke u zhvilluar mbi gjysmëpërçuesit - materiale me të cilat mund të kontrolloni lehtësisht rrjedhën e rrymës elektrike. Mbi bazën e tyre, u krijuan transistorët e parë - ata më vonë u bënë elementët kryesorë të ndërtimit të elektronikës moderne, pa të cilat ne nuk mund ta imagjinojmë më jetën tonë.
Zhvillimi i kompjuterëve elektronikë - kompjuterëve - bëri të mundur zgjidhjen e shpejtë dhe efikase të shumë problemeve. Dhe rënia graduale e madhësisë dhe kostos së tyre (për shkak të prodhimit masiv) hapi rrugën për kompjuterët në çdo shtëpi. Me ardhjen e internetit, varësia jonë nga sistemet kompjuterike, përfshirë komunikimin, është bërë edhe më e fortë.
Richard Feynman
Varësia po rritet, fuqia kompjuterike po rritet vazhdimisht, por është koha të pranojmë se, pavarësisht aftësive të tyre mbresëlënëse, kompjuterët nuk kanë qenë në gjendje të zgjidhin të gjitha problemet që ne jemi gati t'u vëmë përpara. Fizikani i famshëm Richard Feynman ishte një nga të parët që foli për këtë: në vitin 1981 në një konferencë, ai tha se është thelbësisht e pamundur të llogaritet me saktësi një sistem fizik i vërtetë në kompjuterë të zakonshëm. Gjithçka ka të bëjë me natyrën e saj kuantike! Efektet në mikroshkallë shpjegohen lehtësisht nga mekanika kuantike dhe shumë keq - nga mekanika klasike me të cilën jemi mësuar: përshkruan sjelljen e objekteve të mëdha. Ishte atëherë që Feynman propozoi përdorimin e kompjuterëve kuantikë për të llogaritur sistemet fizike si një alternativë.
Çfarë është një kompjuter kuantik dhe si ndryshon ai nga kompjuterët me të cilët jemi mësuar? Gjithçka ka të bëjë me mënyrën se si ne i paraqesim informacionet vetes.
Ndërsa në kompjuterët e zakonshëm, bitët - zero dhe njësh - janë përgjegjës për këtë funksion, në kompjuterët kuantikë ata zëvendësohen me bit kuantikë (shkurtuar si kubit). Kubiti në vetvete është një gjë mjaft e thjeshtë. Ai ka ende dy vlera bazë (ose gjendje, siç duan të thonë në mekanikën kuantike), të cilat mund t'i marrë: 0 dhe 1. Megjithatë, falë vetive të objekteve kuantike të quajtur "superpozicioni", një kubit mund të marrë përsipër. të gjitha vlerat që janë një kombinim i atyre bazë. Për më tepër, natyra e tij kuantike e lejon atë të jetë në të gjitha këto gjendje në të njëjtën kohë.
Këtu qëndron paralelizmi i llogaritjes kuantike me kubit. Gjithçka ndodh menjëherë - nuk keni më nevojë të kaloni nëpër të gjitha variantet e mundshme të gjendjeve të sistemit, por kjo është pikërisht ajo që bën një kompjuter i rregullt. Kërkimi i bazave të të dhënave të mëdha, përpilimi i një rruge optimale, zhvillimi i barnave të reja janë vetëm disa shembuj të problemeve që algoritmet kuantike mund t'i shpejtojnë shumë herë. Këto janë detyrat ku për të gjetur përgjigjen e saktë duhet të kaloni një numër të madh opsionesh.
Për më tepër, për të përshkruar gjendjen e saktë të sistemit, tani nuk keni nevojë për fuqi të madhe llogaritëse dhe sasi të RAM-it, sepse për të llogaritur një sistem prej 100 grimcash, mjaftojnë 100 kubit, dhe jo triliona bit trilionë. Për më tepër, me një rritje të numrit të grimcave (si në sistemet komplekse reale), ky ndryshim bëhet edhe më i rëndësishëm.
Një nga detyrat shteruese u dallua për padobishmërinë e saj në dukje - zbërthimi i numrave të mëdhenj në faktorë kryesorë (d.m.th., të ndashëm plotësisht vetëm nga ata dhe një). Ky quhet "faktorizim". Fakti është se kompjuterët e zakonshëm mund t'i shumëzojnë numrat mjaft shpejt, edhe nëse janë shumë të mëdhenj. Megjithatë, me problemin e anasjelltë të zbërthimit të një numri të madh që rezulton nga shumëzimi i dy numrave të thjeshtë në faktorët fillestarë, kompjuterët e zakonshëm funksionojnë shumë dobët. Për shembull, për të zbërthyer një numër prej 256 shifrash në dy faktorë, edhe kompjuterit më të fuqishëm do t'i duhen më shumë se një duzinë vjet. Por një algoritëm kuantik që mund ta zgjidhë këtë problem në pak minuta u shpik në vitin 1997 nga matematikani anglez Peter Shore.
Me ardhjen e algoritmit të Shor, komuniteti shkencor u përball me një problem serioz. Në fund të viteve 1970, bazuar në kompleksitetin e problemit të faktorizimit, shkencëtarët kriptografikë krijuan një algoritëm të enkriptimit të të dhënave që u bë i kudondodhur. Në veçanti, duke përdorur këtë algoritëm, ata filluan të mbrojnë të dhënat në internet - fjalëkalime, korrespondencë personale, transaksione bankare dhe financiare. Dhe pas shumë vitesh përdorimi të suksesshëm, papritmas doli se informacioni i koduar në këtë mënyrë bëhet një objektiv i lehtë për algoritmin e Shor që funksionon në një kompjuter kuantik. Deshifrimi me të bëhet çështje minutash. Një gjë ishte një lajm i mirë: një kompjuter kuantik në të cilin mund të ekzekutohej algoritmi vdekjeprurës nuk ishte krijuar ende.
Ndërkohë, në mbarë botën, dhjetëra grupe kërkimore dhe laboratorë filluan të merren me kërkime eksperimentale mbi kubitët dhe mundësitë e krijimit të një kompjuteri kuantik prej tyre. Në fund të fundit, është një gjë të shpikësh teorikisht një kubit dhe krejt tjetër gjë ta përkthesh në realitet. Për ta bërë këtë, ishte e nevojshme të gjendej një sistem fizik i përshtatshëm me dy nivele kuantike që mund të përdoren si gjendje bazë të një kubit - zero dhe një. Vetë Feynman, në artikullin e tij pionier, propozoi përdorimin e fotoneve të përdredhur në drejtime të ndryshme për këto qëllime, por kubitët e parë të krijuar eksperimentalisht ishin jonet e kapur në kurthe speciale në 1995. Shumë realizime të tjera fizike ndoqën jonet: bërthamat atomike, elektronet, fotonet, defektet në kristale, zinxhirët superpërçues - të gjitha plotësonin kërkesat e vendosura.
Kjo shumëllojshmëri kishte meritat e saj. Të nxitur nga konkurrenca intensive, grupe të ndryshme shkencore krijuan kubite gjithnjë e më të përsosura dhe ndërtuan skema gjithnjë e më komplekse prej tyre. Kishte dy parametra kryesorë konkurrues për kubitët: jetëgjatësia e tyre dhe numri i kubitëve që mund të bëheshin për të punuar së bashku.
Laboratori i Sistemeve Kuantike Artificiale
Jetëgjatësia e kubiteve diktoi se sa kohë ruhej në to gjendja e brishtë kuantike. Kjo, nga ana tjetër, përcaktoi se sa operacione llogaritëse mund të kryheshin në një kubit përpara se ai "të vdiste".
Që algoritmet kuantike të funksiononin në mënyrë efektive, nuk nevojitej një kubit, por të paktën njëqind, dhe për më tepër, duke punuar së bashku. Problemi ishte se kubitëve nuk u pëlqente vërtet të bashkëjetonin me njëri-tjetrin dhe protestuan për uljen dramatike të jetës së tyre. Shkencëtarëve iu desh të bënin lloj-lloj mashtrimesh për të kapërcyer këtë grindje të kubitëve. E megjithatë, deri më sot, shkencëtarët kanë arritur të marrin një maksimum prej një deri në dy duzina kubit për të punuar së bashku.
Pra, për kënaqësinë e kriptografëve, kompjuteri kuantik është ende një gjë e së ardhmes. Megjithëse nuk është aspak aq i largët sa mund të dukej dikur, në fund të fundit, si korporatat më të mëdha si Intel, IBM dhe Google, ashtu edhe shtetet individuale, për të cilat krijimi i një kompjuteri kuantik është një çështje me rëndësi strategjike, janë të përfshirë në mënyrë aktive në krijimin e tij.
Mos e humbisni leksionin:
