Për të zbuluar pak a shumë plotësisht thelbin e teknologjive kuantike kompjuterike, le të prekim së pari historinë e teorisë kuantike.
Ajo lindi falë dy shkencëtarëve, rezultatet e kërkimit të të cilëve iu dhanë çmimet Nobel: zbulimi i një kuantike nga M. Planck në 1918 dhe A. Ajnshtajni i një fotoni në 1921.
Viti i lindjes së idesë së një kompjuteri kuantik ishte viti 1980, kur Benioff ishte në gjendje të demonstronte me sukses në praktikë korrektësinë e teorisë kuantike.
Epo, prototipi i parë i një kompjuteri kuantik u krijua nga Gershenfeld dhe Chuang në 1998 në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts (MTI). I njëjti grup studiuesish krijoi modele më të avancuara në dy vitet e ardhshme.
Për një jo-specialist, një kompjuter kuantik është diçka absolutisht fantastike në shkallë; është një makinë llogaritëse përpara së cilës një kompjuter i zakonshëm është si një numërator para një kompjuteri. Dhe, sigurisht, kjo është diçka shumë larg nga mishërimi.
Për një person që është i lidhur me kompjuterët kuantikë, kjo është një pajisje, parimet e përgjithshme të funksionimit të së cilës janë pak a shumë të qarta, por ka shumë probleme që duhet të zgjidhen përpara se të mund të mishërohet në harduer, dhe tani ka shumë laboratorë përreth. botën.ata po përpiqen të kapërcejnë pengesat. 
Në fushën e teknologjisë kuantike, tashmë ka pasur suksese në të kaluarën dhe kompanitë private, duke përfshirë IBM dhe DWays.
Ata raportojnë rregullisht për arritjet më të fundit në këtë fushë edhe sot. Shumica e hulumtimeve kryhen nga shkencëtarë japonezë dhe amerikanë. Japonia, në kërkim të lidershipit botëror në harduer dhe softuer, shpenzon shuma të mëdha parash për zhvillimin në këtë fushë. Sipas nënpresidentit të Hewlett-Packard, deri në 70% e të gjitha studimeve janë kryer në vendin e diellit në rritje. Kompjuterët kuantikë janë një nga hapat e kompanisë së tyre të qëllimshme për të kapur lidershipin në tregun global.
Çfarë e shpjegon dëshirën për të zotëruar këto teknologji? Përparësitë e tyre të padiskutueshme me peshë mbi kompjuterët gjysmëpërçues!
ÇFARË ËSHTË?
Një kompjuter kuantik është një pajisje llogaritëse që punon në bazë të mekanikës kuantike.
Sot, një kompjuter kuantik në shkallë të plotë është një pajisje hipotetike që nuk mund të krijohet duke përdorur të dhënat e disponueshme në teorinë kuantike.
Një kompjuter kuantik, për llogaritjen, nuk përdor algoritme klasike, por procese më komplekse të natyrës kuantike, të cilat quhen edhe algoritme kuantike. Këto algoritme përdorin efekte mekanike kuantike: ngatërresa kuantike dhe paralelizmi kuantik.
Për të kuptuar pse nevojitet fare një kompjuter kuantik, është e nevojshme të imagjinohet se si funksionon.
Nëse një kompjuter konvencional funksionon duke kryer operacione të njëpasnjëshme me zero dhe një, atëherë një kompjuter kuantik përdor unazat e një filmi superpërçues. Rryma mund të rrjedhë nëpër këto unaza në drejtime të ndryshme, kështu që një zinxhir unazash të tilla mund të zbatojë në të njëjtën kohë shumë më tepër operacione me zero dhe një.
Është fuqia e lartë që është përparësia kryesore e një kompjuteri kuantik. Fatkeqësisht, këto unaza i nënshtrohen edhe ndikimeve më të vogla të jashtme, si rezultat i të cilave drejtimi i rrymës mund të ndryshojë, dhe llogaritjet rezultojnë të pasakta në këtë rast.
DALLIMI I NJË KOMPJUTERI KUANTUM NGA NJË KONVENCIONAL
Dallimi kryesor midis kompjuterëve kuantikë dhe kompjuterëve të zakonshëm është se ruajtja, përpunimi dhe transmetimi i të dhënave nuk ndodh me ndihmën e "bitëve", por "qubits" - thjesht duke thënë, "bit kuantik". Ashtu si një bit i zakonshëm, një kubit mund të jetë në gjendjet e zakonshme "| 0>" dhe "| 1>", dhe përveç kësaj, në një gjendje të mbivendosjes A · | 0> + B · | 1>, ku A dhe B a janë ndonjë numër kompleks që plotëson kushtin | A | 2 + | B | 2 = 1.
LLOJET E KOMPJUTERËVE KUANTUM
Ekzistojnë dy lloje të kompjuterëve kuantikë. Të dyja bazohen në fenomene kuantike, vetëm të një rendi të ndryshëm.
kompjuterë të bazuar në kuantizimin e fluksit magnetik bazuar në shkeljet e superpërçueshmërisë - kryqëzimet Josephson. Përforcues linearë, konvertues analog në dixhital, SQUID dhe korrelatorë tashmë janë duke u bërë në efektin Josephson. E njëjta bazë elementi përdoret në projektin e krijimit të një kompjuteri petaflop (1015 ops/s). Në mënyrë eksperimentale u arrit një frekuencë e orës prej 370 GHz, e cila në të ardhmen mund të rritet në 700 GHz. Megjithatë, koha e largimit fazor të funksioneve të valës në këto pajisje është e krahasueshme me kohën e kalimit të portave individuale, dhe në fakt, në të reja , parimet kuantike, zbatohet baza tashmë e njohur e elementeve - shkas, regjistra dhe elementë të tjerë logjikë.
Një lloj tjetër i kompjuterëve kuantikë, të quajtur edhe kompjuterë koherent kuantikë, kërkon ruajtjen e koherencës së funksioneve valore të kubitëve të përdorur gjatë gjithë kohës së llogaritjes - nga fillimi në fund (një kubit mund të jetë çdo sistem mekanik kuantik me dy nivele të dallueshme të energjisë). Si rezultat, për disa detyra, fuqia llogaritëse e kompjuterëve kuantikë koherentë është proporcionale me 2N, ku N është numri i kubitëve në kompjuter. Është lloji i fundit i pajisjes që përmendet kur flasim për kompjuterët kuantikë.
KOMPJUTERËT KUANTUM TANI
Por sot po ndërtohen kompjuterë të vegjël kuantikë. Në këtë drejtim është veçanërisht aktive kompania D-Wave Systems, e cila në vitin 2007 krijoi një kompjuter kuantik prej 16 kubitësh. Ky kompjuter përballoi me sukses detyrën për të ulur mysafirët në tavolinë, bazuar në faktin se disa prej tyre nuk e donin njëri-tjetrin. Tani D-Wave Systems vazhdon të zhvillojë kompjuterë kuantikë.
Për herë të parë, një grup fizikantësh nga Japonia, Kina dhe Shtetet e Bashkuara arritën të ndërtonin në praktikë një kompjuter kuantik të bazuar në arkitekturën von Neumann - domethënë me ndarjen fizike të një procesori kuantik dhe memorien kuantike. Për momentin, për zbatimin praktik të kompjuterëve kuantikë (kompjuterë të bazuar në vetitë e pazakonta të objekteve të mekanikës kuantike), fizikanët përdorin të gjitha llojet e objekteve dhe fenomeneve ekzotike - jone të bllokuara në një kurth optik, rezonancë magnetike bërthamore. Për punën e re, shkencëtarët u mbështetën në qarqet miniaturë superpërcjellëse - aftësia për të zbatuar një kompjuter kuantik duke përdorur qarqe të tilla u përshkrua në Nature në 2008.
Kompjuteri i montuar nga shkencëtarët përbëhej nga një memorie kuantike, rolin e së cilës e luanin dy rezonatorë mikrovalë, një procesor prej dy kubitësh të lidhur me një autobus (rolin e tij luante edhe një rezonator, dhe kubitët ishin qarqe superpërcjellëse) dhe pajisje. për fshirjen e të dhënave. Duke përdorur këtë kompjuter, shkencëtarët kanë zbatuar dy algoritme kryesore- i ashtuquajturi transformim kuantik Furier dhe lidhja duke përdorur portat logjike kuantike të Toffoli:
Algoritmi i parë është një analog kuantik i transformimit diskrete të Furierit. Karakteristika e tij dalluese është një numër shumë më i vogël (i rendit n2) i elementeve funksionale në zbatimin e algoritmit në krahasim me analogun (të rendit n 2n). Transformimet diskrete të Furierit përdoren në një gamë të gjerë fushash të veprimtarisë njerëzore - nga studimi i ekuacioneve diferenciale të pjesshme deri te kompresimi i të dhënave.
Nga ana tjetër, portat logjike kuantike të Toffoli janë elementë bazë, nga të cilët, me disa kërkesa shtesë, mund të merret çdo funksion (program) Boolean. Një tipar dallues i këtyre elementeve është kthyeshmëria, e cila, nga pikëpamja e fizikës, ndër të tjera, minimizon lëshimin e nxehtësisë së pajisjes.
Sipas shkencëtarëve, sistemi që ata krijuan ka një avantazh të jashtëzakonshëm - është lehtësisht i shkallëzueshëm. Kështu, ai mund të shërbejë si një lloj blloku ndërtimi për kompjuterët e ardhshëm. Sipas studiuesve, rezultatet e reja tregojnë qartë premtimin e teknologjisë së re.
Një kompjuter kuantik nuk është thjesht një kompjuter i gjeneratës së ardhshme, është shumë më tepër. Jo vetëm nga pikëpamja e përdorimit të teknologjive më të fundit, por edhe nga pikëpamja e mundësive të tij të pakufizuara, të pabesueshme, fantastike, të cilat jo vetëm mund të ndryshojnë botën njerëzore, por edhe ... të krijojnë një realitet tjetër.
Siç e dini, kompjuterët modernë përdorin memorie të përfaqësuar në kodin binar: 0 dhe 1. Ashtu si në kodin Morse - pikë dhe titull. Me ndihmën e dy karaktereve, mund të kriptoni çdo informacion duke ndryshuar kombinimet e tyre.
Ka miliarda pjesë të tilla në kujtesën e një kompjuteri modern. Por secila prej tyre mund të jetë në një nga dy gjendjet - ose zero ose një. Si një llambë: ose ndezur ose fikur.
Një bit kuantik (qubit) është elementi më i vogël i ruajtjes së informacionit në një kompjuter të së ardhmes. Një njësi informacioni në një kompjuter kuantik tani mund të jetë jo vetëm zero ose një, por të dyja në të njëjtën kohë.
Një qelizë kryen dy veprime, dy deri në katër, katër deri në gjashtëmbëdhjetë, etj. Kjo është arsyeja pse sistemet kuantike mund të punojnë dy herë më shpejt dhe me sasi të mëdha informacioni sesa ato moderne.
Për herë të parë, një kubit (Q-bit) u "mat" nga shkencëtarët nga Qendra Kuantike Ruse (RQC) dhe Laboratori i Materialeve Meta Superpërçuese.
Nga ana teknike, një kubit është një unazë metalike me prerje, disa mikronë në diametër, e depozituar në një gjysmëpërçues. Unaza ftohet në temperatura ultra të ulëta në mënyrë që ajo të bëhet një superpërçues. Supozojmë se rryma që rrjedh nëpër unazë shkon në drejtim të akrepave të orës - kjo është 1. Kundër - 0. Kjo do të thotë, ekzistojnë dy gjendje normale.
Rrezatimi i mikrovalës kaloi nëpër unazë. Në daljen nga unaza e këtij rrezatimi, u mat zhvendosja fazore e rrymës. Doli se i gjithë ky sistem mund të jetë në dy kryesore, dhe gjendje e përzier: të dyja në të njëjtën kohë !!! Në shkencë, ky quhet parimi i mbivendosjes.
Një eksperiment nga shkencëtarët rusë (një i ngjashëm u krye nga shkencëtarë nga vende të tjera) vërtetoi se një kubit ka të drejtën e jetës. Krijimi i një kubiti çoi në idenë dhe i afroi shkencëtarët më afër ëndrrës së krijimit të një kompjuteri kuantik optik. Mbetet vetëm për ta dizajnuar dhe krijuar atë. Por jo gjithçka është kaq e thjeshtë ...
Vështirësi, probleme në krijimin e një kompjuteri kuantik
Nëse kërkohet, për shembull, për të llogaritur një miliard variante në një kompjuter modern, atëherë ai duhet të "lëvizë" një miliard cikle të tilla. Ekziston një ndryshim thelbësor në një kompjuter kuantik, ai mund të llogarisë të gjitha këto opsione në të njëjtën kohë.
Një nga parimet kryesore mbi të cilat do të funksionojë një kompjuter kuantik është parimi i mbivendosjes dhe nuk mund të quhet ndryshe veçse magji!
Do të thotë që i njëjti person mund të jetë në vende të ndryshme në të njëjtën kohë. Fizikanët bëjnë shaka: “Nëse nuk jeni të tronditur nga teoria kuantike, atëherë nuk e keni kuptuar atë”.
Pamja e kompjuterëve kuantikë që po krijohen tani është jashtëzakonisht e ndryshme nga ato klasike. Ata duken si ... një dritë hëne ende:
Një dizajn i tillë, i përbërë nga pjesë bakri dhe ari, bobina ftohëse dhe detaje të tjera karakteristike, sigurisht që nuk u përshtatet krijuesve të tij. Një nga detyrat kryesore të shkencëtarëve është ta bëjnë atë kompakt dhe të lirë. Që kjo të ndodhë, duhet të zgjidhen disa probleme.
Problemi i parë - paqëndrueshmëria e mbivendosjeve
Të gjitha këto mbivendosje kuantike janë shumë delikate. Sapo filloni t'i shikoni, sapo fillojnë të ndërveprojnë me objekte të tjera, ato shkatërrohen menjëherë. Ata bëhen, si të thuash, klasike. Ky është një nga problemet më të rëndësishme në ndërtimin e një kompjuteri kuantik.
Problemi i dytë - kërkohet ftohje e fortë
Pengesa e dytë është arritja e funksionimit të qëndrueshëm të një kompjuteri kuantik. ne formen qe kemi sot ka nevoje per ftohje te forte. E fortë është krijimi i pajisjeve në të cilat temperatura mbahet afër zeros absolute - minus 273 gradë Celsius! Prandaj, tani prototipet e kompjuterëve të tillë, me instalimet e tyre kriogjenike-vakum, duken shumë të rëndë:
Megjithatë, shkencëtarët janë të bindur se së shpejti të gjitha problemet teknike do të zgjidhen dhe një ditë kompjuterët kuantikë me fuqi të madhe llogaritëse do të zëvendësojnë kompjuterët modernë.
Disa zgjidhje teknike në zgjidhjen e problemeve
Deri tani, shkencëtarët kanë gjetur një sërë zgjidhjesh të rëndësishme për problemet e mësipërme. Këto zbulime teknologjike, rezultat i punës komplekse dhe ndonjëherë të gjatë, të vështirë të shkencëtarëve, meritojnë çdo respekt.
Mënyra më e mirë për të përsosur një kubit ... diamante
Gjithçka është shumë e ngjashme me këngën e famshme për vajzat dhe diamantet. Gjëja kryesore për të cilën shkencëtarët po punojnë tani është të ngrenë jetëgjatësi qubit, si dhe "të bëjë" një kompjuter kuantik të funksionojë në temperatura normale... Po, diamantet nevojiten për komunikimin ndërmjet kompjuterëve kuantikë! Për të gjitha këto, ishte e nevojshme krijimi dhe përdorimi i diamanteve artificiale me transparencë super të lartë. Me ndihmën e tyre, ata ishin në gjendje të zgjasin jetën e një kubit deri në dy sekonda. Këto arritje modeste - dy sekonda të jetës së një kubiti dhe një kompjuter që funksionon në temperaturën e dhomës - janë në fakt një revolucion në shkencë.
Thelbi i eksperimentit të shkencëtarit francez Serge Aroche bazohet në faktin se ai ishte në gjendje t'i tregonte gjithë botës se drita (fluksi kuantik i fotoneve) duke kaluar midis dy pasqyrave të krijuara posaçërisht nuk e humbet gjendjen e saj kuantike.
Duke e detyruar dritën të udhëtojë 40,000 km ndërmjet këtyre pasqyrave, ai përcaktoi se gjithçka ndodh pa humbur një gjendje kuantike. Drita përbëhet nga fotone dhe deri më tani askush nuk mund të kuptonte nëse ata humbasin gjendjen e tyre kuantike kur udhëtojnë në një distancë të caktuar. Laureati i Çmimit Nobel Serge Arosh: Një foton është në disa vende në të njëjtën kohë, arritëm ta rregullonim." Në fakt ky është parimi i mbivendosjes... “Në botën tonë të madhe, kjo është e pamundur. Dhe në mikro-botën ka ligje të ndryshme”, thotë Arosh.
Brenda rezonatorit kishte atome klasike që mund të maten. Nga sjellja e atomeve, fizikani ka mësuar të identifikojë dhe të masë grimcat kuantike të pakapshme. Përpara eksperimenteve të Aroshit, besohej se vëzhgimi i kuanteve ishte i pamundur. Pas eksperimentit filluan të flasin për pushtimin e fotoneve, d.m.th mbi afrimin e epokës së kompjuterëve kuantikë.
Pse shumë njerëz presin me padurim krijimin e një gjeneratori kuantik të plotë, ndërsa të tjerët kanë frikë prej tij
Një kompjuter kuantik do t'i japë njerëzimit mundësi të mëdha
Një kompjuter kuantik do të hapë mundësi të pakufishme për njerëzimin. Për shembull, do të ndihmojë në krijimin e një mendjeje artificiale, për të cilën shkrimtarët e trillimeve shkencore janë përgjumur për kaq gjatë. Ose simuloni universin. Plotësisht. Sipas parashikimeve më konservatore, kjo do të lejojë shikimin përtej të mundshmes. Le të imagjinojmë një botë ku mund të modeloni absolutisht çdo gjë që dëshironi: dizenjoni një molekulë, një metal ultra të fortë, plastikë që dekompozohet me shpejtësi, gjeni një kurë për sëmundjet e pashërueshme. Makina do të simulojë të gjithë botën tonë, në tërësi, deri në atomin e fundit. Mund të simuloni edhe një botë tjetër, qoftë edhe virtuale.
Kompjuteri kuantik mund të bëhet instrumenti i Apokalipsit
Shumë njerëz, pasi kanë kuptuar thelbin e teknologjisë kuantike, kanë frikë prej saj për arsye të ndryshme. Tashmë, kompjuterizimi dhe të gjitha teknologjitë afër kompjuterit trembin një person mesatar. Mjafton të kujtojmë skandalet sesi shërbimet speciale, duke përdorur programe të integruara në PC dhe madje edhe pajisje shtëpiake, organizojnë mbikëqyrjen dhe mbledhjen e të dhënave për konsumatorët e tyre. Për shembull, në shumë vende, syzet e njohura janë ndaluar - në fund të fundit, ato janë një mjet ideal për të shtënat dhe gjurmimet e fshehta. Tashmë, me siguri, çdo banor i çdo vendi, dhe aq më tepër një përdorues në internet, futet në një bazë të dhënash. Për më tepër, dhe mjaft realisht, disa shërbime mund të llogarisin çdo veprim të tij në internet.
Por nuk do të ketë sekrete për kompjuterët kuantikë! Asnjë fare. E gjithë siguria e kompjuterit bazohet në numra fjalëkalimesh shumë të gjata. Një kompjuteri të zakonshëm do t'i duheshin një milion vjet për të gjetur çelësin e kodit. Por me ndihmën e një kuantike, çdokush mund ta bëjë atë në çast. Rezulton se bota do të bëhet plotësisht e pasigurt: në fund të fundit, në botën moderne gjithçka kontrollohet nga kompjuterët: transfertat bankare, fluturimet e avionëve, bursat, raketat bërthamore! Dhe kështu rezulton: ai që zotëron informacionin zotëron Botën. Kush është i pari është ai dhe zoti. Kompjuteri kuantik do të bëhet më i fortë se çdo kompleks armësh... Në Tokë, një garë e re armësh mund të fillojë (ose ka filluar tashmë), vetëm tani, jo bërthamore, por kompjuterike.
Zoti na lejoftë të dalim të sigurt nga ajo ...
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 gjasa 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 "kudit", të cilat 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 llogaritet probabiliteti i 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 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 me 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 kuante, 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 lindi 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, bit - zero dhe një - janë përgjegjës për këtë funksion, në kompjuterët kuantikë ata zëvendësohen me bit kuantikë (shkurtuar si qubits). 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.
Përveç kësaj, për të përshkruar gjendjen e saktë të sistemit, fuqia e madhe llogaritëse dhe sasitë e RAM-it nuk nevojiten më, sepse për të llogaritur një sistem prej 100 grimcash, mjaftojnë 100 kubit dhe jo triliona bit. 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 - fjalëkalimet, korrespondencën personale, transaksionet 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 gjithë 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:
