Πώς οι κβαντικοί υπολογιστές θα αλλάξουν τον κόσμο. Κβαντικός επεξεργαστής: περιγραφή, αρχή λειτουργίας

Για να αποκαλύψουμε λίγο-πολύ πλήρως την ουσία των τεχνολογιών κβαντικών υπολογιστών, ας αγγίξουμε πρώτα την ιστορία της κβαντικής θεωρίας.
Προέκυψε χάρη σε δύο επιστήμονες των οποίων τα ερευνητικά αποτελέσματα τιμήθηκαν με βραβεία Νόμπελ: η ανακάλυψη του κβαντικού από τον M. Planck το 1918 και η ανακάλυψη του φωτονίου από τον A. Einstein το 1921.
Η χρονιά που γεννήθηκε η ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή ήταν το 1980, όταν ο Benioff μπόρεσε να αποδείξει με επιτυχία στην πράξη την ορθότητα της κβαντικής θεωρίας.
Λοιπόν, το πρώτο πρωτότυπο ενός κβαντικού υπολογιστή δημιουργήθηκε από τους Gershenfeld και Chuang το 1998 στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MTI). Η ίδια ομάδα ερευνητών δημιούργησε πιο προηγμένα μοντέλα τα επόμενα δύο χρόνια.

Για έναν μη ειδικό, ένας κβαντικός υπολογιστής είναι κάτι απολύτως φανταστικό σε κλίμακα, είναι μια υπολογιστική μηχανή, μπροστά στην οποία ένας συνηθισμένος υπολογιστής είναι σαν ένας άβακας μπροστά σε έναν υπολογιστή. Και, φυσικά, αυτό απέχει πολύ από το να πραγματοποιηθεί.
Για ένα άτομο που σχετίζεται με κβαντικούς υπολογιστές, αυτή είναι μια συσκευή της οποίας οι γενικές αρχές λειτουργίας είναι λίγο-πολύ σαφείς, αλλά υπάρχουν πολλά προβλήματα που πρέπει να λυθούν για να μπορέσει να εφαρμοστεί στο υλικό, και τώρα πολλά εργαστήρια γύρω από ο κόσμος τα χρησιμοποιεί αυτά προσπαθώντας να ξεπεράσει τα εμπόδια.
Υπήρξαν πρόοδοι στην κβαντική τεχνολογία στο παρελθόν από ιδιωτικές εταιρείες, συμπεριλαμβανομένων των IBM και DWays.
Αναφέρουν τακτικά τις τελευταίες εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα ακόμη και σήμερα. Η έρευνα διεξάγεται κυρίως από Ιάπωνες και Αμερικανούς επιστήμονες. Η Ιαπωνία, στην προσπάθειά της για παγκόσμια ηγετική θέση στο υλικό και το λογισμικό, ξοδεύει τεράστια χρηματικά ποσά για τις εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα. Σύμφωνα με τον αντιπρόεδρο της Hewlett-Packard, έως και το 70% της συνολικής έρευνας διεξήχθη στη χώρα του ανατέλλοντος ηλίου. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένα από τα βήματα της επικεντρωμένης εταιρείας τους για να αποκτήσει ηγετική θέση στην παγκόσμια αγορά.

Τι εξηγεί την επιθυμία να κυριαρχήσουμε αυτές τις τεχνολογίες; Τα αναμφισβήτητα σημαντικά πλεονεκτήματά τους έναντι των υπολογιστών ημιαγωγών!

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΑΥΤΟ?

Ο κβαντικός υπολογιστής είναι μια υπολογιστική συσκευή που λειτουργεί με βάση την κβαντική μηχανική.
Σήμερα, ένας κβαντικός υπολογιστής πλήρους κλίμακας είναι μια υποθετική συσκευή που δεν μπορεί να δημιουργηθεί δεδομένων των διαθέσιμων δεδομένων στην κβαντική θεωρία.

Ένας κβαντικός υπολογιστής δεν χρησιμοποιεί κλασικούς αλγόριθμους για υπολογισμούς, αλλά πιο σύνθετες διαδικασίες κβαντικής φύσης, οι οποίες ονομάζονται επίσης κβαντικοί αλγόριθμοι. Αυτοί οι αλγόριθμοι χρησιμοποιούν κβαντομηχανικά φαινόμενα: κβαντική εμπλοκή και κβαντικός παραλληλισμός.

Για να κατανοήσουμε γιατί χρειάζεται καθόλου ένας κβαντικός υπολογιστής, είναι απαραίτητο να φανταστούμε την αρχή της λειτουργίας του.
Ενώ ένας συμβατικός υπολογιστής λειτουργεί εκτελώντας διαδοχικές πράξεις σε μηδενικά και μονάδες, ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί δακτυλίους υπεραγώγιμου φιλμ. Το ρεύμα μπορεί να ρέει μέσα από αυτούς τους δακτυλίους σε διαφορετικές κατευθύνσεις, έτσι μια αλυσίδα τέτοιων δακτυλίων μπορεί ταυτόχρονα να εκτελέσει πολλές περισσότερες λειτουργίες με μηδενικά και ένα.
Είναι η υψηλή ισχύς που είναι το κύριο πλεονέκτημα ενός κβαντικού υπολογιστή. Δυστυχώς, αυτοί οι δακτύλιοι υπόκεινται ακόμη και στις παραμικρές εξωτερικές επιρροές, με αποτέλεσμα να μπορεί να αλλάξει η κατεύθυνση του ρεύματος και σε αυτή την περίπτωση οι υπολογισμοί αποδεικνύονται λανθασμένοι.

ΔΙΑΦΟΡΑ ΚΒΑΝΤΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΑΠΟ ΣΥΜΒΑΤΙΚΟ

Η κύρια διαφορά μεταξύ των κβαντικών υπολογιστών και των συμβατικών είναι ότι η αποθήκευση, η επεξεργασία και η μετάδοση δεδομένων δεν πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας "bits", αλλά "qubits" - με απλά λόγια, "quantum bit". Όπως ένα συνηθισμένο bit, ένα qubit μπορεί να είναι στις γνωστές καταστάσεις "|0>" και "|1>", και επιπλέον - στην κατάσταση υπέρθεσης A·|0> + B·|1>, όπου Α και B είναι τυχόν μιγαδικοί αριθμοί που ικανοποιούν την συνθήκη | A |2 + | B |2 = 1.

ΤΥΠΟΙ ΚΒΑΝΤΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Υπάρχουν δύο τύποι κβαντικών υπολογιστών. Και τα δύο βασίζονται σε κβαντικά φαινόμενα, απλώς διαφορετικής τάξης.

υπολογιστές που βασίζονται στην κβαντοποίηση της μαγνητικής ροής με βάση παραβιάσεις υπεραγωγιμότητας - κόμβοι Josephson. Το φαινόμενο Josephson χρησιμοποιείται ήδη για την κατασκευή γραμμικών ενισχυτών, μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό, SQUID και συσχετιστών Η ίδια βάση στοιχείων χρησιμοποιείται στο έργο για τη δημιουργία ενός υπολογιστή petaflop (1015 op./s). Έχει επιτευχθεί πειραματικά μια συχνότητα ρολογιού 370 GHz, η οποία στο μέλλον μπορεί να αυξηθεί στα 700 GHz, ωστόσο, ο χρόνος απομάκρυνσης των κυμάτων σε αυτές τις συσκευές είναι συγκρίσιμος με τον χρόνο μεταγωγής μεμονωμένων βαλβίδων και μάλιστα με τον ήδη γνωστό. Η βάση στοιχείων υλοποιείται σε νέες, κβαντικές αρχές - flip-flops, καταχωρητές και άλλα λογικά στοιχεία.

Ένας άλλος τύπος κβαντικών υπολογιστών, που ονομάζονται επίσης κβαντικοί συνεκτικοί υπολογιστές, απαιτεί τη διατήρηση της συνοχής των κυματοσυναρτήσεων των qubits που χρησιμοποιούνται καθ' όλη τη διάρκεια του υπολογισμού - από την αρχή μέχρι το τέλος (ένα qubit μπορεί να είναι οποιοδήποτε κβαντικό μηχανικό σύστημα με δύο αποκλειστικά ενεργειακά επίπεδα). Ως αποτέλεσμα, για ορισμένα προβλήματα η υπολογιστική ισχύς των συνεκτικών κβαντικών υπολογιστών είναι ανάλογη του 2N, όπου N είναι ο αριθμός των qubits στον υπολογιστή. Είναι ο τελευταίος τύπος συσκευής που εννοείται όταν μιλάμε για κβαντικούς υπολογιστές.

ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΤΩΡΑ

Αλλά σήμερα δημιουργούνται μικροί κβαντικοί υπολογιστές. Η εταιρεία D-Wave Systems εργάζεται ιδιαίτερα ενεργά προς αυτή την κατεύθυνση, η οποία δημιούργησε έναν κβαντικό υπολογιστή 16 qubits το 2007. Αυτός ο υπολογιστής αντιμετώπισε με επιτυχία το καθήκον να καθίσει τους καλεσμένους στο τραπέζι, με βάση το γεγονός ότι ορισμένοι από αυτούς δεν συμπαθούν ο ένας τον άλλον. Τώρα η εταιρεία D-Wave Systems συνεχίζει την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.

Μια ομάδα φυσικών από την Ιαπωνία, την Κίνα και τις ΗΠΑ κατάφερε για πρώτη φορά να κατασκευάσει έναν κβαντικό υπολογιστή χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική von Neumann - δηλαδή με φυσικό διαχωρισμό του κβαντικού επεξεργαστή και της κβαντικής μνήμης. Αυτή τη στιγμή, για την πρακτική εφαρμογή των κβαντικών υπολογιστών (υπολογιστές που βασίζονται στις ασυνήθιστες ιδιότητες των αντικειμένων της κβαντικής μηχανικής), οι φυσικοί χρησιμοποιούν διάφορα είδη εξωτικών αντικειμένων και φαινομένων - ιόντων που συλλαμβάνονται σε μια οπτική παγίδα, πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Για τη νέα εργασία, οι επιστήμονες βασίστηκαν σε μικροσκοπικά υπεραγώγιμα κυκλώματα - η δυνατότητα υλοποίησης ενός κβαντικού υπολογιστή χρησιμοποιώντας τέτοια κυκλώματα περιγράφηκε στο Nature το 2008.

Ο υπολογιστής που συναρμολόγησαν οι επιστήμονες αποτελούνταν από μια κβαντική μνήμη, τον ρόλο της οποίας έπαιζαν δύο συντονιστές μικροκυμάτων, ένας επεξεργαστής δύο qubit συνδεδεμένοι με ένα δίαυλο (το ρόλο του έπαιζε επίσης ένας συντονιστής και τα qubit ήταν υπεραγώγιμα κυκλώματα). και συσκευές για τη διαγραφή δεδομένων. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον υπολογιστή, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν δύο βασικοί αλγόριθμοι- ο λεγόμενος κβαντικός μετασχηματισμός Fourier και σύνδεση με χρήση κβαντικών λογικών στοιχείων Toffoli:

Ο πρώτος αλγόριθμος είναι ένα κβαντικό ανάλογο του διακριτού μετασχηματισμού Fourier. Το χαρακτηριστικό του χαρακτηριστικό είναι ο πολύ μικρότερος (της τάξης του n2) αριθμός λειτουργικών στοιχείων κατά την εφαρμογή του αλγόριθμου σε σύγκριση με τον ανάλογό του (της τάξης του n 2n). Ο διακριτός μετασχηματισμός Fourier χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας - από τη μελέτη μερικών διαφορικών εξισώσεων έως τη συμπίεση δεδομένων.

Με τη σειρά τους, οι κβαντικές λογικές πύλες Toffoli είναι βασικά στοιχεία από τα οποία, με κάποιες πρόσθετες απαιτήσεις, μπορεί να ληφθεί οποιαδήποτε συνάρτηση Boole (πρόγραμμα). Χαρακτηριστικό αυτών των στοιχείων είναι η αναστρεψιμότητά τους, η οποία, από φυσική άποψη, επιτρέπει, μεταξύ άλλων, την ελαχιστοποίηση της παραγωγής θερμότητας της συσκευής.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, το σύστημα που δημιούργησαν έχει ένα αξιοσημείωτο πλεονέκτημα - είναι εύκολα επεκτάσιμο. Έτσι, μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα είδος δομικού στοιχείου για μελλοντικούς υπολογιστές. Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα νέα αποτελέσματα καταδεικνύουν ξεκάθαρα την υπόσχεση της νέας τεχνολογίας.

Τέτοια μηχανήματα είναι απλά απαραίτητα τώρα σε οποιονδήποτε τομέα: ιατρική, αεροπορία, εξερεύνηση του διαστήματος. Επί του παρόντος, οι υπολογιστές αναπτύσσονται με βάση την κβαντική φυσική και τις τεχνολογίες υπολογιστών. Τα βασικά στοιχεία λειτουργίας μιας τέτοιας υπολογιστικής συσκευής δεν είναι ακόμη διαθέσιμα στους απλούς χρήστες και γίνονται αποδεκτά ως κάτι ακατανόητο. Εξάλλου, δεν είναι όλοι εξοικειωμένοι με τις φωτονικές ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων και ατόμων. Για να κατανοήσετε τουλάχιστον λίγο πώς λειτουργεί αυτός ο υπολογιστής, πρέπει να γνωρίζετε και να κατανοήσετε τις στοιχειώδεις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Ως επί το πλείστον, αυτός ο συνεκτικός υπολογιστής αναπτύσσεται για τη NASA.

Μια συμβατική μηχανή εκτελεί λειτουργίες χρησιμοποιώντας κλασικά bit, τα οποία μπορούν να λάβουν τις τιμές 0 ή 1. Από την άλλη πλευρά, μια φωτονική υπολογιστική μηχανή χρησιμοποιεί συνεκτικά bit ή qubits. Μπορούν να λάβουν τις τιμές 1 και 0 ταυτόχρονα. Αυτό είναι που δίνει σε μια τέτοια υπολογιστική τεχνολογία την ανώτερη υπολογιστική της ισχύ. Υπάρχουν διάφοροι τύποι υπολογιστικών αντικειμένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως qubits.

1. Πυρήνας ενός ατόμου.
2. Ηλεκτρόνιο.

Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν μαγνητικό πεδίο, κατά κανόνα μοιάζουν με μικρούς μαγνήτες και αυτή η ιδιότητα ονομάζεται σπιν. Εάν τα τοποθετήσετε σε μαγνητικό πεδίο, θα προσαρμοστούν σε αυτό με τον ίδιο τρόπο που κάνει μια βελόνα πυξίδας. Αυτή είναι η χαμηλότερη ενεργειακή θέση, επομένως μπορούμε να την ονομάσουμε μηδενική ή χαμηλή περιστροφή. Αλλά είναι δυνατό να ανακατευθύνει το ηλεκτρόνιο στην κατάσταση «ένα» ή στην κορυφή σπιν. Αλλά αυτό απαιτεί ενέργεια. Εάν αφαιρέσετε το γυαλί από την πυξίδα, μπορείτε να ανακατευθύνετε το βέλος σε διαφορετική κατεύθυνση, αλλά αυτό απαιτεί δύναμη.

Υπάρχουν δύο αξεσουάρ: χαμηλό και υψηλό στύψιμο, που αντιστοιχούν στο κλασικό 1 και 0 αντίστοιχα. Αλλά το γεγονός είναι ότι τα φωτονικά αντικείμενα μπορούν να βρίσκονται σε δύο θέσεις ταυτόχρονα. Όταν μετριέται η περιστροφή, θα είναι είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω. Αλλά πριν από τη μέτρηση, το ηλεκτρόνιο θα υπάρχει σε μια λεγόμενη κβαντική υπέρθεση, στην οποία αυτοί οι συντελεστές υποδεικνύουν τη σχετική πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να βρίσκεται σε μια ή την άλλη κατάσταση.

Είναι αρκετά δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς αυτό δίνει στις μηχανές συνοχής την απίστευτη υπολογιστική τους ισχύ χωρίς να ληφθεί υπόψη η αλληλεπίδραση δύο qubit. Υπάρχουν τώρα τέσσερις πιθανές καταστάσεις αυτών των ηλεκτρονίων. Σε ένα τυπικό παράδειγμα δύο bit, χρειάζονται μόνο δύο bit πληροφοριών. Άρα δύο qubit περιέχουν τέσσερις τύπους πληροφοριών. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να γνωρίζετε τέσσερις αριθμούς για να γνωρίζετε τη θέση του συστήματος. Και αν κάνετε τρεις περιστροφές, θα έχετε οκτώ διαφορετικές θέσεις και σε μια τυπική έκδοση θα χρειαστείτε τρία bit. Αποδεικνύεται ότι η ποσότητα των πληροφοριών που περιέχονται σε N qubits είναι ίση με 2N τυπικά bit. Η εκθετική συνάρτηση λέει ότι αν, για παράδειγμα, υπάρχουν 300 qubits, τότε θα πρέπει να δημιουργήσετε τρελό-σύνθετες υπερθέσεις όπου και τα 300 qubits θα είναι διασυνδεδεμένα. Τότε παίρνουμε 2300 κλασικά bits, που είναι ίσα με τον αριθμό των σωματιδίων σε ολόκληρο το σύμπαν. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια λογική ακολουθία που θα καταστήσει δυνατή τη λήψη ενός αποτελέσματος υπολογισμού που μπορεί να μετρηθεί. Δηλαδή, που αποτελείται μόνο από τυπικά αξεσουάρ. Αποδεικνύεται ότι μια συνεκτική μηχανή δεν αντικαθιστά τα συμβατικά. Είναι ταχύτεροι μόνο στους υπολογισμούς όπου είναι δυνατή η χρήση όλων των διαθέσιμων υπερθέσεων. Και αν θέλετε απλώς να παρακολουθήσετε ένα βίντεο υψηλής ποιότητας, να συνομιλήσετε στο Διαδίκτυο ή να γράψετε ένα άρθρο για εργασία, ένας υπολογιστής φωτονίων δεν θα σας δώσει προτεραιότητες.

Αυτό το βίντεο περιγράφει τη διαδικασία ενός κβαντικού υπολογιστή.

Με απλά λόγια, το συνεκτικό σύστημα έχει σχεδιαστεί όχι για την ταχύτητα υπολογισμού, αλλά για την απαιτούμενη ποσότητα για την επίτευξη αποτελεσμάτων, τα οποία θα προκύψουν σε ελάχιστη μονάδα χρόνου.

Η λειτουργία ενός κλασικού υπολογιστή βασίζεται στην επεξεργασία πληροφοριών με τη χρήση τσιπ πυριτίου και τρανζίστορ. Χρησιμοποιούν δυαδικό κώδικα, ο οποίος με τη σειρά του αποτελείται από μονάδες και μηδενικά. Μια συνεκτική μηχανή λειτουργεί με βάση την υπέρθεση. Αντί για bit, χρησιμοποιούνται qubits. Αυτό σας επιτρέπει όχι μόνο γρήγορα, αλλά και να κάνετε υπολογισμούς όσο το δυνατόν ακριβέστερα.

Ποιο θα είναι το πιο ισχυρό σύστημα υπολογισμού φωτονίων; Για παράδειγμα, εάν ένας φωτονικός υπολογιστής έχει σύστημα τριάντα qubit, τότε η ισχύς του θα είναι 10 τρισεκατομμύρια υπολογιστικές πράξεις ανά δευτερόλεπτο. Επί του παρόντος, ο πιο ισχυρός υπολογιστής δύο bit μετρά ένα δισεκατομμύριο λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.

Μια μεγάλη ομάδα επιστημόνων από διάφορες χώρες έχει αναπτύξει ένα σχέδιο σύμφωνα με το οποίο οι διαστάσεις της φωτονικής συσκευής θα είναι κοντά στις διαστάσεις ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Θα είναι ο πιο ισχυρός στον κόσμο. Αυτό θα είναι ένα είδος δομής από δομοστοιχεία, η οποία τοποθετείται σε κενό. Το εσωτερικό κάθε μονάδας είναι ιονισμένα ηλεκτρικά πεδία. Με τη βοήθειά τους θα σχηματιστούν ορισμένα μέρη του κυκλώματος που θα εκτελούν απλές λογικές ενέργειες. Ένα παράδειγμα τέτοιας τεχνολογίας φωτονικών υπολογιστών αναπτύσσεται στο Πανεπιστήμιο του Sussex στην Αγγλία. Το εκτιμώμενο κόστος είναι σήμερα πάνω από 130 εκατομμύρια δολάρια.

Πριν από δέκα χρόνια, η D-Wave παρουσίασε τον πρώτο συνεκτικό υπολογιστή στον κόσμο, ο οποίος αποτελείται από 16 qubits. Κάθε qubit με τη σειρά του αποτελείται από έναν κρύσταλλο νιοβίου, ο οποίος τοποθετείται σε έναν επαγωγέα. Το ηλεκτρικό ρεύμα που παρέχεται στο πηνίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Στη συνέχεια, αλλάζει τη συνδρομή στην οποία βρίσκεται το qubit. Χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο μηχάνημα, μπορείτε εύκολα να μάθετε πώς αλληλεπιδρούν τα συνθετικά φάρμακα με τις πρωτεΐνες του αίματος.
Ή θα είναι δυνατό να εντοπιστεί μια ασθένεια όπως ο καρκίνος σε πρώιμο στάδιο.

Αυτό το βίντεο περιέχει συζητήσεις σχετικά με το θέμα «Γιατί ο κόσμος χρειάζεται έναν κβαντικό υπολογιστή». Μην ξεχάσετε να αφήσετε τα σχόλιά σας, τις ερωτήσεις και απλώς

Είστε όλοι συνηθισμένοι στους υπολογιστές μας: το πρωί διαβάζουμε ειδήσεις από smartphone, το απόγευμα δουλεύουμε με φορητό υπολογιστή και το βράδυ βλέπουμε ταινίες σε tablet. Όλες αυτές οι συσκευές έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό - έναν επεξεργαστή πυριτίου που αποτελείται από δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Η αρχή λειτουργίας τέτοιων τρανζίστορ είναι αρκετά απλή - ανάλογα με την παρεχόμενη τάση, έχουμε μια διαφορετική τάση στην έξοδο, η οποία ερμηνεύεται είτε ως λογική 0 είτε ως λογική 1. Για να πραγματοποιηθούν λειτουργίες διαίρεσης, υπάρχει μια μετατόπιση bit - αν, για παράδειγμα, ήμασταν ο αριθμός 1101, τότε μετά τη μετατόπισή του κατά 1 bit προς τα αριστερά θα είναι 01101, και αν τώρα τον μετατοπίσουμε κατά 1 bit προς τα δεξιά θα είναι 01110. Και το κύριο πρόβλημα βρίσκεται στο γεγονός ότι για την ίδια διαίρεση μπορεί να χρειαστούν αρκετές δεκάδες τέτοιες επιχειρήσεις. Ναι, δεδομένου του γεγονότος ότι υπάρχουν δισεκατομμύρια τρανζίστορ, μια τέτοια λειτουργία διαρκεί νανοδευτερόλεπτα, αλλά αν υπάρχουν πολλές λειτουργίες, χάνουμε χρόνο σε αυτούς τους υπολογισμούς.

Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές

Ένας κβαντικός υπολογιστής προσφέρει έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο υπολογισμού. Ας ξεκινήσουμε με τον ορισμό:

Κβαντικός υπολογιστής -υπολογιστική συσκευή, που χρησιμοποιεί φαινόμενακβαντική υπέρθεσηΚαικβαντική εμπλοκήγια μετάδοση και επεξεργασία δεδομένων.

Προφανώς δεν έχει γίνει πιο ξεκάθαρο. Η κβαντική υπέρθεση μας λέει ότι ένα σύστημα, με κάποιο βαθμό πιθανότητας, υπάρχει σε όλες τις δυνατές καταστάσεις για αυτό (το άθροισμα όλων των πιθανοτήτων, φυσικά, είναι ίσο με 100% ή 1). Ας το δούμε αυτό με ένα παράδειγμα. Οι πληροφορίες στους κβαντικούς υπολογιστές αποθηκεύονται σε qubits - ενώ τα συνηθισμένα bit μπορεί να έχουν κατάσταση 0 ή 1, τότε ένα qubit μπορεί να έχει κατάσταση 0, 1 και 0 και 1 ταυτόχρονα. Επομένως, εάν έχουμε 3 qubits, για παράδειγμα 110, τότε αυτή η έκφραση σε bit είναι ισοδύναμη με 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Τι μας δίνει αυτό; Ναι όλα! Για παράδειγμα, έχουμε έναν ψηφιακό κωδικό πρόσβασης 4 χαρακτήρων. Πώς θα το χακάρει ένας κανονικός επεξεργαστής; Με απλή αναζήτηση από το 0000 έως το 9999. Το 9999 στο δυαδικό σύστημα έχει τη μορφή 10011100001111, δηλαδή χρειαζόμαστε 14 bit για να το γράψουμε. Επομένως, εάν έχουμε έναν κβαντικό υπολογιστή με 14 qubits, γνωρίζουμε ήδη τον κωδικό πρόσβασης: εξάλλου, μια από τις πιθανές καταστάσεις ενός τέτοιου συστήματος είναι ο κωδικός πρόσβασης! Ως αποτέλεσμα, όλα τα προβλήματα που ακόμη και οι υπερυπολογιστές χρειάζονται μέρες για να υπολογίσουν θα λυθούν άμεσα χρησιμοποιώντας κβαντικά συστήματα: χρειάζεται να βρείτε μια ουσία με ορισμένες ιδιότητες; Κανένα πρόβλημα, φτιάξτε ένα σύστημα με τον ίδιο αριθμό qubits με τις απαιτήσεις σας για την ύλη - και η απάντηση θα είναι ήδη στην τσέπη σας. Χρειάζεται να δημιουργήσετε AI (τεχνητή νοημοσύνη; Δεν θα μπορούσε να είναι πιο απλό: ενώ ένας κανονικός υπολογιστής θα δοκιμάσει όλους τους συνδυασμούς, ένας κβαντικός υπολογιστής θα λειτουργεί με αστραπιαία ταχύτητα, επιλέγοντας την καλύτερη απάντηση.


Φαίνεται ότι όλα είναι υπέροχα, αλλά υπάρχει ένα σημαντικό πρόβλημα - πώς μαθαίνουμε το αποτέλεσμα των υπολογισμών; Με έναν κανονικό υπολογιστή, όλα είναι απλά - μπορούμε να το πάρουμε και να το διαβάσουμε συνδέοντας απευθείας με τον επεξεργαστή: το λογικό 0 και 1 ερμηνεύονται σίγουρα εκεί ως απουσία και παρουσία φόρτισης. Αλλά αυτό δεν θα λειτουργήσει με qubits - τελικά, σε κάθε στιγμή του χρόνου βρίσκεται σε αυθαίρετη κατάσταση. Και εδώ είναι που η κβαντική εμπλοκή έρχεται να μας βοηθήσει. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι μπορείτε να πάρετε ένα ζευγάρι σωματιδίων που συνδέονται μεταξύ τους (με επιστημονικούς όρους - εάν, για παράδειγμα, η προβολή περιστροφής ενός μπερδεμένου σωματιδίου είναι αρνητική, τότε το άλλο θα είναι σίγουρα θετικό). Πώς φαίνεται στα δάχτυλά σας; Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο κουτιά που το καθένα περιέχει ένα κομμάτι χαρτί. Μεταφέρουμε κουτιά σε οποιαδήποτε απόσταση, ανοίγουμε ένα από αυτά και βλέπουμε ότι το χαρτί μέσα είναι οριζόντια ριγέ. Αυτό σημαίνει αυτόματα ότι το άλλο κομμάτι χαρτί θα έχει κάθετες ρίγες. Αλλά το πρόβλημα είναι ότι μόλις γνωρίζουμε την κατάσταση ενός κομματιού χαρτιού (ή σωματιδίου), το κβαντικό σύστημα καταρρέει - η αβεβαιότητα εξαφανίζεται, τα qubits μετατρέπονται σε συνηθισμένα bits.

Επομένως, οι υπολογισμοί στους κβαντικούς υπολογιστές είναι ουσιαστικά εφάπαξ: δημιουργούμε ένα σύστημα που αποτελείται από μπερδεμένα σωματίδια (ξέρουμε πού βρίσκονται τα άλλα «μισά» τους). Πραγματοποιούμε υπολογισμούς και μετά "ανοίγουμε το κουτί με το κομμάτι χαρτί" - ανακαλύπτουμε την κατάσταση των μπερδεμένων σωματιδίων, και επομένως την κατάσταση των σωματιδίων στον κβαντικό υπολογιστή, και επομένως το αποτέλεσμα των υπολογισμών. Έτσι, για νέους υπολογισμούς, πρέπει να δημιουργήσετε ξανά qubits - απλά το "κλείσιμο του κουτιού με το κομμάτι χαρτί" δεν θα λειτουργήσει - σε τελική ανάλυση, γνωρίζουμε ήδη τι σχεδιάζεται στο κομμάτι χαρτί.

Τίθεται το ερώτημα - αφού ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να μαντέψει αμέσως τυχόν κωδικούς πρόσβασης - πώς να προστατέψετε τις πληροφορίες; Θα εξαφανιστεί το απόρρητο με την εμφάνιση τέτοιων συσκευών; Φυσικά και όχι. Η λεγόμενη κβαντική κρυπτογράφηση έρχεται στη διάσωση: βασίζεται στο γεγονός ότι όταν προσπαθείτε να «διαβάσετε» μια κβαντική κατάσταση, αυτή καταστρέφεται, γεγονός που καθιστά αδύνατη κάθε hacking.

Οικιακός κβαντικός υπολογιστής

Λοιπόν, η τελευταία ερώτηση - αφού οι κβαντικοί υπολογιστές είναι τόσο δροσεροί, ισχυροί και δεν μπορούν να παραβιαστούν - γιατί δεν τους χρησιμοποιούμε; Το πρόβλημα είναι ασήμαντο - η αδυναμία εφαρμογής ενός κβαντικού συστήματος σε συνηθισμένες συνθήκες σπιτιού. Για να υπάρχει ένα qubit σε κατάσταση υπέρθεσης επ' αόριστον, χρειάζονται εξαιρετικά συγκεκριμένες συνθήκες: πλήρες κενό (απουσία άλλων σωματιδίων), θερμοκρασία όσο το δυνατόν πλησιέστερη στο μηδέν Kelvin (για υπεραγωγιμότητα) και πλήρης απουσία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (για καμία επιρροή στο κβαντικό σύστημα). Συμφωνώ, είναι δύσκολο να δημιουργηθούν τέτοιες συνθήκες στο σπίτι, για να το θέσω ήπια, αλλά η παραμικρή απόκλιση θα οδηγήσει στο γεγονός ότι η κατάσταση υπέρθεσης θα εξαφανιστεί και τα αποτελέσματα υπολογισμού θα είναι λανθασμένα. Το δεύτερο πρόβλημα είναι να αλληλεπιδράσουν τα qubits μεταξύ τους - όταν αλληλεπιδρούν, η διάρκεια ζωής τους μειώνεται καταστροφικά. Ως αποτέλεσμα, το μέγιστο για αυτήν την ημέρα είναι οι κβαντικοί υπολογιστές με μερικές δεκάδες qubits.

Ωστόσο, υπάρχουν κβαντικοί υπολογιστές από το D-Wave που έχουν 1000 qubits, αλλά, γενικά, δεν είναι πραγματικοί κβαντικοί υπολογιστές, επειδή δεν χρησιμοποιούν τις αρχές της κβαντικής εμπλοκής, επομένως δεν μπορούν να λειτουργήσουν σύμφωνα με τους κλασικούς κβαντικούς αλγόριθμους:


Ωστόσο, τέτοιες συσκευές αποδεικνύονται σημαντικά (χιλιάδες φορές) πιο ισχυρές από τους συμβατικούς υπολογιστές, κάτι που μπορεί να θεωρηθεί σημαντική ανακάλυψη. Ωστόσο, δεν θα αντικαταστήσουν τις συσκευές χρήστη σύντομα - πρώτα πρέπει είτε να μάθουμε να δημιουργούμε συνθήκες για τη λειτουργία τέτοιων συσκευών στο σπίτι ή, αντίθετα, να «κάνουμε» τέτοιες συσκευές να λειτουργούν στις συνθήκες που γνωρίζουμε. Τα βήματα προς τη δεύτερη κατεύθυνση έχουν ήδη γίνει - το 2013, ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής δύο qubit δημιουργήθηκε σε ακαθαρσίες διαμαντιών, που λειτουργούσε σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, δυστυχώς, αυτό είναι απλώς ένα πρωτότυπο και 2 qubits δεν αρκούν για υπολογισμούς. Έτσι, η αναμονή για τους κβαντικούς υπολογιστές είναι ακόμα πολύ, πολύ μεγάλη.