Κβαντικοί υπολογιστές - τι είναι αυτοί; Αρχή λειτουργίας και φωτογραφία κβαντικού υπολογιστή. Κβαντικός υπολογιστής - τι είναι με απλά λόγια, αρχή λειτουργίας

Ο κόσμος βρίσκεται στα πρόθυρα μιας άλλης κβαντικής επανάστασης. Ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής θα λύσει άμεσα προβλήματα που η πιο ισχυρή σύγχρονη συσκευή χρειάζεται χρόνια για να λύσει αυτή τη στιγμή. Ποιες είναι αυτές οι εργασίες; Ποιος ωφελείται και ποιος απειλείται από τη μαζική χρήση κβαντικών αλγορίθμων; Τι είναι η υπέρθεση των qubits, πώς έμαθαν οι άνθρωποι να βρίσκουν τη βέλτιστη λύση χωρίς να περάσουν από τρισεκατομμύρια επιλογές; Απαντάμε σε αυτές τις ερωτήσεις κάτω από τον τίτλο "Απλώς για το συγκρότημα".

Πριν από την κβαντική θεωρία, χρησιμοποιήθηκε η κλασική θεωρία της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το 1900, ο Γερμανός επιστήμονας Max Planck, ο οποίος ο ίδιος δεν πίστευε στα κβάντα και τα θεωρούσε πλασματική και καθαρά θεωρητική κατασκευή, αναγκάστηκε να παραδεχτεί ότι η ενέργεια ενός θερμαινόμενου σώματος εκπέμπεται σε μερίδες - κβάντα. Έτσι, οι υποθέσεις της θεωρίας συνέπεσαν με τις πειραματικές παρατηρήσεις. Και πέντε χρόνια αργότερα, ο μεγάλος Άλμπερτ Αϊνστάιν κατέφυγε στην ίδια προσέγγιση όταν εξήγησε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: όταν ακτινοβολήθηκε με φως, προέκυψε ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα! Είναι απίθανο ο Πλανκ και ο Αϊνστάιν να μπορούσαν να φανταστούν ότι με το έργο τους έθεταν τα θεμέλια μιας νέας επιστήμης - της κβαντικής μηχανικής, που θα προοριζόταν να μεταμορφώσει τον κόσμο μας αγνώριστα, και ότι στον 21ο αιώνα οι επιστήμονες θα πλησίαζαν στη δημιουργία έναν κβαντικό υπολογιστή.

Στην αρχή, η κβαντομηχανική κατέστησε δυνατή την εξήγηση της δομής του ατόμου και βοήθησε στην κατανόηση των διεργασιών που συμβαίνουν μέσα σε αυτό. Σε γενικές γραμμές, το μακροχρόνιο όνειρο των αλχημιστών να μετατρέψουν άτομα κάποιων στοιχείων σε άτομα άλλων (ναι, ακόμη και σε χρυσό) έχει γίνει πραγματικότητα. Και ο διάσημος τύπος του Αϊνστάιν E=mc2 οδήγησε στην εμφάνιση της πυρηνικής ενέργειας και, κατά συνέπεια, της ατομικής βόμβας.

Κβαντικός επεξεργαστής πέντε qubit από την IBM

Περαιτέρω περισσότερα. Χάρη στο έργο του Αϊνστάιν και του Άγγλου φυσικού Paul Dirac, δημιουργήθηκε ένα λέιζερ στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα - επίσης μια κβαντική πηγή υπερ-καθαρού φωτός που συλλέγεται σε μια στενή δέσμη. Η έρευνα με λέιζερ έφερε το βραβείο Νόμπελ σε περισσότερους από δώδεκα επιστήμονες και τα ίδια τα λέιζερ έχουν βρει την εφαρμογή τους σε όλους σχεδόν τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας - από βιομηχανικούς κόπτες και πιστόλια λέιζερ έως σαρωτές γραμμωτού κώδικα και διόρθωση όρασης. Την ίδια περίπου περίοδο, ήταν σε εξέλιξη ενεργή έρευνα για ημιαγωγούς - υλικά με τα οποία μπορεί εύκολα να ελεγχθεί η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Στη βάση τους, δημιουργήθηκαν τα πρώτα τρανζίστορ - αργότερα έγιναν τα κύρια δομικά στοιχεία της σύγχρονης ηλεκτρονικής, χωρίς τα οποία δεν μπορούμε πλέον να φανταστούμε τη ζωή μας.

Η ανάπτυξη ηλεκτρονικών υπολογιστικών μηχανών - υπολογιστών - έχει καταστήσει δυνατή την γρήγορη και αποτελεσματική επίλυση πολλών προβλημάτων. Και η σταδιακή μείωση του μεγέθους και του κόστους τους (λόγω μαζικής παραγωγής) άνοιξε το δρόμο για τους υπολογιστές σε κάθε σπίτι. Με την έλευση του Διαδικτύου, η εξάρτησή μας από συστήματα υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένης της επικοινωνίας, έχει γίνει ακόμη πιο ισχυρή.

Ρίτσαρντ Φάινμαν

Η εξάρτηση αυξάνεται, η υπολογιστική ισχύς αυξάνεται συνεχώς, αλλά ήρθε η ώρα να παραδεχτούμε ότι, παρά τις εντυπωσιακές δυνατότητές τους, οι υπολογιστές δεν μπόρεσαν να λύσουν όλα τα προβλήματα που είμαστε έτοιμοι να τους θέσουμε. Ο διάσημος φυσικός Richard Feynman ήταν ένας από τους πρώτους που μίλησε για αυτό: το 1981, σε ένα συνέδριο, δήλωσε ότι ήταν θεμελιωδώς αδύνατο να υπολογιστεί με ακρίβεια ένα πραγματικό φυσικό σύστημα σε συνηθισμένους υπολογιστές. Είναι όλα σχετικά με την κβαντική φύση του! Τα φαινόμενα μικροκλίμακας εξηγούνται εύκολα από την κβαντική μηχανική και εξηγούνται πολύ άσχημα από την κλασική μηχανική που έχουμε συνηθίσει: περιγράφει τη συμπεριφορά μεγάλων αντικειμένων. Τότε ήταν που, ως εναλλακτική, ο Feynman πρότεινε τη χρήση κβαντικών υπολογιστών για τον υπολογισμό των φυσικών συστημάτων.

Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής και σε τι διαφέρει από τους υπολογιστές που έχουμε συνηθίσει; Όλα έχουν να κάνουν με το πώς παρουσιάζουμε τις πληροφορίες.

Εάν σε συμβατικούς υπολογιστές τα bit - μηδενικά και ένα - είναι υπεύθυνα για αυτή τη λειτουργία, τότε στους κβαντικούς υπολογιστές αντικαθίστανται από κβαντικά bit (συντομογραφία qubits). Το ίδιο το qubit είναι ένα αρκετά απλό πράγμα. Έχει ακόμα δύο θεμελιώδεις τιμές (ή καταστάσεις, όπως λέει η κβαντομηχανική) που μπορεί να λάβει: 0 και 1. Ωστόσο, χάρη στην ιδιότητα των κβαντικών αντικειμένων που ονομάζεται «υπέρθεση», ένα qubit μπορεί να λάβει όλες τις τιμές που είναι ένας συνδυασμός των θεμελιωδών. Επιπλέον, η κβαντική του φύση του επιτρέπει να βρίσκεται σε όλες αυτές τις καταστάσεις ταυτόχρονα.

Αυτός είναι ο παραλληλισμός του κβαντικού υπολογισμού με τα qubits. Όλα συμβαίνουν ταυτόχρονα - δεν υπάρχει πλέον καμία ανάγκη να περάσετε από όλες τις πιθανές επιλογές για τις καταστάσεις συστήματος, και αυτό ακριβώς κάνει ένας κανονικός υπολογιστής. Η αναζήτηση σε μεγάλες βάσεις δεδομένων, η χάραξη μιας βέλτιστης διαδρομής, η ανάπτυξη νέων φαρμάκων είναι μερικά μόνο παραδείγματα προβλημάτων που μπορούν να λυθούν πολλές φορές πιο γρήγορα από κβαντικούς αλγόριθμους. Αυτές είναι οι εργασίες όπου για να βρείτε τη σωστή απάντηση πρέπει να περάσετε από έναν τεράστιο αριθμό επιλογών.

Επιπλέον, για να περιγράψουμε την ακριβή κατάσταση του συστήματος, δεν χρειάζονται πλέον τεράστια υπολογιστική ισχύς και ποσότητες RAM, γιατί για να υπολογιστεί ένα σύστημα 100 σωματιδίων, αρκούν 100 qubits και όχι τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια bit. Επιπλέον, όσο αυξάνεται ο αριθμός των σωματιδίων (όπως στα πραγματικά πολύπλοκα συστήματα), αυτή η διαφορά γίνεται ακόμη πιο σημαντική.

Ένα από τα προβλήματα απαρίθμησης ξεχώριζε για τη φαινομενική αχρηστία του - αποσύνθεση μεγάλων αριθμών σε πρώτους παράγοντες (δηλαδή, διαιρούμενους μόνο με τους ίδιους και έναν). Αυτό ονομάζεται «παραγοντοποίηση». Το γεγονός είναι ότι οι συνηθισμένοι υπολογιστές μπορούν να πολλαπλασιάσουν τους αριθμούς αρκετά γρήγορα, ακόμη και πολύ μεγάλους. Ωστόσο, οι συμβατικοί υπολογιστές αντιμετωπίζουν πολύ άσχημα το αντίστροφο πρόβλημα της αποσύνθεσης ενός μεγάλου αριθμού που προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό δύο πρώτων αριθμών στους αρχικούς συντελεστές τους. Για παράδειγμα, για να συνυπολογιστεί ένας αριθμός 256 ψηφίων σε δύο παράγοντες, ακόμη και ο πιο ισχυρός υπολογιστής θα χρειαστεί δεκάδες χρόνια. Αλλά ένας κβαντικός αλγόριθμος που μπορεί να λύσει αυτό το πρόβλημα σε λίγα λεπτά, εφευρέθηκε το 1997 από τον Άγγλο μαθηματικό Peter Shor.

Με την εμφάνιση του αλγορίθμου του Shor, η επιστημονική κοινότητα αντιμετώπισε ένα σοβαρό πρόβλημα. Πίσω στα τέλη της δεκαετίας του 1970, με βάση την πολυπλοκότητα του προβλήματος της παραγοντοποίησης, οι κρυπτογραφικοί επιστήμονες δημιούργησαν έναν αλγόριθμο κρυπτογράφησης δεδομένων που έχει γίνει ευρέως διαδεδομένος. Συγκεκριμένα, με τη βοήθεια αυτού του αλγορίθμου άρχισαν να προστατεύουν δεδομένα στο Διαδίκτυο - κωδικούς πρόσβασης, προσωπική αλληλογραφία, τραπεζικές και οικονομικές συναλλαγές. Και μετά από πολλά χρόνια επιτυχημένης χρήσης, ξαφνικά αποδείχθηκε ότι οι πληροφορίες που κρυπτογραφούνται με αυτόν τον τρόπο γίνονται εύκολος στόχος για τον αλγόριθμο του Shor που εκτελείται σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Η αποκρυπτογράφηση με τη βοήθειά της γίνεται θέμα λεπτών. Ένα πράγμα ήταν καλό: δεν είχε δημιουργηθεί ακόμη ένας κβαντικός υπολογιστής στον οποίο θα μπορούσε να εκτελεστεί ο θανατηφόρος αλγόριθμος.

Εν τω μεταξύ, σε όλο τον κόσμο, δεκάδες επιστημονικές ομάδες και εργαστήρια άρχισαν να ασχολούνται με πειραματικές μελέτες των qubits και τις δυνατότητες δημιουργίας ενός κβαντικού υπολογιστή από αυτά. Άλλωστε, άλλο πράγμα είναι να εφεύρεις θεωρητικά ένα qubit και άλλο να το κάνεις πραγματικότητα. Για να γίνει αυτό, ήταν απαραίτητο να βρεθεί ένα κατάλληλο φυσικό σύστημα με δύο κβαντικά επίπεδα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βασικές καταστάσεις του qubit - μηδέν και ένα. Ο ίδιος ο Feynman, στο πρωτοποριακό του άρθρο, πρότεινε τη χρήση φωτονίων στριμμένα σε διαφορετικές κατευθύνσεις για αυτούς τους σκοπούς, αλλά τα πρώτα πειραματικά qubits ήταν ιόντα που συλλαμβάνονταν σε ειδικές παγίδες το 1995. Τα ιόντα ακολουθήθηκαν από πολλές άλλες φυσικές υλοποιήσεις: ατομικοί πυρήνες, ηλεκτρόνια, φωτόνια, ελαττώματα κρυστάλλων, υπεραγώγιμα κυκλώματα - όλα πληρούσαν τις απαιτήσεις.

Αυτή η διαφορετικότητα είχε τα πλεονεκτήματά της. Με γνώμονα τον έντονο ανταγωνισμό, διάφορες επιστημονικές ομάδες δημιούργησαν όλο και πιο προηγμένα qubits και κατασκεύασαν όλο και πιο πολύπλοκα κυκλώματα από αυτά. Υπήρχαν δύο κύριες ανταγωνιστικές παράμετροι για τα qubit: η διάρκεια ζωής τους και ο αριθμός των qubits που θα μπορούσαν να κατασκευαστούν για να λειτουργούν μαζί.

Εργαζόμενοι στο Εργαστήριο Τεχνητών Κβαντικών Συστημάτων

Η διάρκεια ζωής των qubits καθόρισε πόσο καιρό ήταν αποθηκευμένη σε αυτά η εύθραυστη κβαντική κατάσταση. Αυτό, με τη σειρά του, καθόρισε πόσες υπολογιστικές λειτουργίες θα μπορούσαν να εκτελεστούν στο qubit προτού «πεθάνει».

Για την αποτελεσματική λειτουργία των κβαντικών αλγορίθμων, δεν χρειαζόταν ένα qubit, αλλά τουλάχιστον εκατό, και να συνεργαστούν. Το πρόβλημα ήταν ότι στα qubits δεν άρεσε πολύ να είναι το ένα δίπλα στο άλλο και διαμαρτυρήθηκαν μειώνοντας δραματικά τη διάρκεια της ζωής τους. Για να ξεπεράσουν αυτή την ασυμβατότητα των qubits, οι επιστήμονες έπρεπε να καταφύγουν σε κάθε είδους κόλπα. Και όμως, μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να πάρουν το πολύ ένα ή δύο δωδεκάδες qubits για να συνεργαστούν.

Έτσι, προς τέρψη των κρυπτογράφων, ένας κβαντικός υπολογιστής εξακολουθεί να είναι κάτι του μέλλοντος. Αν και δεν είναι καθόλου τόσο μακριά όσο θα φαινόταν κάποτε, επειδή τόσο οι μεγαλύτερες εταιρείες όπως η Intel, η IBM και η Google, όσο και μεμονωμένα κράτη, για τα οποία η δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή είναι θέμα στρατηγικής σημασίας, είναι συμμετέχει ενεργά στη δημιουργία του.

Μην χάσετε τη διάλεξη:

Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται μια πραγματική επανάσταση, όχι μόνο στους υπολογιστές, αλλά και στην πραγματική ζωή. Τα μέσα ενημέρωσης είναι γεμάτα τίτλους για το πώς οι κβαντικοί υπολογιστές θα καταστρέψουν τη σύγχρονη κρυπτογραφία και η δύναμη της τεχνητής νοημοσύνης, χάρη σε αυτούς, θα αυξηθεί κατά τάξεις μεγέθους.

Τα τελευταία 10 χρόνια, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν περάσει από την καθαρή θεωρία στα πρώτα παραδείγματα εργασίας. Είναι αλήθεια ότι υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για την επανάσταση που υποσχέθηκε, και η επιρροή της στο τέλος μπορεί να μην είναι τόσο περιεκτική όσο φαίνεται τώρα.

Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής;

Ο κβαντικός υπολογιστής είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί τα φαινόμενα της κβαντικής υπέρθεσης και της κβαντικής εμπλοκής. Το κύριο στοιχείο σε τέτοιους υπολογισμούς είναι το qubit ή το κβαντικό bit. Πίσω από όλες αυτές τις λέξεις κρύβονται αρκετά περίπλοκα μαθηματικά και φυσική, αλλά αν τα απλοποιήσετε όσο το δυνατόν περισσότερο, θα έχετε κάτι σαν αυτό.

Στους συνηθισμένους υπολογιστές έχουμε να κάνουμε με bits. Το bit είναι μια μονάδα μέτρησης πληροφοριών στο δυαδικό σύστημα. Μπορεί να πάρει τις τιμές 0 και 1, το οποίο είναι πολύ βολικό όχι μόνο για μαθηματικές πράξεις, αλλά και για λογικές, καθώς το μηδέν μπορεί να συσχετιστεί με την τιμή "false" και ένα με το "true".

Οι σύγχρονοι επεξεργαστές κατασκευάζονται με βάση τρανζίστορ, στοιχεία ημιαγωγών που μπορούν ή δεν μπορούν να περάσουν ηλεκτρικό ρεύμα. Με άλλα λόγια, παράγει δύο τιμές, 0 και 1. Ομοίως, στη μνήμη flash, ένα τρανζίστορ αιωρούμενης πύλης μπορεί να αποθηκεύσει φορτίο. Αν υπάρχει, παίρνουμε ένα, αν δεν υπάρχει, παίρνουμε μηδέν. Η μαγνητική ψηφιακή εγγραφή λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο, μόνο που ο φορέας πληροφοριών υπάρχει ένα μαγνητικό σωματίδιο, είτε με φορτίο είτε χωρίς.

Στους υπολογισμούς, διαβάζουμε την τιμή ενός bit (0 ή 1) από τη μνήμη και μετά περνάμε ρεύμα από το τρανζίστορ και, ανάλογα με το αν το περνάει ή όχι, παίρνουμε ένα νέο bit στην έξοδο, πιθανόν να έχει διαφορετική τιμή.

Τι είναι τα qubits για τους κβαντικούς υπολογιστές; Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, το κύριο στοιχείο είναι ένα qubit - ένα κβαντικό bit. Σε αντίθεση με ένα συνηθισμένο bit, βρίσκεται σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης, δηλαδή έχει την τιμή και του 0 και του 1 και οποιουδήποτε συνδυασμού τους ανά πάσα στιγμή. Εάν υπάρχουν πολλά qubits στο σύστημα, τότε η αλλαγή ενός συνεπάγεται αλλαγή και όλων των άλλων qubits.

Αυτό σας επιτρέπει να υπολογίζετε ταυτόχρονα όλες τις πιθανές επιλογές. Ένας συμβατικός επεξεργαστής, με τους δυαδικούς υπολογισμούς του, στην πραγματικότητα υπολογίζει τις επιλογές διαδοχικά. Πρώτα ένα σενάριο, μετά ένα άλλο, μετά ένα τρίτο κ.λπ. Για να επιταχύνουν τα πράγματα, άρχισαν να χρησιμοποιούν πολλαπλές νήματα, να εκτελούν υπολογισμούς παράλληλα, να ανακτούν εκ των προτέρων, να προβλέψουν πιθανές επιλογές διακλάδωσης και να τις υπολογίσουν εκ των προτέρων. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, όλα αυτά γίνονται παράλληλα.

Η αρχή υπολογισμού είναι επίσης διαφορετική. Κατά μία έννοια, ένας κβαντικός υπολογιστής περιέχει ήδη όλες τις πιθανές επιλογές για την επίλυση του προβλήματος, το καθήκον μας είναι μόνο να διαβάσουμε την κατάσταση των qubits και να επιλέξουμε τη σωστή επιλογή από αυτά. Και εδώ αρχίζουν τα δύσκολα. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας ενός κβαντικού υπολογιστή.

Δημιουργία κβαντικού υπολογιστή

Ποια θα είναι η φυσική φύση ενός κβαντικού υπολογιστή; Μια κβαντική κατάσταση μπορεί να επιτευχθεί μόνο στα σωματίδια. Ένα qubit δεν μπορεί να κατασκευαστεί από πολλά άτομα, όπως ένα τρανζίστορ. Μέχρι στιγμής αυτό το πρόβλημα δεν έχει επιλυθεί πλήρως. Υπάρχουν πολλές επιλογές. Οι καταστάσεις φορτίου των ατόμων χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, η παρουσία ή η απουσία ενός ηλεκτρονίου σε ένα συνηθισμένο σημείο, υπεραγώγιμα στοιχεία, φωτόνια κ.λπ.

Τέτοια «λεπτά θέματα» επιβάλλουν περιορισμούς στη μέτρηση της κατάστασης των qubits. Οι ενέργειες είναι εξαιρετικά χαμηλές, χρειάζονται ενισχυτές για την ανάγνωση των δεδομένων. Αλλά οι ενισχυτές μπορούν να επηρεάσουν ένα κβαντικό σύστημα και να αλλάξουν τις καταστάσεις του, ωστόσο, όχι μόνο αυτοί, αλλά ακόμη και το ίδιο το γεγονός της παρατήρησης μπορεί να έχει σημασία.

Ο κβαντικός υπολογισμός περιλαμβάνει μια ακολουθία πράξεων που εκτελούνται σε ένα ή περισσότερα qubits. Αυτά, με τη σειρά τους, οδηγούν σε αλλαγές σε ολόκληρο το σύστημα. Το καθήκον είναι να επιλέξετε το σωστό από τις καταστάσεις του, το οποίο δίνει το αποτέλεσμα των υπολογισμών. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να υπάρχει οποιοσδήποτε αριθμός πολιτειών που είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά σε αυτό. Κατά συνέπεια, η ακρίβεια τέτοιων υπολογισμών θα διαφέρει σχεδόν πάντα από τη μονάδα.

Έτσι, ένας πλήρης κβαντικός υπολογιστής απαιτεί σημαντικές προόδους στη φυσική. Επιπλέον, ο προγραμματισμός για έναν κβαντικό υπολογιστή θα είναι διαφορετικός από αυτό που υπάρχει τώρα. Τέλος, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα είναι σε θέση να λύσουν προβλήματα που δεν μπορούν να λυθούν με συμβατικούς, αλλά μπορούν να επιταχύνουν τις λύσεις εκείνων που μπορούν να χειριστούν. Αλήθεια, πάλι, όχι όλα.

Καταμέτρηση qubit, κβαντικός υπολογιστής qubit

Σταδιακά, τα προβλήματα στο δρόμο προς έναν κβαντικό υπολογιστή απομακρύνονται. Τα πρώτα qubits κατασκευάστηκαν στις αρχές του αιώνα. Η διαδικασία επιταχύνθηκε στις αρχές της δεκαετίας. Σήμερα, οι προγραμματιστές είναι ήδη σε θέση να παράγουν επεξεργαστές με δεκάδες qubits.

Το τελευταίο επίτευγμα ήταν η δημιουργία του επεξεργαστή Bristlecone στα έγκατα της Google. Τον Μάρτιο του 2018, η εταιρεία ανακοίνωσε ότι ήταν σε θέση να κατασκευάσει έναν επεξεργαστή 72 qubit. Η Google δεν λέει σε ποιες φυσικές αρχές είναι χτισμένο το Bristlecone. Ωστόσο, πιστεύεται ότι 49 qubits είναι αρκετά για να επιτευχθεί «κβαντική υπεροχή», όταν ένας κβαντικός υπολογιστής αρχίζει να ξεπερνά τις επιδόσεις του συμβατικού. Η Google κατάφερε να εκπληρώσει αυτήν την προϋπόθεση, αλλά το ποσοστό σφάλματος 0,6% εξακολουθεί να είναι υψηλότερο από το απαιτούμενο 0,5%.

Το φθινόπωρο του 2017, η IBM ανακοίνωσε τη δημιουργία ενός πρωτοτύπου κβαντικού επεξεργαστή 50 qubit. Δοκιμάζεται. Αλλά το 2017, η IBM άνοιξε τον επεξεργαστή 20 qubit στο cloud computing. Τον Μάρτιο του 2018, κυκλοφόρησε μια μικρότερη έκδοση του IBM Q Οποιοσδήποτε μπορεί να εκτελέσει πειράματα σε έναν τέτοιο υπολογιστή. Με βάση τα αποτελέσματά τους, έχουν ήδη δημοσιευτεί 35 επιστημονικές εργασίες.

Στις αρχές της 10ης επετείου εμφανίστηκε στην αγορά η σουηδική εταιρεία D-Wave, η οποία τοποθέτησε τους υπολογιστές της ως κβαντικούς. Προκάλεσε πολλές διαμάχες, καθώς ανακοίνωσε τη δημιουργία μηχανών 1000-qubit, ενώ οι αναγνωρισμένοι ηγέτες «τσίνιζαν» με μερικά μόνο qubits. Υπολογιστές από Σουηδούς προγραμματιστές πωλήθηκαν για 10-15 εκατομμύρια δολάρια, επομένως η δοκιμή τους δεν ήταν τόσο εύκολη.

Οι υπολογιστές D-Wave δεν είναι κβαντικοί με την αληθινή έννοια της λέξης, αλλά χρησιμοποιούν ορισμένα κβαντικά εφέ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων βελτιστοποίησης. Με άλλα λόγια, δεν λαμβάνουν όλοι οι αλγόριθμοι που μπορούν να εκτελεστούν σε έναν κβαντικό υπολογιστή κβαντική επιτάχυνση στο D-Wave. Η Google απέκτησε ένα από τα συστήματα των Σουηδών. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές του αναγνώρισαν τους υπολογιστές ως «περιορισμένα κβαντικούς». Αποδείχθηκε ότι τα qubits ομαδοποιούνται σε ομάδες των οκτώ, δηλαδή, ο πραγματικός αριθμός τους είναι αισθητά μικρότερος από τον δηλωμένο.

Κβαντικός υπολογιστής στη Ρωσία

Μια παραδοσιακά ισχυρή σχολή φυσικής επιτρέπει σε κάποιον να συνεισφέρει σημαντικά στην επίλυση φυσικών προβλημάτων για τη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή. Τον Ιανουάριο του 2018, οι Ρώσοι δημιούργησαν έναν ενισχυτή σήματος για έναν κβαντικό υπολογιστή. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο ίδιος ο ενισχυτής είναι ικανός να επηρεάσει την κατάσταση των qubits μέσω της λειτουργίας του, το επίπεδο θορύβου που δημιουργεί θα πρέπει να διαφέρει ελάχιστα από το "κενό". Αυτό πέτυχαν Ρώσοι επιστήμονες από το εργαστήριο «Υπεραγώγιμα Μεταϋλικά» του NUST MISIS και δύο ινστιτούτα της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Για τη δημιουργία του ενισχυτή χρησιμοποιήθηκαν υπεραγωγοί.

Ένα κβαντικό κέντρο έχει δημιουργηθεί επίσης στη Ρωσία. Είναι ένας μη κυβερνητικός ερευνητικός οργανισμός που ασχολείται με την έρευνα στον τομέα της κβαντικής φυσικής. Εργάζεται επίσης στο πρόβλημα της δημιουργίας qubits. Πίσω από το κέντρο βρίσκονται ο επιχειρηματίας Σεργκέι Μπελούσοφ και ο καθηγητής του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ Μιχαήλ Λούκιν. Υπό την ηγεσία του, είχε ήδη δημιουργηθεί ένας επεξεργαστής 51 qubit στο Χάρβαρντ, ο οποίος για αρκετό καιρό πριν από την ανακοίνωση του Bristlecon ήταν η πιο ισχυρή συσκευή κβαντικού υπολογιστή στον κόσμο.

Η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών έχει γίνει μέρος του κρατικού προγράμματος Digital Economy. Το 2018-20, θα διατεθεί κρατική στήριξη για εργασίες σε αυτόν τον τομέα. Το σχέδιο δράσης προβλέπει τη δημιουργία ενός κβαντικού προσομοιωτή χρησιμοποιώντας οκτώ υπεραγώγιμα qubits. Μετά από αυτό, θα αποφασιστεί το θέμα της περαιτέρω κλιμάκωσης αυτής της τεχνολογίας.

Επιπλέον, πριν από το 2020, η Ρωσία σχεδιάζει να δοκιμάσει μια άλλη κβαντική τεχνολογία: την κατασκευή qubits σε ουδέτερα άτομα και φορτισμένα ιόντα σε παγίδες.

Ένας από τους στόχους του προγράμματος είναι η δημιουργία συσκευών κβαντικής κρυπτογραφίας και κβαντικών επικοινωνιών. Θα δημιουργηθούν κέντρα διανομής κβαντικών κλειδιών, τα οποία θα τα διανέμουν σε καταναλωτές - τράπεζες, κέντρα δεδομένων και επιχειρήσεις του κλάδου. Πιστεύεται ότι ένας πλήρης κβαντικός υπολογιστής μπορεί να σπάσει οποιονδήποτε σύγχρονο αλγόριθμο κρυπτογράφησης μέσα σε λίγα λεπτά.

Τελικά

Έτσι, οι κβαντικοί υπολογιστές εξακολουθούν να είναι πειραματικοί. Είναι απίθανο να εμφανιστεί ένας πλήρης κβαντικός υπολογιστής ικανός να έχει πραγματικά υψηλή υπολογιστική ισχύ πριν από την επόμενη δεκαετία. Η παραγωγή qubits και η κατασκευή σταθερών συστημάτων από αυτά απέχει πολύ από την τέλεια.

Κρίνοντας από το γεγονός ότι σε φυσικό επίπεδο, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν πολλές λύσεις που διαφέρουν σε τεχνολογία και, πιθανώς, σε κόστος, δεν θα ενοποιηθούν για άλλα 10 χρόνια Η διαδικασία τυποποίησης μπορεί να διαρκέσει πολύ.

Επιπλέον, είναι ήδη σαφές ότι οι κβαντικοί υπολογιστές πιθανότατα θα παραμείνουν «αποσπασματικοί» και πολύ ακριβές συσκευές την επόμενη δεκαετία. Είναι απίθανο να καταλήξουν στην τσέπη ενός απλού χρήστη, αλλά μπορείτε να περιμένετε την εμφάνισή τους στη λίστα των υπερυπολογιστών.

Είναι πιθανό οι κβαντικοί υπολογιστές να προσφέρονται σε ένα μοντέλο «σύννεφου», όπου οι πόροι τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ενδιαφερόμενους ερευνητές και οργανισμούς.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι υπολογιστές έχουν αναπτυχθεί πολύ γρήγορα. Στην πραγματικότητα, στη μνήμη μιας γενιάς, έχουν μετατραπεί από ογκώδεις που βασίζονται σε λάμπες που καταλαμβάνουν τεράστια δωμάτια σε μικροσκοπικές ταμπλέτες. Η μνήμη και η ταχύτητα αυξήθηκαν γρήγορα. Ήρθε όμως η στιγμή που εμφανίστηκαν εργασίες που ήταν πέρα ​​από τον έλεγχο ακόμη και υπερ-ισχυρών σύγχρονων υπολογιστών.

Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής;

Η εμφάνιση νέων εργασιών πέρα ​​από τις δυνατότητες των συμβατικών υπολογιστών μας ανάγκασε να αναζητήσουμε νέες ευκαιρίες. Και, ως εναλλακτική λύση στους συμβατικούς υπολογιστές, εμφανίστηκαν οι κβαντικοί υπολογιστές. Ένας κβαντικός υπολογιστής είναι μια υπολογιστική τεχνολογία που βασίζεται σε στοιχεία της κβαντικής μηχανικής. Οι βασικές αρχές της κβαντικής μηχανικής διατυπώθηκαν στις αρχές του περασμένου αιώνα. Η εμφάνισή του κατέστησε δυνατή την επίλυση πολλών προβλημάτων στη φυσική που δεν μπορούσαν να βρουν λύσεις στην κλασική φυσική.

Αν και η κβαντική θεωρία βρίσκεται ήδη στον δεύτερο αιώνα της, παραμένει κατανοητή μόνο σε έναν στενό κύκλο ειδικών. Υπάρχουν όμως και πραγματικά αποτελέσματα της κβαντικής μηχανικής, στην οποία έχουμε ήδη συνηθίσει - τεχνολογία λέιζερ, τομογραφία. Και στα τέλη του περασμένου αιώνα, η θεωρία των κβαντικών υπολογιστών αναπτύχθηκε από τον σοβιετικό φυσικό Μανίν. Πέντε χρόνια αργότερα, ο David Deutsch αποκάλυψε την ιδέα μιας κβαντικής μηχανής.

Υπάρχει κβαντικός υπολογιστής;

Αλλά η υλοποίηση των ιδεών αποδείχθηκε ότι δεν ήταν τόσο απλή. Κατά καιρούς, εμφανίζονται αναφορές ότι έχει δημιουργηθεί ένας άλλος κβαντικός υπολογιστής. Γίγαντες στον τομέα της τεχνολογίας των πληροφοριών εργάζονται για την ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών υπολογιστών:

1. Η D-Wave είναι μια εταιρεία από τον Καναδά που ήταν η πρώτη που παρήγαγε λειτουργικούς κβαντικούς υπολογιστές. Ωστόσο, υπάρχει συζήτηση μεταξύ των ειδικών σχετικά με το πόσο κβαντικοί είναι αυτοί οι υπολογιστές στην πραγματικότητα και ποια πλεονεκτήματα παρέχουν.
2. Η IBM δημιούργησε έναν κβαντικό υπολογιστή και άνοιξε την πρόσβαση σε αυτόν για τους χρήστες του Διαδικτύου για να πειραματιστούν με κβαντικούς αλγόριθμους. Μέχρι το 2025, η εταιρεία σχεδιάζει να δημιουργήσει ένα μοντέλο ικανό να λύνει πρακτικά προβλήματα.
3. Η Google ανακοίνωσε την κυκλοφορία φέτος ενός υπολογιστή ικανού να αποδείξει την υπεροχή του κβαντικού έναντι των συμβατικών υπολογιστών.
4. Τον Μάιο του 2017, Κινέζοι επιστήμονες στη Σαγκάη ανακοίνωσαν ότι δημιούργησαν τον πιο ισχυρό κβαντικό υπολογιστή στον κόσμο, ξεπερνώντας τα ανάλογα στη συχνότητα επεξεργασίας σήματος κατά 24 φορές.
5. Τον Ιούλιο του 2017, στη Διάσκεψη της Μόσχας για τις Κβαντικές Τεχνολογίες, ανακοινώθηκε ότι είχε δημιουργηθεί ένας κβαντικός υπολογιστής 51 qubit.

Σε τι διαφέρει ένας κβαντικός υπολογιστής από έναν συμβατικό;

Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ ενός κβαντικού υπολογιστή είναι η προσέγγισή του στη διαδικασία υπολογισμού.

1. Σε έναν συμβατικό επεξεργαστή, όλοι οι υπολογισμοί βασίζονται σε bit που έχουν δύο καταστάσεις, 1 ή 0. Δηλαδή, όλη η εργασία καταλήγει στην ανάλυση ενός τεράστιου όγκου δεδομένων για να καθοριστεί εάν πληροί τις καθορισμένες συνθήκες. Ένας κβαντικός υπολογιστής βασίζεται σε qubits (quantum bits). Το χαρακτηριστικό τους είναι η δυνατότητα να βρίσκονται στην κατάσταση 1, 0 και επίσης 1 και 0 ταυτόχρονα.
2. Οι δυνατότητες ενός κβαντικού υπολογιστή αυξάνονται σημαντικά, αφού δεν χρειάζεται να αναζητήσετε την επιθυμητή απάντηση ανάμεσα σε πολλούς. Σε αυτήν την περίπτωση, η απάντηση επιλέγεται από ήδη διαθέσιμες επιλογές με συγκεκριμένη πιθανότητα αντιστοίχισης.

Σε τι χρησιμεύει ένας κβαντικός υπολογιστής;

Η αρχή ενός κβαντικού υπολογιστή, που βασίζεται στην επιλογή μιας λύσης με επαρκή βαθμό πιθανότητας και στην ικανότητα εύρεσης μιας τέτοιας λύσης πολλές φορές πιο γρήγορα από τους σύγχρονους υπολογιστές, καθορίζει τους σκοπούς της χρήσης του. Πρώτα απ 'όλα, η εμφάνιση αυτού του τύπου τεχνολογίας υπολογιστών ανησυχεί τους κρυπτογράφους. Αυτό οφείλεται στην ικανότητα του κβαντικού υπολογιστή να υπολογίζει εύκολα τους κωδικούς πρόσβασης. Έτσι, ο πιο ισχυρός κβαντικός υπολογιστής που δημιουργήθηκε από Ρωσοαμερικανούς επιστήμονες είναι σε θέση να αποκτήσει κλειδιά για τα υπάρχοντα συστήματα κρυπτογράφησης.

Υπάρχουν επίσης πιο χρήσιμα εφαρμοσμένα προβλήματα για κβαντικούς υπολογιστές, σχετίζονται με τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων, τη γενετική, την υγειονομική περίθαλψη, τις χρηματοπιστωτικές αγορές, την προστασία των δικτύων από ιούς, την τεχνητή νοημοσύνη και πολλά άλλα που οι συμβατικοί υπολογιστές δεν μπορούν ακόμη να λύσουν.

Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής;

Ο σχεδιασμός ενός κβαντικού υπολογιστή βασίζεται στη χρήση qubits. Τα ακόλουθα χρησιμοποιούνται επί του παρόντος ως φυσικές εκτελέσεις qubits:

• δακτύλιοι από υπεραγωγούς με βραχυκυκλωτήρες, με ρεύμα πολλαπλών κατευθύνσεων.
• μεμονωμένα άτομα που εκτίθενται σε ακτίνες λέιζερ.
• ιόντα;
• φωτόνια;
• Αναπτύσσονται επιλογές για τη χρήση νανοκρυστάλλων ημιαγωγών.

Κβαντικός υπολογιστής - αρχή λειτουργίας

Εάν υπάρχει βεβαιότητα για το πώς λειτουργεί ένας κλασικός υπολογιστής, τότε το ερώτημα για το πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής δεν είναι εύκολο να απαντηθεί. Η περιγραφή της λειτουργίας ενός κβαντικού υπολογιστή βασίζεται σε δύο φράσεις που είναι ασαφείς στους περισσότερους:

• αρχή της υπέρθεσης– μιλάμε για qubits που μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα στις θέσεις 1 και 0. Αυτό σας επιτρέπει να πραγματοποιείτε πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα, αντί να ταξινομείτε τις επιλογές, κάτι που δίνει μεγάλο κέρδος στο χρόνο.
• κβαντική εμπλοκή- ένα φαινόμενο που σημειώθηκε από τον Α. Αϊνστάιν, το οποίο συνίσταται στην αλληλοσυσχέτιση δύο σωματιδίων. Με απλά λόγια, εάν ένα από τα σωματίδια έχει θετική ελικότητα, τότε το δεύτερο αποκτά αμέσως θετική ελικότητα. Αυτή η σχέση συμβαίνει ανεξάρτητα από την απόσταση.

Ποιος ανακάλυψε τον κβαντικό υπολογιστή;

Η βάση της κβαντικής μηχανικής σκιαγραφήθηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα ως υπόθεση. Η ανάπτυξή του συνδέεται με λαμπρούς φυσικούς όπως ο Max Planck, ο A. Einstein, ο Paul Dirac. Το 1980, ο Yu Antonov πρότεινε την ιδέα της δυνατότητας του κβαντικού υπολογισμού. Ένα χρόνο αργότερα, ο Richard Feineman μοντελοποίησε θεωρητικά τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή.

Τώρα η δημιουργία κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται στο στάδιο ανάπτυξης και είναι ακόμη δύσκολο να φανταστεί κανείς τι είναι ικανός ένας κβαντικός υπολογιστής. Αλλά είναι απολύτως σαφές ότι η κατάκτηση αυτής της κατεύθυνσης θα φέρει στους ανθρώπους πολλές νέες ανακαλύψεις σε όλους τους τομείς της επιστήμης, θα τους επιτρέψει να κοιτάξουν τον μικρό και μακρο κόσμο και να μάθουν περισσότερα για τη φύση του νου και τη γενετική.

Γεια και πάλι σε όλους τους αναγνώστες του blog μου! Χθες, μερικές ιστορίες για έναν «κβαντικό» υπολογιστή εμφανίστηκαν για άλλη μια φορά στις ειδήσεις. Γνωρίζουμε από το μάθημα της σχολικής φυσικής ότι ένα κβάντο είναι ένα ορισμένο ίσο μέρος ενέργειας, υπάρχει επίσης η φράση «κβαντικό άλμα», δηλαδή μια στιγμιαία μετάβαση από ένα ορισμένο επίπεδο ενέργειας σε ένα ακόμη υψηλότερο επίπεδο. Ας το καταλάβουμε μαζί τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής και τι Περιμένουμε όλοι να εμφανιστεί αυτό το θαυματουργό μηχάνημα

Ενδιαφέρθηκα για πρώτη φορά για αυτό το θέμα παρακολουθώντας ταινίες για τον Έντουαρντ Σνόουντεν. Όπως γνωρίζετε, αυτός ο Αμερικανός πολίτης συγκέντρωσε αρκετά terabyte εμπιστευτικών πληροφοριών (διακυβευτικά στοιχεία) σχετικά με τις δραστηριότητες των υπηρεσιών πληροφοριών των ΗΠΑ, τις κρυπτογραφούσε διεξοδικά και τις δημοσίευσε στο Διαδίκτυο. «Αν, είπε, μου συμβεί οτιδήποτε, οι πληροφορίες θα αποκρυπτογραφηθούν και έτσι θα γίνουν διαθέσιμες σε όλους».

Ο υπολογισμός ήταν ότι αυτές οι πληροφορίες ήταν «καυτές» και θα ήταν σχετικές για άλλα δέκα χρόνια. Και μπορεί να αποκρυπτογραφηθεί με τη σύγχρονη υπολογιστική ισχύ σε τουλάχιστον δέκα ή περισσότερα χρόνια. Ο κβαντικός υπολογιστής, σύμφωνα με τις προσδοκίες των προγραμματιστών, θα αντιμετωπίσει αυτό το έργο σε περίπου είκοσι πέντε λεπτά Οι κρυπτογράφοι βρίσκονται σε πανικό. Αυτό είναι το είδος του «κβαντικού» άλματος που μας περιμένει σύντομα, φίλοι.

Αρχές λειτουργίας κβαντικού υπολογιστή για ανδρείκελα

Μιας και μιλάμε για κβαντική φυσική, ας μιλήσουμε λίγο για αυτήν. Δεν θα μπω στα αγριόχορτα, φίλοι. Είμαι «τσαγιέρα», όχι κβαντικός φυσικός. Πριν από περίπου εκατό χρόνια, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία της σχετικότητας. Όλοι οι έξυπνοι άνθρωποι εκείνης της εποχής έμειναν έκπληκτοι με το πόσα παράδοξα και απίστευτα πράγματα υπήρχαν σε αυτό. Έτσι, όλα τα παράδοξα του Αϊνστάιν που περιγράφουν τους νόμους του κόσμου μας είναι απλώς η αθώα φλυαρία ενός πεντάχρονου παιδιού σε σύγκριση με αυτό που συμβαίνει σε επίπεδο ατόμων και μορίων.

Οι ίδιοι οι «κβαντικοί φυσικοί», που περιγράφουν τα φαινόμενα που συμβαίνουν σε επίπεδα ηλεκτρονίων και μορίων, λένε κάπως έτσι: «Αυτό είναι απίστευτο. Αυτό δεν μπορεί να είναι αλήθεια. Αλλά είναι έτσι. Μη μας ρωτάτε πώς λειτουργούν όλα αυτά. Δεν ξέρουμε πώς και γιατί. Εμείς απλώς παρακολουθούμε. Αλλά λειτουργεί. Αυτό έχει αποδειχθεί πειραματικά. Εδώ είναι οι τύποι, οι εξαρτήσεις και τα αρχεία των πειραμάτων."

Ποια είναι λοιπόν η διαφορά μεταξύ ενός συμβατικού και ενός κβαντικού υπολογιστή; Άλλωστε, ένας συνηθισμένος υπολογιστής λειτουργεί και με ηλεκτρισμό, και ο ηλεκτρισμός είναι ένα σωρό πολύ μικρά σωματίδια - ηλεκτρόνια;

Οι υπολογιστές μας λειτουργούν με την αρχή είτε του "Ναι" ή του "Όχι". Εάν υπάρχει ρεύμα στο καλώδιο, είναι "Ναι" ή "Ένα". Εάν δεν υπάρχει ρεύμα στο καλώδιο, τότε είναι "Μηδέν". Η τιμή παραλλαγής "1" και "0" είναι μια μονάδα αποθήκευσης πληροφοριών που ονομάζεται "Bit". Ένα byte είναι 8 bit και ούτω καθεξής και ούτω καθεξής...

Τώρα φανταστείτε τον επεξεργαστή σας, στον οποίο υπάρχουν 800 εκατομμύρια τέτοια "καλώδια", σε καθένα από τα οποία εμφανίζεται ένα τέτοιο "μηδέν" ή "ένα" και εξαφανίζεται σε ένα δευτερόλεπτο. Και μπορείτε να φανταστείτε νοερά πώς επεξεργάζεται τις πληροφορίες. Διαβάζετε το κείμενο τώρα, αλλά στην πραγματικότητα είναι μια συλλογή μηδενικών και μονάδων.

Με ωμή βία και υπολογισμούς, ο υπολογιστής σας επεξεργάζεται τα αιτήματά σας στο Yandex, αναζητά αυτά που χρειάζεστε μέχρι να λύσει το πρόβλημα και, μέσω της εξάλειψης, φτάνει στο κάτω μέρος αυτού που χρειάζεστε. Εμφανίζει γραμματοσειρές και εικόνες στην οθόνη με μια μορφή που μπορούμε να διαβάσουμε... Μέχρι στιγμής, ελπίζω να μην υπάρχει κάτι περίπλοκο; Και η εικόνα είναι επίσης μηδενικά και μονά.

Τώρα, φίλοι, φανταστείτε για λίγο ένα μοντέλο του ηλιακού μας συστήματος. Ο Ήλιος βρίσκεται στο κέντρο και η Γη πετά γύρω του. Γνωρίζουμε ότι σε μια συγκεκριμένη στιγμή βρίσκεται πάντα σε ένα συγκεκριμένο σημείο στο διάστημα, και σε ένα δευτερόλεπτο θα πετάξει τριάντα χιλιόμετρα πιο πέρα.

Άρα, το μοντέλο του ατόμου είναι επίσης πλανητικό, όπου το άτομο επίσης περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα. Αλλά έχει ΑΠΟΔΕΙΧΘΕΙ, φίλοι, από έξυπνα παιδιά με γυαλιά, ότι το άτομο, σε αντίθεση με τη Γη, βρίσκεται ταυτόχρονα και πάντα σε όλα τα μέρη... Παντού και πουθενά ταυτόχρονα. Και ονόμασαν αυτό το υπέροχο φαινόμενο «υπέρθεση». Για να γνωρίσετε καλύτερα άλλα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής, προτείνω να παρακολουθήσετε μια δημοφιλής επιστημονική ταινία που μιλάει για πολύπλοκα πράγματα σε απλή γλώσσα και σε μια μάλλον πρωτότυπη μορφή.

Ας συνεχίσουμε. Και τώρα το "δικό μας" bit αντικαθίσταται από ένα κβαντικό bit. Ονομάζεται επίσης "Qubit". Έχει επίσης μόνο δύο αρχικές καταστάσεις «μηδέν» και «ένα». Επειδή όμως η φύση του είναι «κβαντική», μπορεί ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ να λάβει όλες τις πιθανές ενδιάμεσες τιμές. Και ταυτόχρονα να είσαι μέσα τους. Τώρα δεν χρειάζεται να υπολογίζετε διαδοχικά τις τιμές, να τις ταξινομείτε… ή να κάνετε αναζήτηση για μεγάλο χρονικό διάστημα στη βάση δεδομένων. Είναι ήδη γνωστά εκ των προτέρων, αμέσως. Οι υπολογισμοί γίνονται παράλληλα.

Οι πρώτοι «κβαντικοί» αλγόριθμοι για μαθηματικούς υπολογισμούς εφευρέθηκαν από τον Άγγλο μαθηματικό Peter Shore το 1997. Όταν τους έδειξε στον κόσμο, όλοι οι κρυπτογράφοι έγιναν πολύ τεταμένοι, αφού οι υπάρχοντες κρυπτογραφήσεις «σπάσαν» από αυτόν τον αλγόριθμο μέσα σε λίγα λεπτά, αλλά δεν υπήρχαν υπολογιστές που να λειτουργούσαν με τον κβαντικό αλγόριθμο.

Από τότε, από τη μια πλευρά, συνεχίζονται οι εργασίες για τη δημιουργία ενός φυσικού συστήματος στο οποίο θα λειτουργούσε ένα κβαντικό bit. Δηλαδή «υλισμικό». Από την άλλη πλευρά, ήδη σχεδιάζουν προστασία από το κβαντικό hacking και την αποκρυπτογράφηση δεδομένων.

Τώρα τι; Και έτσι μοιάζει ένας κβαντικός επεξεργαστής κάτω από ένα μικροσκόπιο 9-qubit της Google.

Αλήθεια μας έχουν προσπεράσει; 9 qubits ή σύμφωνα με τα "παλιά" 15 bit, αυτό δεν είναι ακόμα τόσο πολύ. Συν το υψηλό κόστος, τα πολλά τεχνικά προβλήματα και τη μικρή «ζωή» των κβάντων. Αλλά να θυμάστε ότι πρώτα υπήρχαν επεξεργαστές 8 bit, μετά εμφανίστηκαν επεξεργαστές 16 bit... Το ίδιο θα συμβεί και με αυτούς...

Κβαντικός υπολογιστής στη Ρωσία - μύθος ή πραγματικότητα;

Τι θα γίνει με εμάς; Αλλά δεν γεννηθήκαμε πίσω από τη σόμπα. Εδώ έβγαλα μια φωτογραφία του πρώτου Russian Cubit κάτω από ένα μικροσκόπιο. Είναι πραγματικά ο μόνος εδώ.

Μοιάζει επίσης με ένα είδος «βρόχου» στον οποίο συμβαίνει κάτι που δεν είναι ακόμη γνωστό σε εμάς. Είναι ευχάριστο να πιστεύουμε ότι οι δικοί μας, με την υποστήριξη του κράτους, αναπτύσσουν τους δικούς τους. Άρα οι εγχώριες εξελίξεις δεν είναι πλέον μύθος. Αυτό είναι το μέλλον μας. Θα δούμε πώς θα είναι.

Τελευταία νέα για τον κβαντικό υπολογιστή 51 qubit της Ρωσίας

Εδώ είναι τα νέα για αυτό το καλοκαίρι. Τα παιδιά μας (τιμή και έπαινο τους!) έχουν αναπτύξει τον πιο ισχυρό στον κόσμο (!) κβαντικό (!) υπολογιστή 51 qubits (!) δηλ. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι πριν από αυτό η Google ανακοίνωσε τον υπολογιστή 49 qubit της. Και υπολόγισαν ότι θα το είχαν τελειώσει σε ένα μήνα περίπου. Και οι δικοί μας αποφάσισαν να δείξουν έναν έτοιμο κβαντικό επεξεργαστή 51 qubit... Μπράβο! Αυτός είναι ο αγώνας που συνεχίζεται. Τουλάχιστον μπορούμε να συνεχίσουμε. Διότι αναμένεται μια μεγάλη ανακάλυψη στην επιστήμη όταν λειτουργήσουν αυτά τα συστήματα. Εδώ είναι μια φωτογραφία του ατόμου που παρουσίασε την ανάπτυξή μας στο διεθνές φόρουμ «quantum».

Το όνομα αυτού του επιστήμονα είναι Μιχαήλ Λούκιν. Σήμερα το όνομά του βρίσκεται στο επίκεντρο. Είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένα τέτοιο έργο μόνος του, το καταλαβαίνουμε. Αυτός και η ομάδα του δημιούργησαν τον πιο ισχυρό κβαντικό υπολογιστή ή επεξεργαστή στον κόσμο σήμερα (!). Δείτε τι έχουν να πουν οι αρμόδιοι για αυτό:

« Ένας λειτουργικός κβαντικός υπολογιστής είναι πολύ πιο τρομερός από μια ατομική βόμβα», σημειώνει ο Σεργκέι Μπελούσοφ, συνιδρυτής του Ρωσικού Κβαντικού Κέντρου. - Αυτός (ο Μιχαήλ Λούκιν) έφτιαξε ένα σύστημα που έχει τα περισσότερα qubits. Για παν ενδεχόμενο. Σε αυτό το σημείο, νομίζω ότι είναι περισσότερα από τα διπλάσια qubits από οποιονδήποτε άλλο. Και συγκεκριμένα έκανε 51 qubit, όχι 49. Επειδή η Google έλεγε συνέχεια ότι θα έκαναν 49.

Ωστόσο, ο ίδιος ο Lukin και ο επικεφαλής του κβαντικού εργαστηρίου της Google, John Martinez, δεν θεωρούν τους εαυτούς τους ανταγωνιστές ή ανταγωνιστές. Οι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι ότι ο κύριος αντίπαλος τους είναι η φύση και ο κύριος στόχος τους είναι η ανάπτυξη τεχνολογιών και η εφαρμογή τους για την προώθηση της ανθρωπότητας σε ένα νέο στάδιο ανάπτυξης.

«Είναι λάθος να το θεωρούμε αυτό ως αγώνα», λέει σωστά ο John Martinez. - Έχουμε μια πραγματική κούρσα με τη φύση. Γιατί είναι πραγματικά δύσκολο να δημιουργήσεις έναν κβαντικό υπολογιστή. Και είναι απλά συναρπαστικό που κάποιος κατάφερε να δημιουργήσει ένα σύστημα με τόσα πολλά qubits. Μέχρι στιγμής, τα 22 qubits είναι το μέγιστο που θα μπορούσαμε να κάνουμε. Παρόλο που χρησιμοποιήσαμε όλη μας τη μαγεία και τον επαγγελματισμό».

Ναι, όλα αυτά είναι πολύ ενδιαφέροντα. Αν θυμηθούμε αναλογίες, όταν εφευρέθηκε το τρανζίστορ, κανείς δεν θα μπορούσε να γνωρίζει ότι οι υπολογιστές θα δούλευαν σε αυτήν την τεχνολογία 70 χρόνια αργότερα. Μόνο σε έναν σύγχρονο επεξεργαστή, ο αριθμός τους φτάνει τα 700 εκατομμύρια Ο πρώτος υπολογιστής ζύγιζε πολλούς τόνους και καταλάμβανε μεγάλες εκτάσεις. Αλλά οι προσωπικοί υπολογιστές εμφανίστηκαν ακόμα - πολύ αργότερα...

Νομίζω ότι προς το παρόν δεν πρέπει να περιμένουμε συσκευές αυτής της κατηγορίας να εμφανιστούν στα καταστήματά μας στο εγγύς μέλλον. Τους περιμένουν πολλοί. Ειδικά οι εξορύκτες κρυπτονομισμάτων διαφωνούν πολύ για αυτό. Οι επιστήμονες τον κοιτάζουν με ελπίδα και οι στρατιωτικοί τον κοιτάζουν με μεγάλη προσοχή. Οι δυνατότητες αυτής της εξέλιξης, όπως το καταλαβαίνουμε, δεν είναι απολύτως σαφείς.

Είναι ξεκάθαρο μόνο ότι όταν όλα αρχίσουν να λειτουργούν, θα παρασύρει μαζί του ολόκληρη τη βιομηχανία έντασης γνώσης. Νέες τεχνολογίες, νέες βιομηχανίες, νέο λογισμικό θα εμφανιστούν σταδιακά. Ο χρόνος θα δείξει. Αν μόνο ο δικός μας κβαντικός υπολογιστής, που μας δόθηκε κατά τη γέννηση, δεν απογοητεύει τους ανθρώπους - αυτό είναι το κεφάλι μας. Επομένως, μην βιαστείτε να πετάξετε ακόμα τα gadget σας στα σκουπίδια. Θα σας εξυπηρετήσουν για πολύ καιρό. Γράψε αν το άρθρο ήταν ενδιαφέρον. Επιστρέφετε συχνά. Αντιο σας!

Ένας κβαντικός υπολογιστής δεν είναι απλώς ένας υπολογιστής μελλοντικής γενιάς, είναι πολύ περισσότερο από αυτό. Όχι μόνο από τη σκοπιά της χρήσης των τελευταίων τεχνολογιών, αλλά και από την άποψη των απεριόριστων, απίστευτων, φανταστικών δυνατοτήτων του, ικανή όχι μόνο να αλλάξει τον κόσμο των ανθρώπων, αλλά ακόμη και να... δημιουργήσει μια διαφορετική πραγματικότητα .

Όπως γνωρίζετε, οι σύγχρονοι υπολογιστές χρησιμοποιούν μνήμη που αναπαρίσταται σε δυαδικό κώδικα: 0 και 1. Ακριβώς όπως στον κώδικα Μορς - τελεία και τίτλος. Χρησιμοποιώντας δύο χαρακτήρες, μπορείτε να κρυπτογραφήσετε οποιαδήποτε πληροφορία διαφοροποιώντας τους συνδυασμούς τους.

Υπάρχουν δισεκατομμύρια από αυτά τα bit στη μνήμη ενός σύγχρονου υπολογιστή. Αλλά καθένα από αυτά μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις δύο καταστάσεις - είτε μηδέν είτε μία. Σαν μια λάμπα: είτε αναμμένη είτε σβηστή.

Ένα κβαντικό bit (qubit) είναι το μικρότερο στοιχείο αποθήκευσης πληροφοριών σε έναν υπολογιστή του μέλλοντος. Η μονάδα πληροφοριών σε έναν κβαντικό υπολογιστή μπορεί πλέον να είναι όχι μόνο μηδέν ή ένα, αλλά και τα δύο ταυτόχρονα.

Ένα κύτταρο εκτελεί δύο ενέργειες, δύο - τέσσερις, τέσσερις - δεκαέξι κ.λπ. Γι' αυτό τα κβαντικά συστήματα μπορούν να λειτουργήσουν δύο φορές πιο γρήγορα και με μεγαλύτερο όγκο πληροφοριών από τα σύγχρονα.

Για πρώτη φορά, επιστήμονες από το Ρωσικό Κβαντικό Κέντρο (RCC) και το Εργαστήριο Υπεραγώγιμων Μετα Υλικών «μέτρησαν» ένα qubit (Q-bit).

Από τεχνική άποψη, ένα qubit είναι ένας μεταλλικός δακτύλιος με διάμετρο πολλών μικρών με κοψίματα, που εναποτίθεται σε έναν ημιαγωγό. Ο δακτύλιος ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες έτσι ώστε να γίνει υπεραγωγός. Ας υποθέσουμε ότι το ρεύμα που ρέει μέσω του δακτυλίου πηγαίνει δεξιόστροφα - αυτό είναι 1. Ενάντια - 0. Δηλαδή, δύο συνηθισμένες καταστάσεις.

Η ακτινοβολία μικροκυμάτων πέρασε μέσω του δακτυλίου. Στην έξοδο αυτής της ακτινοβολίας από τον δακτύλιο, μετρήθηκε η μετατόπιση φάσης του ρεύματος. Αποδείχθηκε ότι ολόκληρο αυτό το σύστημα μπορεί να βρίσκεται και σε δύο κύρια και μικτή κατάσταση: και τα δύο ταυτόχρονα!!!Στην επιστήμη αυτό ονομάζεται αρχή της υπέρθεσης.

Ένα πείραμα Ρώσων επιστημόνων (επιστήμονες από άλλες χώρες πραγματοποίησαν παρόμοια) απέδειξε ότι το qubit έχει δικαίωμα στη ζωή. Η δημιουργία του qubit οδήγησε στην ιδέα και έφερε τους επιστήμονες πιο κοντά στο όνειρο της δημιουργίας ενός οπτικού κβαντικού υπολογιστή. Το μόνο που μένει είναι να το σχεδιάσουμε και να το δημιουργήσουμε. Δεν είναι όμως όλα τόσο απλά...

Δυσκολίες και προβλήματα στη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή

Εάν, για παράδειγμα, ένας σύγχρονος υπολογιστής χρειάζεται να υπολογίσει ένα δισεκατομμύριο επιλογές, τότε πρέπει να «κύλιση» ένα δισεκατομμύριο παρόμοιους κύκλους. Υπάρχει μια θεμελιώδης διαφορά με έναν κβαντικό υπολογιστή: μπορεί να υπολογίσει όλες αυτές τις επιλογές ταυτόχρονα.
Μία από τις βασικές αρχές πάνω στις οποίες θα λειτουργήσει ένας κβαντικός υπολογιστής είναι η αρχή της υπέρθεσης και δεν μπορεί να ονομαστεί τίποτα άλλο από μαγικό!
Σημαίνει ότι το ίδιο άτομο μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικά μέρη την ίδια στιγμή. Οι φυσικοί αστειεύονται: «Αν η κβαντική θεωρία δεν σε σοκάρει, τότε δεν το καταλαβαίνεις».

Η εμφάνιση των κβαντικών υπολογιστών που δημιουργούνται σήμερα είναι εντυπωσιακά διαφορετική από τους κλασσικούς. Μοιάζουν... σαν φεγγαρόφωτο ακόμα:

Ένα τέτοιο σχέδιο, που αποτελείται από χάλκινα και χρυσά μέρη, ψυκτικά πηνία και άλλα χαρακτηριστικά μέρη, φυσικά δεν ταιριάζει στους δημιουργούς του. Ένα από τα κύρια καθήκοντα των επιστημόνων είναι να το κάνουν συμπαγές και φθηνό. Για να συμβεί αυτό, πρέπει να λυθούν αρκετά προβλήματα.

Πρόβλημα πρώτο - αστάθεια υπερθέσεων

Όλες αυτές οι κβαντικές υπερθέσεις είναι πολύ «ευγενικές». Μόλις αρχίσετε να τα κοιτάτε, μόλις αρχίσουν να αλληλεπιδρούν με άλλα αντικείμενα, καταστρέφονται αμέσως. Γίνονται, σαν να λέγαμε, κλασικά. Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα στη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή.

Πρόβλημα δεύτερο: απαιτείται ισχυρή ψύξη

Το δεύτερο εμπόδιο είναι να επιτευχθεί σταθερή λειτουργία ενός κβαντικού υπολογιστή. στη μορφή που έχουμε σήμερα, απαιτεί ισχυρή ψύξη. Δυνατό, πρόκειται για τη δημιουργία εξοπλισμού στον οποίο η θερμοκρασία διατηρείται κοντά στο απόλυτο μηδέν – μείον 273 βαθμούς Κελσίου! Επομένως, τώρα τα πρωτότυπα τέτοιων υπολογιστών, με τις εγκαταστάσεις κρυογονικού κενού, φαίνονται πολύ δυσκίνητα:

Ωστόσο, οι επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι σύντομα όλα τα τεχνικά προβλήματα θα λυθούν και μια μέρα οι κβαντικοί υπολογιστές με τεράστια υπολογιστική ισχύ θα αντικαταστήσουν τους σύγχρονους.

Μερικές τεχνικές λύσεις για την επίλυση προβλημάτων

Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες έχουν βρει μια σειρά από σημαντικές λύσεις για την επίλυση των παραπάνω προβλημάτων. Αυτές οι τεχνολογικές ανακαλύψεις, το αποτέλεσμα πολύπλοκης και μερικές φορές μακροχρόνιας, έντονης εργασίας επιστημόνων, αξίζουν κάθε σεβασμό.

Ο καλύτερος τρόπος για να βελτιώσετε την απόδοση του qubit...διαμάντια

Όλα μοιάζουν πολύ με το διάσημο τραγούδι για τα κορίτσια και τα διαμάντια. Το κύριο πράγμα πάνω στο οποίο εργάζονται τώρα οι επιστήμονες είναι να το θέσουν Διάρκεια Ζωής qubit, καθώς και να «κάνει» έναν κβαντικό υπολογιστή να λειτουργήσει σε κανονικές θερμοκρασίες. Ναι, η επικοινωνία μεταξύ κβαντικών υπολογιστών απαιτεί διαμάντια! Για όλα αυτά χρειάστηκε να δημιουργηθούν και να χρησιμοποιηθούν τεχνητά διαμάντια εξαιρετικά υψηλής διαφάνειας. Με τη βοήθειά τους, κατάφεραν να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής ενός qubit σε δύο δευτερόλεπτα. Αυτά τα μέτρια επιτεύγματα: δύο δευτερόλεπτα ζωής qubit και λειτουργία υπολογιστή σε θερμοκρασία δωματίου, είναι στην πραγματικότητα μια επανάσταση στην επιστήμη.

Η ουσία του πειράματος του Γάλλου επιστήμονα Serge Haroche βασίζεται στο γεγονός ότι μπόρεσε να δείξει σε ολόκληρο τον κόσμο ότι το φως (μια κβαντική ροή φωτονίων) περνώντας ανάμεσα σε δύο καθρέφτες που δημιουργήθηκαν ειδικά από αυτόν δεν χάνει την κβαντική του κατάσταση.

Αναγκάζοντας το φως να ταξιδέψει 40.000 km μεταξύ αυτών των καθρεφτών, προσδιόρισε ότι όλα συνέβησαν χωρίς να χάσει την κβαντική του κατάσταση. Το φως αποτελείται από φωτόνια, και μέχρι τώρα κανείς δεν ήταν σε θέση να καταλάβει αν χάνουν την κβαντική τους κατάσταση όταν διανύουν μια συγκεκριμένη απόσταση. Ο νομπελίστας Serge Haroche: Ένα φωτόνιο βρίσκεται σε πολλά σημεία ταυτόχρονα, καταφέραμε να το καταγράψουμε αυτό.” στην πραγματικότητα αυτή είναι η αρχή της υπέρθεσης. «Στον μεγάλο μας κόσμο αυτό είναι αδύνατο. Αλλά στον μικρό κόσμο υπάρχουν διαφορετικοί νόμοι», λέει ο Arosh.

Μέσα στην κοιλότητα υπήρχαν κλασικά άτομα που μπορούν να μετρηθούν. Με βάση τη συμπεριφορά των ατόμων, ο φυσικός έχει μάθει να εντοπίζει και να μετράει άπιαστα κβαντικά σωματίδια. Πριν από τα πειράματα του Harosh, πίστευαν ότι η παρατήρηση των κβάντων ήταν αδύνατη. Μετά το πείραμα άρχισαν να μιλάνε για κατάκτηση φωτονίων, δηλαδή για την εποχή των κβαντικών υπολογιστών που πλησιάζει.

Γιατί πολλοί ανυπομονούν για τη δημιουργία μιας πλήρους κβαντικής γεννήτριας, ενώ άλλοι τη φοβούνται

Ο κβαντικός υπολογιστής θα δώσει στην ανθρωπότητα τεράστιες ευκαιρίες

Ένας κβαντικός υπολογιστής θα ανοίξει ατελείωτες δυνατότητες για την ανθρωπότητα. Για παράδειγμα, θα βοηθήσει στη δημιουργία τεχνητής νοημοσύνης, για την οποία οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας διασκεδάζουν τόσο καιρό. Ή προσομοίωση του σύμπαντος. Εξ ολοκλήρου. Σύμφωνα με τις πιο συντηρητικές προβλέψεις, θα μας επιτρέψει να κοιτάξουμε πέρα ​​από τα όρια του δυνατού. Ας φανταστούμε έναν κόσμο όπου μπορείτε να προσομοιώσετε απολύτως οτιδήποτε θέλετε: σχεδιάστε ένα μόριο, εξαιρετικά ισχυρό μέταλλο, αποσυνθέστε γρήγορα πλαστικό, βρείτε θεραπείες για ανίατες ασθένειες. Η μηχανή θα προσομοιώσει ολόκληρο τον κόσμο μας, μέχρι το τελευταίο άτομο. Μπορείτε ακόμη και να προσομοιώσετε έναν άλλο κόσμο, ακόμα και έναν εικονικό.

Ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να γίνει όπλο της Αποκάλυψης

Πολλοί άνθρωποι, έχοντας εμβαθύνει στην ουσία της κβαντικής τεχνολογίας, τη φοβούνται για διάφορους λόγους. Ήδη τώρα, η μηχανογράφηση και όλες οι τεχνολογίες που σχετίζονται με τους υπολογιστές τρομάζουν τον μέσο άνθρωπο. Αρκεί να θυμηθούμε τα σκάνδαλα σχετικά με το πώς οι ειδικές υπηρεσίες, χρησιμοποιώντας ενσωματωμένα προγράμματα σε Η/Υ, ακόμη και οικιακές συσκευές, οργανώνουν την επιτήρηση και τη συλλογή δεδομένων για τους καταναλωτές τους. Για παράδειγμα, πολλές χώρες έχουν απαγορεύσει τα γνωστά γυαλιά - άλλωστε αποτελούν ιδανικό μέσο για κρυφά γυρίσματα και παρακολούθηση. Ήδη τώρα, σίγουρα, κάθε κάτοικος οποιασδήποτε χώρας, και πολύ περισσότερο χρήστης στο Διαδίκτυο, εισάγεται σε κάποια βάση δεδομένων. Επιπλέον, και αρκετά ρεαλιστικά, ορισμένες υπηρεσίες μπορούν να υπολογίσουν κάθε ενέργειά του στο Διαδίκτυο.

Αλλά δεν θα υπάρχουν μυστικά για τους κβαντικούς υπολογιστές!Κανένα. Όλη η ασφάλεια του υπολογιστή βασίζεται σε πολύ μεγάλους αριθμούς κωδικών πρόσβασης. Θα χρειαζόταν ένας συνηθισμένος υπολογιστής ένα εκατομμύριο χρόνια για να πάρει το κλειδί του κώδικα. Αλλά με τη βοήθεια του κβαντικού, ο καθένας μπορεί να το κάνει αυτό αμέσως. Αποδεικνύεται ότι ο κόσμος θα γίνει εντελώς ανασφαλής: τελικά, στον σύγχρονο κόσμο τα πάντα ελέγχονται από υπολογιστές: τραπεζικές μεταφορές, πτήσεις με αεροπλάνα, χρηματιστήρια, πυρηνικά όπλα πυραύλων! Αποδεικνύεται λοιπόν: όποιος κατέχει τις πληροφορίες κατέχει τον Κόσμο. Όποιος είναι πρώτος είναι ο Θεός. Ένας κβαντικός υπολογιστής θα γίνει ισχυρότερος από οποιοδήποτε οπλικό σύστημα. Μια νέα κούρσα εξοπλισμών μπορεί να ξεκινήσει (ή έχει ήδη ξεκινήσει) στη Γη, μόνο που τώρα όχι πυρηνικά, αλλά υπολογιστών.

Ο Θεός να μας βοηθήσει να βγούμε με ασφάλεια...