Principiul de funcționare al unui computer cuantic. Calculator cuantic - ce este în cuvinte simple, principiu de funcționare

Salutare din nou tuturor cititorilor blogului meu! Ieri, câteva povești despre un computer „cuantic” au apărut din nou în știri. Știm de la cursul de fizică din școală că un cuantic este o anumită porțiune egală de energie, există și sintagma „salt cuantic”, adică o tranziție instantanee de la un anumit nivel de energie la un nivel și mai înalt.. Să ne dăm seama împreună. ce este un computer cuantic și ce Așteptăm cu toții ca această mașină minune să apară

Prima dată am devenit interesat de acest subiect în timp ce priveam filme despre Edward Snowden. După cum știți, acest cetățean american a colectat câțiva terabytes de informații confidențiale (dovezi compromițătoare) despre activitățile serviciilor de informații americane, le-a criptat temeinic și le-a postat pe internet. „Dacă, a spus el, mi se întâmplă ceva, informațiile vor fi descifrate și astfel vor deveni disponibile pentru toată lumea.”

Calculul a fost că această informație era „fierbinte” și ar fi relevantă pentru încă zece ani. Și poate fi decriptat cu putere de calcul modernă în nu mai puțin de zece sau mai mulți ani. Calculatorul cuantic, conform așteptărilor dezvoltatorilor, va face față acestei sarcini în aproximativ douăzeci și cinci de minute Criptografii sunt în panică. Acesta este genul de salt „cuantic” care ne așteaptă în curând, prieteni.

Principiile de funcționare a unui computer cuantic pentru manechin

Din moment ce vorbim despre fizica cuantică, să vorbim puțin despre asta. Nu voi intra în buruieni, prieteni. Sunt un „ceainic”, nu un fizician cuantic. În urmă cu aproximativ o sută de ani, Einstein și-a publicat teoria relativității. Toți oamenii deștepți din acea vreme au fost surprinși de câte paradoxuri și lucruri incredibile erau în el. Așadar, toate paradoxurile lui Einstein care descriu legile lumii noastre sunt doar bâlbâiala inocentă a unui copil de cinci ani, în comparație cu ceea ce se întâmplă la nivelul atomilor și moleculelor.

Înșiși „fizicienii cuantici”, care descriu fenomenele care au loc la nivelurile de electroni și molecule, spun cam așa: „Este incredibil. Acest lucru nu poate fi adevărat. Dar așa este. Nu ne întrebați cum funcționează totul. Nu știm cum sau de ce. Doar ne uităm. Dar funcționează. Acest lucru a fost dovedit experimental. Iată formulele, dependențele și înregistrările experimentelor.”

Deci, care este diferența dintre un computer convențional și un computer cuantic? La urma urmei, un computer obișnuit funcționează și cu electricitate, iar electricitatea este o grămadă de particule foarte mici - electroni?

Calculatoarele noastre funcționează pe principiul fie „Da”, fie „Nu”. Dacă există curent în fir, acesta este „Da” sau „Unul”. Dacă există curent „Nu” în fir, atunci este „Zero”. Opțiunea de valoare „1” și „0” este o unitate de stocare a informațiilor numită „Bit”.. Un octet este de 8 biți și așa mai departe și așa mai departe...

Acum imaginați-vă procesorul, pe care există 800 de milioane de astfel de „fire”, pe fiecare dintre care un astfel de „zero” sau „unu” apare și dispare într-o secundă. Și vă puteți imagina mental cum procesează informațiile. Citiți textul acum, dar de fapt este o colecție de zerouri și unu.

Prin forță brută și calcule, computerul dvs. prelucrează cererile dvs. în Yandex, le caută pe cele de care aveți nevoie până când rezolvă problema și, prin eliminare, ajunge la capătul celei de care aveți nevoie. Afișează fonturi și imagini pe monitor într-o formă pe care o putem citi... Până acum, sper să nu fie nimic complicat? Și imaginea este și zerouri și unu.

Acum, prieteni, imaginați-vă pentru o secundă un model al sistemului nostru solar. Soarele este în centru și Pământul zboară în jurul lui. Știm că la un moment dat se află întotdeauna într-un anumit punct din spațiu și într-o secundă va zbura cu treizeci de kilometri mai departe.

Deci, modelul atomului este și planetar, unde atomul se rotește și el în jurul nucleului. Dar s-a dovedit, prieteni, de către băieți deștepți în ochelari, că atomul, spre deosebire de Pământ, este simultan și mereu în toate locurile... Peste tot și nicăieri în același timp. Și au numit acest fenomen minunat „suprapunere”. Pentru a cunoaște mai bine alte fenomene ale fizicii cuantice, vă sugerez să vizionați un film științific popular care vorbește despre lucruri complexe într-un limbaj simplu și într-o formă destul de originală.

Hai sa continuăm. Și acum bitul „nostru” este înlocuit cu un bit cuantic. Se mai numește și „Qubit”. De asemenea, are doar două stări inițiale „zero” și „unu”. Dar, din moment ce natura sa este „cuantică”, poate prelua SIMULTAN toate valorile intermediare posibile. Și, în același timp, fii în ei. Acum nu trebuie să calculați succesiv valorile, să le sortați... sau să căutați mult timp în baza de date. Sunt deja cunoscuți dinainte, imediat. Calculele sunt efectuate în paralel.

Primii algoritmi „cuantici” pentru calcule matematice au fost inventați de matematicianul englez Peter Shore în 1997. Când le-a arătat lumii, toți criptografii au devenit foarte tensionați, deoarece cifrurile existente sunt „crăpate” de acest algoritm în câteva minute. Dar nu existau computere care să folosească algoritmul cuantic la acel moment.

De atunci, pe de o parte, se lucrează pentru a crea un sistem fizic în care ar funcționa un bit cuantic. Adică „hardware”. Pe de altă parte, ei vin deja cu protecție împotriva hacking-ului cuantic și a decriptării datelor.

Ce acum? Și așa arată un procesor cuantic sub un microscop de 9 qubiți de la Google.

Chiar ne-au depășit? 9 qubiți sau conform celor „vechi” 15 biți, acest lucru nu este încă atât de mult. Plus costul ridicat, o mulțime de probleme tehnice și „durata de viață” scurtă a cuantelor. Dar amintiți-vă că mai întâi au fost procesoare pe 8 biți, apoi au apărut procesoare pe 16 biți... La fel se va întâmpla și cu acestea...

Calculatorul cuantic în Rusia - mit sau realitate?

Dar noi? Dar nu ne-am născut în spatele aragazului. Aici am dezgropat o fotografie a primului cubit rusesc la microscop. El este într-adevăr singurul de aici.

De asemenea, arată ca un fel de „buclă” în care se întâmplă ceva ce nu ne este încă cunoscut. Este îmbucurător să ne gândim că ai noștri, cu sprijinul statului, își dezvoltă pe al lor. Deci, evoluțiile interne nu mai sunt un mit. Acesta este viitorul nostru. Vom vedea cum va fi.

Cele mai recente știri despre computerul cuantic de 51 de qubiți din Rusia

Iată noutățile pentru această vară. Băieții noștri (cinste și laudă lor!) au dezvoltat cel mai puternic computer din lume (!) cuantic (!) 51 qubiți (!) adică. Cel mai interesant lucru este că înainte de aceasta Google și-a anunțat computerul de 49 de qubiți. Și au estimat că o vor termina într-o lună și ceva. Și ai noștri au decis să arate un procesor cuantic gata făcut, de 51 de qubiți... Bravo! Asta e cursa care merge. Măcar putem ține pasul. Pentru că se așteaptă o mare descoperire în știință atunci când aceste sisteme funcționează. Iată o fotografie a persoanei care a prezentat dezvoltarea noastră la forumul internațional „cuantic”.

Numele acestui om de știință este Mihail Lukin. Astăzi numele lui este în centrul atenției. Este imposibil să creezi singur un astfel de proiect, înțelegem asta. El și echipa sa au creat cel mai puternic computer sau procesor cuantic din lume astăzi(!). Iată ce au de spus oamenii competenți despre asta:

« Un computer cuantic funcțional este mult mai groaznic decât o bombă atomică”, notează Serghei Belousov, cofondatorul Centrului Cuantic din Rusia. - El (Mikhail Lukin) a făcut un sistem care are cei mai mulți qubiți. Doar în cazul în care. În acest moment, cred că este de două ori mai mulți qubiți decât oricine altcineva. Și a făcut în mod special 51 de qubiți, nu 49. Pentru că Google a tot spus că vor face 49.”

Cu toate acestea, Lukin însuși și șeful laboratorului cuantic Google, John Martinez, nu se consideră concurenți sau rivali. Oamenii de știință sunt convinși că principalul lor rival este natura, iar scopul lor principal este dezvoltarea tehnologiei și implementarea acesteia pentru a avansa umanitatea într-o nouă etapă de dezvoltare.

„Este greșit să ne gândim la asta ca la o cursă”, spune pe bună dreptate John Martinez. - Avem o adevărată cursă cu natura. Pentru că este foarte dificil să creezi un computer cuantic. Și este emoționant că cineva a reușit să creeze un sistem cu atât de mulți qubiți. Până acum, 22 de qubiți este maximul pe care l-am putea face. Chiar dacă ne-am folosit toată magia și profesionalismul.”

Da, toate acestea sunt foarte interesante. Dacă ne amintim de analogii, atunci când a fost inventat tranzistorul, nimeni nu ar fi putut ști că computerele vor funcționa pe această tehnologie 70 de ani mai târziu. Numai într-un procesor modern, numărul lor ajunge la 700 de milioane Primul computer cântărea multe tone și ocupa suprafețe mari. Dar computerele personale au apărut încă - mult mai târziu...

Cred că deocamdată nu ar trebui să ne așteptăm ca dispozitive din această clasă să apară în magazinele noastre în viitorul apropiat. Mulți îi așteaptă. În special minerii de criptomonede se ceartă mult despre asta. Oamenii de știință îl privesc cu speranță, iar militarii îl privesc cu mare atenție. Potențialul acestei dezvoltări, așa cum o înțelegem, nu este complet clar.

Este clar doar că atunci când totul va începe să funcționeze, va trage înainte cu ea întreaga industrie intensivă în cunoștințe. Noi tehnologii, noi industrii, noi software-uri vor apărea treptat. Timpul va spune. Dacă doar propriul nostru computer cuantic, dat nouă la naștere, nu dezamăgește oamenii - acesta este capul nostru. Deci, nu vă grăbiți să vă aruncați gadgeturile la coșul de gunoi. Vă vor servi mult timp. Scrie dacă articolul a fost interesant. Întoarce-te des. La revedere!

Omenirea, ca acum 60 de ani, este din nou pe punctul de a face o descoperire majoră în domeniul tehnologiei informatice. Foarte curând, calculatoarele cuantice vor înlocui mașinile de calcul de astăzi.

Cât de departe a ajuns progresul?

În 1965, Gordon Moore spunea că într-un an numărul de tranzistori care se potrivesc pe un microcip de siliciu se dublează. Acest ritm de progres a încetinit recent, iar dublarea are loc mai rar - o dată la doi ani. Chiar și acest ritm va permite tranzistorilor să atingă dimensiunea unui atom în viitorul apropiat. Urmează o linie care nu poate fi depășită. Din punct de vedere al structurii fizice a tranzistorului, acesta nu poate fi în niciun fel mai mic decât cantitățile atomice. Mărirea dimensiunii cipului nu rezolvă problema. Funcționarea tranzistoarelor este asociată cu eliberarea de energie termică, iar procesoarele au nevoie de un sistem de răcire de înaltă calitate. De asemenea, arhitectura multi-core nu rezolvă problema creșterii ulterioare. Atingerea vârfului în dezvoltarea tehnologiei moderne de procesor se va întâmpla în curând.
Dezvoltatorii au ajuns să înțeleagă această problemă într-un moment în care utilizatorii abia începeau să aibă computere personale. În 1980, unul dintre fondatorii științei informației cuantice, profesorul sovietic Yuri Manin, a formulat ideea calculului cuantic. Un an mai târziu, Richard Feyman a propus primul model de computer cu procesor cuantic. Baza teoretică a cum ar trebui să arate computerele cuantice a fost formulată de Paul Benioff.

Cum funcționează un computer cuantic

Pentru a înțelege cum funcționează noul procesor, trebuie să aveți cel puțin cunoștințe superficiale despre principiile mecanicii cuantice. Nu are rost să dai aici forme și formule matematice. Este suficient ca omul obișnuit să se familiarizeze cu cele trei trăsături distinctive ale mecanicii cuantice:

• Starea sau poziția unei particule este determinată doar cu un anumit grad de probabilitate.
• Dacă o particulă poate avea mai multe stări, atunci se află în toate stările posibile simultan. Acesta este principiul suprapunerii.
• Procesul de măsurare a stării unei particule duce la dispariția suprapunerii. Este caracteristic faptul că cunoștințele despre starea particulei obținute prin măsurare diferă de starea reală a particulei înainte de măsurători.

Din punctul de vedere al bunului-simț – prostie completă. În lumea noastră obișnuită, aceste principii pot fi reprezentate după cum urmează: ușa camerei este închisă și, în același timp, deschisă. Inchis si deschis in acelasi timp.

Aceasta este diferența izbitoare dintre calcule. Un procesor convențional funcționează în cod binar. Biții de computer pot fi într-o singură stare - au o valoare logică de 0 sau 1. Calculatoarele cuantice funcționează cu qubiți, care pot avea o valoare logică de 0, 1, 0 și 1 simultan. Pentru rezolvarea anumitor probleme, aceștia vor avea un avantaj de milioane de dolari față de mașinile de calcul tradiționale. Astăzi există deja zeci de descrieri ale algoritmilor de lucru. Programatorii creează un cod de program special care poate funcționa conform noilor principii de calcul.

Unde va fi folosit noul computer?

O nouă abordare a procesului de calcul vă permite să lucrați cu cantități uriașe de date și să efectuați operații de calcul instantanee. Odată cu apariția primelor calculatoare, unii oameni, inclusiv oficiali guvernamentali, au avut un mare scepticism cu privire la utilizarea lor în economia națională. Există și astăzi oameni care sunt plini de îndoieli cu privire la importanța computerelor unei generații fundamental noi. Multă vreme, jurnalele tehnice au refuzat să publice articole despre calculul cuantic, considerând acest domeniu un truc obișnuit fraudulos pentru a păcăli investitorii.

O nouă metodă de calcul va crea condițiile preliminare pentru descoperiri științifice grandioase în toate industriile. Medicina va rezolva multe probleme problematice, dintre care destul de multe s-au acumulat recent. Va deveni posibil să se diagnosticheze cancerul într-un stadiu mai devreme al bolii decât acum. Industria chimică va putea sintetiza produse cu proprietăți unice.

O descoperire în astronautică nu va întârzia să apară. Zborurile către alte planete vor deveni la fel de banale ca călătoriile zilnice în jurul orașului. Potențialul care constă în calculul cuantic va transforma cu siguranță planeta noastră dincolo de recunoaștere.

O altă trăsătură distinctivă pe care o au computerele cuantice este capacitatea calculului cuantic de a găsi rapid codul sau cifrul dorit. Un computer obișnuit realizează o soluție de optimizare matematică secvenţial, încercând o opțiune după alta. Concurentul cuantic lucrează cu întreaga gamă de date simultan, selectând cele mai potrivite opțiuni la viteza fulgerului într-un timp fără precedent. Tranzacțiile bancare vor fi decriptate într-o clipă, ceea ce este inaccesibil computerelor moderne.

Cu toate acestea, sectorul bancar nu trebuie să-și facă griji - secretul său va fi salvat prin metoda de criptare cuantică cu un paradox de măsurare. Când încercați să deschideți codul, semnalul transmis va fi distorsionat. Informațiile primite nu vor avea niciun sens. Serviciile secrete, pentru care spionajul este o practică obișnuită, sunt interesate de posibilitățile de calcul cuantic.

Dificultăți de proiectare

Dificultatea constă în crearea condițiilor în care un bit cuantic poate rămâne într-o stare de suprapunere la nesfârșit.

Fiecare qubit este un microprocesor care funcționează pe principiile supraconductivității și pe legile mecanicii cuantice.

O serie de condiții unice de mediu sunt create în jurul elementelor microscopice ale unei mașini logice:

• temperatura 0,02 grade Kelvin (-269,98 Celsius);
• sistem de protecție împotriva radiațiilor magnetice și electrice (reduce impactul acestor factori de 50 de mii de ori);
• sistem de eliminare a căldurii și amortizare a vibrațiilor;
• rarefacția aerului este de 100 de miliarde de ori mai mică decât presiunea atmosferică.

O ușoară abatere a mediului face ca qubiții să-și piardă instantaneu starea de suprapunere, rezultând o funcționare defectuoasă.

Înainte de restul planetei

Toate cele de mai sus ar putea fi atribuite creativității minții febrile a unui scriitor de povești științifico-fantastice dacă Google, împreună cu NASA, nu ar fi cumpărat anul trecut un computer cuantic D-Wave de la o corporație de cercetare canadiană, al cărei procesor conține 512 qubiți.

Cu ajutorul său, liderul de pe piața tehnologiei informatice va rezolva problemele de învățare automată în sortarea și analizarea unor cantități mari de date.

Snowden, care a părăsit Statele Unite, a făcut și o declarație revelatoare importantă - NSA intenționează, de asemenea, să-și dezvolte propriul computer cuantic.

2014 - începutul erei sistemelor D-Wave

Atletul canadian de succes Geordie Rose, după o înțelegere cu Google și NASA, a început să construiască un procesor de 1000 de qubiți. Viitorul model va depăși primul prototip comercial de cel puțin 300 de mii de ori ca viteză și volum de calcule. Calculatorul cuantic, ilustrat mai jos, este prima versiune comercială din lume a unei tehnologii de calcul fundamental noi.

El a fost îndemnat să se angajeze în dezvoltarea științifică de cunoștința sa la universitate cu lucrările lui Colin Williams despre calculul cuantic. Trebuie spus că Williams lucrează astăzi la corporația lui Rose ca manager de proiect de afaceri.

Descoperire sau farsă științifică

Rose însuși nu știe pe deplin ce sunt computerele cuantice. În zece ani, echipa sa a trecut de la crearea unui procesor de 2 qubiți la prima creație comercială de astăzi.

De la începutul cercetării sale, Rose a căutat să creeze un procesor cu un număr minim de qubiți de 1 mie. Și cu siguranță trebuia să aibă o opțiune comercială - pentru a vinde și a face bani.

Mulți, cunoscând obsesia și perspicacitatea comercială a lui Rose, încearcă să-l acuze de fals. Se presupune că cel mai obișnuit procesor este trecut drept cuantic. Acest lucru este facilitat și de faptul că noua tehnologie prezintă performanțe fenomenale atunci când se efectuează anumite tipuri de calcule. În rest, se comportă ca un computer complet obișnuit, doar că foarte scump.

Când vor apărea

Nu este mult de așteptat. Un grup de cercetare organizat de cumpărătorii comune ai prototipului va raporta în viitorul apropiat rezultatele cercetării asupra D-Wave.
Poate că vine timpul în care computerele cuantice vor revoluționa înțelegerea noastră asupra lumii din jurul nostru. Și întreaga umanitate în acest moment va atinge un nivel superior al evoluției sale.

Calculatoarele cuantice promit o adevărată revoluție, nu numai în calcul, ci și în viața reală. Mass-media este plină de titluri despre modul în care computerele cuantice vor distruge criptografia modernă, iar puterea inteligenței artificiale, datorită lor, va crește cu ordine de mărime.

În ultimii 10 ani, calculatoarele cuantice au trecut de la teorie pură la primele exemple de lucru. Adevărat, mai este un drum lung de parcurs până la revoluția promisă, iar influența ei în cele din urmă poate să nu fie atât de cuprinzătoare pe cât pare acum.

Cum funcționează un computer cuantic?

Un computer cuantic este un dispozitiv care folosește fenomenele de suprapunere cuantică și întanglement cuantic. Elementul principal în astfel de calcule este qubitul sau bitul cuantic. În spatele tuturor acestor cuvinte se află matematică și fizică destul de complexe, dar dacă le simplificați cât mai mult, obțineți așa ceva.

În computerele obișnuite avem de-a face cu biți. Un bit este o unitate de măsură a informațiilor în sistemul binar. Poate lua valoarea 0 și 1, ceea ce este foarte convenabil nu numai pentru operațiunile matematice, ci și pentru cele logice, deoarece zero poate fi asociat cu valoarea „fals”, iar unul cu „adevărat”.

Procesoarele moderne sunt construite pe baza tranzistoarelor, elemente semiconductoare care pot sau nu pot trece curentul electric. Cu alte cuvinte, produce două valori, 0 și 1. În mod similar, în memoria flash, un tranzistor cu poartă plutitoare poate stoca încărcare. Dacă este prezent, obținem unul, dacă nu este acolo, obținem zero. Înregistrarea digitală magnetică funcționează într-un mod similar, doar purtătorul de informații acolo este o particulă magnetică, fie cu sau fără încărcare.

În calcule citim valoarea unui bit (0 sau 1) din memorie și apoi trecem curent prin tranzistor și, în funcție de trecerea lui sau nu, obținem la ieșire un nou bit, eventual având o altă valoare.

Ce sunt qubiții pentru calculatoarele cuantice? Într-un computer cuantic, elementul principal este un qubit - un bit cuantic. Spre deosebire de un bit obișnuit, acesta se află într-o stare de suprapunere cuantică, adică are valoarea 0 și 1 și orice combinație a acestora în orice moment. Dacă există mai mulți qubiți în sistem, atunci schimbarea unuia implică și schimbarea tuturor celorlalți qubiți.

Acest lucru vă permite să calculați simultan toate opțiunile posibile. Un procesor convențional, cu calculele sale binare, calculează de fapt opțiunile secvenţial. Mai întâi un scenariu, apoi altul, apoi al treilea etc. Pentru a accelera lucrurile, au început să folosească multithreading, rulând calcule în paralel, prefaching, pentru a prezice posibile opțiuni de ramificare și a le calcula în avans. Într-un computer cuantic, totul se face în paralel.

Principiul de calcul este de asemenea diferit. Într-un fel, un computer cuantic conține deja toate opțiunile posibile pentru rezolvarea problemei, sarcina noastră este doar să citim starea qubiților și să alegem opțiunea corectă dintre aceștia. Și de aici încep dificultățile. Acesta este principiul de funcționare al unui computer cuantic.

Crearea unui computer cuantic

Care va fi natura fizică a unui computer cuantic? O stare cuantică poate fi atinsă numai în particule. Un qubit nu poate fi construit din mai mulți atomi, ca un tranzistor. Până acum această problemă nu a fost rezolvată în totalitate. Există mai multe opțiuni. Stările de sarcină ale atomilor sunt utilizate, de exemplu, prezența sau absența unui electron într-un punct obișnuit, elemente supraconductoare, fotoni etc.

Astfel de „probleme subtile” impun restricții cu privire la măsurarea stării qubiților. Energiile sunt extrem de scăzute, sunt necesare amplificatoare pentru a citi datele. Dar amplificatoarele pot influența un sistem cuantic și pot schimba stările acestuia, cu toate acestea, nu numai ele, ci chiar și faptul de a observa poate avea semnificație.

Calculul cuantic implică o succesiune de operații care sunt efectuate pe unul sau mai mulți qubiți. Acestea, la rândul lor, duc la schimbări în întregul sistem. Sarcina este de a selecta cel corect din stările sale, care dă rezultatul calculelor. În acest caz, poate exista orice număr de state care sunt cât mai apropiate de aceasta. În consecință, acuratețea unor astfel de calcule va diferi aproape întotdeauna de unitate.

Astfel, un computer cuantic cu drepturi depline necesită progrese semnificative în fizică. În plus, programarea pentru un computer cuantic va fi diferită de ceea ce există acum. În cele din urmă, calculatoarele cuantice nu vor putea rezolva probleme care nu pot fi rezolvate de cele convenționale, dar pot accelera soluțiile celor pe care le pot gestiona. Adevărat, din nou, nu toate.

Numărarea qubitului, computerul cuantic qubit

Treptat, problemele pe drumul către un computer cuantic sunt înlăturate. Primii qubiți au fost construiți la începutul secolului. Procesul s-a accelerat la începutul deceniului. Astăzi, dezvoltatorii sunt deja capabili să producă procesoare cu zeci de qubiți.

Cea mai recentă descoperire a fost crearea procesorului Bristlecone în măruntaiele Google. În martie 2018, compania a anunțat că poate construi un procesor de 72 de qubiți. Google nu spune pe ce principii fizice este construit Bristlecone. Cu toate acestea, se crede că 49 de qubiți sunt suficienți pentru a obține „supremația cuantică”, atunci când un computer cuantic începe să depășească un computer convențional. Google a reușit să îndeplinească această condiție, dar rata de eroare de 0,6% este încă mai mare decât cea cerută de 0,5%.

În toamna lui 2017, IBM a anunțat crearea unui prototip de procesor cuantic de 50 de qubiți. El este testat. Dar în 2017, IBM și-a deschis procesorul de 20 de qubiți pentru cloud computing. În martie 2018, a fost lansată o versiune mai mică a IBM Q Oricine poate rula experimente pe un astfel de computer. Pe baza rezultatelor lor, au fost deja publicate 35 de lucrări științifice.

La începutul celei de-a 10-a aniversări, a apărut pe piață compania suedeză D-Wave, care și-a poziționat calculatoarele cuantice. A generat o mulțime de controverse, deoarece a anunțat crearea de mașini de 1000 de qubiți, în timp ce liderii recunoscuți „făceau” doar câțiva qubiți. Calculatoarele de la dezvoltatori suedezi s-au vândut cu 10-15 milioane de dolari, așa că nu a fost atât de ușor să le verifici.

Calculatoarele D-Wave nu sunt cuantice în adevăratul sens al cuvântului, dar folosesc unele efecte cuantice care pot fi folosite pentru a rezolva unele probleme de optimizare. Cu alte cuvinte, nu toți algoritmii care pot fi executați pe un computer cuantic primesc accelerație cuantică pe D-Wave. Google a achiziționat unul dintre sistemele suedezilor. Drept urmare, cercetătorii săi au recunoscut computerele ca fiind „limitat cuantice”. S-a dovedit că qubiții sunt grupați în grupuri de opt, adică numărul lor real este vizibil mai mic decât cel declarat.

Calculator cuantic în Rusia

O școală de fizică puternică în mod tradițional permite cuiva să aducă contribuții semnificative la rezolvarea problemelor fizice pentru a crea un computer cuantic. În ianuarie 2018, rușii au creat un amplificator de semnal pentru un computer cuantic. Având în vedere că amplificatorul în sine este capabil să influențeze starea qubiților prin funcționarea sa, nivelul de zgomot pe care îl generează ar trebui să difere puțin de „vid”. Aceasta este ceea ce au reușit să facă oamenii de știință ruși de la laboratorul „Superconductor Metamaterials” al NUST MISIS și două institute ale Academiei Ruse de Științe. Au fost folosiți supraconductori pentru a crea amplificatorul.

Un centru cuantic a fost creat și în Rusia. Este o organizație neguvernamentală de cercetare implicată în cercetare în domeniul fizicii cuantice. Ea lucrează și la problema creării de qubits. În spatele centrului se află omul de afaceri Serghei Belousov și profesorul de la Universitatea Harvard Mihail Lukin. Sub conducerea sa, la Harvard fusese deja creat un procesor de 51 de qubiți, care cu ceva timp înainte de anunțul Bristlecon era cel mai puternic dispozitiv de computer cuantic din lume.

Dezvoltarea calculului cuantic a devenit parte a programului de stat al economiei digitale. În 2018-20, sprijinul statului va fi alocat pentru lucrări în acest domeniu. Planul de acțiune prevede crearea unui simulator cuantic folosind opt qubiți supraconductori. După aceasta, se va decide problema extinderii în continuare a acestei tehnologii.

În plus, înainte de 2020, Rusia intenționează să testeze o altă tehnologie cuantică: construirea de qubiți pe atomi neutri și ioni încărcați în capcane.

Unul dintre obiectivele programului este de a crea dispozitive de criptografie cuantică și de comunicații cuantice. Vor fi create centre de distribuție pentru cheile cuantice, care le vor distribui consumatorilor - bănci, centre de date și întreprinderi din industrie. Se crede că un computer cuantic cu drepturi depline poate sparge orice algoritm modern de criptare în câteva minute.

În cele din urmă

Deci, calculatoarele cuantice sunt încă experimentale. Este puțin probabil ca un computer cuantic cu drepturi depline, capabil de o putere de calcul cu adevărat mare, să apară înainte de următorul deceniu. Producția de qubiți și construcția de sisteme stabile din aceștia este încă departe de a fi perfectă.

Judecând după faptul că la nivel fizic, calculatoarele cuantice au mai multe soluții care diferă ca tehnologie și, probabil, ca cost, nu vor mai fi unificate în încă 10 ani Procesul de standardizare poate dura mult.

În plus, este deja clar că computerele cuantice vor rămâne cel mai probabil dispozitive „pe fragmente” și foarte scumpe în următorul deceniu. Este puțin probabil ca acestea să ajungă în buzunarul unui utilizator obișnuit, dar te poți aștepta la apariția lor pe lista supercomputerelor.

Este probabil ca computerele cuantice să fie oferite într-un model „în nor”, ​​în care resursele lor pot fi utilizate de către cercetătorii și organizațiile interesate.

Un computer cuantic nu este doar un computer de generație viitoare, este mult mai mult decât atât. Nu doar din punctul de vedere al utilizării celor mai noi tehnologii, ci și din punctul de vedere al posibilităților sale nelimitate, incredibile, fantastice, capabile nu doar să schimbe lumea oamenilor, ci chiar... să creeze o altă realitate. .

După cum știți, computerele moderne folosesc memoria reprezentată în cod binar: 0 și 1. La fel ca în codul Morse - punct și titlu. Folosind două caractere, puteți cripta orice informație variind combinațiile acestora.

Există miliarde din acești biți în memoria unui computer modern. Dar fiecare dintre ele poate fi într-una din două stări - fie zero, fie una. Ca un bec: fie aprins, fie stins.

Un bit cuantic (qubit) este cel mai mic element de stocare a informațiilor într-un computer al viitorului. Unitatea de informație dintr-un computer cuantic poate fi acum nu numai zero sau unu, dar ambele in acelasi timp.

O celulă efectuează două acțiuni, două - patru, patru - șaisprezece, etc. Acesta este motivul pentru care sistemele cuantice pot funcționa de două ori mai repede și cu cantități mai mari de informații decât cele moderne.

Pentru prima dată, oamenii de știință de la Centrul cuantic din Rusia (RCC) și de la Laboratorul de metamateriale supraconductoare au „măsurat” un qubit (Q-bit).

Din punct de vedere tehnic, un qubit este un inel metalic cu un diametru de câțiva microni cu tăieturi, depus pe un semiconductor. Inelul este răcit la temperaturi foarte scăzute, astfel încât să devină un supraconductor. Să presupunem că curentul care curge prin inel merge în sensul acelor de ceasornic - acesta este 1. Împotriva - 0. Adică două stări obișnuite.

Radiația cu microunde a fost trecută prin inel. La ieșirea din inel a acestei radiații s-a măsurat defazajul curentului. S-a dovedit că întregul sistem poate fi localizat atât în ​​două principale, cât și în stare mixta: ambele in acelasi timp!!!În știință, acesta se numește principiul suprapunerii.

Un experiment al oamenilor de știință ruși (oameni de știință din alte țări au efectuat altele similare) a dovedit că qubitul are dreptul la viață. Crearea qubitului a condus la idee și a adus oamenii de știință mai aproape de visul de a crea un computer cuantic optic. Tot ce rămâne este să-l proiectezi și să-l creezi. Dar nu totul este atât de simplu...

Dificultăți și probleme în crearea unui computer cuantic

Dacă trebuie, de exemplu, să calculați un miliard de opțiuni într-un computer modern, atunci trebuie să „defilați” un miliard de cicluri similare. Există o diferență fundamentală cu un computer cuantic: poate calcula toate aceste opțiuni în același timp.
Unul dintre principiile principale pe care va funcționa un computer cuantic este principiul suprapunerii și nu poate fi numit altceva decât magic!
Înseamnă că aceeași persoană poate fi în locuri diferite în același timp. Fizicienii glumesc: „Dacă teoria cuantică nu te șochează, atunci nu o înțelegi”.

Aspectul computerelor cuantice care sunt create astăzi este izbitor de diferit de cele clasice. Arată... încă ca o lună:

Un astfel de design, constând din piese de cupru și aur, serpentine de răcire și alte părți caracteristice, desigur, nu se potrivește creatorilor săi. Una dintre sarcinile principale ale oamenilor de știință este să o facă compactă și ieftină. Pentru ca acest lucru să se întâmple, trebuie rezolvate mai multe probleme.

Problema unu - instabilitatea suprapunerilor

Toate aceste suprapuneri cuantice sunt foarte „blande”. De îndată ce începi să le privești, de îndată ce încep să interacționeze cu alte obiecte, sunt imediat distruse. Ele devin, parcă, clasice. Aceasta este una dintre cele mai importante probleme în crearea unui computer cuantic.

Problema a doua - este necesară o răcire puternică

Al doilea obstacol este realizarea unei funcționări stabile a unui computer cuantic. în forma pe care o avem astăzi, necesită o răcire puternică. Puternic, aceasta este crearea de echipamente în care temperatura este menținută aproape de zero absolut - minus 273 de grade Celsius! Prin urmare, acum prototipurile unor astfel de computere, cu instalațiile lor criogenice-vid, arată foarte greoaie:

Cu toate acestea, oamenii de știință sunt încrezători că în curând toate problemele tehnice vor fi rezolvate și într-o zi calculatoarele cuantice cu o putere de calcul enormă le vor înlocui pe cele moderne.

Câteva soluții tehnice pentru a rezolva probleme

Până în prezent, oamenii de știință au găsit o serie de soluții semnificative pentru a rezolva problemele de mai sus. Aceste descoperiri tehnologice, rezultatul muncii complexe și uneori îndelungate, intense ale oamenilor de știință, merită tot respectul.

Cel mai bun mod de a îmbunătăți performanța qubitului... diamante

Totul seamănă foarte mult cu celebra melodie despre fete și diamante. Principalul lucru la care lucrează oamenii de știință acum este să crească durata de viață qubit, precum și „a face” un computer cuantic să funcționeze la temperaturi normale. Da, comunicarea între calculatoarele cuantice necesită diamante! Pentru toate acestea, a fost necesară crearea și utilizarea diamantelor artificiale de o transparență extrem de ridicată. Cu ajutorul lor, au reușit să prelungească durata de viață a unui qubit la două secunde. Aceste realizări modeste: două secunde de viață qubit și funcționarea computerului la temperatura camerei, sunt de fapt o revoluție în știință.

Esența experimentului omului de știință francez Serge Haroche se bazează pe faptul că a fost capabil să arate lumii întregi că lumina (un flux cuantic de fotoni) care trece între două oglinzi special create de el nu își pierde starea cuantică.

Forțând lumina să parcurgă 40.000 km între aceste oglinzi, el a stabilit că totul s-a întâmplat fără a-și pierde starea cuantică. Lumina este formată din fotoni și până acum nimeni nu a putut să-și dea seama dacă își pierd starea cuantică atunci când parcurg o anumită distanță. Laureatul Nobel Serge Haroche: „ Un foton este în mai multe locuri în același timp, am reușit să înregistrăm asta.” De fapt acesta este principiul suprapunerii. „În lumea noastră mare, acest lucru este imposibil. Dar în lumea micro există legi diferite”, spune Arosh.

În interiorul cavității se aflau atomi clasici care pot fi măsurați. Pe baza comportamentului atomilor, fizicianul a învățat să identifice și să măsoare particulele cuantice evazive. Înainte de experimentele lui Harosh, se credea că observarea cuantelor era imposibilă. După experiment, au început să vorbească despre cucerirea fotonilor, adică despre apropierea erei calculatoarelor cuantice.

De ce mulți așteaptă cu nerăbdare crearea unui generator cuantic cu drepturi depline, în timp ce alții se tem de el

Calculatorul cuantic va oferi omenirii oportunități enorme

Un computer cuantic va deschide posibilități infinite pentru umanitate. De exemplu, va contribui la crearea inteligenței artificiale, despre care scriitorii de science-fiction s-au bucurat atât de mult timp. Sau simulează universul. În întregime. Conform celor mai conservatoare prognoze, ne va permite să privim dincolo de limitele posibilului. Să ne imaginăm o lume în care poți simula absolut orice vrei: proiectează o moleculă, metal super-puternic, descompune rapid plasticul, vine cu remedii pentru boli incurabile. Aparatul va simula întreaga noastră lume, până la ultimul atom. Puteți chiar simula o altă lume, chiar și una virtuală.

Un computer cuantic ar putea deveni o armă a Apocalipsei

Mulți oameni, care au aprofundat în esența tehnologiei cuantice, se tem de ea din diverse motive. Deja acum, computerizarea și toate tehnologiile legate de computere sperie omul obișnuit. Este suficient să ne amintim scandalurile despre modul în care serviciile speciale, folosind programe încorporate în PC-uri și chiar în aparatele de uz casnic, organizează supravegherea și colectarea de date despre consumatorii lor. De exemplu, multe țări au interzis cunoscutii ochelari - la urma urmei, aceștia sunt un mijloc ideal pentru filmare și supraveghere sub acoperire. Deja acum, cu siguranță, fiecare rezident al oricărei țări, și cu atât mai mult un utilizator de pe Internet, este introdus într-o bază de date. Mai mult, și în mod destul de realist, anumite servicii își pot calcula fiecare acțiune pe internet.

Dar nu vor exista secrete pentru calculatoarele cuantice! Deloc. Toată securitatea computerelor se bazează pe numere de parole foarte lungi. Un computer obișnuit i-ar lua un milion de ani pentru a obține cheia codului. Dar cu ajutorul quantum, oricine poate face acest lucru instantaneu. Se dovedește că lumea va deveni complet nesigură: la urma urmei, în lumea modernă totul este controlat de computere: transferuri bancare, zboruri cu avionul, burse de valori, arme nucleare cu rachete! Deci, se dovedește: cine deține informațiile deține Lumea. Oricine este primul este Dumnezeu. Un computer cuantic va deveni mai puternic decât orice sistem de arme. O nouă cursă a înarmărilor poate începe (sau a început deja) pe Pământ, doar că acum nu nucleară, ci computerizată.

Dumnezeu să ne ajute să ieșim în siguranță din ea...

Știința nu stă pe loc și, s-ar părea, ceea ce ieri era considerat misticism este astăzi o realitate de netăgăduit. Așa că acum, miturile despre lumi paralele pot deveni un fapt comun în viitor. Se crede că cercetările în domeniul creării unui computer cuantic vor ajuta la atingerea acestei afirmații. Japonia este în frunte; peste 70% din toate cercetările provin din această țară. Esența acestei descoperiri este mai de înțeles pentru cei care sunt într-un fel sau altul conectați cu fizica. Dar cei mai mulți dintre noi am absolvit liceul, unde manualul de clasa a XI-a a acoperit câteva întrebări de fizică cuantică.

Unde a început totul

Să ne amintim că începutul a fost pus de două descoperiri principale, pentru care autorii lor au fost distinși cu Premiul Nobel. În 1918, Max Planck a descoperit cuantica și Albert Einsteinîn 1921 foton. Ideea creării unui computer cuantic a apărut în 1980, când s-a dovedit adevărul teoriei cuantice. Iar ideile au început să fie puse în practică abia în 1998. Lucrări masive și, în același timp, destul de eficiente, au fost efectuate doar în ultimii 10 ani.

Principiile de bază sunt clare, dar cu fiecare pas înainte apar tot mai multe probleme, a căror rezolvare durează destul de mult timp, deși multe laboratoare din întreaga lume lucrează la această problemă. Cerințele pentru un astfel de computer sunt foarte mari, deoarece precizia măsurării trebuie să fie foarte mare și numărul de influențe externe trebuie redus la minimum, fiecare dintre acestea va distorsiona funcționarea sistemului cuantic.

DE CE AI NEVOIE DE UN CALCULATOR CUANTUM?

Pe ce se bazează un computer cuantic?

Toată lumea, într-o măsură mai mare sau mai mică, are o idee despre cum funcționează un computer obișnuit. Semnificația sa constă în utilizarea codării binare, în care prezența unei anumite valori de tensiune este considerată 1, iar absența lui 0, exprimată ca 0 sau 1, este considerată un bit. Funcționarea unui computer cuantic este asociată cu conceptul de spin. Pentru cei care limitează fizica la cunoștințele școlare, ei pot argumenta despre existența a trei particule elementare și prezența unor caracteristici simple în ele, cum ar fi masa și sarcina.

Dar fizicienii adaugă în mod constant la clasa particulelor elementare și la caracteristicile acestora, dintre care una este spinul. Și o anumită direcție a spinului particulei este luată ca 1, iar direcția sa opusă ca 0. Acest lucru este similar cu designul unui tranzistor. Elementul principal va fi deja numit un bit cuantic sau qubit. Pot fi fotoni, atomi, ioni și nuclee atomice.

Condiția principală aici este prezența a două stări cuantice. Schimbarea stării unui anumit bit într-un computer convențional nu duce la modificări ale altora, dar într-un computer cuantic, schimbarea unuia va duce la o schimbare a stării altor particule. Această schimbare poate fi controlată și imaginați-vă că există sute de astfel de particule.

Doar imaginați-vă de câte ori va crește productivitatea unei astfel de mașini. Dar crearea unui computer complet nou este doar o ipoteză, fizicienii au mult de lucru în acea zonă a mecanicii cuantice, care se numește mecanică a mai multor particule. Primul mini computer cuantic era format din 16 qubiți. Recent, au fost lansate computere care folosesc 512 qubiți, dar acestea sunt deja folosite pentru a crește viteza de efectuare a calculelor complexe. Quipper este un limbaj conceput special pentru astfel de mașini.

Secvența operațiilor efectuate

În crearea unui computer de nouă generație, există patru direcții, care diferă prin faptul că acționează ca qubiți logici:

1. direcția rotațiilor particulelor care formează baza atomului;
2. prezența sau absența unei perechi Cooper într-o locație specificată în spațiu;
3. în ce stare se află electronul exterior?
4. diferite stări ale fotonului.

Acum să ne uităm la circuitul prin care funcționează computerul. Pentru început, se iau un set de qubiți și se înregistrează parametrii inițiali ai acestora. Transformările sunt efectuate folosind operații logice, iar valoarea rezultată, care este rezultatul ieșit de computer, este înregistrată. Firele sunt qubiți, iar transformările sunt formate din blocuri logice. Un astfel de procesor a fost propus de D. Deutsch, care în 1995 a fost capabil să creeze un lanț capabil să efectueze orice calcule la nivel cuantic. Dar un astfel de sistem produce mici erori, care pot fi ușor reduse prin creșterea numărului de operații implicate în algoritm.

Cum funcționează un computer cuantic?

Ce am realizat?

Până acum, au fost dezvoltate doar două tipuri de calculatoare cuantice, dar știința nu stă pe loc. Funcționarea ambelor mașini se bazează pe fenomene cuantice:

1. asociat cu supraconductivitate. Când este încălcat, se observă cuantizarea;
2. bazată pe o asemenea proprietate precum coerența. Viteza de calcul a unor astfel de calculatoare este dublată în comparație cu numărul de qubiți.

Al doilea tip dintre cele considerate este considerată prioritară în domeniul creării calculatoarelor cuantice.

Realizări ale diferitelor țări.

Pe scurt, realizările din ultimii 10 ani sunt semnificative. Se poate observa computerul de doi qubiți cu software creat în America. De asemenea, au reușit să producă un computer de doi qubiți cu un cristal de diamant. Direcția de rotație a particulelor de azot și componentele sale: nucleul și electronul a fost folosită ca qubiți. Pentru a oferi o protecție semnificativă, a fost dezvoltat un sistem foarte complex care îi permite să ofere rezultate cu o precizie de 95%.

ICQT 2017. John Martinis, Google: Quantum Computer: Life After Moore's Law

De ce este nevoie de toate acestea?

Crearea calculatoarelor cuantice a fost deja discutată. Aceste computere nu sunt rezultatul a ceea ce s-au străduit, dar și-au găsit cumpărătorul. Compania americană de apărare Lockheed Martin a plătit 10 milioane de dolari. Achiziția lor este capabilă să găsească erori în cel mai complex program instalat pe avionul de luptă F-35. Google vrea să lanseze programe de învățare automată odată cu achiziția sa.

Viitor

În dezvoltarea unui computer cuantic Companiile mari și statul sunt foarte interesați. Va duce la noi descoperiri în domeniul dezvoltării algoritmilor criptografici. Timpul va decide dacă acest lucru va aduce beneficii statului sau hackerilor. Dar munca de creare și recunoaștere a cheilor cripto se va face instantaneu. Multe probleme asociate cu un card bancar vor fi rezolvate.

Mesajele vor fi transmise cu o viteză extraordinară și nu vor fi probleme de comunicare cu orice punct de pe glob și poate chiar și dincolo.

Un astfel de computer va ajuta la acest lucru, mai ales la descifrarea codului genetic. Acest lucru va duce la rezolvarea multor probleme medicale.

Și, desigur, va deschide ușa către un tărâm de secrete mistice și lumi paralele.

Ne așteaptă șocuri mari. Tot ceea ce suntem obișnuiți este doar o parte din acea lume, căreia a primit deja numele de Realitate Cuantică. Ele vă vor ajuta să treceți dincolo de lumea materială, care este principiul de funcționare al unui computer cuantic.