Lima tahun yang lalu, hanya spesialis di bidang fisika kuantum yang mengetahui tentang komputer kuantum. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, jumlah publikasi di Internet dan publikasi khusus yang didedikasikan untuk komputasi kuantum telah meningkat secara eksponensial. Topik komputasi kuantum menjadi populer dan menimbulkan banyak pendapat berbeda, yang tidak selalu sesuai dengan kenyataan.
Pada artikel ini kami akan mencoba menjelaskan sejelas mungkin tentang apa itu komputer kuantum dan pada tahap apa perkembangan modern di bidang ini.

Terbatasnya kemampuan komputer modern

Komputer kuantum dan komputasi kuantum sering dibicarakan sebagai alternatif teknologi silikon untuk membuat mikroprosesor, yang secara umum tidak sepenuhnya benar. Sebenarnya mengapa kita harus mencari alternatif teknologi komputer modern? Seperti yang ditunjukkan oleh seluruh sejarah industri komputer, kekuatan komputasi prosesor meningkat secara eksponensial. Tidak ada industri lain yang berkembang secepat ini. Biasanya, ketika berbicara tentang tingkat pertumbuhan daya komputasi prosesor, mereka mengingat apa yang disebut hukum Gordon Moore, yang diturunkan pada bulan April 1965, yaitu hanya enam tahun setelah penemuan sirkuit terintegrasi (IC) pertama. .

Atas permintaan majalah Electronics, Gordon Moore menulis sebuah artikel yang didedikasikan untuk peringatan 35 tahun penerbitannya. Ia membuat prediksi tentang bagaimana perangkat semikonduktor akan berkembang selama sepuluh tahun ke depan. Setelah menganalisis laju perkembangan perangkat semikonduktor dan faktor ekonomi selama enam tahun terakhir, yaitu sejak tahun 1959, Gordon Moore mengemukakan bahwa pada tahun 1975 jumlah transistor dalam satu sirkuit terpadu akan menjadi 65 ribu.

Faktanya, menurut perkiraan Moore, jumlah transistor dalam satu chip diperkirakan akan meningkat lebih dari seribu kali lipat dalam sepuluh tahun. Pada saat yang sama, ini berarti setiap tahun jumlah transistor dalam satu chip harus berlipat ganda.

Selanjutnya, penyesuaian dilakukan terhadap hukum Moore (untuk menghubungkannya dengan kenyataan), tetapi maknanya tidak berubah: jumlah transistor di sirkuit mikro meningkat secara eksponensial. Secara alami, peningkatan kepadatan transistor pada sebuah chip hanya mungkin dilakukan dengan mengurangi ukuran transistor itu sendiri. Dalam hal ini, pertanyaan yang relevan adalah: sejauh mana ukuran transistor dapat dikurangi? Saat ini, dimensi masing-masing elemen transistor dalam prosesor sebanding dengan elemen atom; misalnya, lebar lapisan dioksida yang memisahkan dielektrik gerbang dari saluran transfer muatan hanya beberapa puluh lapisan atom. Jelas bahwa ada batasan fisik semata yang membuat ukuran transistor tidak mungkin diperkecil lagi. Sekalipun kita berasumsi bahwa di masa depan mereka akan memiliki geometri dan arsitektur yang sedikit berbeda, secara teori tidak mungkin membuat transistor atau elemen serupa dengan ukuran kurang dari 10 -8 cm (diameter atom hidrogen) dan operasi. frekuensi lebih dari 10 15 Hz (frekuensi transisi atom). Oleh karena itu, suka atau tidak suka, tidak dapat dihindari akan tiba saatnya Hukum Moore harus diarsipkan (kecuali, tentu saja, jika hukum tersebut diperbaiki sekali lagi).

Kemungkinan terbatas untuk meningkatkan daya komputasi prosesor dengan mengurangi ukuran transistor hanyalah salah satu hambatan dalam prosesor silikon klasik.

Seperti yang akan kita lihat nanti, komputer kuantum sama sekali tidak mewakili upaya untuk memecahkan masalah miniaturisasi elemen dasar prosesor.

Memecahkan masalah miniaturisasi transistor, pencarian bahan baru untuk membuat basis elemen mikroelektronika, pencarian prinsip fisik baru untuk perangkat dengan dimensi karakteristik yang sebanding dengan panjang gelombang De Broglie, yang memiliki nilai sekitar 20 nm - masalah ini telah menjadi agenda selama hampir dua dekade. Sebagai hasil dari solusi mereka, nanoteknologi dikembangkan. Masalah serius yang dihadapi selama transisi ke bidang perangkat nanoelektronik adalah pengurangan disipasi energi selama operasi komputasi. Gagasan tentang kemungkinan operasi yang “dapat dibalik secara logis” yang tidak disertai dengan disipasi energi pertama kali diungkapkan oleh R. Landauer pada tahun 1961. Sebuah langkah signifikan dalam memecahkan masalah ini dilakukan pada tahun 1982 oleh Charles Bennett, yang secara teoritis membuktikan bahwa komputer digital universal dapat dibangun di atas gerbang yang dapat dibalik secara logis dan termodinamika sedemikian rupa sehingga energi akan hilang hanya karena proses periferal yang tidak dapat diubah dalam memasukkan informasi. ke dalam mesin ( persiapan keadaan awal) dan, karenanya, keluaran darinya (membaca hasilnya). Katup universal reversibel yang umum termasuk katup Fredkin dan Toffoli.

Masalah lain dengan komputer klasik terletak pada arsitektur von Neumann itu sendiri dan logika biner semua prosesor modern. Semua komputer, mulai dari Analytical Engine karya Charles Babbage hingga superkomputer modern, didasarkan pada prinsip yang sama (arsitektur von Neumann) yang dikembangkan pada tahun 40-an abad lalu.

Komputer mana pun di tingkat perangkat lunak beroperasi dengan bit (variabel yang bernilai 0 atau 1). Menggunakan gerbang logika, operasi logis dilakukan pada bit, yang memungkinkan Anda memperoleh keadaan akhir tertentu pada output. Mengubah keadaan variabel dilakukan dengan menggunakan program yang mendefinisikan urutan operasi, yang masing-masing menggunakan sejumlah kecil bit.

Prosesor tradisional menjalankan program secara berurutan. Meskipun terdapat sistem multiprosesor, prosesor multi-inti, dan berbagai teknologi yang bertujuan untuk meningkatkan tingkat paralelisme, semua komputer yang dibangun berdasarkan arsitektur von Neumann adalah perangkat dengan mode eksekusi instruksi berurutan. Semua prosesor modern menerapkan algoritma berikut untuk memproses perintah dan data: mengambil perintah dan data dari memori dan mengeksekusi instruksi pada data yang dipilih. Siklus ini berulang berkali-kali dan dengan kecepatan yang luar biasa.

Namun, arsitektur von Neumann membatasi kemampuan untuk meningkatkan daya komputasi PC modern. Contoh umum dari tugas yang berada di luar kemampuan PC modern adalah penguraian bilangan bulat menjadi faktor prima (faktor prima adalah faktor yang habis dibagi dirinya sendiri dan 1 tanpa sisa).

Jika ingin memfaktorkan suatu bilangan menjadi faktor prima X, memiliki N karakter dalam notasi biner, maka cara yang jelas untuk menyelesaikan masalah ini adalah dengan mencoba membaginya secara berurutan menjadi angka dari 2 hingga. Misalnya, jika Anda mempertimbangkan bilangan yang memiliki 100.000 karakter (dalam notasi biner), maka Anda harus melalui opsi 3x10 15.051. Jika kita berasumsi bahwa satu siklus prosesor diperlukan untuk satu pencarian, maka pada kecepatan 3 GHz, diperlukan waktu yang melebihi usia planet kita untuk mencari semua angka. Namun, ada algoritma cerdas yang memecahkan masalah yang sama di exp( N 1/3) langkah, tetapi bahkan dalam kasus ini, tidak ada satu pun superkomputer modern yang dapat mengatasi tugas memfaktorkan suatu bilangan dengan sejuta digit.

Soal memfaktorkan suatu bilangan menjadi faktor prima termasuk dalam golongan soal yang dikatakan tidak dapat diselesaikan dalam waktu polinomial (masalah NP-lengkap - Selesai waktu polinomial nondeterministik). Permasalahan seperti ini termasuk dalam golongan non-computable problem dalam arti tidak dapat diselesaikan pada komputer klasik dalam waktu polinomial yang bergantung pada jumlah bit. N, mewakili tugas. Jika kita berbicara tentang memfaktorkan suatu bilangan menjadi faktor prima, maka seiring bertambahnya jumlah bit, waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan masalah meningkat secara eksponensial, bukan polinomial.

Ke depan, kami mencatat bahwa komputasi kuantum dikaitkan dengan prospek penyelesaian masalah NP-complete dalam waktu polinomial.

Fisika kuantum

Tentu saja, fisika kuantum terkait erat dengan apa yang disebut sebagai dasar unsur komputer modern. Namun, ketika berbicara tentang komputer kuantum, mustahil untuk tidak menyebutkan beberapa istilah spesifik fisika kuantum. Kami memahami bahwa tidak semua orang pernah mempelajari volume ketiga “Fisika Teoritis” yang legendaris oleh L.D. Landau dan E.M. Lifshitz, dan bagi banyak orang, konsep seperti fungsi gelombang dan persamaan Schrödinger adalah sesuatu yang berasal dari dunia lain. Adapun peralatan matematika khusus mekanika kuantum, ini adalah rumus padat dan kata-kata yang tidak jelas. Oleh karena itu, kami akan mencoba untuk mematuhi tingkat presentasi yang dapat diakses secara umum, menghindari, jika mungkin, analisis tensor dan mekanika kuantum spesifik lainnya.

Bagi sebagian besar orang, mekanika kuantum berada di luar pemahaman. Intinya bukan pada peralatan matematika yang kompleks, tetapi pada kenyataan bahwa hukum mekanika kuantum tidak logis dan tidak memiliki asosiasi bawah sadar - tidak mungkin untuk dibayangkan. Namun, analisis ketidaklogisan mekanika kuantum dan kelahiran paradoks logika harmonis dari ketidaklogisan ini adalah tugas para filsuf; kita akan menyentuh aspek mekanika kuantum hanya sejauh yang diperlukan untuk memahami esensi komputasi kuantum.

Sejarah fisika kuantum dimulai pada 14 Desember 1900. Pada hari inilah fisikawan Jerman dan calon peraih Nobel Max Planck melaporkan pada pertemuan Masyarakat Fisika Berlin tentang penemuan mendasar sifat kuantum radiasi termal. Ini adalah bagaimana konsep energi kuantum muncul dalam fisika, dan di antara konstanta fundamental lainnya, konstanta Planck.

Penemuan Planck dan teori efek fotolistrik Albert Einstein, yang kemudian muncul pada tahun 1905, serta penciptaan teori kuantum spektrum atom pertama pada tahun 1913 oleh Niels Bohr merangsang penciptaan dan perkembangan pesat lebih lanjut dari teori kuantum dan studi eksperimental kuantum. fenomena.

Sudah pada tahun 1926, Erwin Schrödinger merumuskan persamaan gelombangnya yang terkenal, dan Enrico Fermi dan Paul Dirac memperoleh distribusi statistik kuantum untuk gas elektron, dengan mempertimbangkan pengisian keadaan kuantum individu.

Pada tahun 1928, Felix Bloch menganalisis masalah mekanika kuantum pergerakan elektron dalam medan periodik eksternal kisi kristal dan menunjukkan bahwa spektrum energi elektronik dalam padatan kristal memiliki struktur pita. Faktanya, ini adalah awal dari arah baru dalam fisika - teori keadaan padat.

Seluruh abad ke-20 adalah periode perkembangan intensif fisika kuantum dan semua cabang fisika yang nenek moyangnya adalah teori kuantum.

Munculnya komputasi kuantum

Ide penggunaan komputasi kuantum pertama kali diungkapkan oleh ahli matematika Soviet Yu.I. Manin pada tahun 1980 dalam monografinya yang terkenal “Computable and Incomputable”. Benar, minat terhadap karyanya baru muncul dua tahun kemudian, pada tahun 1982, setelah penerbitan artikel tentang topik yang sama oleh fisikawan teoretis Amerika, peraih Nobel Richard Feynman. Dia mencatat bahwa operasi mekanika kuantum tertentu tidak dapat ditransfer secara tepat ke komputer klasik. Pengamatan ini membuatnya percaya bahwa penghitungan seperti itu bisa lebih efisien jika dilakukan menggunakan operasi kuantum.

Perhatikan, misalnya, masalah mekanika kuantum mengenai perubahan keadaan sistem kuantum yang terdiri dari N berputar dalam jangka waktu tertentu. Tanpa mempelajari rincian peralatan matematika teori kuantum, kami mencatat keadaan umum sistem dari N putaran digambarkan oleh sebuah vektor dalam ruang kompleks berdimensi 2n, dan perubahan keadaannya dijelaskan oleh matriks kesatuan berukuran 2nx2n. Jika jangka waktu yang dipertimbangkan sangat singkat, maka matriksnya disusun dengan sangat sederhana dan setiap elemennya mudah dihitung, dengan mengetahui interaksi antar spin. Jika Anda ingin mengetahui perubahan keadaan sistem dalam jangka waktu yang lama, maka Anda perlu mengalikan matriks tersebut, dan ini memerlukan sejumlah besar operasi secara eksponensial. Sekali lagi kita dihadapkan pada masalah PN-lengkap, yang tidak dapat diselesaikan dalam waktu polinomial pada komputer klasik. Saat ini tidak ada cara untuk menyederhanakan perhitungan ini, dan kemungkinan besar simulasi mekanika kuantum adalah masalah matematika yang sangat sulit secara eksponensial. Tetapi jika komputer klasik tidak mampu memecahkan masalah kuantum, mungkin disarankan untuk menggunakan sistem kuantum itu sendiri untuk tujuan ini? Dan jika hal ini memang memungkinkan, apakah sistem kuantum cocok untuk memecahkan masalah komputasi lainnya? Pertanyaan serupa juga dipertimbangkan oleh Feynman dan Manin.

Sudah pada tahun 1985, David Deutsch mengusulkan model matematika spesifik dari mesin kuantum.

Namun, hingga pertengahan tahun 90an, bidang komputasi kuantum berkembang agak lamban. Implementasi praktis komputer kuantum terbukti sangat sulit. Selain itu, komunitas ilmiah pesimistis terhadap fakta bahwa operasi kuantum dapat mempercepat penyelesaian masalah komputasi tertentu. Hal ini berlanjut hingga tahun 1994, ketika matematikawan Amerika Peter Shor mengusulkan algoritma dekomposisi untuk komputer kuantum N-digit bilangan menjadi faktor prima dalam polinomial waktu bergantung pada N(algoritma faktorisasi kuantum). Algoritma faktorisasi kuantum Shor menjadi salah satu faktor utama yang menyebabkan berkembangnya metode komputasi kuantum secara intensif dan munculnya algoritma yang memungkinkan penyelesaian beberapa masalah NP.

Tentu saja, muncul pertanyaan: mengapa sebenarnya algoritma faktorisasi kuantum yang diusulkan oleh Shor menimbulkan konsekuensi seperti itu? Faktanya adalah bahwa masalah penguraian suatu bilangan menjadi faktor prima berhubungan langsung dengan kriptografi, khususnya dengan sistem enkripsi RSA yang populer. Dengan mampu memfaktorkan suatu bilangan menjadi faktor prima dalam waktu polinomial, komputer kuantum secara teoritis dapat mendekripsi pesan yang dikodekan menggunakan banyak algoritma kriptografi populer, seperti RSA. Sampai saat ini, algoritma ini dianggap relatif dapat diandalkan, karena cara yang efisien untuk memfaktorkan bilangan menjadi faktor prima untuk komputer klasik saat ini belum diketahui. Shor datang dengan algoritma kuantum yang memungkinkan Anda memfaktorkan N-nomor digital untuk N 3 (catatan N) k langkah ( k=konstanta). Tentu saja, penerapan praktis dari algoritme semacam itu dapat menimbulkan lebih banyak konsekuensi negatif daripada positif, karena memungkinkan untuk memilih kunci sandi, memalsukan tanda tangan elektronik, dll. Namun, implementasi praktis dari komputer kuantum yang sebenarnya masih jauh, dan oleh karena itu selama sepuluh tahun ke depan tidak ada kekhawatiran bahwa kode dapat dipecahkan menggunakan komputer kuantum.

Ide komputasi kuantum

Jadi, setelah penjelasan singkat tentang sejarah komputasi kuantum, kita dapat melanjutkan untuk mempertimbangkan esensinya. Ide (tetapi bukan implementasinya) komputasi kuantum cukup sederhana dan menarik. Tetapi bahkan untuk memahaminya secara dangkal, kita perlu mengenal beberapa konsep spesifik fisika kuantum.

Sebelum mempertimbangkan konsep kuantum umum tentang vektor keadaan dan prinsip superposisi, mari kita perhatikan contoh sederhana foton terpolarisasi. Foton terpolarisasi adalah contoh sistem kuantum dua tingkat. Keadaan polarisasi foton dapat ditentukan oleh vektor keadaan yang menentukan arah polarisasi. Polarisasi foton dapat diarahkan ke atas atau ke bawah, sehingga disebut dua keadaan utama atau dasar, yang dilambangkan sebagai |1 dan |0.

Notasi ini (notasi bra/cat) diperkenalkan oleh Dirac dan memiliki definisi matematis yang ketat (vektor keadaan dasar), yang menentukan aturan untuk bekerja dengannya, namun, agar tidak mempelajari hutan matematika, kami tidak akan mempertimbangkan ini kehalusan secara detail.

Kembali ke foton terpolarisasi, kita mencatat bahwa sebagai keadaan dasar kita tidak hanya dapat memilih arah horizontal dan vertikal, tetapi juga arah polarisasi yang saling ortogonal. Arti dari keadaan dasar adalah bahwa setiap polarisasi sembarang dapat dinyatakan sebagai kombinasi linier dari keadaan dasar, yaitu a|1+b|0. Karena kita hanya tertarik pada arah polarisasi (besarnya polarisasi tidak penting), vektor keadaan dapat dianggap satuan, yaitu |a| 2 +|b| 2 = 1.

Sekarang mari kita menggeneralisasi contoh polarisasi foton ke sistem kuantum dua tingkat mana pun.

Misalkan kita mempunyai sistem kuantum dua tingkat sembarang, yang dicirikan oleh keadaan ortogonal dasar |1 dan |0. Menurut hukum (postulat) mekanika kuantum (prinsip superposisi), kemungkinan keadaan sistem kuantum juga akan berupa superposisi y = a|1+b|0, dengan a dan b adalah bilangan kompleks yang disebut amplitudo. Perhatikan bahwa tidak ada analogi keadaan superposisi dalam fisika klasik.

Salah satu postulat dasar mekanika kuantum menyatakan bahwa untuk mengukur keadaan sistem kuantum, sistem tersebut harus dimusnahkan. Artinya, setiap proses pengukuran dalam fisika kuantum melanggar keadaan awal sistem dan memindahkannya ke keadaan baru. Memahami pernyataan ini tidaklah mudah, oleh karena itu mari kita membahasnya lebih terinci.

Secara umum, konsep pengukuran dalam fisika kuantum memainkan peran khusus dan tidak boleh dianggap sebagai pengukuran dalam pengertian klasik. Pengukuran sistem kuantum terjadi setiap kali ia berinteraksi dengan objek “klasik”, yaitu objek yang mematuhi hukum fisika klasik. Sebagai hasil dari interaksi tersebut, keadaan sistem kuantum berubah, dan sifat serta besarnya perubahan ini bergantung pada keadaan sistem kuantum dan oleh karena itu dapat menjadi karakteristik kuantitatifnya.

Dalam hal ini, objek klasik biasanya disebut perangkat, dan proses interaksinya dengan sistem kuantum disebut sebagai pengukuran. Harus ditekankan bahwa ini sama sekali tidak berarti proses pengukuran yang melibatkan pengamat. Yang kami maksud dengan pengukuran dalam fisika kuantum adalah setiap proses interaksi antara objek klasik dan kuantum yang terjadi sebagai tambahan dan terlepas dari pengamat mana pun. Klarifikasi peran pengukuran dalam fisika kuantum dilakukan oleh Niels Bohr.

Jadi, untuk mengukur sistem kuantum, perlu dilakukan tindakan dengan objek klasik, setelah itu keadaan aslinya akan terganggu. Selain itu, dapat dikatakan bahwa sebagai hasil pengukuran, sistem kuantum akan berpindah ke salah satu keadaan dasarnya. Misalnya, untuk mengukur sistem kuantum dua tingkat, setidaknya diperlukan objek klasik dua tingkat, yaitu objek klasik yang dapat mengambil dua kemungkinan nilai: 0 dan 1. Selama proses pengukuran, keadaan kuantum sistem akan diubah menjadi salah satu vektor basis, dan jika objek klasik bernilai 0, maka objek kuantum diubah menjadi keadaan |0, dan jika objek klasik bernilai 1, maka objek kuantum ditransformasikan ke keadaan |1.

Jadi, meskipun sistem dua tingkat kuantum dapat berada dalam keadaan superposisi yang jumlahnya tak terhingga, sebagai hasil pengukuran, sistem tersebut hanya memerlukan satu dari dua kemungkinan keadaan dasar. Modulus amplitudo kuadrat |a| 2 menentukan probabilitas mendeteksi (mengukur) sistem dalam keadaan dasar |1, dan kuadrat modul amplitudo |b| 2 - dalam keadaan dasar |0.

Namun, mari kita kembali ke contoh kita dengan foton terpolarisasi. Untuk mengukur keadaan foton (polarisasinya), kita memerlukan perangkat klasik dengan basis klasik (1,0). Maka keadaan polarisasi foton a|1+b|0 akan didefinisikan sebagai 1 (polarisasi horizontal) dengan probabilitas |a| 2 dan sebagai 0 (polarisasi vertikal) dengan probabilitas |b| 2.

Karena pengukuran sistem kuantum membawanya ke salah satu keadaan dasar dan, oleh karena itu, menghancurkan superposisi (misalnya, selama pengukuran diperoleh nilai yang sama dengan |1), ini berarti bahwa sebagai hasil pengukuran, sistem kuantum hilang. ke keadaan kuantum baru dan pada pengukuran berikutnya kita memperoleh nilai |1 dengan probabilitas 100%.

Vektor keadaan sistem kuantum dua tingkat juga disebut fungsi gelombang keadaan kuantum y dari sistem dua tingkat, atau, dalam interpretasi komputasi kuantum, qubit (bit kuantum, qubit). Berbeda dengan bit klasik, yang hanya dapat mengambil dua nilai logika, qubit adalah objek kuantum, dan jumlah statusnya yang ditentukan oleh superposisi tidak terbatas. Namun, kami tekankan sekali lagi bahwa hasil pengukuran sebuah qubit selalu mengarahkan kita pada salah satu dari dua kemungkinan nilai.

Sekarang perhatikan sistem dua qubit. Mengukur masing-masing qubit dapat memberikan nilai objek klasik 0 atau 1. Oleh karena itu, sistem dua qubit memiliki empat keadaan klasik: 00, 01, 10 dan 11. Analoginya adalah keadaan kuantum dasar: |00, |01, |10 dan |11. Vektor keadaan kuantum yang sesuai ditulis sebagai A|00+B|01+ C|10+ D|11, dimana | A| 2 - probabilitas selama pengukuran memperoleh nilai 00, | B| 2 - kemungkinan mendapatkan nilai 01, dst.

Secara umum, jika sistem kuantum terdiri dari L qubit, maka memiliki 2 L kemungkinan keadaan klasik, yang masing-masing dapat diukur dengan probabilitas tertentu. Fungsi keadaan sistem kuantum tersebut akan ditulis sebagai:

dimana | N- keadaan kuantum dasar (misalnya, keadaan |001101, dan | CN| 2 - probabilitas berada dalam keadaan dasar | N.

Untuk mengubah keadaan superposisi sistem kuantum, perlu diterapkan pengaruh eksternal selektif pada setiap qubit. Dari sudut pandang matematika, transformasi tersebut diwakili oleh matriks kesatuan berukuran 2 L x2 L. Hasilnya, keadaan superposisi kuantum baru akan diperoleh.

Struktur komputer kuantum

Transformasi yang kami pertimbangkan dari keadaan superposisi sistem kuantum yang terdiri dari L qubit pada dasarnya adalah model komputer kuantum. Misalnya, contoh penerapan komputasi kuantum yang lebih sederhana. Misalkan kita mempunyai sistem L qubit, yang masing-masing idealnya terisolasi dari dunia luar. Pada setiap saat, kita dapat memilih dua qubit secara sembarang dan menindaklanjutinya dengan matriks kesatuan berukuran 4x4. Urutan pengaruh tersebut adalah semacam program untuk komputer kuantum.

Untuk menggunakan rangkaian kuantum untuk komputasi, Anda harus mampu memasukkan data masukan, melakukan penghitungan, dan membaca hasilnya. Oleh karena itu, diagram sirkuit komputer kuantum mana pun (lihat gambar) harus mencakup blok fungsional berikut: register kuantum untuk input data, prosesor kuantum untuk konversi data, dan perangkat untuk membaca data.

Register kuantum adalah kumpulan bilangan tertentu L qubit Sebelum memasukkan informasi ke dalam komputer, semua qubit register kuantum harus dibawa ke keadaan dasar |0. Operasi ini disebut persiapan, atau inisialisasi. Selanjutnya, qubit tertentu (tidak semua) dikenai pengaruh eksternal selektif (misalnya, menggunakan pulsa medan elektromagnetik eksternal yang dikendalikan oleh komputer klasik), yang mengubah nilai qubit, yaitu beralih dari status |0 ke menyatakan |1. Dalam hal ini, keadaan seluruh register kuantum akan menjadi superposisi keadaan dasar | N s, yaitu keadaan register kuantum pada saat awal akan ditentukan oleh fungsi:

Jelas bahwa keadaan superposisi ini dapat digunakan untuk representasi biner suatu bilangan N.

Dalam prosesor kuantum, data masukan dikenai serangkaian operasi logika kuantum, yang, dari sudut pandang matematika, dijelaskan oleh transformasi kesatuan yang bekerja pada keadaan seluruh register. Akibatnya, setelah sejumlah siklus prosesor kuantum tertentu, keadaan kuantum awal sistem menjadi superposisi baru dalam bentuk:

Berbicara tentang prosesor kuantum, kita perlu membuat satu catatan penting. Ternyata untuk membuat perhitungan apa pun, hanya dua operasi logis Boolean dasar yang cukup. Dengan menggunakan operasi kuantum dasar, dimungkinkan untuk meniru pengoperasian gerbang logika biasa yang digunakan untuk membuat komputer. Karena hukum fisika kuantum pada tingkat mikroskopis bersifat linier dan dapat dibalik, perangkat logika kuantum terkait yang melakukan operasi dengan keadaan kuantum masing-masing qubit (gerbang kuantum) ternyata dapat dibalik secara logis dan termodinamika. Gerbang kuantum mirip dengan gerbang klasik reversibel, tetapi, tidak seperti gerbang tersebut, gerbang kuantum mampu melakukan operasi kesatuan pada superposisi keadaan. Implementasi operasi logika kesatuan pada qubit seharusnya dilakukan dengan menggunakan pengaruh eksternal yang sesuai yang dikendalikan oleh komputer klasik.

Struktur skema komputer kuantum

Setelah implementasi transformasi pada komputer kuantum, fungsi superposisi baru merupakan hasil perhitungan pada prosesor kuantum. Yang tersisa hanyalah menghitung nilai yang diperoleh, yang dengannya nilai sistem kuantum diukur. Hasilnya, barisan nol dan satu terbentuk, dan karena sifat pengukuran yang probabilistik, bisa berupa apa saja. Jadi, komputer kuantum dapat memberikan jawaban apa pun dengan probabilitas tertentu. Dalam hal ini, skema perhitungan kuantum dianggap benar jika jawaban yang benar diperoleh dengan probabilitas yang cukup mendekati kesatuan. Dengan mengulangi penghitungan beberapa kali dan memilih jawaban yang paling sering muncul, Anda dapat mengurangi kemungkinan kesalahan hingga jumlah yang sangat kecil.

Untuk memahami perbedaan komputer klasik dan kuantum dalam pengoperasiannya, mari kita ingat apa yang disimpan komputer klasik dalam memori L bit yang berubah selama setiap siklus prosesor. Dalam komputer kuantum, memori (register negara) menyimpan nilai L qubit, namun sistem kuantum berada dalam keadaan yang merupakan superposisi dari semua basis 2 L keadaan, dan perubahan keadaan kuantum sistem yang dihasilkan oleh prosesor kuantum mempengaruhi semua 2 L keadaan dasar secara bersamaan. Oleh karena itu, dalam komputer kuantum, daya komputasi dicapai melalui penerapan perhitungan paralel, dan secara teoritis, komputer kuantum dapat bekerja secara eksponensial lebih cepat daripada sirkuit klasik.

Dipercaya bahwa untuk mengimplementasikan komputer kuantum skala penuh, yang kinerjanya lebih unggul daripada komputer klasik mana pun, apa pun prinsip fisik yang digunakannya, persyaratan dasar berikut harus dipenuhi:

• sistem fisik yang merupakan komputer kuantum skala penuh harus berisi jumlah yang cukup besar L>103 qubit yang terlihat jelas untuk melakukan operasi kuantum yang relevan;
• perlu untuk memastikan penekanan maksimum terhadap efek penghancuran superposisi keadaan kuantum yang disebabkan oleh interaksi sistem qubit dengan lingkungan, akibatnya pelaksanaan algoritma kuantum menjadi tidak mungkin. Waktu penghancuran superposisi keadaan kuantum (waktu dekoherensi) harus setidaknya 104 kali lebih besar dari waktu yang diperlukan untuk melakukan operasi kuantum dasar (waktu siklus). Untuk melakukan hal ini, sistem qubit harus dipasangkan secara longgar dengan lingkungannya;
• perlu untuk memastikan pengukuran dengan keandalan yang cukup tinggi dari keadaan sistem kuantum pada keluaran. Mengukur keadaan kuantum akhir adalah salah satu tantangan utama komputasi kuantum.

Aplikasi praktis komputer kuantum

Untuk penggunaan praktis, belum ada satu pun komputer kuantum yang dapat memenuhi semua kondisi di atas. Namun, di banyak negara maju, perhatian diberikan pada pengembangan komputer kuantum dan puluhan juta dolar diinvestasikan setiap tahunnya untuk program semacam itu.

Saat ini, komputer kuantum terbesar hanya terdiri dari tujuh qubit. Ini cukup untuk mengimplementasikan algoritma Shor dan memfaktorkan bilangan 15 menjadi faktor prima dari 3 dan 5.

Jika kita berbicara tentang kemungkinan model komputer kuantum, maka pada prinsipnya ada cukup banyak modelnya. Komputer kuantum pertama yang diciptakan dalam praktiknya adalah spektrometer resonansi magnetik nuklir (NMR) resolusi tinggi, meskipun tentu saja tidak dianggap sebagai komputer kuantum. Baru ketika konsep komputer kuantum muncul, para ilmuwan menyadari bahwa spektrometer NMR adalah varian dari komputer kuantum.

Dalam spektrometer NMR, putaran inti molekul yang diteliti membentuk qubit. Setiap inti memiliki frekuensi resonansinya sendiri dalam medan magnet tertentu. Ketika sebuah inti terkena pulsa pada frekuensi resonansinya, ia mulai berevolusi, sedangkan inti lainnya tidak mengalami dampak apa pun. Untuk memaksa inti lain berevolusi, Anda perlu mengambil frekuensi resonansi yang berbeda dan memberikan impuls padanya. Jadi, aksi berdenyut pada inti pada frekuensi resonansi mewakili efek selektif pada qubit. Selain itu, molekul tersebut memiliki hubungan langsung antar putaran, sehingga merupakan persiapan ideal untuk komputer kuantum, dan spektrometer itu sendiri adalah prosesor kuantum.

Eksperimen pertama pada putaran inti dua atom hidrogen dalam molekul 2,3-dibromotiofena SCH:(CBr) 2:CH dan pada tiga putaran inti - satu pada atom hidrogen H dan dua pada isotop karbon 13 C dalam molekul trikloretilen CCl 2:CHCl - dipentaskan pada tahun 1997 di Oxford (Inggris).

Dalam kasus penggunaan spektrometer NMR, penting bahwa untuk mempengaruhi secara selektif putaran inti suatu molekul, frekuensi resonansinya harus sangat berbeda. Kemudian, operasi kuantum dilakukan pada spektrometer NMR dengan jumlah qubit 3, 5, 6 dan 7.

Keuntungan utama spektrometer NMR adalah dapat menggunakan sejumlah besar molekul identik. Selain itu, setiap molekul (lebih tepatnya, inti atom penyusunnya) adalah sistem kuantum. Urutan pulsa frekuensi radio, yang bertindak sebagai gerbang logika kuantum tertentu, melakukan transformasi kesatuan keadaan putaran nuklir yang sesuai secara bersamaan untuk semua molekul. Artinya, pengaruh selektif pada qubit individu digantikan oleh akses simultan ke qubit yang sesuai di semua molekul dalam ansambel besar. Komputer semacam ini disebut komputer kuantum ansambel massal. Komputer semacam itu dapat beroperasi pada suhu kamar, dan waktu dekoherensi keadaan kuantum putaran nuklir adalah beberapa detik.

Di bidang NMR komputer kuantum pada cairan organik, kemajuan terbesar telah dicapai hingga saat ini. Hal ini terutama disebabkan oleh teknik spektroskopi NMR berdenyut yang berkembang dengan baik, yang memungkinkan dilakukannya berbagai operasi pada superposisi koheren keadaan putaran nuklir, dan kemungkinan penggunaan spektrometer NMR standar yang beroperasi pada suhu kamar untuk tujuan ini.

Keterbatasan utama komputer kuantum NMR adalah sulitnya menginisialisasi keadaan awal dalam register kuantum. Faktanya adalah bahwa dalam kumpulan besar molekul, keadaan awal qubit berbeda, yang mempersulit membawa sistem ke keadaan awal.

Keterbatasan lain dari komputer kuantum NMR adalah karena fakta bahwa sinyal yang diukur pada keluaran sistem berkurang secara eksponensial dengan bertambahnya jumlah qubit. L. Selain itu, jumlah qubit inti dalam satu molekul dengan frekuensi resonansi yang sangat bervariasi juga terbatas. Hal ini mengarah pada fakta bahwa komputer kuantum NMR tidak boleh memiliki lebih dari sepuluh qubit. Mereka harus dianggap hanya sebagai prototipe komputer kuantum masa depan, berguna untuk menguji prinsip-prinsip komputasi kuantum dan menguji algoritma kuantum.

Versi lain dari komputer kuantum didasarkan pada penggunaan perangkap ion, ketika peran qubit adalah tingkat energi ion yang ditangkap oleh perangkap ion, yang dibuat dalam ruang hampa oleh konfigurasi medan listrik tertentu dalam kondisi pendinginan laser. pada suhu yang sangat rendah. Prototipe pertama komputer kuantum berdasarkan prinsip ini diusulkan pada tahun 1995. Keuntungan dari pendekatan ini adalah relatif mudah untuk mengontrol masing-masing qubit secara individual. Kerugian utama dari komputer kuantum jenis ini adalah kebutuhan untuk menciptakan suhu yang sangat rendah, memastikan stabilitas keadaan ion dalam rantai, dan jumlah qubit yang terbatas - tidak lebih dari 40.

Skema lain untuk komputer kuantum juga dimungkinkan, yang saat ini sedang dikembangkan. Namun, dibutuhkan setidaknya sepuluh tahun lagi sebelum komputer kuantum yang sebenarnya akhirnya tercipta.

Komputasi kuantum, setidaknya secara teori, telah dibicarakan selama beberapa dekade. Jenis mesin modern, yang menggunakan mekanika non-klasik untuk memproses data dalam jumlah yang tidak terbayangkan, telah menjadi terobosan besar. Menurut pengembangnya, penerapannya mungkin merupakan teknologi paling kompleks yang pernah dibuat. Pemroses kuantum beroperasi pada tingkat materi yang baru dipelajari umat manusia sekitar 100 tahun yang lalu. Potensi komputasi seperti itu sangat besar. Penggunaan sifat aneh kuanta akan mempercepat penghitungan, sehingga banyak masalah yang saat ini berada di luar kemampuan komputer klasik akan terpecahkan. Dan tidak hanya di bidang kimia dan ilmu material. Wall Street juga tertarik.

Berinvestasi di masa depan

CME Group telah berinvestasi di 1QB Information Technologies Inc. yang berbasis di Vancouver, yang mengembangkan perangkat lunak untuk prosesor kuantum. Komputasi seperti ini kemungkinan besar akan memiliki dampak terbesar pada industri yang menangani data sensitif terhadap waktu dalam jumlah besar, kata para investor. Contoh konsumen tersebut adalah lembaga keuangan. Goldman Sachs berinvestasi di D-Wave Systems, dan In-Q-Tel didanai oleh CIA. Yang pertama menghasilkan mesin yang melakukan apa yang disebut “anil kuantum,” yaitu memecahkan masalah optimasi tingkat rendah menggunakan prosesor kuantum. Intel juga berinvestasi dalam teknologi ini, meskipun penerapannya dianggap sebagai masalah masa depan.

Mengapa hal ini perlu?

Alasan komputasi kuantum begitu menarik adalah karena kombinasi sempurna dengan pembelajaran mesin. Saat ini merupakan aplikasi utama untuk perhitungan tersebut. Bagian dari ide komputer kuantum adalah menggunakan perangkat fisik untuk menemukan solusi. Terkadang konsep ini dijelaskan dengan menggunakan contoh permainan Angry Birds. Untuk mensimulasikan gravitasi dan interaksi benda yang bertabrakan, CPU tablet menggunakan persamaan matematika. Prosesor kuantum mengubah pendekatan ini. Mereka "melempar" beberapa burung dan melihat apa yang terjadi. Burung direkam di microchip, dilempar, lintasan optimalnya bagaimana? Kemudian semua solusi yang mungkin, atau setidaknya kombinasi yang sangat besar dari solusi-solusi tersebut, diuji dan sebuah jawaban dikembalikan. Dalam komputer kuantum tidak ada ahli matematika, yang berlaku adalah hukum fisika.

Bagaimana cara kerjanya?

Bahan penyusun dasar dunia kita adalah mekanika kuantum. Jika Anda melihat molekul, alasan mengapa mereka terbentuk dan tetap stabil adalah interaksi orbital elektronnya. Semua perhitungan mekanika kuantum terkandung di dalamnya masing-masing. Jumlahnya bertambah secara eksponensial seiring dengan jumlah elektron yang disimulasikan. Misalnya, untuk 50 elektron, terdapat opsi pangkat 2 hingga 50. Ini fenomenal, sehingga mustahil menghitungnya saat ini. Menghubungkan teori informasi dengan fisika dapat menunjukkan jalan untuk memecahkan masalah tersebut. Komputer 50-qubit dapat melakukan ini.

Fajar era baru

Menurut Landon Downs, presiden dan salah satu pendiri 1QBit, prosesor kuantum adalah kemampuan untuk memanfaatkan kekuatan komputasi dunia subatom, yang memiliki implikasi besar dalam memperoleh bahan baru atau membuat obat baru. Ada transisi dari paradigma penemuan ke era desain baru. Misalnya, komputasi kuantum dapat digunakan untuk memodelkan katalis yang menghilangkan karbon dan nitrogen dari atmosfer sehingga membantu menghentikan pemanasan global.

Di garis depan kemajuan

Komunitas pengembangan teknologi sangat bersemangat dan aktif. Tim di seluruh dunia yang berasal dari perusahaan rintisan, perusahaan, universitas, dan laboratorium pemerintah berlomba untuk membangun mesin yang menggunakan pendekatan berbeda untuk memproses informasi kuantum. Chip qubit superkonduktor dan qubit ion yang terperangkap telah diciptakan oleh para peneliti dari Universitas Maryland dan Institut Standar dan Teknologi Nasional AS. Microsoft sedang mengembangkan pendekatan topologi yang disebut Station Q, yang bertujuan untuk mengeksploitasi anion non-Abelian yang belum terbukti keberadaannya secara meyakinkan.

Tahun kemungkinan terjadinya terobosan

Dan ini baru permulaan. Pada akhir Mei 2017, jumlah prosesor kuantum yang jelas melakukan sesuatu lebih cepat atau lebih baik daripada komputer klasik adalah nol. Peristiwa seperti itu akan membentuk “supremasi kuantum”, namun hal ini belum terjadi. Meski kemungkinan besar hal tersebut bisa terjadi tahun ini. Kebanyakan orang dalam mengatakan bahwa favoritnya adalah tim Google yang dipimpin oleh profesor fisika UC Santa Barbara, John Martini. Tujuannya adalah untuk mencapai keunggulan komputasi menggunakan prosesor 49-qubit. Pada akhir Mei 2017, tim telah berhasil menguji chip 22-qubit sebagai langkah perantara menuju pembongkaran superkomputer klasik.

Dari mana semuanya dimulai?

Ide menggunakan mekanika kuantum untuk memproses informasi telah ada selama beberapa dekade. Salah satu peristiwa penting terjadi pada tahun 1981, ketika IBM dan MIT bersama-sama menyelenggarakan konferensi tentang fisika komputasi. Fisikawan terkenal mengusulkan pembuatan komputer kuantum. Menurutnya, mekanika kuantum sebaiknya digunakan untuk pemodelan. Dan ini merupakan tugas besar karena tampaknya tidak mudah. Prinsip operasi prosesor kuantum didasarkan pada beberapa sifat aneh atom – superposisi dan belitan. Sebuah partikel dapat berada dalam dua keadaan pada saat yang bersamaan. Namun bila diukur, hanya akan muncul pada salah satu saja. Dan tidak mungkin memprediksi yang mana, kecuali dari sudut pandang teori probabilitas. Efek ini menjadi dasar eksperimen pemikiran kucing Schrödinger, yang hidup dan mati di dalam kotak hingga seorang pengamat mengintip. Tidak ada sesuatu pun dalam kehidupan sehari-hari yang berjalan seperti ini. Namun, sekitar 1 juta percobaan yang dilakukan sejak awal abad ke-20 menunjukkan bahwa superposisi memang ada. Dan langkah selanjutnya adalah mencari tahu bagaimana menggunakan konsep ini.

Prosesor kuantum: deskripsi pekerjaan

Bit klasik dapat mengambil nilai 0 atau 1. Jika Anda meneruskan stringnya melalui “gerbang logis” (DAN, ATAU, BUKAN, dll.), Anda dapat mengalikan angka, menggambar, dll. Sebuah qubit dapat mengambil nilai 0, 1 atau keduanya secara bersamaan. Jika, katakanlah, 2 qubit terjerat, maka ini membuat keduanya berkorelasi sempurna. Prosesor kuantum dapat menggunakan gerbang logika. Tn. Gerbang Hadamard, misalnya, menempatkan qubit dalam keadaan superposisi sempurna. Ketika superposisi dan keterjeratan digabungkan dengan gerbang kuantum yang ditempatkan secara cerdik, potensi komputasi subatomik mulai terungkap. 2 qubit memungkinkan Anda menjelajahi 4 status: 00, 01, 10, dan 11. Prinsip pengoperasian prosesor kuantum sedemikian rupa sehingga melakukan operasi logis memungkinkan untuk bekerja dengan semua posisi sekaligus. Dan jumlah status yang tersedia adalah 2 pangkat jumlah qubit. Jadi, jika Anda membuat komputer kuantum universal 50-qubit, secara teoritis Anda dapat menjelajahi 1,125 kuadriliun kombinasi sekaligus.

orang-orang Kudit

Prosesor kuantum di Rusia dipandang agak berbeda. Para ilmuwan dari MIPT dan Pusat Kuantum Rusia telah menciptakan “qudits”, yang merupakan beberapa qubit “virtual” dengan tingkat “energi” berbeda.

Amplitudo

Keunggulan prosesor kuantum adalah mekanika kuantum didasarkan pada amplitudo. Amplitudo mirip dengan probabilitas, tetapi bisa juga berupa bilangan negatif dan kompleks. Jadi, jika Anda perlu menghitung probabilitas suatu peristiwa, Anda dapat menjumlahkan amplitudo dari semua opsi yang memungkinkan untuk perkembangannya. Ide di balik komputasi kuantum adalah untuk mencoba menyesuaikannya sehingga beberapa jalur menuju jawaban yang salah memiliki amplitudo positif dan beberapa jalur lainnya memiliki amplitudo negatif, sehingga keduanya saling meniadakan. Dan jalur menuju jawaban yang benar akan memiliki amplitudo yang sefase satu sama lain. Caranya adalah dengan mengatur segala sesuatunya tanpa mengetahui terlebih dahulu mana jawaban yang benar. Jadi sifat eksponensial dari keadaan kuantum, dikombinasikan dengan potensi interferensi antara amplitudo positif dan negatif, merupakan keuntungan dari jenis perhitungan ini.

Algoritma Shor

Ada banyak masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer. Misalnya enkripsi. Masalahnya adalah tidak mudah mencari faktor prima dari bilangan 200 digit. Sekalipun laptop Anda menjalankan perangkat lunak hebat, Anda mungkin harus menunggu bertahun-tahun untuk menemukan jawabannya. Jadi tonggak sejarah lain dalam komputasi kuantum adalah algoritma yang diterbitkan pada tahun 1994 oleh Peter Shore, yang sekarang menjadi profesor matematika di MIT. Metodenya adalah mencari faktor bilangan besar menggunakan komputer kuantum yang belum ada. Pada dasarnya, algoritme melakukan operasi yang menunjuk ke area dengan jawaban yang benar. Tahun berikutnya, Shor menemukan metode koreksi kesalahan kuantum. Kemudian banyak yang menyadari bahwa ini adalah cara komputasi alternatif, yang dalam beberapa kasus bisa lebih bertenaga. Kemudian ada lonjakan minat fisikawan terhadap penciptaan qubit dan gerbang logika di antara keduanya. Dan sekarang, dua dekade kemudian, umat manusia berada di ambang penciptaan komputer kuantum yang lengkap.

Umat ​​​​manusia, seperti 60 tahun lalu, kembali berada di ambang terobosan besar di bidang teknologi komputasi. Dalam waktu dekat, mesin komputasi saat ini akan digantikan oleh komputer kuantum.

Sejauh mana kemajuan yang dicapai?

Pada tahun 1965, Gordon Moore mengatakan bahwa dalam satu tahun jumlah transistor yang dapat dipasang pada microchip silikon berlipat ganda. Tingkat kemajuan ini telah melambat akhir-akhir ini, dan peningkatan dua kali lipat lebih jarang terjadi – yaitu setiap dua tahun sekali. Bahkan kecepatan ini akan memungkinkan transistor mencapai ukuran atom dalam waktu dekat. Berikutnya adalah garis yang tidak bisa dilintasi. Dari sudut pandang struktur fisik transistor, ia tidak boleh lebih kecil dari besaran atom. Meningkatkan ukuran chip tidak menyelesaikan masalah. Pengoperasian transistor dikaitkan dengan pelepasan energi panas, dan prosesor memerlukan sistem pendingin berkualitas tinggi. Arsitektur multi-core juga tidak menyelesaikan masalah pertumbuhan lebih lanjut. Mencapai puncak perkembangan teknologi prosesor modern akan segera terjadi.
Pengembang mulai memahami masalah ini pada saat pengguna baru mulai memiliki komputer pribadi. Pada tahun 1980, salah satu pendiri ilmu informasi kuantum, profesor Soviet Yuri Manin, merumuskan ide komputasi kuantum. Setahun kemudian, Richard Feyman mengusulkan model komputer pertama dengan prosesor kuantum. Landasan teori tentang bagaimana seharusnya komputer kuantum dirumuskan oleh Paul Benioff.

Cara kerja komputer kuantum

Untuk memahami cara kerja prosesor baru, Anda setidaknya harus memiliki pengetahuan dangkal tentang prinsip mekanika kuantum. Tidak ada gunanya memberikan tata letak dan rumus matematika di sini. Rata-rata orang cukup mengenal tiga ciri khas mekanika kuantum:

• Keadaan atau posisi suatu partikel ditentukan hanya dengan tingkat probabilitas tertentu.
• Jika sebuah partikel dapat memiliki beberapa keadaan, maka partikel tersebut berada dalam semua kemungkinan keadaan sekaligus. Ini adalah prinsip superposisi.
• Proses pengukuran keadaan suatu partikel menyebabkan hilangnya superposisi. Ciri khasnya adalah pengetahuan tentang keadaan partikel yang diperoleh melalui pengukuran berbeda dengan keadaan sebenarnya partikel sebelum pengukuran.

Dari sudut pandang akal sehat, itu benar-benar omong kosong. Dalam dunia kita sehari-hari, prinsip-prinsip ini dapat direpresentasikan sebagai berikut: pintu ruangan tertutup dan sekaligus terbuka. Tertutup dan terbuka pada saat bersamaan.

Inilah perbedaan mencolok antara perhitungan. Prosesor konvensional beroperasi dalam kode biner. Bit komputer hanya dapat berada dalam satu keadaan - memiliki nilai logika 0 atau 1. Komputer kuantum beroperasi dengan qubit, yang dapat memiliki nilai logika 0, 1, 0, dan 1 sekaligus. Untuk memecahkan masalah tertentu, mereka akan memiliki keuntungan jutaan dolar dibandingkan mesin komputasi tradisional. Saat ini sudah ada puluhan deskripsi algoritma kerja. Pemrogram membuat kode program khusus yang dapat bekerja sesuai dengan prinsip perhitungan baru.

Di mana komputer baru akan digunakan?

Pendekatan baru terhadap proses komputasi memungkinkan Anda bekerja dengan data dalam jumlah besar dan melakukan operasi komputasi instan. Dengan munculnya komputer pertama, beberapa orang, termasuk pejabat pemerintah, memiliki keraguan yang besar mengenai penggunaannya dalam perekonomian nasional. Saat ini masih ada orang yang meragukan pentingnya komputer generasi baru. Untuk waktu yang sangat lama, jurnal teknis menolak menerbitkan artikel tentang komputasi kuantum, mengingat hal ini merupakan taktik penipuan yang umum untuk menipu investor.

Metode komputasi baru akan menciptakan prasyarat bagi penemuan ilmiah yang luar biasa di semua industri. Pengobatan akan memecahkan banyak masalah yang bermasalah, yang banyak menumpuk akhir-akhir ini. Mendiagnosis kanker akan menjadi mungkin pada tahap penyakit yang lebih awal dibandingkan sekarang. Industri kimia akan mampu mensintesis produk dengan sifat unik.

Terobosan dalam bidang astronotika tidak akan lama lagi. Penerbangan ke planet lain akan menjadi hal biasa seperti perjalanan sehari-hari keliling kota. Potensi yang melekat dalam komputasi kuantum pasti akan mengubah planet kita hingga tidak dapat dikenali lagi.

Ciri khas lain yang dimiliki komputer kuantum adalah kemampuan komputasi kuantum untuk menemukan kode atau sandi yang diinginkan dengan cepat. Komputer biasa melakukan solusi optimasi matematis secara berurutan, mencoba satu opsi demi satu. Pesaing kuantum bekerja dengan seluruh rangkaian data sekaligus, memilih opsi yang paling sesuai dengan kecepatan kilat dalam waktu yang sangat singkat. Transaksi bank akan didekripsi dalam sekejap mata, yang tidak dapat diakses oleh komputer modern.

Namun, sektor perbankan tidak perlu khawatir - rahasianya akan disimpan melalui metode enkripsi kuantum dengan paradoks pengukuran. Saat Anda mencoba membuka kode, sinyal yang dikirimkan akan terdistorsi. Informasi yang diterima tidak masuk akal. Dinas rahasia, yang menganggap spionase merupakan praktik umum, tertarik pada kemungkinan komputasi kuantum.

Kesulitan desain

Kesulitannya terletak pada menciptakan kondisi di mana bit kuantum dapat tetap berada dalam keadaan superposisi tanpa batas waktu.

Setiap qubit adalah mikroprosesor yang beroperasi berdasarkan prinsip superkonduktivitas dan hukum mekanika kuantum.

Sejumlah kondisi lingkungan unik tercipta di sekitar elemen mikroskopis mesin logika:

• suhu 0,02 derajat Kelvin (-269,98 Celcius);
• sistem perlindungan terhadap radiasi magnet dan listrik (mengurangi dampak faktor-faktor ini hingga 50 ribu kali lipat);
• sistem pembuangan panas dan peredam getaran;
• penghalusan udara 100 miliar kali lebih rendah dari tekanan atmosfer.

Sedikit penyimpangan pada lingkungan menyebabkan qubit kehilangan status superposisinya secara instan, sehingga mengakibatkan kegagalan fungsi.

Di depan seluruh planet ini

Semua hal di atas dapat dikaitkan dengan kreativitas pikiran demam seorang penulis cerita fiksi ilmiah jika Google, bersama dengan NASA, tidak membeli komputer kuantum D-Wave tahun lalu dari sebuah perusahaan riset Kanada, yang prosesornya berisi 512 qubit.

Dengan bantuannya, pemimpin pasar teknologi komputer akan memecahkan masalah pembelajaran mesin dalam menyortir dan menganalisis data dalam jumlah besar.

Snowden, yang meninggalkan Amerika Serikat, juga membuat pernyataan penting yang mengungkapkan bahwa NSA juga berencana mengembangkan komputer kuantumnya sendiri.

2014 - awal era sistem D-Wave

Atlet sukses Kanada Geordie Rose, setelah kesepakatan dengan Google dan NASA, mulai membangun prosesor 1000-qubit. Model masa depan akan melampaui prototipe komersial pertama setidaknya 300 ribu kali lipat dalam kecepatan dan volume perhitungan. Komputer kuantum, yang digambarkan di bawah, adalah versi komersial pertama di dunia dari teknologi komputasi baru yang fundamental.

Dia terdorong untuk terlibat dalam pengembangan ilmiah karena kenalannya di universitas dengan karya Colin Williams tentang komputasi kuantum. Saya harus mengatakan bahwa Williams saat ini bekerja di perusahaan Rose sebagai manajer proyek bisnis.

Terobosan atau tipuan ilmiah

Rose sendiri belum sepenuhnya mengetahui apa itu komputer kuantum. Dalam sepuluh tahun, timnya telah beralih dari menciptakan prosesor 2-qubit menjadi gagasan komersial pertama saat ini.

Sejak awal penelitiannya, Rose berupaya membuat prosesor dengan jumlah qubit minimal 1.000. Dan dia pasti harus memiliki pilihan komersial - untuk menjual dan menghasilkan uang.

Banyak orang, mengetahui obsesi dan kecerdasan komersial Rose, mencoba menuduhnya melakukan pemalsuan. Diduga, prosesor paling biasa dianggap sebagai prosesor kuantum. Hal ini juga difasilitasi oleh fakta bahwa teknologi baru ini menunjukkan kinerja fenomenal saat melakukan jenis perhitungan tertentu. Jika tidak, ia akan berperilaku seperti komputer biasa, hanya saja sangat mahal.

Kapan mereka akan muncul

Tidak perlu menunggu lama. Tim peneliti yang diorganisir oleh pembeli bersama prototipe tersebut akan melaporkan hasil penelitian D-Wave dalam waktu dekat.
Mungkin waktunya akan segera tiba di mana komputer kuantum akan merevolusi pemahaman kita tentang dunia di sekitar kita. Dan seluruh umat manusia saat ini akan mencapai tingkat evolusi yang lebih tinggi.

Ilmu pengetahuan tidak tinggal diam dan, tampaknya, apa yang kemarin dianggap mistisisme kini menjadi kenyataan yang tak terbantahkan. Jadi saat ini, mitos tentang dunia paralel mungkin akan menjadi fakta umum di masa depan. Penelitian di bidang pembuatan komputer kuantum diyakini akan membantu mencapai pernyataan ini. Jepang memimpin; lebih dari 70% penelitian berasal dari negara ini. Inti dari penemuan ini lebih dapat dipahami oleh mereka yang terhubung dengan fisika dalam satu atau lain cara. Namun kebanyakan dari kita lulus dari sekolah menengah atas, di mana buku pelajaran kelas 11 membahas beberapa pertanyaan fisika kuantum.

Dimana semuanya dimulai

Mari kita ingat bahwa permulaannya diletakkan oleh dua penemuan utama, yang penulisnya dianugerahi Hadiah Nobel. Pada tahun 1918, Max Planck menemukan kuantum dan Albert Einstein pada tahun 1921 foton. Ide pembuatan komputer kuantum bermula pada tahun 1980, ketika kebenaran teori kuantum terbukti. Dan ide-ide tersebut baru mulai dipraktikkan pada tahun 1998. Pekerjaan besar-besaran, dan sekaligus cukup efektif, baru dilakukan dalam 10 tahun terakhir.

Prinsip dasarnya jelas, namun seiring berjalannya waktu, semakin banyak masalah yang muncul, penyelesaiannya membutuhkan waktu yang cukup lama, meskipun banyak laboratorium di seluruh dunia yang menangani masalah ini. Persyaratan untuk komputer semacam itu sangat tinggi, karena keakuratan pengukuran harus sangat tinggi dan jumlah pengaruh eksternal harus diminimalkan, yang masing-masing akan mengganggu pengoperasian sistem kuantum.

MENGAPA ANDA MEMBUTUHKAN KOMPUTER KUANTUM?

Berdasarkan apa komputer kuantum?

Setiap orang, pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, memiliki gambaran tentang cara kerja komputer biasa. Maknanya terletak pada penggunaan pengkodean biner, dimana adanya nilai tegangan tertentu dianggap 1, dan tidak adanya 0, dinyatakan sebagai 0 atau 1, dianggap sedikit. Pengoperasian komputer kuantum dikaitkan dengan konsep putaran. Bagi mereka yang membatasi fisika pada pengetahuan sekolah, mereka dapat berdebat tentang keberadaan tiga partikel elementer dan adanya ciri-ciri sederhana di dalamnya, seperti massa dan muatan.

Namun fisikawan terus menambah golongan partikel elementer dan karakteristiknya, salah satunya adalah putaran. Dan arah putaran partikel tertentu dianggap sebagai 1, dan arah sebaliknya dianggap sebagai 0. Hal ini mirip dengan desain transistor. Elemen utama sudah disebut bit kuantum atau qubit. Itu bisa berupa foton, atom, ion, dan inti atom.

Kondisi utama di sini adalah adanya dua keadaan kuantum. Mengubah keadaan bit tertentu di komputer konvensional tidak menyebabkan perubahan pada bit lainnya, tetapi dalam komputer kuantum, mengubah satu bit akan menyebabkan perubahan keadaan partikel lainnya. Perubahan ini dapat dikendalikan, dan bayangkan ada ratusan partikel seperti itu.

Bayangkan saja berapa kali produktivitas mesin seperti itu akan meningkat. Namun penciptaan komputer yang benar-benar baru hanyalah sebuah hipotesis; fisikawan memiliki banyak pekerjaan yang harus dilakukan di bidang mekanika kuantum, yang disebut mekanika banyak partikel. Komputer kuantum mini pertama terdiri dari 16 qubit. Baru-baru ini, komputer yang menggunakan 512 qubit telah dirilis, tetapi komputer tersebut sudah digunakan untuk meningkatkan kecepatan melakukan perhitungan yang rumit. Quipper adalah bahasa yang dirancang khusus untuk mesin tersebut.

Urutan operasi yang dilakukan

Dalam pembuatan komputer generasi baru, ada empat arah, yang berbeda karena bertindak sebagai qubit logis:

1. arah putaran partikel-partikel yang membentuk dasar atom;
2. ada tidaknya pasangan Cooper pada suatu lokasi tertentu dalam ruang;
3. di keadaan manakah elektron terluar berada?
4. keadaan foton yang berbeda.

Sekarang mari kita lihat rangkaian dimana komputer bekerja. Untuk memulainya, kumpulan qubit tertentu diambil dan parameter awalnya dicatat. Transformasi dilakukan dengan menggunakan operasi logika, nilai yang dihasilkan dicatat, yang merupakan hasil yang dikeluarkan oleh komputer. Kabelnya adalah qubit, dan transformasinya terdiri dari blok logis. Prosesor semacam itu diusulkan oleh D. Deutsch, yang pada tahun 1995 mampu membuat rantai yang mampu melakukan perhitungan apa pun pada tingkat kuantum. Namun sistem seperti itu menghasilkan kesalahan kecil, yang dapat sedikit dikurangi dengan meningkatkan jumlah operasi yang terlibat dalam algoritma.

Bagaimana Cara Kerja Komputer Kuantum?

Apa yang telah kita capai?

Sejauh ini, hanya dua jenis komputer kuantum yang telah dikembangkan, namun ilmu pengetahuan tidak tinggal diam. Pengoperasian kedua mesin didasarkan pada fenomena kuantum:

1. berhubungan dengan superkonduktivitas. Jika dilanggar, kuantisasi diamati;
2. berdasarkan pada properti seperti koherensi. Kecepatan kalkulasi komputer tersebut dua kali lipat dibandingkan dengan jumlah qubit.

Jenis kedua yang dipertimbangkan dianggap sebagai prioritas dalam bidang pembuatan komputer kuantum.

Prestasi berbagai negara.

Singkatnya, pencapaian dalam 10 tahun terakhir sangatlah signifikan. Kita dapat mencatat komputer dua qubit dengan perangkat lunak yang dibuat di Amerika. Mereka juga mampu memproduksi komputer dua qubit dengan kristal berlian. Dalam peran qubit, arah putaran partikel nitrogen dan komponennya: inti dan elektron digunakan. Untuk memberikan perlindungan yang signifikan, dikembangkan sistem yang sangat kompleks yang memungkinkannya memberikan hasil dengan akurasi 95%.

ICQT 2017. John Martinis, Google: Komputer Kuantum: Kehidupan Setelah Hukum Moore

Mengapa semua ini diperlukan?

Penciptaan komputer kuantum telah dibahas. Komputer-komputer ini bukanlah hasil dari apa yang mereka perjuangkan, tetapi mereka menemukan pembelinya. Perusahaan pertahanan Amerika Lockheed Martin membayar $10 juta. Akuisisi mereka mampu menemukan kesalahan dalam program paling rumit yang diinstal pada pesawat tempur F-35. Google ingin meluncurkan program pembelajaran mesin dengan akuisisinya.

Masa depan

Dalam pengembangan komputer kuantum Perusahaan besar dan negara sangat tertarik. Hal ini akan membawa pada penemuan-penemuan baru di bidang pengembangan algoritma kriptografi. Waktu akan menentukan apakah ini akan menguntungkan negara atau peretas. Namun pekerjaan membuat dan mengenali kunci kripto akan dilakukan secara instan. Banyak masalah yang terkait dengan kartu bank akan terpecahkan.

Pesan akan dikirimkan dengan kecepatan luar biasa dan tidak akan ada masalah dalam berkomunikasi dengan titik mana pun di dunia, dan bahkan mungkin lebih jauh lagi.

Komputer semacam itu akan membantu melakukan hal ini, terutama dalam menguraikan kode genetik. Hal ini akan mengarah pada penyelesaian banyak masalah medis.

Dan tentu saja akan membuka pintu ke negeri rahasia mistis dan dunia paralel.

Kejutan besar menanti kita. Segala sesuatu yang biasa kita alami hanyalah sebagian dari dunia itu, yang telah diberi nama Realitas Kuantum. Mereka akan membantu Anda melampaui dunia material, yang merupakan prinsip pengoperasian komputer kuantum.