Komputer kuantum bukan sekadar komputer generasi masa depan, namun lebih dari itu. Tidak hanya dari sudut pandang penggunaan teknologi terkini, tetapi juga dari sudut pandang kemungkinannya yang tidak terbatas, luar biasa, fantastis, yang tidak hanya mampu mengubah dunia manusia, tetapi bahkan... menciptakan realitas yang berbeda. .

Seperti yang Anda ketahui, komputer modern menggunakan memori yang direpresentasikan dalam kode biner: 0 dan 1. Sama seperti kode Morse - titik dan judul. Dengan menggunakan dua karakter, Anda dapat mengenkripsi informasi apa pun dengan memvariasikan kombinasinya.

Ada miliaran bit ini dalam memori komputer modern. Tapi masing-masing bisa berada di salah satu dari dua keadaan - baik nol atau satu. Seperti bola lampu: hidup atau mati.

Bit kuantum (qubit) adalah elemen terkecil penyimpanan informasi di komputer masa depan. Unit informasi dalam komputer kuantum sekarang tidak hanya nol atau satu, tapi keduanya pada saat yang bersamaan.

Satu sel melakukan dua tindakan, dua - empat, empat - enam belas, dan seterusnya. Inilah sebabnya mengapa sistem kuantum dapat bekerja dua kali lebih cepat dan dengan jumlah informasi yang lebih besar daripada sistem modern.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan dari Pusat Kuantum Rusia (RCC) dan Laboratorium Bahan Meta Superkonduktor “mengukur” sebuah qubit (Q-bit).

Dari sudut pandang teknis, qubit adalah cincin logam dengan diameter beberapa mikron dengan potongan, diendapkan pada semikonduktor. Cincin tersebut didinginkan hingga suhu sangat rendah sehingga menjadi superkonduktor. Mari kita asumsikan bahwa arus yang mengalir melalui cincin searah jarum jam - ini adalah 1. Melawan - 0. Artinya, dua keadaan biasa.

Radiasi gelombang mikro dilewatkan melalui cincin. Ketika radiasi ini keluar dari cincin, pergeseran fasa arus diukur. Ternyata keseluruhan sistem ini dapat ditempatkan di dua sistem utama dan keadaan campuran: keduanya pada saat yang sama!!! Dalam ilmu pengetahuan hal ini disebut prinsip superposisi.

Eksperimen yang dilakukan oleh ilmuwan Rusia (ilmuwan dari negara lain melakukan eksperimen serupa) membuktikan bahwa qubit memiliki hak untuk hidup. Penciptaan qubit memunculkan ide dan membawa para ilmuwan lebih dekat ke impian menciptakan komputer kuantum optik. Yang tersisa hanyalah merancang dan membuatnya. Tapi tidak semuanya sesederhana itu...

Kesulitan dan permasalahan dalam pembuatan komputer kuantum

Jika, misalnya, komputer modern perlu menghitung satu miliar pilihan, maka ia perlu “menggulir” satu miliar siklus serupa. Ada perbedaan mendasar dengan komputer kuantum: ia dapat menghitung semua opsi ini secara bersamaan.
Salah satu prinsip utama komputer kuantum akan bekerja adalah prinsip superposisi, dan prinsip ini tidak dapat disebut selain magis!
Artinya orang yang sama bisa berada di tempat yang berbeda pada waktu yang sama. Fisikawan bercanda: “Jika teori kuantum tidak mengejutkan Anda, maka Anda tidak memahaminya.”

Penampilan komputer kuantum yang diciptakan saat ini sangat berbeda dari komputer klasik. Mereka terlihat... seperti minuman keras:

Desain seperti itu, yang terdiri dari bagian-bagian tembaga dan emas, kumparan pendingin dan bagian-bagian khas lainnya, tentu saja tidak sesuai dengan penciptanya. Salah satu tugas utama para ilmuwan adalah membuatnya kompak dan murah. Agar hal ini dapat terwujud, ada beberapa permasalahan yang perlu diselesaikan.

Masalah pertama adalah ketidakstabilan superposisi

Semua superposisi kuantum ini sangat “lembut”. Segera setelah Anda mulai melihatnya, segera setelah mereka mulai berinteraksi dengan objek lain, mereka segera dihancurkan. Mereka seolah-olah menjadi klasik. Ini adalah salah satu masalah terpenting dalam pembuatan komputer kuantum.

Masalah kedua - diperlukan pendinginan yang kuat

Kendala kedua adalah mencapai pengoperasian komputer kuantum yang stabil. dalam bentuk yang kita miliki saat ini, memerlukan pendinginan yang kuat. Kuat, ini adalah ciptaan peralatan yang suhunya dijaga mendekati nol mutlak - minus 273 derajat Celcius! Oleh karena itu, sekarang prototipe komputer semacam itu, dengan instalasi vakum kriogeniknya, terlihat sangat rumit:

Namun, para ilmuwan yakin bahwa semua masalah teknis akan segera teratasi dan suatu hari nanti komputer kuantum dengan daya komputasi yang sangat besar akan menggantikan komputer modern.

Beberapa solusi teknis untuk memecahkan masalah

Hingga saat ini, para ilmuwan telah menemukan sejumlah solusi signifikan untuk mengatasi permasalahan di atas. Penemuan-penemuan teknologi ini, yang merupakan hasil kerja keras para ilmuwan yang rumit dan terkadang panjang, patut mendapat penghormatan penuh.

Cara terbaik untuk meningkatkan kinerja qubit...berlian

Semuanya sangat mirip dengan lagu terkenal tentang perempuan dan berlian. Hal utama yang sedang dikerjakan para ilmuwan saat ini adalah meningkatkannya waktu hidup qubit, serta “membuat” komputer kuantum berfungsi pada suhu normal. Ya, komunikasi antar komputer kuantum membutuhkan berlian! Untuk semua ini, penting untuk membuat dan menggunakan berlian buatan dengan transparansi yang sangat tinggi. Dengan bantuan mereka, mereka mampu memperpanjang umur qubit menjadi dua detik. Pencapaian sederhana ini: masa pakai qubit selama dua detik dan pengoperasian komputer pada suhu ruangan, sebenarnya merupakan sebuah revolusi dalam sains.

Inti dari percobaan ilmuwan Perancis Serge Haroche didasarkan pada fakta bahwa ia mampu menunjukkan kepada seluruh dunia bahwa cahaya (fluks kuantum foton) yang lewat di antara dua cermin yang dibuat khusus olehnya tidak kehilangan keadaan kuantumnya.

Dengan memaksa cahaya menempuh jarak 40.000 km di antara cermin-cermin ini, ia menentukan bahwa segala sesuatu terjadi tanpa kehilangan keadaan kuantumnya. Cahaya terdiri dari foton, dan hingga saat ini belum ada yang bisa mengetahui apakah mereka kehilangan keadaan kuantumnya ketika menempuh jarak tertentu. Peraih Nobel Serge Haroche: “ Satu foton berada di beberapa tempat pada waktu yang bersamaan, kami berhasil merekam ini.” nyatanya ini adalah prinsip superposisi. “Di dunia kita yang besar, hal ini mustahil. Namun di dunia mikro, terdapat hukum yang berbeda,” kata Arosh.

Di dalam rongga tersebut terdapat atom-atom klasik yang dapat diukur. Berdasarkan perilaku atom, fisikawan telah belajar mengidentifikasi dan mengukur partikel kuantum yang sulit dipahami. Sebelum eksperimen Harosh, diyakini bahwa pengamatan kuanta tidak mungkin dilakukan. Setelah percobaan, mereka mulai berbicara tentang penaklukan foton, yaitu, tentang mendekatnya era komputer kuantum.

Mengapa banyak yang menantikan penciptaan generator kuantum yang lengkap, sementara yang lain takut akan hal itu

Komputer kuantum akan memberikan peluang yang sangat besar bagi umat manusia

Komputer kuantum akan membuka kemungkinan tak terbatas bagi umat manusia. Misalnya, ini akan membantu menciptakan kecerdasan buatan, yang sudah lama dibicarakan oleh para penulis fiksi ilmiah. Atau simulasikan alam semesta. Sepenuhnya. Menurut perkiraan paling konservatif, hal ini akan memungkinkan kita untuk melihat melampaui batas-batas kemungkinan. Mari kita bayangkan sebuah dunia di mana Anda dapat mensimulasikan apa pun yang Anda inginkan: merancang sebuah molekul, logam yang sangat kuat, menguraikan plastik dengan cepat, menemukan obat untuk penyakit yang tidak dapat disembuhkan. Mesin tersebut akan mensimulasikan seluruh dunia kita, hingga atom terakhir. Anda bahkan dapat mensimulasikan dunia lain, bahkan dunia virtual.

Komputer kuantum bisa menjadi senjata Kiamat

Banyak orang, setelah mempelajari esensi teknologi kuantum, takut akan hal itu karena berbagai alasan. Saat ini, komputerisasi dan semua teknologi yang berhubungan dengan komputer membuat takut kebanyakan orang. Cukuplah untuk mengingat skandal tentang bagaimana layanan khusus, menggunakan program bawaan di PC dan bahkan peralatan rumah tangga, mengatur pengawasan dan pengumpulan data tentang konsumennya. Misalnya, banyak negara telah melarang kacamata terkenal - karena kacamata adalah sarana ideal untuk pembuatan film dan pengawasan rahasia. Saat ini, pastinya, setiap penduduk negara mana pun, dan terlebih lagi pengguna Internet, dimasukkan ke dalam suatu database. Selain itu, dan cukup realistis, layanan tertentu dapat menghitung setiap tindakannya di Internet.

Tapi tidak akan ada rahasia untuk komputer kuantum! Tidak ada sama sekali. Semua keamanan komputer didasarkan pada nomor kata sandi yang sangat panjang. Komputer biasa membutuhkan waktu jutaan tahun untuk mendapatkan kunci kodenya. Namun dengan bantuan kuantum, siapa pun dapat melakukan ini secara instan. Ternyata dunia akan menjadi sangat tidak aman: lagi pula, di dunia modern semuanya dikendalikan oleh komputer: transfer bank, penerbangan pesawat, bursa saham, senjata rudal nuklir! Jadi ternyata: siapa pun yang memiliki informasi, dialah yang memiliki Dunia. Siapa pun yang pertama adalah Tuhan. Komputer kuantum akan menjadi lebih kuat dari sistem senjata apa pun. Perlombaan senjata baru mungkin dimulai (atau telah dimulai) di Bumi, hanya saja sekarang bukan nuklir, melainkan komputer.

Semoga Tuhan membantu kita keluar dari situ dengan selamat...

Dunia berada di ambang revolusi kuantum lainnya. Komputer kuantum pertama akan secara instan memecahkan masalah yang membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk diselesaikan oleh perangkat modern paling kuat saat ini. Apa saja tugas-tugas ini? Siapa yang diuntungkan dan siapa yang terancam oleh penggunaan algoritma kuantum secara besar-besaran? Apa yang dimaksud dengan superposisi qubit, bagaimana orang belajar menemukan solusi optimal tanpa melalui triliunan pilihan? Kami menjawab pertanyaan-pertanyaan ini di bawah judul “Sederhana tentang kompleksnya.”

Sebelum teori kuantum, teori klasik radiasi elektromagnetik digunakan. Pada tahun 1900, ilmuwan Jerman Max Planck, yang sendiri tidak percaya pada kuanta dan menganggapnya sebagai konstruksi fiktif dan murni teoretis, terpaksa mengakui bahwa energi benda yang dipanaskan dipancarkan dalam porsi - kuanta; Dengan demikian, asumsi teori tersebut bertepatan dengan observasi eksperimental. Dan lima tahun kemudian, Albert Einstein yang hebat menggunakan pendekatan yang sama ketika menjelaskan efek fotolistrik: ketika cahaya disinari, arus listrik muncul dalam logam! Tidak mungkin Planck dan Einstein dapat membayangkan bahwa dengan karya mereka mereka meletakkan dasar bagi ilmu pengetahuan baru - mekanika kuantum, yang ditakdirkan untuk mengubah dunia kita tanpa bisa dikenali lagi, dan bahwa di abad ke-21 para ilmuwan hampir saja menciptakannya. komputer kuantum.

Pada awalnya, mekanika kuantum memungkinkan untuk menjelaskan struktur atom dan membantu memahami proses yang terjadi di dalamnya. Secara umum, impian lama para alkemis untuk mengubah atom suatu unsur menjadi atom unsur lain (ya, bahkan menjadi emas) telah menjadi kenyataan. Dan rumus terkenal Einstein E=mc2 menyebabkan munculnya energi nuklir dan, sebagai konsekuensinya, bom atom.

Prosesor kuantum lima qubit dari IBM

Lebih-lebih lagi. Berkat karya Einstein dan fisikawan Inggris Paul Dirac, laser diciptakan pada paruh kedua abad ke-20 - juga merupakan sumber kuantum cahaya ultra-murni yang dikumpulkan menjadi sinar sempit. Penelitian laser telah membawa Hadiah Nobel kepada lebih dari selusin ilmuwan, dan laser sendiri telah diterapkan di hampir semua bidang aktivitas manusia - mulai dari pemotong industri dan senjata laser hingga pemindai kode batang dan koreksi penglihatan. Sekitar waktu yang sama, penelitian aktif sedang dilakukan pada semikonduktor - bahan yang aliran arus listriknya dapat dikontrol dengan mudah. Atas dasar mereka, transistor pertama diciptakan - mereka kemudian menjadi elemen bangunan utama elektronik modern, yang tanpanya kita tidak dapat lagi membayangkan hidup kita.

Perkembangan komputer elektronik – komputer – telah memungkinkan penyelesaian banyak masalah dengan cepat dan efisien. Dan pengurangan bertahap dalam ukuran dan biaya (karena produksi massal) membuka jalan bagi komputer untuk digunakan di setiap rumah. Dengan munculnya Internet, ketergantungan kita pada sistem komputer, termasuk komunikasi, menjadi semakin kuat.

Richard Feynman

Ketergantungan semakin meningkat, daya komputasi terus meningkat, namun sudah tiba waktunya untuk mengakui bahwa, meskipun memiliki kemampuan yang mengesankan, komputer belum mampu menyelesaikan semua masalah yang siap kita hadapi. Fisikawan terkenal Richard Feynman adalah salah satu orang pertama yang membicarakan hal ini: pada tahun 1981, di sebuah konferensi, dia menyatakan bahwa pada dasarnya tidak mungkin menghitung secara akurat sistem fisik nyata pada komputer biasa. Ini semua tentang sifat kuantumnya! Efek skala mikro mudah dijelaskan oleh mekanika kuantum dan sangat sulit dijelaskan oleh mekanika klasik yang biasa kita gunakan: efek ini menggambarkan perilaku benda-benda besar. Saat itulah, sebagai alternatif, Feynman mengusulkan penggunaan komputer kuantum untuk menghitung sistem fisik.

Apa itu komputer kuantum dan apa bedanya dengan komputer yang biasa kita gunakan? Ini semua tentang bagaimana kami menyajikan informasi.

Jika di komputer konvensional bit - nol dan satu - bertanggung jawab atas fungsi ini, maka di komputer kuantum bit tersebut digantikan oleh bit kuantum (disingkat qubit). Qubit sendiri merupakan hal yang cukup sederhana. Ia masih memiliki dua nilai dasar (atau keadaan, seperti yang dikatakan mekanika kuantum) yang dapat diambilnya: 0 dan 1. Namun, berkat properti objek kuantum yang disebut “superposisi”, sebuah qubit dapat mengambil semua nilai. ​​yang merupakan kombinasi dari hal-hal mendasar. Selain itu, sifat kuantumnya memungkinkannya berada di semua keadaan ini pada waktu yang bersamaan.

Inilah paralelisme komputasi kuantum dengan qubit. Semuanya terjadi sekaligus - tidak perlu lagi menelusuri semua opsi yang memungkinkan untuk status sistem, dan inilah yang dilakukan komputer biasa. Pencarian melalui database besar, menyusun rute optimal, mengembangkan obat baru hanyalah beberapa contoh masalah yang dapat diselesaikan berkali-kali lebih cepat dengan algoritma kuantum. Ini adalah tugas-tugas di mana untuk menemukan jawaban yang benar Anda harus melalui banyak pilihan.

Selain itu, untuk menggambarkan keadaan sistem secara pasti, tidak diperlukan lagi daya komputasi yang besar dan jumlah RAM yang besar, karena untuk menghitung sistem yang terdiri dari 100 partikel, 100 qubit sudah cukup, dan bukan triliunan triliunan bit. Terlebih lagi, seiring bertambahnya jumlah partikel (seperti dalam sistem kompleks nyata), perbedaan ini menjadi semakin signifikan.

Salah satu masalah pencacahan menonjol karena tidak ada gunanya - menguraikan bilangan besar menjadi faktor prima (yaitu, hanya habis dibagi bilangan tersebut dan satu). Ini disebut "faktorisasi". Faktanya komputer biasa mampu mengalikan angka dengan cukup cepat, bahkan yang sangat besar. Akan tetapi, komputer konvensional tidak mampu mengatasi masalah kebalikan dari penguraian bilangan besar yang dihasilkan dari perkalian dua bilangan prima menjadi faktor aslinya. Misalnya, untuk memfaktorkan suatu bilangan yang terdiri dari 256 digit menjadi dua faktor, bahkan komputer yang paling canggih sekalipun akan membutuhkan waktu lebih dari belasan tahun. Namun algoritma kuantum yang dapat menyelesaikan masalah ini dalam beberapa menit ditemukan pada tahun 1997 oleh ahli matematika Inggris Peter Shor.

Dengan munculnya algoritma Shor, komunitas ilmiah menghadapi masalah serius. Pada akhir tahun 1970-an, berdasarkan kompleksitas masalah faktorisasi, ilmuwan kriptografi menciptakan algoritma enkripsi data yang tersebar luas. Secara khusus, dengan bantuan algoritma ini mereka mulai melindungi data di Internet - kata sandi, korespondensi pribadi, transaksi perbankan dan keuangan. Dan setelah bertahun-tahun berhasil digunakan, tiba-tiba informasi yang dienkripsi dengan cara ini menjadi sasaran empuk bagi algoritma Shor yang berjalan di komputer kuantum. Dekripsi dengan bantuannya hanya dalam hitungan menit. Satu hal yang baik: komputer kuantum yang dapat menjalankan algoritma mematikan belum dibuat.

Sementara itu, di seluruh dunia, lusinan kelompok ilmiah dan laboratorium mulai terlibat dalam studi eksperimental qubit dan kemungkinan pembuatan komputer kuantum darinya. Lagi pula, secara teoritis menciptakan qubit adalah satu hal, dan mewujudkannya menjadi kenyataan adalah hal lain. Untuk melakukan ini, perlu ditemukan sistem fisik yang sesuai dengan dua tingkat kuantum yang dapat digunakan sebagai keadaan dasar qubit - nol dan satu. Feynman sendiri, dalam artikel perintisnya, mengusulkan penggunaan foton yang diputar ke arah berbeda untuk tujuan ini, tetapi qubit pertama yang dibuat secara eksperimental adalah ion yang ditangkap dalam perangkap khusus pada tahun 1995. Ion diikuti oleh banyak implementasi fisik lainnya: inti atom, elektron, foton, cacat pada kristal, sirkuit superkonduktor - semuanya memenuhi persyaratan.

Keberagaman ini mempunyai manfaat tersendiri. Didorong oleh persaingan yang ketat, berbagai kelompok ilmiah menciptakan qubit yang lebih canggih dan membangun sirkuit yang lebih kompleks dari qubit tersebut. Ada dua parameter kompetitif utama untuk qubit: masa pakainya dan jumlah qubit yang dapat dibuat untuk bekerja sama.

Karyawan Laboratorium Sistem Kuantum Buatan

Masa hidup qubit menentukan berapa lama keadaan kuantum rapuh disimpan di dalamnya. Hal ini, pada gilirannya, menentukan berapa banyak operasi komputasi yang dapat dilakukan pada qubit sebelum “mati”.

Untuk pengoperasian algoritma kuantum yang efisien, tidak diperlukan satu qubit, tetapi setidaknya seratus qubit, dan bekerja bersama. Masalahnya adalah para qubit tidak terlalu suka berada bersebelahan dan memprotes dengan mengurangi masa hidup mereka secara drastis. Untuk mengatasi ketidakcocokan qubit ini, para ilmuwan harus menggunakan segala macam trik. Namun, hingga saat ini, para ilmuwan telah berhasil mendapatkan maksimal satu atau dua lusin qubit untuk bekerja sama.

Jadi, yang menyenangkan para kriptografer, komputer kuantum masih menjadi masa depan. Meskipun hal ini tidak terlalu jauh seperti yang terlihat sebelumnya, karena baik perusahaan terbesar seperti Intel, IBM dan Google, serta masing-masing negara bagian, yang menganggap pembuatan komputer kuantum merupakan masalah kepentingan strategis, adalah terlibat aktif dalam penciptaannya.

Jangan lewatkan ceramahnya:

Anda semua sudah terbiasa dengan komputer kita: pagi hari kita membaca berita dari smartphone, sore hari kita bekerja dengan laptop, dan malam hari kita menonton film di tablet. Semua perangkat ini memiliki satu kesamaan - prosesor silikon yang terdiri dari miliaran transistor. Prinsip pengoperasian transistor tersebut cukup sederhana - tergantung pada tegangan yang diberikan, kita mendapatkan tegangan yang berbeda pada output, yang ditafsirkan sebagai logika 0 atau logika 1. Untuk melakukan operasi pembagian, ada sedikit pergeseran - misal kita adalah angka 1101, maka setelah digeser 1 bit ke kiri menjadi 01101, dan jika sekarang kita menggeser 1 bit ke kanan menjadi 01110. Dan permasalahan utamanya terletak pada fakta bahwa untuk divisi yang sama mungkin diperlukan beberapa lusin operasi serupa. Ya, mengingat fakta bahwa ada miliaran transistor, operasi seperti itu membutuhkan waktu nanodetik, tetapi jika ada banyak operasi, kita membuang-buang waktu untuk perhitungan ini.

Cara kerja komputer kuantum

Komputer kuantum menawarkan cara komputasi yang sangat berbeda. Mari kita mulai dengan definisinya:

Komputer kuantum -perangkat komputasi, yang menggunakan fenomenasuperposisi kuantumDanketerikatan kuantumuntuk transmisi dan pemrosesan data.

Ini jelas belum menjadi lebih jelas. Superposisi kuantum memberi tahu kita bahwa suatu sistem, dengan tingkat probabilitas tertentu, ada di semua keadaan yang memungkinkan (jumlah semua probabilitas, tentu saja, sama dengan 100% atau 1). Mari kita lihat ini dengan sebuah contoh. Informasi dalam komputer kuantum disimpan dalam qubit - meskipun bit biasa dapat memiliki status 0 atau 1, maka qubit dapat memiliki status 0, 1, dan 0 dan 1 secara bersamaan. Oleh karena itu, jika kita memiliki 3 qubit, misalnya 110, maka ekspresi dalam bit ini setara dengan 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Apa manfaatnya bagi kita? Itu saja! Misalnya, kami memiliki kata sandi digital 4 karakter. Bagaimana prosesor biasa meretasnya? Cukup dengan mencari dari 0000 hingga 9999. 9999 dalam sistem biner berbentuk 10011100001111, artinya kita membutuhkan 14 bit untuk menulisnya. Oleh karena itu, jika kita memiliki PC kuantum dengan 14 qubit, kita sudah mengetahui kata sandinya: lagipula, salah satu kemungkinan status sistem tersebut adalah kata sandinya! Hasilnya, semua masalah yang bahkan membutuhkan waktu berhari-hari untuk dihitung oleh superkomputer akan diselesaikan secara instan menggunakan sistem kuantum: apakah Anda perlu menemukan zat dengan sifat tertentu? Tidak masalah, buatlah sistem dengan jumlah qubit yang sama dengan kebutuhan materi Anda - dan jawabannya sudah ada di saku Anda. Apakah Anda perlu membuat AI (kecerdasan buatan? Ini sangat sederhana: ketika PC biasa akan mencoba semua kombinasi, komputer kuantum akan bekerja secepat kilat, memilih jawaban terbaik.


Tampaknya semuanya baik-baik saja, tetapi ada satu masalah penting - bagaimana kita mengetahui hasil perhitungannya? Dengan PC biasa, semuanya sederhana - kita dapat mengambilnya dan membacanya dengan menghubungkan langsung ke prosesor: logika 0 dan 1 jelas diartikan di sana sebagai tidak adanya dan adanya muatan. Tapi ini tidak akan berhasil dengan qubit - lagi pula, setiap saat ia berada dalam keadaan sewenang-wenang. Dan di sinilah keterjeratan kuantum membantu kita. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa Anda bisa mendapatkan sepasang partikel yang terhubung satu sama lain (dalam istilah ilmiah - jika, misalnya, proyeksi putaran satu partikel yang terjerat adalah negatif, maka yang lain pasti positif). Apa yang terlihat di jari Anda? Katakanlah kita mempunyai dua kotak yang masing-masing berisi selembar kertas. Kami membawa kotak-kotak itu ke jarak berapa pun, membuka salah satunya dan melihat bahwa selembar kertas di dalamnya bergaris horizontal. Ini secara otomatis berarti bahwa potongan kertas lainnya akan memiliki garis-garis vertikal. Namun masalahnya adalah begitu kita mengetahui keadaan selembar kertas (atau partikel), sistem kuantum akan runtuh - ketidakpastian menghilang, qubit berubah menjadi bit biasa.

Oleh karena itu, penghitungan pada komputer kuantum pada dasarnya dilakukan satu kali saja: kita membuat sistem yang terdiri dari partikel-partikel yang terjerat (kita tahu di mana “bagian” lainnya berada). Kami melakukan perhitungan, dan setelah itu kami "membuka kotak dengan selembar kertas" - kami mengetahui keadaan partikel yang terjerat, dan juga keadaan partikel di komputer kuantum, dan juga hasil perhitungannya. Jadi untuk perhitungan baru, Anda perlu membuat qubit lagi - "menutup kotak dengan selembar kertas" tidak akan berhasil - lagipula, kita sudah tahu apa yang digambar di selembar kertas.

Timbul pertanyaan - karena komputer kuantum dapat langsung menebak kata sandi apa pun - bagaimana cara melindungi informasi? Akankah privasi hilang dengan munculnya perangkat seperti itu? Tentu saja tidak. Apa yang disebut enkripsi kuantum bisa menyelamatkannya: ini didasarkan pada fakta bahwa ketika Anda mencoba "membaca" keadaan kuantum, keadaan tersebut dihancurkan, sehingga peretasan apa pun menjadi tidak mungkin.

Komputer kuantum rumah

Nah, pertanyaan terakhir – karena komputer kuantum sangat keren, kuat, dan tidak dapat diretas – mengapa kita tidak menggunakannya? Masalahnya sepele - ketidakmungkinan menerapkan sistem kuantum dalam kondisi rumah biasa. Agar qubit dapat berada dalam keadaan superposisi tanpa batas waktu, diperlukan kondisi yang sangat spesifik: vakum total (tidak adanya partikel lain), suhu sedekat mungkin dengan nol Kelvin (untuk superkonduktivitas), dan tidak adanya radiasi elektromagnetik sama sekali. (karena tidak berpengaruh pada sistem kuantum). Setuju, sulit untuk menciptakan kondisi seperti itu di rumah, secara halus, tetapi penyimpangan sekecil apa pun akan mengarah pada fakta bahwa keadaan superposisi akan hilang dan hasil perhitungan akan salah. Masalah kedua adalah membuat qubit berinteraksi satu sama lain - saat berinteraksi, masa pakainya berkurang drastis. Hasilnya, jumlah maksimum saat ini adalah komputer kuantum dengan beberapa puluh qubit.

Namun, ada komputer kuantum dari D-Wave yang memiliki 1000 qubit, tetapi secara umum, mereka bukanlah komputer kuantum yang sebenarnya, karena tidak menggunakan prinsip keterjeratan kuantum, sehingga tidak dapat bekerja sesuai dengan algoritma kuantum klasik:


Namun tetap saja, perangkat tersebut ternyata jauh (ribuan kali) lebih bertenaga dibandingkan PC konvensional, yang dapat dianggap sebagai sebuah terobosan. Namun, mereka tidak akan menggantikan perangkat pengguna dalam waktu dekat - pertama-tama kita perlu belajar menciptakan kondisi untuk pengoperasian perangkat tersebut di rumah, atau, sebaliknya, “membuat” perangkat tersebut berfungsi dalam kondisi yang kita kenal. Langkah-langkah ke arah kedua telah diambil - pada tahun 2013, komputer kuantum dua qubit pertama dibuat pada berlian pengotor, yang beroperasi pada suhu kamar. Namun sayangnya, ini hanyalah prototipe, dan 2 qubit tidak cukup untuk perhitungan. Jadi penantian PC kuantum masih sangat-sangat lama.

Untuk mengungkap sepenuhnya esensi teknologi komputer kuantum, pertama-tama mari kita bahas sejarah teori kuantum.
Hal ini bermula berkat dua ilmuwan yang hasil penelitiannya dianugerahi Hadiah Nobel: penemuan kuantum oleh M. Planck pada tahun 1918 dan penemuan foton oleh A. Einstein pada tahun 1921.
Tahun lahirnya ide komputer kuantum adalah tahun 1980, ketika Benioff berhasil menunjukkan kebenaran teori kuantum dalam praktik.
Nah, prototipe komputer kuantum pertama diciptakan oleh Gershenfeld dan Chuang pada tahun 1998 di Massachusetts Institute of Technology (MTI). Kelompok peneliti yang sama menciptakan model yang lebih maju dalam dua tahun berikutnya.

Bagi non-spesialis, komputer kuantum adalah sesuatu yang skalanya sangat fantastis; ia adalah mesin komputasi, yang di depannya komputer biasa seperti sempoa di depan komputer. Dan, tentu saja, hal ini masih jauh dari realisasi.
Bagi seseorang yang berhubungan dengan komputer kuantum, ini adalah perangkat yang prinsip umum pengoperasiannya kurang lebih jelas, namun ada banyak masalah yang perlu diselesaikan sebelum dapat diimplementasikan dalam perangkat keras, dan sekarang banyak laboratorium di sekitar dunia menggunakan hambatan-hambatan yang coba diatasi.
Ada kemajuan dalam teknologi kuantum di masa lalu yang dilakukan oleh perusahaan swasta, termasuk IBM dan DWays.
Mereka secara teratur melaporkan perkembangan terkini di bidang ini saat ini. Penelitian terutama dilakukan oleh ilmuwan Jepang dan Amerika. Jepang, dalam upayanya menjadi pemimpin dunia dalam bidang perangkat keras dan perangkat lunak, menghabiskan banyak uang untuk pengembangan di bidang ini. Menurut wakil presiden Hewlett-Packard, hingga 70% dari semua penelitian dilakukan di negeri matahari terbit. Komputer kuantum adalah salah satu langkah perusahaan fokus mereka untuk mendapatkan kepemimpinan di pasar global.

Apa yang menjelaskan keinginan untuk menguasai teknologi tersebut? Keunggulan signifikan mereka yang tidak dapat disangkal dibandingkan komputer semikonduktor!

APA INI?

Komputer kuantum adalah perangkat komputasi yang beroperasi berdasarkan mekanika kuantum.
Saat ini, komputer kuantum skala penuh adalah perangkat hipotetis yang tidak dapat dibuat mengingat ketersediaan data dalam teori kuantum.

Komputer kuantum tidak menggunakan algoritma klasik untuk perhitungannya, tetapi proses yang lebih kompleks yang bersifat kuantum, yang juga disebut algoritma kuantum. Algoritme ini menggunakan efek mekanika kuantum: keterikatan kuantum dan paralelisme kuantum.

Untuk memahami mengapa komputer kuantum diperlukan, perlu dibayangkan prinsip pengoperasiannya.
Jika komputer konvensional bekerja dengan melakukan operasi berurutan pada angka nol dan satu, komputer kuantum menggunakan cincin film superkonduktor. Arus dapat mengalir melalui cincin-cincin ini dalam arah yang berbeda, sehingga rangkaian cincin tersebut dapat secara bersamaan melakukan lebih banyak operasi dengan nol dan satu.
Kekuatan tinggi inilah yang menjadi keunggulan utama komputer kuantum. Sayangnya, cincin-cincin ini terkena pengaruh eksternal sekecil apa pun, akibatnya arah arus dapat berubah, dan perhitungannya kemudian menjadi salah.

PERBEDAAN KOMPUTER KUANTUM DENGAN KONVENSIONAL

Perbedaan utama antara komputer kuantum dan komputer konvensional adalah bahwa penyimpanan, pemrosesan, dan transmisi data tidak terjadi menggunakan "bit", tetapi "qubit" - sederhananya, "bit kuantum". Seperti bit biasa, qubit dapat berada dalam keadaan familiar “|0>” dan “|1>”, dan sebagai tambahan - dalam keadaan superposisi A·|0> + B·|1>, di mana A dan B adalah bilangan kompleks apa pun yang memenuhi kondisi | SEBUAH |2 + | B |2 = 1.

JENIS KOMPUTER KUANTUM

Ada dua jenis komputer kuantum. Keduanya didasarkan pada fenomena kuantum, hanya saja urutannya berbeda.

komputer berdasarkan kuantisasi fluks magnet berdasarkan pelanggaran superkonduktivitas - persimpangan Josephson. Efek Josephson sudah digunakan untuk membuat amplifier linier, konverter analog-ke-digital, SQUID dan korelator. Basis elemen yang sama digunakan dalam proyek untuk membuat komputer petaflop (1015 op./s). Frekuensi clock 370 GHz telah dicapai secara eksperimental, yang di masa depan dapat ditingkatkan menjadi 700 GHz. Namun, waktu penghentian fungsi gelombang pada perangkat ini sebanding dengan waktu peralihan masing-masing katup, dan pada kenyataannya, sudah familiar. basis elemen diimplementasikan berdasarkan prinsip kuantum baru - flip-flop, register, dan elemen logis lainnya.

Jenis komputer kuantum lainnya, juga disebut komputer koheren kuantum, memerlukan pemeliharaan koherensi fungsi gelombang qubit yang digunakan sepanjang waktu komputasi - dari awal hingga akhir (qubit dapat berupa sistem mekanika kuantum apa pun dengan dua tingkat energi khusus). Akibatnya, untuk beberapa masalah, daya komputasi komputer kuantum koheren sebanding dengan 2N, dengan N adalah jumlah qubit dalam komputer. Ini adalah jenis perangkat terakhir yang dimaksud ketika berbicara tentang komputer kuantum.

KOMPUTER KUANTUM SEKARANG

Tapi komputer kuantum kecil sedang diciptakan saat ini. Perusahaan D-Wave Systems bekerja sangat aktif ke arah ini, yang menciptakan komputer kuantum 16 qubit pada tahun 2007. Komputer ini berhasil mengatasi tugas mendudukkan tamu di meja, berdasarkan fakta bahwa beberapa dari mereka tidak menyukai satu sama lain. Kini D-Wave Systems terus mengembangkan komputer kuantum.

Sekelompok fisikawan dari Jepang, China dan Amerika untuk pertama kalinya berhasil membangun komputer kuantum menggunakan arsitektur von Neumann - yaitu dengan pemisahan fisik prosesor kuantum dan memori kuantum. Saat ini, untuk implementasi praktis komputer kuantum (komputer yang didasarkan pada sifat-sifat objek mekanika kuantum yang tidak biasa), fisikawan menggunakan berbagai jenis objek dan fenomena eksotik - ion yang ditangkap dalam perangkap optik, resonansi magnetik nuklir. Untuk pekerjaan baru ini, para ilmuwan mengandalkan sirkuit superkonduktor mini - kemungkinan mengimplementasikan komputer kuantum menggunakan sirkuit tersebut dijelaskan di Nature pada tahun 2008.

Komputer yang dirakit oleh para ilmuwan terdiri dari memori kuantum, yang perannya dimainkan oleh dua resonator gelombang mikro, prosesor dua qubit yang dihubungkan oleh sebuah bus (perannya juga dimainkan oleh resonator, dan qubit tersebut adalah sirkuit superkonduktor), dan perangkat untuk menghapus data. Dengan menggunakan komputer ini, para ilmuwan menyadari dua algoritma utama- yang disebut transformasi Fourier kuantum, dan konjungsi menggunakan elemen logika Toffoli kuantum:

Algoritma pertama adalah analog kuantum dari transformasi Fourier diskrit. Ciri khasnya adalah jumlah elemen fungsional yang jauh lebih kecil (dari urutan n2) ketika mengimplementasikan algoritma dibandingkan dengan analognya (dari urutan n 2n). Transformasi Fourier diskrit digunakan dalam berbagai bidang aktivitas manusia - mulai dari studi persamaan diferensial parsial hingga kompresi data.

Pada gilirannya, gerbang logika kuantum Toffoli adalah elemen dasar yang darinya, dengan beberapa persyaratan tambahan, fungsi (program) Boolean dapat diperoleh. Ciri khas dari elemen-elemen ini adalah sifat reversibelnya, yang, dari sudut pandang fisika, memungkinkan, antara lain, meminimalkan pembangkitan panas pada perangkat.

Menurut para ilmuwan, sistem yang mereka ciptakan memiliki satu keunggulan luar biasa - sistem ini mudah diskalakan. Dengan demikian, ini dapat berfungsi sebagai semacam landasan untuk komputer masa depan. Menurut para peneliti, hasil baru ini jelas menunjukkan potensi teknologi baru.

Minggu lalu tersiar kabar bahwa Google telah membuat terobosan dalam mengembangkan komputer kuantum -
perusahaan memahami bagaimana komputer seperti itu dapat mengatasinya
dengan kesalahanmu sendiri. Komputer kuantum telah dibicarakan selama beberapa tahun: misalnya, di sampul majalah Time. Jika komputer seperti itu muncul, itu akan menjadi terobosan yang mirip dengan kemunculan komputer klasik – atau bahkan lebih serius. Look At Me menjelaskan mengapa komputer kuantum hebat dan apa sebenarnya yang telah dilakukan Google.

Apa itu komputer kuantum?

Komputer kuantum adalah mekanisme di persimpangan antara ilmu komputer dan fisika kuantum, cabang fisika teoretis yang paling kompleks. Richard Feynman, salah satu fisikawan terhebat abad ke-20, pernah berkata: “Jika Anda mengira Anda memahami fisika kuantum, maka Anda tidak memahaminya.” Oleh karena itu, harap diperhatikan bahwa penjelasan berikut ini sangat disederhanakan. Orang-orang menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk mencoba memahami fisika kuantum.

Fisika kuantum berkaitan dengan partikel elementer yang lebih kecil dari atom. Struktur partikel-partikel ini dan perilakunya bertentangan dengan banyak gagasan kita tentang Alam Semesta. Sebuah partikel kuantum dapat berada di beberapa tempat pada waktu yang sama - dan di beberapa keadaan pada waktu yang sama. Bayangkan Anda melempar sebuah koin: saat koin tersebut berada di udara, Anda tidak dapat mengetahui apakah koin tersebut akan muncul kepala atau ekor; Koin ini seperti kepala dan ekor pada saat bersamaan. Kira-kira beginilah perilaku partikel kuantum. Ini disebut prinsip superposisi.

Komputer kuantum masih merupakan perangkat hipotetis yang menggunakan prinsip superposisi (dan properti kuantum lainnya)
untuk perhitungan. Komputer biasa bekerja menggunakan transistor,
yang menganggap informasi apa pun sebagai nol dan satu. Kode biner dapat mendeskripsikan seluruh dunia - dan menyelesaikan masalah apa pun di dalamnya. Analog kuantum dari bit klasik disebut hasta. (qubit, qu - dari kata kuantum, kuantum). Dengan menggunakan prinsip superposisi, satu hasta bisa sekaligus
dalam keadaan 0 dan 1 - dan ini tidak hanya akan meningkatkan daya secara signifikan dibandingkan komputer tradisional, tetapi juga memungkinkan Anda memecahkan masalah yang tidak terduga,
yang tidak mampu dilakukan oleh komputer konvensional.

Prinsip superposisi adalah satu-satunya
Komputer kuantum akan didasarkan pada apa?

TIDAK. Karena fakta bahwa komputer kuantum hanya ada dalam teori, para ilmuwan masih berspekulasi tentang bagaimana sebenarnya komputer tersebut akan bekerja. Misalnya, komputer kuantum diyakini juga akan menggunakan keterikatan kuantum.
Ini adalah fenomena yang disebut Albert Einstein sebagai "yang luar biasa" ( dia umumnya menentang teori kuantum, karena tidak sesuai dengan teori relativitasnya). Arti dari fenomena tersebut adalah bahwa dua partikel di Alam Semesta dapat saling berhubungan, dan sebaliknya: katakanlah, jika helisitasnya
(ada ciri-ciri keadaan partikel elementer, kami tidak akan membahasnya secara detail) partikel pertama bernilai positif, maka helisitas partikel kedua selalu negatif, dan sebaliknya. Fenomena ini disebut “menyeramkan” karena dua alasan. Pertama, koneksi ini bekerja secara instan, lebih cepat dari kecepatan cahaya. Kedua, partikel yang terjerat dapat ditempatkan pada jarak berapa pun satu sama lain.
dari satu sama lain: misalnya, di ujung Bima Sakti yang berbeda.

Bagaimana komputer kuantum dapat digunakan?

Para ilmuwan sedang mencari aplikasi untuk komputer kuantum dan pada saat yang sama mencari cara untuk membuatnya. Hal utama adalah bahwa komputer kuantum akan dapat mengoptimalkan informasi dengan sangat cepat dan secara umum bekerja dengan data besar yang kita kumpulkan, tetapi belum memahami cara menggunakannya.

Mari kita bayangkan pilihan ini (tentu saja sangat disederhanakan): Anda akan menembakkan busur ke sasaran dan Anda perlu menghitung seberapa tinggi sasaran yang akan ditembak. Katakanlah Anda perlu menghitung tinggi dari 0 hingga 100 cm. Komputer konvensional akan menghitung setiap lintasan secara bergantian: pertama 0 cm, lalu 1 cm, lalu 2 cm, dan seterusnya. Komputer kuantum akan menghitung semua opsi secara bersamaan - dan langsung menghasilkan opsi yang memungkinkan Anda mencapai target. Dengan cara ini Anda dapat mengoptimalkan banyak proses:
dari kedokteran (misalnya, untuk mendiagnosis kanker lebih awal) sebelum penerbangan (misalnya, membuat autopilot yang lebih kompleks).

Ada juga versi bahwa komputer semacam itu akan mampu memecahkan masalah yang tidak mampu diselesaikan oleh komputer biasa - atau memerlukan perhitungan ribuan tahun. Komputer kuantum akan mampu bekerja dengan simulasi yang paling rumit: misalnya menghitung apakah ada makhluk cerdas di alam semesta selain manusia. Ada kemungkinan bahwa penciptaan komputer kuantum akan memimpin
dengan munculnya kecerdasan buatan. Bayangkan apa yang ditimbulkan oleh munculnya komputer konvensional terhadap dunia kita - komputer kuantum juga bisa menjadi terobosan yang sama.

Siapa yang mengembangkan komputer kuantum?

Semua. Pemerintah, militer, perusahaan teknologi. Membuat komputer kuantum akan bermanfaat bagi hampir semua orang. Misalnya, di antara dokumen yang dirilis oleh Edward Snowden, terdapat informasi bahwa NSA memiliki proyek yang disebut "Infiltrasi Target Kompleks", yang mencakup pembuatan komputer kuantum untuk mengenkripsi informasi. Microsoft secara serius terlibat dalam komputer kuantum - mereka memulai penelitian pertama mereka di bidang ini pada tahun 2007. IBM sedang berkembang dan beberapa tahun lalu mengumumkan bahwa mereka telah menciptakan sebuah chip dengan tiga qubit. Terakhir, Google dan NASA berkolaborasi
dengan perusahaan D-Wave, yang menyatakan sudah berproduksi
"prosesor kuantum komersial pertama" (atau lebih tepatnya yang kedua, sekarang modelnya disebut D-Wave Two), tapi belum berfungsi seperti kuantum -
Izinkan kami mengingatkan Anda bahwa mereka tidak ada.

Seberapa dekat kita dengan penciptaan
komputer kuantum?

Tidak ada yang bisa mengatakan dengan pasti. Berita tentang terobosan teknologi (seperti berita terkini tentang Google) muncul terus-menerus, tapi kita bisa sangat jauh
dari komputer kuantum lengkap, dan sangat dekat dengannya. Katakanlah ada penelitian yang menunjukkan bahwa membuat komputer saja sudah cukup
dengan beberapa ratus hasta sehingga berfungsi sebagai komputer kuantum yang lengkap. D-Wave mengklaim telah menciptakan prosesor 84-qubit -
namun kritikus yang telah menganalisis prosesor mereka mengatakan bahwa prosesor tersebut berfungsi,
seperti komputer klasik, bukan seperti komputer kuantum. Google berkolaborasi
dengan D-Wave, mereka percaya bahwa prosesor mereka masih dalam tahap awal pengembangan dan pada akhirnya akan bekerja seperti prosesor kuantum. Bagaimanapun, sekarang
Komputer kuantum memiliki satu masalah utama - kesalahan. Komputer mana pun membuat kesalahan, tetapi komputer klasik dapat dengan mudah mengatasinya - tetapi komputer kuantum belum melakukannya. Setelah para peneliti menemukan bugnya, kemunculan komputer kuantum hanya tinggal beberapa tahun lagi.

Apa yang membuat sulit untuk memperbaiki kesalahan?
di komputer kuantum?

Untuk mempermudah, kesalahan pada komputer kuantum dapat dibagi menjadi dua tingkatan. Yang pertama adalah kesalahan yang dilakukan komputer mana pun, termasuk komputer klasik. Kesalahan dapat muncul di memori komputer ketika 0 tanpa sengaja berubah menjadi 1 karena kebisingan eksternal - misalnya sinar kosmik atau radiasi. Kesalahan ini mudah diatasi; semua data diperiksa untuk perubahan tersebut. Dan Google baru-baru ini mengatasi masalah ini pada komputer kuantum: mereka menstabilkan rantai sembilan qubit
dan menyelamatkannya dari kesalahan. Namun ada satu peringatan dalam terobosan ini: Google telah mengatasi kesalahan klasik dalam komputasi klasik. Ada kesalahan tingkat kedua dalam komputer kuantum, dan ini jauh lebih sulit untuk dipahami dan dijelaskan.

Hasta sangat tidak stabil dan tunduk pada dekoherensi kuantum - ini adalah gangguan komunikasi dalam sistem kuantum di bawah pengaruh lingkungan. Prosesor kuantum harus diisolasi semaksimal mungkin dari pengaruh lingkungan (meskipun dekoherensi terkadang terjadi sebagai akibat dari proses internal) untuk meminimalkan kesalahan. Pada saat yang sama, kesalahan kuantum tidak dapat sepenuhnya dihilangkan, tetapi jika kesalahan tersebut dibuat cukup jarang, komputer kuantum dapat berfungsi. Pada saat yang sama, beberapa peneliti percaya bahwa 99% kekuatan komputer semacam itu akan diarahkan
untuk menghilangkan kesalahan, tetapi 1% sisanya sudah cukup untuk menyelesaikan masalah apa pun.
Menurut fisikawan Scott Aaronson, pencapaian Google bisa dianggap yang ketiga
dengan setengah dari tujuh langkah yang diperlukan untuk membuat komputer kuantum - dengan kata lain, kita sudah setengah jalan menuju ke sana.