Ce va oferi un computer cuantic. Deci este adevărat că D-Wave este de o sută de milioane de ori mai rapid decât un computer normal? Unde va fi folosit noul computer?

Omenirea, la fel ca acum 60 de ani, este din nou în pragul unei descoperiri grandioase în domeniul tehnologiilor de calcul. Calculatoarele cuantice vor înlocui în curând computerele de astăzi.

Câte progrese s-au făcut

În 1965, Gordon Moore spunea că într-un an numărul de tranzistori care se potrivesc într-un microcip de siliciu se dublează. Acest ritm de progres a încetinit recent, iar dublarea are loc mai rar - o dată la doi ani. Chiar și în acest ritm, în viitorul apropiat, tranzistorii vor atinge dimensiunea unui atom. Apoi există o linie care nu poate fi depășită. Din punct de vedere al structurii fizice a tranzistorului, acesta nu poate fi mai mic decât mărimile atomice. Mărirea dimensiunii cipului nu rezolvă problema. Funcționarea tranzistoarelor este asociată cu eliberarea de energie termică, iar procesoarele au nevoie de un sistem de răcire de înaltă calitate. De asemenea, arhitectura multi-core nu rezolvă problema creșterii ulterioare. Atingerea vârfului în dezvoltarea tehnologiei moderne de procesor se va întâmpla în curând.
Dezvoltatorii au ajuns să înțeleagă această problemă într-un moment în care computerele personale abia începeau să fie disponibile pentru utilizatori. În 1980, unul dintre fondatorii informaticii cuantice, profesorul sovietic Yuri Manin, a formulat ideea de calcul cuantic. Un an mai târziu, Richard Feiman a propus primul model de computer cu procesor cuantic. Bazele teoretice ale cum ar trebui să arate computerele cuantice au fost formulate de Paul Benioff.

Principiul de funcționare al unui computer cuantic

Pentru a înțelege cum funcționează noul procesor, este necesar să aveți o cunoaștere cel puțin superficială a principiilor mecanicii cuantice. Nu are sens să oferim aici machete matematice și să derivăm formule. Este suficient ca profanul să se familiarizeze cu cele trei trăsături distinctive ale mecanicii cuantice:

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

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

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

Unde va fi folosit noul computer?

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

Noul mod de calcul va crea premisele pentru descoperiri științifice grandioase în toate industriile. Medicina va rezolva multe probleme problematice, care s-au acumulat destul de mult în ultima perioadă. Va fi posibil să se diagnosticheze cancerul într-un stadiu mai precoce al bolii decât este acum. Industria chimică va putea sintetiza produse cu proprietăți unice.

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

O altă trăsătură distinctivă pe care o au computerele cuantice este capacitatea calculului cuantic de a găsi rapid codul sau cifrul potrivit. Un computer obișnuit realizează o soluție de optimizare matematică secvenţial, trecând printr-o opțiune după alta. Un concurent cuantic lucrează cu întreaga matrice de date simultan, alegând cele mai potrivite opțiuni la viteza fulgerului într-un timp fără precedent. Tranzacțiile bancare vor fi descifrate într-o clipă, ceea ce nu este disponibil pentru computerele moderne.

Cu toate acestea, sectorul bancar poate să nu-și facă griji - secretul său va fi salvat prin metoda de criptare cuantică cu paradoxul măsurării. Dacă încercați să deschideți codul, semnalul transmis va fi distorsionat. Informațiile primite nu vor avea niciun sens. Serviciile secrete, pentru care spionajul este un lucru obișnuit, sunt interesate de posibilitățile de calcul cuantic.

Dificultăți de proiectare

Dificultatea constă în crearea condițiilor în care un bit cuantic poate fi într-o stare de suprapunere pentru o perioadă de timp infinit de lungă.

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

O serie de condiții unice de mediu sunt create în jurul elementelor microscopice ale motorului logic:

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

O ușoară abatere de mediu face ca qubiții să-și piardă momentan starea de suprapunere, ducând la o defecțiune.

Înaintea planetei

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

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

O declarație revelatoare importantă a fost făcută de Snowden, care a părăsit Statele Unite - NSA plănuiește, de asemenea, să-și dezvolte propriul computer cuantic.

2014 - începutul erei sistemelor D-Wave

Atletul canadian de succes Geordie Rose, după o înțelegere cu Google și NASA, a început să construiască un procesor de 1000 de qubiți. Viitorul model din punct de vedere al vitezei și al volumului de calcule va depăși de cel puțin 300.000 de ori primul prototip comercial. Calculatorul cuantic, a cărui fotografie se află mai jos, este prima versiune comercială din lume a unei tehnologii de calcul fundamental noi.

El a fost îndemnat să se angajeze în dezvoltarea științifică datorită cunoștințelor sale la universitate cu lucrările lui Colin Williams despre calculul cuantic. Trebuie să spun că Williams lucrează astăzi în Rose Corporation ca manager de proiect de afaceri.

Revoluție sau înșelăciune științifică

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

De la începutul cercetărilor sale, Rose și-a propus să creeze un procesor cu un număr minim de qubiți de 1.000. Și trebuie să fi avut o opțiune comercială - să vândă și să câștige bani.

Mulți, cunoscând obsesia și perspicacitatea comercială a lui Rose, încearcă să-l acuze de fals. Se presupune că cel mai obișnuit procesor este emis pentru quantum. Acest lucru este facilitat de faptul că viteza fenomenală a noii tehnici se manifestă atunci când se efectuează anumite tipuri de calcule. În rest, se comportă ca un computer complet obișnuit, doar că foarte scump.

Când vor apărea

Nu este mult de așteptat. Grupul de cercetare, organizat de cumpărătorii comune de prototipuri, va raporta în curând rezultatele cercetării privind D-Wave.
Poate că va veni în curând momentul în care computerele cuantice ne vor schimba înțelegerea lumii din jurul nostru. Și întreaga umanitate în acel moment va atinge un nivel superior al evoluției sale.

29 ianuarie 2017

Pentru mine, expresia „calculator cuantic” este comparabilă, de exemplu, cu „motor fotonic”, adică este ceva foarte complex și fantastic. Totuși, citesc acum în știri - „un computer cuantic se vinde oricui îl dorește”. Este ciudat, fie această expresie înseamnă acum altceva, fie este doar un fals?

Să aruncăm o privire mai atentă...

CUM A ÎNCEPUT TOTUL?

Abia la mijlocul anilor 1990 teoria calculatoarelor cuantice și calculul cuantic s-a impus ca un nou domeniu al științei. Așa cum se întâmplă adesea cu ideile grozave, este greu să desemnezi un pionier. Aparent, matematicianul maghiar I. von Neumann a fost primul care a atras atenția asupra posibilității dezvoltării logicii cuantice. Cu toate acestea, la acel moment, nu fuseseră încă create computere cuantice, ci și obișnuite, clasice. Și odată cu apariția acestuia din urmă, principalele eforturi ale oamenilor de știință s-au dovedit a fi îndreptate în primul rând către căutarea și dezvoltarea de noi elemente pentru ei (tranzistoare și apoi circuite integrate), și nu către crearea de dispozitive de calcul fundamental diferite.

În anii 1960, fizicianul american R. Landauer, care lucra la IBM Corporation, a încercat să atragă atenția lumii științifice asupra faptului că calculele sunt întotdeauna un proces fizic, ceea ce înseamnă că este imposibil să înțelegem limitele calculului nostru. capabilități fără a specifica ce implementare fizică sunt acestea.se potrivesc. Din păcate, la acea vreme, opinia predominantă în rândul oamenilor de știință era că calculul era o procedură logică abstractă care ar trebui studiată de matematicieni, nu de fizicieni.

Pe măsură ce computerele au proliferat, oamenii de știință implicați în obiectele cuantice au ajuns la concluzia că era practic imposibil să se calculeze direct starea unui sistem în evoluție format din doar câteva zeci de particule care interacționează, cum ar fi o moleculă de metan (CH4). Acest lucru se explică prin faptul că, pentru o descriere completă a unui sistem complex, este necesar să se păstreze în memoria computerului un număr exponențial de mare (din punct de vedere al numărului de particule) de variabile, așa-numitele amplitudini cuantice. A apărut o situație paradoxală: cunoscând ecuația evoluției, cunoscând cu suficientă acuratețe toate potențialele interacțiunii particulelor între ele și starea inițială a sistemului, este practic imposibil să-i calculăm viitorul, chiar dacă sistemul este format doar din 30 de electroni într-un puț de potențial și este disponibil un supercalculator cu RAM, al cărui număr de biți este egal cu numărul de atomi din regiunea vizibilă a Universului (!). Și, în același timp, pentru a studia dinamica unui astfel de sistem, se poate realiza pur și simplu un experiment cu 30 de electroni, plasându-i într-un anumit potențial și stare inițială. În special, matematicianul rus Yu. I. Manin a atras atenția asupra acestui lucru, subliniind în 1980 necesitatea dezvoltării unei teorii a dispozitivelor de calcul cuantic. În anii 1980, aceeași problemă a fost studiată de fizicianul american P. Benev, care a arătat clar că un sistem cuantic poate efectua calcule, precum și de savantul englez D. Deutsch, care a dezvoltat teoretic un computer cuantic universal care îl depășește pe omologul său clasic. .

R. Feynman, laureat al Premiului Nobel pentru fizică, a atras multă atenție asupra problemei dezvoltării computerelor cuantice. Datorită apelului său autoritar, numărul specialiștilor care au acordat atenție calculului cuantic a crescut de multe ori.

Baza algoritmului lui Shor: capacitatea qubiților de a stoca mai multe valori în același timp)

Și totuși, pentru o lungă perioadă de timp a rămas neclar dacă puterea de calcul ipotetică a unui computer cuantic ar putea fi folosită pentru a accelera soluționarea problemelor practice. Dar în 1994, matematicianul american, angajat al Lucent Technologies (SUA), P. Shor, a uluit lumea științifică propunând un algoritm cuantic care permite factorizarea rapidă a numerelor mari (importanța acestei probleme a fost deja discutată în introducere). ). În comparație cu cea mai bună metodă clasică cunoscută astăzi, algoritmul cuantic al lui Shor oferă o accelerare multiplă a calculelor, iar cu cât numărul factorizabil este mai lung, cu atât câștigul în viteză este mai mare. Algoritmul de factorizare rapidă prezintă un mare interes practic pentru diverse servicii speciale care au acumulat bănci de mesaje necriptate.

În 1996, colegul lui Shor de la Lucent Technologies, L. Grover, a propus un algoritm de căutare rapidă cuantică într-o bază de date neordonată. (Un exemplu de astfel de bază de date este o carte de telefon, în care numele abonaților nu sunt aranjate alfabetic, ci arbitrar.) Sarcina de a găsi, alege elementul optim dintre numeroasele opțiuni este foarte comună în problemele economice, militare, de inginerie, în jocurile pe calculator. Algoritmul lui Grover permite nu numai să accelereze procesul de căutare, ci și să dubleze aproximativ numărul de parametri luați în considerare la alegerea optimului.

În termeni simpli, atunci: un sistem cuantic dă un rezultat care este corect numai cu o anumită probabilitate. Cu alte cuvinte, dacă calculezi 2+2, atunci 4 va ieși doar cu un anumit grad de precizie. Nu vei primi niciodată exact 4. Logica procesorului său nu seamănă deloc cu procesorul cu care suntem obișnuiți.

Există metode de calculare a rezultatului cu o precizie predeterminată, desigur cu o creștere a timpului de calculator.
Această caracteristică definește lista de sarcini. Și această caracteristică nu este promovată, iar publicul are impresia că un computer cuantic este la fel ca un PC obișnuit (aceleași 0 și 1), doar rapid și scump. Acest lucru nu este în principiu adevărat.

Da, și încă un punct - pentru un computer cuantic și pentru calculul cuantic în general, mai ales pentru a folosi „puterea și viteza” calculului cuantic, sunt necesari algoritmi și modele speciali dezvoltate special pentru specificul calculului cuantic. Prin urmare, complexitatea utilizării unui computer cuantic nu este doar în prezența hardware-ului, ci și în compilarea unor metode de calcul noi, neutilizate până acum. "

Și acum să trecem la implementarea practică a unui computer cuantic: un procesor comercial D-Wave de 512 qubiți există deja de ceva timp și chiar este vândut !!!

Aici, el, s-ar părea, este o adevărată descoperire !!! Iar un grup de oameni de știință de renume din revista Physical Review, nu mai puțin reputată, mărturisește în mod convingător că efectele de intricare cuantică au fost într-adevăr descoperite în D-Wave.

În consecință, acest dispozitiv are tot dreptul să fie numit un computer cuantic real, din punct de vedere arhitectural, permite pe deplin o creștere suplimentară a numărului de qubiți și, prin urmare, are perspective excelente pentru viitor ... (T. Lanting et al. Entanglement într-un procesor de recoacere cuantică.PHYSICAL REVIEW X 4 , 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

Adevărat, puțin mai târziu, un alt grup de oameni de știință reputați din revista la fel de reputată Science, care a studiat același sistem de calcul D-Wave, l-a evaluat pur practic: cât de bine își îndeplinește acest dispozitiv funcțiile de calcul. Și acest grup de oameni de știință demonstrează la fel de amănunțit și convingător ca primul că în testele reale de verificare, care sunt potrivite în mod optim pentru acest design, computerul cuantic D-Wave nu oferă niciun câștig de viteză în comparație cu computerele convenționale, clasice. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Definiting and detecting quantum speedup. SCIENCE, iunie 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

De fapt, nu existau sarcini pentru „mașinăria viitorului” costisitoare, dar specializată, în care să-și poată demonstra superioritatea cuantică. Cu alte cuvinte, sensul însuși al eforturilor foarte costisitoare de a crea un astfel de dispozitiv este în mare îndoială ...
Rezultatele sunt următoarele: acum nu există nicio îndoială în comunitatea științifică că funcționarea elementelor din procesorul computerului D-Wave are loc într-adevăr pe baza efectelor cuantice reale între qubiți.

Dar (și acesta este un DAR extrem de serios), caracteristicile cheie în designul procesorului D-Wave sunt de așa natură încât, în funcționare reală, toată fizica sa cuantică nu oferă niciun câștig în comparație cu un computer puternic convențional cu software special. concepute pentru rezolvarea problemelor de optimizare.

Pentru a spune simplu, nu numai oamenii de știință care testează D-Wave nu au reușit încă să vadă o singură problemă din lumea reală în care un computer cuantic și-ar putea demonstra în mod convingător superioritatea computațională, dar chiar și producătorul însuși nu are idee ce fel de sarcină are. ar putea fi ...

Este vorba despre caracteristicile de design ale procesorului D-Wave de 512 qubiți, care este asamblat din grupuri de 8 qubiți. În același timp, în interiorul acestor grupuri de 8 qubiți, toți comunică direct între ele, dar între aceste grupuri, conexiunile sunt foarte slabe (ideal, TOȚI qubiții procesorului ar trebui să comunice direct între ei). Asta, desigur, reduce FOARTE semnificativ complexitatea construirii unui procesor cuantic... DAR, de aici cresc o multime de alte probleme, inchizand in final si pe echipamente criogenice foarte scumpe care racesc circuitul la temperaturi ultra-scazute.

Deci, ce ne oferă ei acum?

Compania canadiană D-Wave a anunțat începutul vânzărilor computerului său cuantic D-Wave 2000Q, anunțat în septembrie anul trecut. Aderând la propria sa versiune a Legii lui Moore, conform căreia numărul de tranzistori de pe un circuit integrat se dublează la fiecare doi ani, D-Wave a plasat 2.048 de qubiți pe un CPU (dispozitiv de procesare cuantică). Dinamica de creștere a numărului de qubiți de pe CPU în ultimii ani arată astfel:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

Mai mult, spre deosebire de procesoarele, procesoarele și GPU-urile tradiționale, dublarea qubiților este însoțită nu de o creștere de 2 ori, ci de o creștere de 1000 de ori a performanței. În comparație cu un computer cu arhitectură tradițională și configurație de procesor cu un singur nucleu și GPU de 2500 de nuclee, diferența de performanță este de 1.000 până la 10.000 de ori. Toate aceste cifre sunt cu siguranță impresionante, dar există câteva „dar”.

În primul rând, D-Wave 2000Q este extrem de scump, la 15 milioane de dolari, este un dispozitiv destul de masiv și complex. Creierul său este un procesor format dintr-un metal neferos numit niobiu, ale cărui proprietăți supraconductoare (necesare pentru calculatoarele cuantice) apar în vid, la o temperatură apropiată de zero absolut sub 15 milikelvin (de 180 de ori mai mică decât temperatura din spațiul cosmic) .

Menținerea unei temperaturi atât de scăzute necesită o cantitate mare de energie, 25 kW. Dar totuși, conform producătorului, acesta este de 100 de ori mai puțin decât supercalculatoarele tradiționale cu performanță echivalentă. Deci, performanța D-Wave 2000Q per watt de energie consumată este de 100 de ori mai mare. Dacă compania reușește să-și urmeze în continuare „legea lui Moore”, atunci în computerele sale viitoare această diferență va crește exponențial, menținând în același timp consumul de energie la nivelurile actuale.

În primul rând, computerele cuantice au un scop foarte specific. În cazul lui D-Wave 2000Q, vorbim despre așa-numitul. calculatoare adiabatice și rezolvarea problemelor de normalizare cuantică. Acestea apar în special în următoarele domenii:

Învățare automată:

Detectarea anomaliilor statistice
— găsirea modelelor comprimate
— recunoașterea imaginilor și modelelor
- antrenament în rețea neuronală
— verificarea și aprobarea software-ului
— clasificarea datelor nestructurate
- diagnosticarea erorilor din circuit

Securitate și planificare

Detectare viruși și hack-uri în rețea
— distribuirea resurselor și găsirea căilor optime
— definiția apartenenței la un set
— analiza proprietăților diagramei
- factorizarea numerelor întregi (utilizată în criptografie)

modelare financiară

Identificarea instabilității pieței
— dezvoltarea strategiilor de tranzacționare
— optimizarea traiectoriilor de tranzacționare
— optimizarea prețului activelor și a acoperirii
— optimizarea portofoliului

Asistență medicală și medicină

Detectarea fraudei (probabil asigurare de sanatate)
— generarea de terapie medicamentoasă țintită (“molecular-targeted”)
– optimizarea tratamentului [cancerului] cu radioterapie
— crearea de modele proteice.

Primul cumpărător al D-Wave 2000Q a fost TDS (Temporal Defense Systems), o companie de securitate cibernetică. În general, produsele D-Wave sunt folosite de companii și instituții precum Lockheed Martin, Google, NASA Ames Research Center, Universitatea din California de Sud și Laboratorul Național Los Alamos din cadrul Departamentului de Energie al SUA.

Astfel, vorbim de o tehnologie rară (D-Wave este singura companie din lume care produce mostre comerciale de calculatoare cuantice) și costisitoare, cu o aplicație destul de îngustă și specifică. Dar rata de creștere a productivității sale este uimitoare, iar dacă această dinamică continuă, atunci datorită calculatoarelor adiabatice D-Wave (la care alte companii se pot alătura în cele din urmă), ne pot aștepta adevărate descoperiri în știință și tehnologie în următorii ani. Un interes deosebit este combinarea calculatoarelor cuantice cu o tehnologie atât de promițătoare și în dezvoltare rapidă precum inteligența artificială, mai ales că un specialist atât de autoritar precum Andy Rubin vede un viitor în asta.

Apropo, știați că IBM Corporation a permis utilizatorilor de Internet să se conecteze gratuit la computerul cuantic universal pe care l-a construit și să experimenteze algoritmi cuantici. Acest dispozitiv nu va avea suficientă putere pentru a sparge sistemele criptografice cu cheie publică, dar dacă planurile IBM devin realitate, atunci apariția unor computere cuantice mai complexe nu este departe.

Calculatorul cuantic pe care IBM l-a pus la dispoziție conține cinci qubiți: patru sunt folosiți pentru a lucra cu date, iar al cincilea este pentru corectarea erorilor în timpul calculelor. Corectarea erorilor este principala inovație de care dezvoltatorii săi sunt mândri. Va facilita creșterea numărului de qubiți în viitor.

IBM subliniază că computerul său cuantic este universal și capabil să execute orice algoritm cuantic. Acest lucru îl deosebește de computerele cuantice adiabatice pe care D-Wave le dezvoltă. Calculatoarele cuantice adiabatice sunt concepute pentru a găsi soluția optimă a funcțiilor și nu sunt potrivite pentru alte scopuri.

Se crede că calculatoarele cuantice universale vor permite rezolvarea unor probleme care depășesc puterea computerelor convenționale. Cel mai cunoscut exemplu al unei astfel de probleme este factorizarea numerelor în factori primi. Ar dura sute de ani pentru ca un computer obișnuit, chiar și unul foarte rapid, să găsească factorii primi ai unui număr mare. Un computer cuantic le va găsi folosind algoritmul lui Shor aproape la fel de rapid ca înmulțirea numerelor întregi.

Imposibilitatea descompunerii rapide a numerelor în factori primi stă la baza sistemelor criptografice cu cheie publică. Dacă se învață că această operație este efectuată cu viteza promisă de algoritmii cuantici, atunci cea mai mare parte a criptografiei moderne va trebui să fie uitată.

Este posibil să rulați algoritmul lui Shor pe un computer cuantic IBM, dar până când există mai mulți qubiți, acest lucru este de puțin folos. În următorii zece ani, situația se va schimba. Până în 2025, IBM intenționează să construiască un computer cuantic care să conțină de la cincizeci la o sută de qubiți. Potrivit experților, chiar și cu cincizeci de qubiți, calculatoarele cuantice vor putea rezolva unele probleme practice.

Iată câteva informații mai interesante despre tehnologia computerelor: citiți cum, dar se dovedește și că este posibil și ce fel de

Lumea este în pragul unei alte revoluții cuantice. Primul computer cuantic va rezolva instantaneu probleme pe care cel mai puternic dispozitiv modern durează acum ani să le rezolve. Care sunt aceste sarcini? Cine beneficiază și cine este amenințat de utilizarea masivă a algoritmilor cuantici? Ce este o suprapunere de qubits, cum au învățat oamenii să găsească soluția optimă fără a trece prin miliarde de opțiuni? Răspundem la aceste întrebări sub titlul „Doar despre complex”.

Înainte de cea cuantică, teoria clasică a radiațiilor electromagnetice era în uz. În 1900, omul de știință german Max Planck, care el însuși nu credea în cuante, le-a considerat o construcție fictivă și pur teoretică, a fost nevoit să admită că energia unui corp încălzit este emisă în porțiuni - cuante; astfel, ipotezele teoriei au coincis cu observațiile experimentale. Și cinci ani mai târziu, marele Albert Einstein a recurs la aceeași abordare atunci când a explicat efectul fotoelectric: la iradierea cu lumină, un curent electric a apărut în metale! Este puțin probabil că Planck și Einstein și-ar fi putut imagina că, prin munca lor, pun bazele unei noi științe - mecanica cuantică, care ar fi menită să transforme lumea noastră dincolo de recunoaștere și că în secolul XXI oamenii de știință vor fi aproape de a crea. un computer cuantic.

La început, mecanica cuantică a făcut posibilă explicarea structurii atomului și a ajutat la înțelegerea proceselor care au loc în interiorul acestuia. În general, vechiul vis al alchimiștilor despre transformarea atomilor unor elemente în atomi ai altora (da, chiar și în aur) s-a împlinit. Iar celebra formulă a lui Einstein E=mc2 a dus la apariția energiei nucleare și, ca urmare, a bombei atomice.

Procesor cuantic pe cinci qubiți de la IBM

Mai departe mai mult. Datorită muncii lui Einstein și a fizicianului englez Paul Dirac, în a doua jumătate a secolului XX a fost creat un laser - de asemenea o sursă cuantică de lumină ultrapură colectată într-un fascicul îngust. Cercetarea cu laser a adus Premiul Nobel la mai mult de o duzină de oameni de știință, iar laserele în sine și-au găsit aplicația în aproape toate domeniile activității umane - de la tăietoare industriale și pistoale cu laser la scanere de coduri de bare și corectarea vederii. Aproximativ în același timp, au existat cercetări active în domeniul semiconductorilor - materiale cu care puteți controla cu ușurință fluxul de curent electric. Pe baza lor, au fost creați primii tranzistori - au devenit ulterior principalele blocuri de construcție ale electronicii moderne, fără de care acum nu ne putem imagina viața.

Dezvoltarea calculatoarelor electronice – calculatoare – a permis rezolvarea multor probleme rapid și eficient. Iar reducerea treptată a dimensiunii și costului lor (datorită producției în masă) a deschis calea pentru calculatoare în fiecare casă. Odată cu apariția Internetului, dependența noastră de sistemele informatice, inclusiv pentru comunicare, a devenit și mai puternică.

Richard Feynman

Dependența este în creștere, puterea de calcul este în continuă creștere, dar este timpul să recunoaștem că, în ciuda capacităților lor impresionante, computerele nu au reușit să rezolve toate problemele pe care suntem gata să le punem. Celebrul fizician Richard Feynman a fost unul dintre primii care a vorbit despre asta: în 1981, la o conferință, a declarat că este fundamental imposibil să calculezi cu exactitate un sistem fizic real pe computere obișnuite. Totul ține de natura sa cuantică! Efectele la microscală sunt ușor de explicat de mecanica cuantică și foarte prost - de mecanica clasică cunoscută nouă: descrie comportamentul obiectelor mari. Apoi, ca alternativă, Feynman a sugerat utilizarea calculatoarelor cuantice pentru a calcula sistemele fizice.

Ce este un computer cuantic și cum diferă el de computerele cu care suntem obișnuiți? Totul este despre modul în care ne prezentăm informațiile.

Dacă în computerele obișnuite biții - zerouri și unu - sunt responsabili pentru această funcție, atunci în computerele cuantice ei sunt înlocuiți cu biți cuantici (abreviați ca qubiți). Qubit-ul în sine este un lucru destul de simplu. Are încă două valori de bază (sau stări, după cum le place să spună în mecanica cuantică) pe care le poate lua: 0 și 1. Cu toate acestea, datorită unei proprietăți a obiectelor cuantice numită „suprapoziție”, un qubit poate prelua toate valorile care sunt o combinație a celor de bază. În același timp, natura sa cuantică îi permite să fie în toate aceste stări simultan.

Acesta este paralelismul calculului cuantic cu qubiți. Totul se întâmplă deodată - nu mai trebuie să sortați toate opțiunile posibile pentru stările sistemului și exact asta face un computer obișnuit. Căutarea prin baze de date mari, compilarea unei rute optime, dezvoltarea de noi medicamente sunt doar câteva exemple de sarcini pe care algoritmii cuantici le pot accelera de multe ori. Acestea sunt sarcinile în care, pentru a găsi răspunsul corect, trebuie să treci printr-un număr mare de opțiuni.

În plus, pentru a descrie starea exactă a sistemului, puterea de calcul uriașă și cantitățile de RAM nu mai sunt necesare, deoarece 100 de qubiți sunt suficienți pentru a calcula un sistem de 100 de particule și nu trilioane de trilioane de biți. Mai mult, pe măsură ce numărul de particule crește (ca și în sistemele complexe reale), această diferență devine și mai semnificativă.

Una dintre sarcinile de enumerare s-a remarcat prin aparenta sa inutilitate - descompunerea numerelor mari în factori primi (adică divizibile doar între ele și unul). Aceasta se numește „factorizare”. Cert este că computerele obișnuite pot înmulți numere destul de repede, chiar dacă sunt foarte mari. Cu toate acestea, cu problema inversă a descompunerii unui număr mare care rezultă din înmulțirea a două numere prime în factorii originali, computerele obișnuite se descurcă foarte prost. De exemplu, pentru a descompune un număr de 256 de cifre în doi factori, chiar și cel mai puternic computer va avea nevoie de mai mult de o duzină de ani. Dar un algoritm cuantic care poate rezolva această problemă în câteva minute a fost inventat în 1997 de matematicianul englez Peter Shor.

Odată cu apariția algoritmului Shor, comunitatea științifică s-a confruntat cu o problemă serioasă. La sfârșitul anilor 1970, pe baza complexității problemei de factorizare, criptografii au creat un algoritm de criptare a datelor care a devenit larg răspândit. În special, folosind acest algoritm, au început să protejeze datele de pe Internet - parole, corespondență personală, tranzacții bancare și financiare. Și după mulți ani de utilizare cu succes, s-a dovedit brusc că informațiile criptate în acest fel devin o țintă ușoară pentru algoritmul Shor care rulează pe un computer cuantic. Decriptarea cu ea devine o chestiune de câteva minute. Un lucru era bun: un computer cuantic care ar putea rula un algoritm mortal nu fusese încă creat.

Între timp, în întreaga lume, zeci de grupuri științifice și laboratoare au început să se angajeze în studii experimentale ale qubiților și posibilitatea de a crea un computer cuantic din aceștia. La urma urmei, una este să inventezi teoretic un qubit și alta este să îl traduci în realitate. Pentru a face acest lucru, a fost necesar să se găsească un sistem fizic adecvat cu două niveluri cuantice care să poată fi folosite ca stări de bază ale qubitului - zero și unu. Însuși Feynman, în articolul său de pionierat, a sugerat utilizarea fotonilor răsuciți în direcții diferite în aceste scopuri, dar primii qubiți creați experimental au fost ioni capturați în capcane speciale în 1995. Ionii au fost urmați de multe alte realizări fizice: nuclee de atomi, electroni, fotoni, defecte în cristale, circuite supraconductoare - toate au îndeplinit cerințele.

Această diversitate avea meritele ei. Conduse de concurență acerbă, diverse grupuri științifice au creat qubiți din ce în ce mai avansați și au construit circuite din ce în ce mai complexe din ei. Qubiții aveau doi parametri concurenți principali: durata lor de viață și numărul de qubiți care puteau fi făcuți să funcționeze împreună.

Angajații Laboratorului de Sisteme Cuantice Artificiale

Durata de viață a qubiților a determinat cât timp a fost stocată starea cuantică fragilă în ei. Aceasta, la rândul său, a determinat câte operații de calcul ar putea fi efectuate pe qubit înainte ca acesta să „murească”.

Pentru funcționarea eficientă a algoritmilor cuantici, nu a fost nevoie de un qubit, ci de cel puțin o sută, în plus, lucrând împreună. Problema a fost că qubitilor nu le plăcea foarte mult să fie unul lângă altul și au protestat reducându-și dramatic durata de viață. Pentru a ocoli această ceartă a qubiților, oamenii de știință au trebuit să meargă la tot felul de trucuri. Și totuși, până în prezent, oamenii de știință au reușit să obțină maximum una sau două duzini de qubiți pentru a lucra împreună.

Deci, spre bucuria criptografilor, computerul cuantic este încă un lucru al viitorului. Deși nu este deloc atât de departe pe cât părea cândva, deoarece atât cele mai mari corporații precum Intel, IBM și Google, cât și statele individuale, pentru care crearea unui computer cuantic este o chestiune de importanță strategică, sunt implicate activ. în crearea sa.

Nu rata prelegerea:

Candidat la Științe Fizice și Matematice L. FEDICHKIN (Institutul Fizico-Tehnologic al Academiei Ruse de Științe.

Folosind legile mecanicii cuantice, este posibil să se creeze un tip fundamental nou de calculatoare care să permită rezolvarea unor probleme care sunt inaccesibile chiar și celor mai puternice supercalculatoare moderne. Viteza multor calcule complexe va crește dramatic; mesajele trimise prin linii de comunicare cuantică nu pot fi nici interceptate, nici copiate. Astăzi, prototipurile acestor computere cuantice ale viitorului au fost deja create.

Matematician și fizician american de origine maghiară Johann von Neumann (1903-1957).

Fizicianul teoretic american Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Matematicianul american Peter Shor, specialist în domeniul calculului cuantic. El a propus un algoritm cuantic pentru factorizarea rapidă a numerelor mari.

Bit sau qubit cuantic. Stările și corespund, de exemplu, direcției de rotație a nucleului atomic în sus sau în jos.

Un registru cuantic este un lanț de biți cuantici. Porțile cuantice de unul sau doi qubiți efectuează operații logice pe qubiți.

INTRODUCERE SAU PUȚIN DESPRE PROTECȚIA INFORMAȚIILOR

Care crezi că este cel mai licențiat program din lume? Nu mă voi îndrăzni să insist că știu răspunsul corect, dar știu unul greșit: acesta este nu orice versiune de Microsoft Windows. Cel mai comun sistem de operare este înaintea unui produs modest de la RSA Data Security, Inc. - un program care implementează algoritmul de criptare a cheii publice RSA, numit după autorii săi - matematicienii americani Rivest, Shamir și Adelman.

Cert este că algoritmul RSA este încorporat în majoritatea sistemelor de operare vândute, precum și în multe alte aplicații utilizate în diverse dispozitive - de la smart carduri la telefoane mobile. În special, este disponibil și în Microsoft Windows, ceea ce înseamnă că este evident mai răspândit decât acest popular sistem de operare. Pentru a detecta urme de RSA, de exemplu, în browser-ul Internet Explorer (un program pentru vizualizarea paginilor www pe Internet), trebuie doar să deschideți meniul „Ajutor”, să intrați în submeniul „Despre Internet Explorer” și să vizualizați lista produselor utilizate de la alte companii. Un alt browser comun, Netscape Navigator, folosește și algoritmul RSA. În general, este dificil să găsești o companie cunoscută de înaltă tehnologie care să nu cumpere o licență pentru acest program. Până în prezent, RSA Data Security, Inc. a vândut deja peste 450 de milioane(!) de licențe.

De ce este algoritmul RSA atât de important?

Imaginează-ți că trebuie să schimbi rapid un mesaj cu o persoană care se află departe. Datorită dezvoltării internetului, un astfel de schimb a devenit disponibil astăzi pentru majoritatea oamenilor - trebuie doar să aveți un computer cu un modem sau o placă de rețea. Desigur, atunci când faceți schimb de informații prin rețea, ați dori să păstrați mesajele secrete față de cei din afară. Cu toate acestea, este imposibil să protejați complet o linie de comunicație extinsă de interceptări. Aceasta înseamnă că atunci când se trimit mesaje, acestea trebuie criptate, iar atunci când sunt primite, trebuie decriptate. Dar cum sunteți de acord cu interlocutorul dvs. asupra cheii pe care o veți folosi? Dacă trimiteți cheia cifrului pe aceeași linie, atunci un atacator care interceptează cu urechea o poate intercepta cu ușurință. Puteți, desigur, să trimiteți cheia printr-o altă linie de comunicare, de exemplu, să o trimiteți prin telegramă. Dar o astfel de metodă este de obicei incomodă și, în plus, nu întotdeauna de încredere: poate fi accesată și o altă linie. Este bine dacă tu și destinatarul tău știai dinainte că vei face schimb de criptări și, prin urmare, ți-ai predat cheile unul altuia în avans. Dar dacă, de exemplu, doriți să trimiteți o ofertă comercială confidențială unui potențial partener de afaceri sau să cumpărați un produs care vă place într-un nou magazin online folosind un card de credit?

În anii 1970, sistemele de criptare au fost propuse pentru a rezolva această problemă, folosind două tipuri de chei pentru același mesaj: deschise (nu necesită stocare secretă) și închise (strict secrete). Cheia publică este folosită pentru a cripta mesajul, iar cheia privată este folosită pentru a-l decripta. Îi trimiți corespondentului tău cheia publică, iar el își criptează mesajul cu ea. Tot ceea ce poate face un atacator care a interceptat cheia publică este să-și cripteze scrisoarea cu ea și să o trimită cuiva. Dar nu va putea descifra corespondența. Tu, cunoscând cheia privată (inițial este stocată la tine), vei citi cu ușurință mesajul care ți se adresează. Pentru a cripta mesajele de răspuns, vei folosi cheia publică trimisă de corespondentul tău (și el păstrează cheia privată corespunzătoare pentru el).

Doar o astfel de schemă criptografică este utilizată în algoritmul RSA - cea mai comună metodă de criptare a cheii publice. Mai mult, următoarea ipoteză importantă este utilizată pentru a crea o pereche de chei publice și private. Dacă există două mari (necesită mai mult de o sută de cifre zecimale pentru introducerea lor) simplu numerele M și K, atunci nu va fi dificil să găsiți produsul lor N=MK (nici măcar nu este necesar să aveți un computer pentru asta: o persoană destul de precisă și răbdătoare poate înmulți astfel de numere cu un pix și hârtie). Dar pentru a rezolva problema inversă, adică cunoscând un număr mare N, descompuneți-l în factori simpli M și K (așa-numitii problema de factorizare) - aproape imposibil! Este această problemă cu care se va confrunta un atacator care decide să „crape” algoritmul RSA și să citească informațiile criptate cu acesta: pentru a afla cheia privată, cunoscând cheia publică, va trebui să calculeze M sau K.

Pentru a testa validitatea ipotezei despre complexitatea practică a factorizării numerelor mari, au fost și încă se desfășoară concursuri speciale. Înregistrarea este descompunerea unui număr de numai 155 de cifre (512 biți). Calculele au fost efectuate în paralel pe multe computere pe parcursul a șapte luni în 1999. Dacă această sarcină ar fi efectuată pe un singur computer personal modern, ar dura aproximativ 35 de ani de utilizare a computerului! Calculele arată că, folosind chiar și o mie de stații de lucru moderne și cel mai bun algoritm de calcul cunoscut astăzi, un număr de 250 de cifre poate fi factorizat în aproximativ 800 de mii de ani și un număr de 1000 de cifre în 10 25 (!) ani. (Pentru comparație, vârsta Universului este de ~10-10 ani.)

Prin urmare, algoritmii criptografici precum RSA, care funcționează cu chei suficient de lungi, au fost considerați absolut fiabili și au fost utilizați în multe aplicații. Și totul a fost bine până atunci ...până când au apărut computerele cuantice.

Se dovedește că folosind legile mecanicii cuantice, puteți construi computere pentru care problema factorizării (și multe altele!) nu este dificilă. Se estimează că un computer cuantic cu doar aproximativ 10.000 de biți cuantici de memorie poate factoriza un număr de 1.000 de cifre în factori primi în doar câteva ore!

CUM A ÎNCEPUT TOTUL?

Câștigătorul Premiului Nobel pentru fizică R. Feynman, care este bine cunoscut cititorilor obișnuiți ai Science and Life, a atras multă atenție asupra problemei dezvoltării computerelor cuantice. Datorită apelului său autoritar, numărul specialiștilor care au acordat atenție calculului cuantic a crescut de multe ori.

Crearea reală a calculatoarelor cuantice a fost împiedicată, în esență, de singura problemă serioasă – erorile sau interferența. Faptul este că același nivel de interferență strică procesul de calcul cuantic mult mai intens decât cele clasice. Modalități de rezolvare a acestei probleme au fost schițate în 1995 de P. Shor, care a dezvoltat o schemă pentru codificarea stărilor cuantice și corectarea erorilor din acestea. Din păcate, subiectul corectării erorilor în calculatoarele cuantice este pe atât de important, pe atât de greu de acoperit în acest articol.

DISPOZITIV AL UNUI CALCULATOR CUANTUM

Înainte de a descrie modul în care funcționează un computer cuantic, să ne amintim principalele caracteristici ale sistemelor cuantice (vezi și „Știința și viața” nr. 8, 1998; nr. 12, 2000).

Pentru a înțelege legile lumii cuantice, nu ar trebui să se bazeze direct pe experiența de zi cu zi. În modul obișnuit (în înțelegerea de zi cu zi) particulele cuantice se comportă numai dacă le „spionăm” în mod constant sau, mai strict vorbind, măsuram constant în ce stare se află. Dar de îndată ce ne „întoarcem” (nu mai observăm), particulele cuantice trec imediat dintr-o stare complet definită în mai multe ipostaze diferite deodată. Adică, un electron (sau orice alt obiect cuantic) va fi parțial într-un punct, parțial într-un altul, parțial într-un al treilea și așa mai departe.Asta nu înseamnă că este împărțit în segmente, ca o portocală. Atunci ar fi posibil să izolați în mod fiabil o parte a electronului și să măsurați sarcina sau masa acestuia. Dar experiența arată că, după măsurare, electronul se dovedește întotdeauna a fi „în siguranță” într-un singur punct, în ciuda faptului că înainte a avut timp să viziteze aproape peste tot în același timp. Această stare a unui electron, atunci când este situat în mai multe puncte din spațiu simultan, se numește suprapunerea stărilor cuanticeși sunt de obicei descrise de funcția de undă introdusă în 1926 de fizicianul german E. Schrödinger. Valoarea absolută a funcției de undă în orice punct, la pătrat, determină probabilitatea de a găsi o particulă în acel punct la un moment dat. După măsurarea poziției unei particule, funcția ei de undă, așa cum ar fi, se contractă (se prăbușește) până la punctul în care particula a fost detectată și apoi începe să se răspândească din nou. Proprietatea particulelor cuantice de a fi în mai multe stări în același timp, numită paralelism cuantic, a fost folosit cu succes în calculul cuantic.

bit cuantic

Unitatea de bază a unui computer cuantic este un bit cuantic sau, pe scurt, qubit(q-biți). Aceasta este o particulă cuantică care are două stări de bază, care sunt notate cu 0 și 1, sau, așa cum este obișnuit în mecanica cuantică, și. Două valori ale unui qubit pot corespunde, de exemplu, stărilor fundamentale și excitate ale unui atom, direcțiilor în sus și în jos ale rotației nucleului atomic, direcției curentului într-un inel supraconductor, două poziții posibile de un electron într-un semiconductor și așa mai departe.

registrul cuantic

Registrul cuantic este aranjat aproape în același mod ca și cel clasic. Acesta este un lanț de biți cuantici peste care pot fi efectuate operații logice pe unul și doi biți (similar cu utilizarea operațiilor NOT, 2AND-NOT etc. într-un registru clasic).

Stările de bază ale unui registru cuantic format din L qubiți cuprind, la fel ca în cel clasic, toate secvențele posibile de zerouri și unele de lungime L. În total, pot exista 2 L combinații diferite. Ele pot fi considerate ca o înregistrare a numerelor în formă binară de la 0 la 2 L -1 și notate. Cu toate acestea, aceste stări de bază nu epuizează toate valorile posibile ale registrului cuantic (spre deosebire de cel clasic), deoarece există și stări de suprapunere definite de amplitudini complexe asociate cu condiția de normalizare. Cele mai multe dintre valorile posibile ale registrului cuantic (cu excepția celor de bază) pur și simplu nu au un analog clasic. Stările registrului clasic sunt doar o umbră jalnică a întregii bogății de stări a unui computer cuantic.

Imaginați-vă că se efectuează o influență externă asupra registrului, de exemplu, impulsurile electrice sunt aplicate unei părți a spațiului sau sunt direcționate fascicule laser. Dacă acesta este un registru clasic, un impuls, care poate fi considerat o operație de calcul, va schimba L variabile. Dacă acesta este un registru cuantic, atunci același impuls se poate transforma simultan în variabile. Astfel, un registru cuantic, în principiu, este capabil să proceseze informații de multe ori mai rapid decât omologul său clasic. Acest lucru arată imediat că registrele cuantice mici (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că există o clasă de probleme pentru care algoritmii cuantici nu oferă o accelerare semnificativă în comparație cu cei clasici. Unul dintre primii care au arătat acest lucru a fost matematicianul rus Yu. Ozhigov, care a construit o serie de exemple de algoritmi care, în principiu, nu sunt accelerați pe un computer cuantic de un singur ciclu de ceas.

Cu toate acestea, nu există nicio îndoială că calculatoarele care funcționează conform legile mecanicii cuantice reprezintă o etapă nouă și decisivă în evoluția sistemelor de calcul. Rămâne doar să le construim.

CALCULATELE CUANTICE AZI

Prototipuri de calculatoare cuantice există deja astăzi. Adevărat, până acum au fost asamblate experimental doar registre mici, constând din câțiva biți cuantici. De exemplu, recent un grup condus de fizicianul american I. Chang (IBM) a anunțat asamblarea unui computer cuantic pe 5 biți. Fără îndoială, acesta este un mare succes. Din păcate, sistemele cuantice existente nu sunt încă capabile să ofere calcule fiabile, deoarece sunt fie insuficient controlabile, fie foarte susceptibile la zgomot. Cu toate acestea, nu există interdicții fizice privind construirea unui computer cuantic eficient, este necesar doar depășirea dificultăților tehnologice.

Există mai multe idei și propuneri despre cum să faci biți cuantici fiabili și ușor de gestionat.

I. Chang dezvoltă ideea de a folosi spinurile nucleelor unor molecule organice ca qubiți.

Cercetătorul rus M. V. Feigelman, care lucrează la Institutul de Fizică Teoretică. L. D. Landau, Academia Rusă de Științe, propune să asambleze registre cuantice din inele supraconductoare miniaturale. Fiecare inel joacă rolul unui qubit, iar stările 0 și 1 corespund direcției curentului electric din inel - în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic. Astfel de qubiți pot fi comutați printr-un câmp magnetic.

La Institutul de Fizică și Tehnologie al Academiei Ruse de Științe, un grup condus de academicianul K. A. Valiev a propus două opțiuni pentru plasarea qubiților în structurile semiconductoare. În primul caz, rolul unui qubit este jucat de un electron într-un sistem de două puțuri de potențial create de o tensiune aplicată mini-electrozilor de pe suprafața semiconductorului. Stările 0 și 1 sunt pozițiile electronului într-una dintre aceste godeuri. Qubit-ul este comutat prin schimbarea tensiunii pe unul dintre electrozi. Într-o altă versiune, qubit-ul este nucleul unui atom de fosfor încorporat într-un anumit punct în semiconductor. Stările 0 și 1 - direcția de rotație a nucleului de-a lungul sau împotriva câmpului magnetic extern. Controlul se realizează folosind acțiunea comună a impulsurilor magnetice de frecvență de rezonanță și impulsuri de tensiune.

Astfel, cercetările se desfășoară în mod activ și se poate presupune că în viitorul foarte apropiat - în zece ani - va fi creat un computer cuantic eficient.

O privire în viitor

Astfel, este foarte posibil ca în viitor calculatoarele cuantice să fie fabricate folosind metode tradiționale ale tehnologiei microelectronice și să conțină mulți electrozi de control, asemănător unui microprocesor modern. Pentru a reduce nivelul de zgomot, care este critic pentru funcționarea normală a unui computer cuantic, primele modele vor trebui, cel mai probabil, să fie răcite cu heliu lichid. Este probabil ca primele computere cuantice să fie dispozitive voluminoase și costisitoare, care nu se potrivesc pe un birou și sunt conduse de un personal numeros de programatori de sisteme înveliți în alb și tehnicieni hardware. La ele vor avea acces la început doar structurile de stat, apoi organizațiile comerciale bogate. Dar era computerelor convenționale a început cam în același mod.

Și ce se va întâmpla cu computerele clasice? Vor muri? Cu greu. Atât computerele clasice, cât și cele cuantice au propriile lor aplicații. Deși, aparent, raportul din piață se va deplasa în continuare treptat către acesta din urmă.

Introducerea calculatoarelor cuantice nu va duce la rezolvarea unor probleme clasice fundamental de nerezolvat, ci doar va accelera unele calcule. În plus, comunicarea cuantică va deveni posibilă - transferul de qubiți la distanță, ceea ce va duce la apariția unui fel de Internet cuantic. Comunicarea cuantică va oferi o conexiune protejată (prin legile mecanicii cuantice) împotriva interceptării cu urechea a tuturor. Informațiile dvs. stocate în bazele de date cuantice vor fi mai protejate împotriva copierii decât sunt acum. Companiile care produc programe pentru calculatoare cuantice le vor putea proteja de orice copiere, inclusiv ilegală.

Pentru o înțelegere mai profundă a acestui subiect, puteți citi articolul de recenzie al lui E. Riffel, V. Polak „Fundamentals of Quantum Computing”, publicat în revista rusă „Quantum Computers and Quantum Computing” (nr. 1, 2000). (Apropo, acesta este primul și până acum singurul jurnal din lume dedicat calculului cuantic. Informații suplimentare despre aceasta pot fi găsite pe internet la http://rcd.ru/qc .). După ce stăpâniți această lucrare, veți putea citi articole științifice despre calculul cuantic.

O pregătire preliminară matematică ceva mai mare va fi necesară când se citește cartea lui A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly „Classical and Quantum Computing” (Moscova: MTsNMO-Chero, 1999).

O serie de aspecte fundamentale ale mecanicii cuantice care sunt esențiale pentru calculul cuantic sunt analizate în cartea „Teleportarea cuantică - un miracol obișnuit” de V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev (Izhevsk: RHD, 2000).

Editura RCD se pregătește să publice o traducere a recenziei lui A. Steen despre computerele cuantice ca o carte separată.

Următoarea literatură va fi utilă nu numai în termeni cognitivi, ci și istorici:

1) Yu. I. Manin. Calculabil și necalculabil.

M.: Sov. radio, 1980.

2) I. von Neumann. Fundamentele matematice ale mecanicii cuantice.

Moscova: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simularea fizicii pe computere // Calculator cuantic și calcul cuantic:

sat. în 2 volume - Izhevsk: RHD, 1999. Vol. 2, p. 96-123.

4) R. Feynman. Calculatoare cuantice mecanice

// Ibid., p. 123.-156.

Vedeți într-o cameră pe același subiect

Supercalculatoarele avansate sunt deja capabile să efectueze zeci de cvadrilioane de operații pe secundă. Dar există o serie de probleme pe care nu le pot rezolva. Să luăm un exemplu.

Suntem înconjurați de tehnologii criptografice peste tot: acestea sunt folosite în mesagerie instant sau operațiuni cu carduri bancare, criptomonede, în stocarea securizată a datelor și așa mai departe. Informațiile sunt criptate permanent atunci când sunt trimise și decriptate după ce sunt primite, astfel încât să le poată citi doar cei cărora le sunt destinate. Există diverse sisteme de criptare (AES, RSA), dar toate se bazează cumva pe utilizarea factorizării (descompunerea în factori primi).

Ce numere prime credeți că am înmulțit pentru a obține numărul de mai jos, care este o cheie de criptare de 2048 de biți (asemenea chei generate de RSA sunt schimbate de destinatari pentru a semna mesaje secrete cu ei)?

Nu vă deranjați: să aflați din ce numere prime sunt făcute este cea mai dificilă sarcină. Dar este dificil nu numai pentru tine, ci și pentru un computer clasic. Dacă folosim toată puterea de calcul din lume, atunci va fi nevoie de un miliard de ani pentru a o rezolva! Dar un computer cuantic ar putea rezolva asta în 100 de secunde. Pentru a face acest lucru, va permite viteza lui frenetică.

O creștere atât de gravă a vitezei de rezolvare a problemelor, apropo, va atrage după sine o restructurare a întregului sistem financiar global, deoarece fără o criptare fiabilă pur și simplu nu poate funcționa (nu este o glumă - toți cei care au un computer cuantic vor putea falsifica informații că deține orice sumă de bani).

Dacă inventarea computerului cuantic ar presupune schimbări atât de masive, poate că ar fi mai bine să te descurci fără el? Cu greu, pentru că beneficiile unor astfel de mașini sunt incomparabil mai mari decât bătăile de cap. Supercalculatoarele binare existente sunt foarte puternice, cu toate acestea, în ciuda performanțelor lor impresionante, este puțin probabil să fie capabile să rezolve toate problemele pe care o persoană intenționează să le pună în față.

Astăzi, de exemplu, aproximativ 35% din timpul supercalculatoarelor este cheltuit pentru rezolvarea problemelor din domeniul chimiei cuantice și al științei materialelor: pentru a calcula comportamentul moleculelor individuale sunt necesare resurse de calcul enorme (și vorbim doar despre acele sarcini, metoda de rezolvare pe care o cunoaștem deja).

Pe lângă aceasta, există o serie de probleme pe care computerele clasice le vor lua milioane de ani pentru a le rezolva, sau care nu pot fi rezolvate deloc, nici măcar teoretic. Deci, pentru a înțelege exact cum va decurge, de exemplu, cutare sau cutare reacție chimică, este necesar să se țină cont de procesele cuantice implicate în ea, iar acest lucru se poate face doar cu ajutorul unui computer cuantic. Dacă are succes, acest lucru le va oferi oamenilor posibilitatea de a studia amănunțit (și, prin urmare, de a repeta) fenomene precum, de exemplu, fotosinteza.

De ce sunt computerele cuantice atât de puternice? Principalul lucru care îi deosebește de cei binari clasici este utilizarea qubiților, care, spre deosebire de biți, pot lua simultan două valori: 0 și 1. Această „dualitate” asigură paralelismul calculului cuantic, deoarece nu mai este necesar să se sortați toate stările posibile ale sistemului. Un set de numai 30 de qubiți poate forma 2 30 (adică mai mult de un miliard) secvențe binare - acesta este numărul de biți care vor fi necesari pentru a le procesa simultan. Pur și simplu economisirea de spațiu, energie și timp!

Pe un computer cuantic cu o putere de 100-200 qubiți, am putea construi simulări precise ale proceselor chimice complexe, cum ar fi, de exemplu, fixarea azotului - conversia azotului conținut în atmosferă în compuși care conțin azot. Această reacție este utilizată pe scară largă pentru a produce amoniac, care este necesar pentru producerea de îngrășăminte, care sunt esențiale pentru hrănirea populației în continuă creștere a planetei. Procesul industrial de obținere a amoniacului a rămas practic neschimbat în ultimul secol și se caracterizează printr-o intensitate energetică ridicată: de la 1% până la 3% din rezervele mondiale de gaze naturale sunt utilizate pentru producerea acestuia. Cu un computer cuantic suficient de puternic, oamenii de știință ar putea folosi simulări pentru a găsi catalizatori mai eficienți care ar ajuta să facă reacția mai puțin consumatoare de energie.

Datorită unui computer cuantic, probleme precum căutarea vieții inteligente în univers, dezvoltarea de noi metode de transfer de energie bazate pe supraconductori, diagnosticarea cancerului într-un stadiu mai timpuriu, modelarea moleculelor de ADN și crearea de substanțe care va ajuta la curățarea aerului de poluare nocivă poate fi, de asemenea, rezolvată. Puterea mare de calcul a computerelor cuantice poate ajuta serios la crearea de noi medicamente eficiente.

Este încurajator faptul că omenirea se apropie din ce în ce mai mult de crearea unui computer cuantic cu drepturi depline - corporațiile globale investesc de mult în acest domeniu. În special, sistemele de qubiți topologici create la Microsoft au demonstrat deja capacitatea de a menține o stare cuantică pentru o lungă perioadă de timp fără trucuri suplimentare și, de asemenea, de a scala la dimensiunea unui computer cu drepturi depline. Și la sfârșitul anului trecut, compania a introdus un limbaj de programare pentru un computer cuantic.

O idee care acum 30 de ani părea pură fantezie, astăzi a căpătat o formă reală. Cine știe, poate că în următorul deceniu vom asista la o nouă eră a tehnologiilor digitale și un computer cuantic ne va transforma lumea dincolo de recunoaștere, oferind unei persoane oportunități la care nu putea decât să viseze înainte.