În urmă cu cinci ani, numai specialiștii din domeniul fizicii cuantice știau despre calculatoarele cuantice. Cu toate acestea, în ultimii ani, numărul publicațiilor pe Internet și în publicațiile de specialitate dedicate calculului cuantic a crescut exponențial. Subiectul calculului cuantic a devenit popular și a generat multe opinii diferite, care nu corespund întotdeauna realității.
În acest articol vom încerca să vorbim cât mai clar despre ce este un computer cuantic și în ce stadiu se află evoluțiile moderne din acest domeniu.

Capacități limitate ale computerelor moderne

Despre computerele cuantice și despre calculul cuantic se vorbește adesea ca o alternativă la tehnologiile cu siliciu pentru crearea de microprocesoare, ceea ce, în general, nu este în întregime adevărat. De fapt, de ce trebuie să căutăm o alternativă la tehnologia computerizată modernă? După cum arată întreaga istorie a industriei computerelor, puterea de calcul a procesoarelor crește exponențial. Nicio altă industrie nu se dezvoltă într-un ritm atât de rapid. De regulă, când vorbesc despre rata de creștere a puterii de calcul a procesoarelor, ei amintesc de așa-numita lege a lui Gordon Moore, derivată în aprilie 1965, adică la doar șase ani de la inventarea primului circuit integrat (IC) .

La solicitarea revistei Electronics, Gordon Moore a scris un articol dedicat aniversării a 35 de ani de la publicație. El a făcut o predicție despre cum se vor dezvolta dispozitivele semiconductoare în următorii zece ani. După ce a analizat ritmul de dezvoltare a dispozitivelor semiconductoare și a factorilor economici în ultimii șase ani, adică din 1959, Gordon Moore a sugerat că până în 1975 numărul de tranzistori dintr-un circuit integrat va fi de 65 de mii.

De fapt, conform prognozei lui Moore, numărul de tranzistori dintr-un singur cip era de așteptat să crească de peste o mie de ori în zece ani. În același timp, asta însemna că în fiecare an numărul de tranzistori dintr-un cip trebuia să se dubleze.

Ulterior, s-au făcut ajustări la legea lui Moore (pentru a o corela cu realitatea), dar sensul nu s-a schimbat: numărul de tranzistori din microcircuite crește exponențial. Desigur, creșterea densității tranzistorilor pe un cip este posibilă numai prin reducerea dimensiunii tranzistorilor înșiși. În acest sens, o întrebare relevantă este: în ce măsură poate fi redusă dimensiunea tranzistoarelor? Deja acum, dimensiunile elementelor individuale de tranzistor din procesoare sunt comparabile cu cele atomice, de exemplu, lățimea stratului de dioxid care separă dielectricul de poartă de canalul de transfer al sarcinii este de doar câteva zeci de straturi atomice. Este clar că există o limită pur fizică care face imposibilă reducerea în continuare a dimensiunii tranzistorilor. Chiar dacă presupunem că în viitor vor avea o geometrie și o arhitectură puțin diferite, teoretic este imposibil să se creeze un tranzistor sau un element similar cu o dimensiune mai mică de 10 -8 cm (diametrul unui atom de hidrogen) și o funcționare. frecvență mai mare de 10 15 Hz (frecvența tranzițiilor atomice). Prin urmare, fie că ne place sau nu, este inevitabil ziua în care Legea lui Moore va trebui să fie arhivată (cu excepția cazului în care, desigur, este corectată încă o dată).

Posibilitățile limitate de creștere a puterii de calcul a procesoarelor prin reducerea dimensiunii tranzistorilor este doar unul dintre blocajele procesoarelor clasice cu siliciu.

După cum vom vedea mai târziu, calculatoarele cuantice nu reprezintă în niciun caz o încercare de a rezolva problema miniaturizării elementelor de bază ale procesoarelor.

Rezolvarea problemei miniaturizării tranzistoarelor, căutarea de noi materiale pentru crearea elementului de bază a microelectronicii, căutarea de noi principii fizice pentru dispozitive cu dimensiuni caracteristice comparabile cu lungimea de undă De Broglie, care are o valoare de aproximativ 20 nm - aceste probleme au fost pe ordinea de zi de aproape două decenii. Ca rezultat al soluției lor, a fost dezvoltată nanotehnologia. O problemă serioasă cu care se confruntă în timpul tranziției către domeniul dispozitivelor nanoelectronice este reducerea disipării de energie în timpul operațiilor de calcul. Ideea posibilității operațiunilor „reversibile logic” care nu sunt însoțite de disiparea energiei a fost exprimată pentru prima dată de R. Landauer în 1961. Un pas semnificativ în rezolvarea acestei probleme a fost făcut în 1982 de Charles Bennett, care a demonstrat teoretic că un computer digital universal poate fi construit pe porți reversibile logic și termodinamic în așa fel încât energia să fie disipată doar datorită proceselor periferice ireversibile de introducere a informațiilor. în mașină (pregătirea stării inițiale) și, în consecință, ieșirea din aceasta (citirea rezultatului). Supapele universale reversibile tipice includ supapele Fredkin și Toffoli.

O altă problemă cu computerele clasice constă în arhitectura von Neumann însăși și în logica binară a tuturor procesoarelor moderne. Toate computerele, de la motorul analitic al lui Charles Babbage la supercalculatoarele moderne, se bazează pe aceleași principii (arhitectura von Neumann) care au fost dezvoltate în anii 40 ai secolului trecut.

Orice computer la nivel de software funcționează cu biți (variabile care iau valoarea 0 sau 1). Folosind porți logice, se efectuează operații logice pe biți, ceea ce vă permite să obțineți o anumită stare finală la ieșire. Schimbarea stării variabilelor se face folosind un program care definește o secvență de operații, fiecare dintre ele utilizând un număr mic de biți.

Procesoarele tradiționale execută programe secvenţial. În ciuda existenței unor sisteme multiprocesoare, procesoare multi-core și diverse tehnologii care vizează creșterea nivelului de paralelism, toate calculatoarele construite pe baza arhitecturii von Neumann sunt dispozitive cu un mod secvenţial de execuție a instrucțiunilor. Toate procesoarele moderne implementează următorul algoritm pentru procesarea comenzilor și datelor: preluarea comenzilor și a datelor din memorie și executarea instrucțiunilor pe datele selectate. Acest ciclu se repetă de multe ori și cu o viteză extraordinară.

Cu toate acestea, arhitectura von Neumann limitează capacitatea de a crește puterea de calcul a computerelor moderne. Un exemplu tipic de sarcină care depășește capacitățile computerelor moderne este descompunerea unui număr întreg în factori primi (un factor prim este un factor care este divizibil cu el însuși și 1 fără rest).

Dacă doriți să factorizați un număr în factori primi X, având n caractere în notație binară, atunci modalitatea evidentă de a rezolva această problemă este să încercați să o împărțiți secvențial în numere de la 2 la. Pentru a face acest lucru, va trebui să parcurgeți 2 n/2 opțiuni. De exemplu, dacă luați în considerare un număr care are 100.000 de caractere (în notație binară), atunci va trebui să parcurgeți 3x10 15.051 opțiuni. Dacă presupunem că este necesar un ciclu de procesor pentru o căutare, atunci la o viteză de 3 GHz, va dura timp pentru a depăși vârsta planetei noastre pentru a căuta prin toate numerele. Există, totuși, un algoritm inteligent care rezolvă aceeași problemă în exp( n 1/3) pași, dar chiar și în acest caz, niciun supercomputer modern nu poate face față sarcinii de factorizare a unui număr cu un milion de cifre.

Problema factorizării unui număr în factori primi aparține clasei de probleme despre care se spune că nu sunt rezolvate în timp polinomial (problema NP-completă - Polinomial nedeterministă-timp complet). Astfel de probleme sunt incluse în clasa problemelor necalculabile în sensul că nu pot fi rezolvate pe calculatoare clasice într-un polinom de timp în funcție de numărul de biți n, reprezentând sarcina. Dacă vorbim despre descompunerea unui număr în factori primi, atunci pe măsură ce numărul de biți crește, timpul necesar pentru rezolvarea problemei crește exponențial, nu polinom.

Privind în perspectivă, observăm că calculul cuantic este asociat cu perspectivele de rezolvare a problemelor NP-complete în timp polinomial.

Fizica cuantică

Desigur, fizica cuantică este strâns legată de ceea ce se numește baza elementară a computerelor moderne. Cu toate acestea, când vorbim despre un computer cuantic, este pur și simplu imposibil să eviți menționarea unor termeni specifici ai fizicii cuantice. Înțelegem că nu toată lumea a studiat legendarul volum al treilea din „Fizica teoretică” de L.D Landau și E.M. Lifshitz, iar pentru multe concepte precum funcția de undă și ecuația Schrödinger sunt ceva din cealaltă lume. În ceea ce privește aparatul matematic specific al mecanicii cuantice, acestea sunt formule solide și cuvinte obscure. Prin urmare, vom încerca să aderăm la un nivel general accesibil de prezentare, evitând, dacă este posibil, analiza tensorială și alte specificități ale mecanicii cuantice.

Pentru marea majoritate a oamenilor, mecanica cuantică este dincolo de înțelegere. Ideea nu este atât în ​​aparatul matematic complex, cât în ​​faptul că legile mecanicii cuantice sunt ilogice și nu au o asociere subconștientă - sunt imposibil de imaginat. Cu toate acestea, analiza ilogicității mecanicii cuantice și nașterea paradoxală a logicii armonioase din această ilogicitate este soarta filozofilor pe care vom atinge aspectele mecanicii cuantice doar în măsura necesară pentru a înțelege esența calculului cuantic.

Istoria fizicii cuantice a început pe 14 decembrie 1900. În această zi, fizicianul german și viitorul laureat al Premiului Nobel Max Planck a raportat la o reuniune a Societății de Fizică din Berlin despre descoperirea fundamentală a proprietăților cuantice ale radiației termice. Așa a apărut în fizică conceptul de cuantum de energie și, printre alte constante fundamentale, constanta lui Planck.

Descoperirea lui Planck și teoria efectului fotoelectric a lui Albert Einstein, care a apărut apoi în 1905, precum și crearea în 1913 a primei teorii cuantice a spectrelor atomice de către Niels Bohr au stimulat crearea și dezvoltarea rapidă ulterioară a teoriei cuantice și a studiilor experimentale cuantice. fenomene.

Deja în 1926, Erwin Schrödinger a formulat celebra sa ecuație de undă, iar Enrico Fermi și Paul Dirac au obținut o distribuție statistică cuantică pentru un gaz de electroni, ținând cont de umplerea stărilor cuantice individuale.

În 1928, Felix Bloch a analizat problema mecanică cuantică a mișcării unui electron într-un câmp periodic extern al unei rețele cristaline și a arătat că spectrul de energie electronică dintr-un solid cristalin are o structură de bandă. De fapt, acesta a fost începutul unei noi direcții în fizică - teoria stării solide.

Întregul secol al XX-lea este o perioadă de dezvoltare intensivă a fizicii cuantice și a tuturor acelor ramuri ale fizicii pentru care teoria cuantică a devenit progenitoare.

Apariția calculului cuantic

Ideea de a utiliza calculul cuantic a fost exprimată pentru prima dată de matematicianul sovietic Yu.I. Manin în 1980 în celebra sa monografie „Computable and Incomputable”. Este adevărat, interesul pentru opera sa a apărut abia doi ani mai târziu, în 1982, după publicarea unui articol pe aceeași temă de către fizicianul teoretician american, laureatul Nobel Richard Feynman. El a observat că anumite operații mecanice cuantice nu pot fi transferate exact pe un computer clasic. Această observație l-a făcut să creadă că astfel de calcule ar putea fi mai eficiente dacă sunt efectuate folosind operații cuantice.

Luați în considerare, de exemplu, problema mecanică cuantică a schimbării stării unui sistem cuantic format din n se învârte într-o anumită perioadă de timp. Fără să pătrundem în detaliile aparatului matematic al teoriei cuantice, observăm că starea generală a sistemului de la n spinii sunt descriși de un vector în spațiu complex 2n-dimensional, iar schimbarea stării sale este descrisă de o matrice unitară de dimensiunea 2nx2n. Dacă perioada de timp luată în considerare este foarte scurtă, atunci matricea este structurată foarte simplu și fiecare dintre elementele sale este ușor de calculat, cunoscând interacțiunea dintre rotiri. Dacă trebuie să cunoașteți schimbarea stării sistemului pe o perioadă lungă de timp, atunci trebuie să înmulțiți astfel de matrici, iar acest lucru necesită un număr exponențial de mare de operații. Din nou ne confruntăm cu o problemă PN-completă, nerezolvabilă în timp polinomial pe calculatoarele clasice. În prezent, nu există nicio modalitate de a simplifica acest calcul și este probabil ca simularea mecanicii cuantice să fie o problemă matematică exponențial dificilă. Dar dacă computerele clasice nu sunt capabile să rezolve probleme cuantice, atunci poate că ar fi indicat să folosim sistemul cuantic în sine în acest scop? Și dacă acest lucru este într-adevăr posibil, sistemele cuantice sunt potrivite pentru rezolvarea altor probleme de calcul? Întrebări similare au fost luate în considerare de Feynman și Manin.

Deja în 1985, David Deutsch a propus un model matematic specific al unei mașini cuantice.

Cu toate acestea, până la mijlocul anilor 90, domeniul calculului cuantic s-a dezvoltat destul de lent. Implementarea practică a calculatoarelor cuantice s-a dovedit a fi foarte dificilă. În plus, comunitatea științifică a fost pesimistă cu privire la faptul că operațiile cuantice ar putea accelera soluționarea anumitor probleme de calcul. Acest lucru a continuat până în 1994, când matematicianul american Peter Shor a propus un algoritm de descompunere pentru un computer cuantic. n-numar cifra in factori primi intr-un polinom de timp in functie de n(algoritm de factorizare cuantică). Algoritmul de factorizare cuantică a lui Shor a devenit unul dintre principalii factori care au condus la dezvoltarea intensivă a metodelor de calcul cuantic și apariția unor algoritmi care permit rezolvarea unor probleme NP.

Firește, se pune întrebarea: de ce, de fapt, algoritmul de factorizare cuantică propus de Shor a dus la astfel de consecințe? Faptul este că problema descompunerii unui număr în factori primi este direct legată de criptografie, în special de popularele sisteme de criptare RSA. Fiind capabil să factorizeze un număr în factori primi în timp polinomial, un computer cuantic ar putea teoretic să decripteze mesajele codificate folosind mulți algoritmi criptografici populari, cum ar fi RSA. Până acum, acest algoritm a fost considerat relativ fiabil, deoarece o modalitate eficientă de factorizare a numerelor în factori primi pentru un computer clasic este în prezent necunoscută. Shor a venit cu un algoritm cuantic care vă permite să factorizați n-numar digital pt n 3 (log n) k pași ( k=const). Desigur, implementarea practică a unui astfel de algoritm ar putea avea consecințe mai mult negative decât pozitive, deoarece a făcut posibilă selectarea cheilor pentru criptare, falsificarea semnăturilor electronice etc. Cu toate acestea, implementarea practică a unui computer cuantic real este încă departe și, prin urmare, în următorii zece ani nu există nicio teamă că codurile pot fi rupte folosind calculatoarele cuantice.

Ideea de calcul cuantic

Deci, după o scurtă descriere a istoriei calculului cuantic, putem trece la considerarea însăși esența acesteia. Ideea (dar nu și implementarea sa) de calcul cuantic este destul de simplă și interesantă. Dar chiar și pentru o înțelegere superficială a acesteia, este necesar să ne familiarizați cu unele concepte specifice ale fizicii cuantice.

Înainte de a lua în considerare conceptele cuantice generalizate ale vectorului de stare și ale principiului de suprapunere, să luăm în considerare un exemplu simplu de foton polarizat. Un foton polarizat este un exemplu de sistem cuantic cu două niveluri. Starea de polarizare a unui foton poate fi specificată de un vector de stare care determină direcția de polarizare. Polarizarea unui foton poate fi îndreptată în sus sau în jos, deci se vorbește despre două stări principale, sau de bază, care sunt notate cu |1 și |0.

Aceste notații (notații sutien/pisica) au fost introduse de Dirac și au o definiție strict matematică (vectori de stare de bază), care determină regulile de lucru cu ele, totuși, pentru a nu pătrunde în jungla matematică, nu le vom lua în considerare. subtilități în detaliu.

Revenind la fotonul polarizat, observăm că, după cum arată baza, am putea alege nu numai orizontală și verticală, ci și orice direcție de polarizare reciproc ortogonală. Sensul stărilor de bază este că orice polarizare arbitrară poate fi exprimată ca o combinație liniară de stări de bază, adică a|1+b|0. Deoarece ne interesează doar direcția de polarizare (mărimea polarizării nu este importantă), vectorul de stare poate fi considerat unitate, adică |a| 2 +|b| 2 = 1.

Acum să generalizăm exemplul cu polarizarea fotonului la orice sistem cuantic cu două niveluri.

Să presupunem că avem un sistem cuantic arbitrar cu două niveluri, care este caracterizat de stări ortogonale de bază |1 și |0. Conform legilor (postulatelor) mecanicii cuantice (principiul suprapunerii), stările posibile ale unui sistem cuantic vor fi și suprapoziții y = a|1+b|0, unde a și b sunt numere complexe numite amplitudini. Rețineți că nu există un analog al stării de suprapunere în fizica clasică.

Unul dintre postulatele fundamentale ale mecanicii cuantice afirmă că, pentru a măsura starea unui sistem cuantic, acesta trebuie distrus. Adică, orice proces de măsurare din fizica cuantică încalcă starea inițială a sistemului și o transferă într-o stare nouă. Nu este atât de ușor de înțeles această afirmație și, prin urmare, să ne oprim asupra ei mai detaliat.

În general, conceptul de măsurare în fizica cuantică joacă un rol deosebit și nu trebuie considerat ca o măsurătoare în sensul clasic. O măsurare a unui sistem cuantic are loc ori de câte ori acesta intră în interacțiune cu un obiect „clasic”, adică un obiect care respectă legile fizicii clasice. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, starea sistemului cuantic se schimbă, iar natura și amploarea acestei schimbări depind de starea sistemului cuantic și, prin urmare, poate servi ca caracteristică cantitativă a acestuia.

În acest sens, un obiect clasic este de obicei numit dispozitiv, iar despre procesul său de interacțiune cu un sistem cuantic se vorbește despre o măsurătoare. Trebuie subliniat că aceasta nu înseamnă deloc procesul de măsurare la care participă observatorul. Prin măsurare în fizica cuantică înțelegem orice proces de interacțiune între obiectele clasice și cuantice care are loc în plus față de și independent de orice observator. Clarificarea rolului măsurării în fizica cuantică îi aparține lui Niels Bohr.

Deci, pentru a măsura un sistem cuantic, este necesar să se acționeze cumva asupra lui cu un obiect clasic, după care starea sa inițială va fi perturbată. În plus, se poate argumenta că, în urma măsurării, sistemul cuantic va fi transferat la una dintre stările sale de bază. De exemplu, pentru a măsura un sistem cuantic cu două niveluri, este necesar cel puțin un obiect clasic cu două niveluri, adică un obiect clasic care poate lua două valori posibile: 0 și 1. În timpul procesului de măsurare, starea cuantiei sistemul va fi transformat într-unul dintre vectorii de bază, iar dacă obiectul clasic ia o valoare egală cu 0, atunci obiectul cuantic este transformat în starea |0, iar dacă obiectul clasic ia o valoare egală cu 1, atunci obiectul cuantic se transformă în starea |1.

Astfel, deși un sistem cuantic cu două niveluri poate fi într-un număr infinit de stări de suprapunere, ca rezultat al măsurării, este nevoie doar de una dintre cele două stări de bază posibile. Modulul de amplitudine la pătrat |a| 2 determină probabilitatea detectării (măsurării) a sistemului în starea de bază |1, iar pătratul modulului de amplitudine |b| 2 - în starea de bază |0.

Cu toate acestea, să revenim la exemplul nostru cu un foton polarizat. Pentru a măsura starea unui foton (polarizarea acestuia), avem nevoie de un dispozitiv clasic cu o bază clasică (1,0). Atunci starea de polarizare a fotonului a|1+b|0 va fi definită ca 1 (polarizare orizontală) cu probabilitate |a| 2 și ca 0 (polarizare verticală) cu probabilitatea |b| 2.

Deoarece măsurarea unui sistem cuantic îl duce la una dintre stările de bază și, prin urmare, distruge suprapunerea (de exemplu, în timpul măsurării se obține o valoare egală cu |1), aceasta înseamnă că în urma măsurării sistemul cuantic pleacă. într-o nouă stare cuantică și la următoarea măsurătoare obținem valoarea |1 cu 100% probabilitate.

Vectorul de stare al unui sistem cuantic cu două niveluri se mai numește și funcție de undă a stărilor cuantice y ale sistemului cu două niveluri sau, în interpretarea calculului cuantic, un qubit (bit cuantic, qubit). Spre deosebire de un bit clasic, care poate lua doar două valori logice, un qubit este un obiect cuantic, iar numărul stărilor sale determinat de suprapunere este nelimitat. Cu toate acestea, subliniem încă o dată că rezultatul măsurării unui qubit ne duce întotdeauna la una dintre cele două valori posibile.

Acum luați în considerare un sistem de doi qubiți. Măsurarea fiecăruia dintre ele poate da o valoare clasică a obiectului de 0 sau 1. Prin urmare, un sistem de doi qubiți are patru stări clasice: 00, 01, 10 și 11. Analog cu acestea sunt stările cuantice de bază: |00, |01, |10 și |11. Vectorul de stare cuantică corespunzător este scris ca o|00+b|01+ c|10+ d|11, unde | o| 2 - probabilitatea în timpul măsurării de a obține valoarea 00, | b| 2 - probabilitatea obținerii valorii 01 etc.

În general, dacă un sistem cuantic este format din L qubiți, atunci are 2 L posibile stări clasice, fiecare dintre acestea putând fi măsurată cu o anumită probabilitate. Funcția de stare a unui astfel de sistem cuantic se va scrie astfel:

unde | n- stări cuantice de bază (de exemplu, starea |001101 și | cn| 2 - probabilitatea de a fi în starea de bază | n.

Pentru a schimba starea de suprapunere a unui sistem cuantic, este necesar să se implementeze o influență externă selectivă asupra fiecărui qubit. Din punct de vedere matematic, o astfel de transformare este reprezentată de matrici unitare de mărime 2 L x2 L. Ca rezultat, se va obține o nouă stare de suprapunere cuantică.

Structura unui computer cuantic

Transformarea pe care am considerat-o a stării de suprapunere a unui sistem cuantic format din L qubits este în esență un model de computer cuantic. Luați în considerare, de exemplu, un exemplu mai simplu de implementare a calculului cuantic. Să presupunem că avem un sistem de L qubits, fiecare dintre care este ideal izolat de lumea exterioară. În fiecare moment de timp, putem alege arbitrar doi qubiți și acționăm asupra lor cu o matrice unitară de dimensiunea 4x4. Secvența unor astfel de influențe este un fel de program pentru un computer cuantic.

Pentru a utiliza un circuit cuantic pentru calcul, trebuie să fiți capabil să introduceți date de intrare, să efectuați calculul și să citiți rezultatul. Prin urmare, schema de circuit a oricărui computer cuantic (vezi figura) trebuie să includă următoarele blocuri funcționale: un registru cuantic pentru intrarea datelor, un procesor cuantic pentru conversia datelor și un dispozitiv pentru citirea datelor.

Un registru cuantic este o colecție de un anumit număr L qubiți Înainte de a introduce informații în computer, toți qubiții registrului cuantic trebuie aduși la stările de bază |0. Această operație se numește pregătire sau inițializare. În continuare, anumiți qubiți (nu toți) sunt supuși unei influențe externe selective (de exemplu, folosind impulsuri ale unui câmp electromagnetic extern controlat de un computer clasic), care modifică valoarea qubiților, adică trec de la starea |0 la stare |1. În acest caz, starea întregului registru cuantic va intra într-o suprapunere a stărilor de bază | n s, adică starea registrului cuantic la momentul inițial de timp va fi determinată de funcția:

Este clar că această stare de suprapunere poate fi folosită pentru reprezentarea binară a unui număr n.

Într-un procesor cuantic, datele de intrare sunt supuse unei secvențe de operații logice cuantice, care, din punct de vedere matematic, sunt descrise printr-o transformare unitară care acționează asupra stării întregului registru. Ca rezultat, după un anumit număr de cicluri de procesor cuantic, starea cuantică inițială a sistemului devine o nouă suprapunere a formei:

Vorbind despre procesorul cuantic, trebuie să facem o notă importantă. Se pare că pentru a construi orice calcul, sunt suficiente doar două operații booleene logice de bază. Folosind operații cuantice de bază, este posibil să se imite funcționarea porților logice obișnuite din care sunt făcute computerele. Deoarece legile fizicii cuantice la nivel microscopic sunt liniare și reversibile, dispozitivele logice cuantice corespunzătoare care efectuează operații cu stările cuantice ale qubiților individuali (porți cuantice) se dovedesc a fi reversibile din punct de vedere logic și termodinamic. Porțile cuantice sunt similare cu porțile clasice reversibile corespunzătoare, dar, spre deosebire de acestea, sunt capabile să efectueze operații unitare asupra suprapunerilor de stări. Implementarea operațiilor logice unitare pe qubiți se presupune a fi efectuată folosind influențe externe adecvate controlate de calculatoare clasice.

Structura schematică a unui computer cuantic

După implementarea transformărilor într-un computer cuantic, noua funcție de suprapunere este rezultatul calculelor într-un procesor cuantic. Mai rămâne doar să numărăm valorile obținute, pentru care se măsoară valoarea sistemului cuantic. Ca rezultat, se formează o succesiune de zerouri și unu și, datorită naturii probabilistice a măsurătorilor, poate fi orice. Astfel, un computer cuantic poate da orice răspuns cu o oarecare probabilitate. În acest caz, o schemă de calcul cuantic este considerată corectă dacă răspunsul corect este obținut cu o probabilitate suficient de apropiată de unitate. Repetând calculele de mai multe ori și alegând răspunsul care apare cel mai des, puteți reduce probabilitatea de eroare la o cantitate arbitrar mică.

Pentru a înțelege modul în care computerele clasice și cuantice diferă în funcționarea lor, să ne amintim ce stochează în memorie un computer clasic. L biți care se modifică în timpul fiecărui ciclu de procesor. Într-un computer cuantic, memoria (registrul de stare) stochează valori L qubiti, cu toate acestea, sistemul cuantic este într-o stare care este o suprapunere a întregii baze 2 L stări, iar o schimbare a stării cuantice a sistemului produsă de un procesor cuantic afectează toate cele 2 L stări de bază simultan. În consecință, într-un computer cuantic, puterea de calcul este obținută prin implementarea calculelor paralele și, teoretic, un computer cuantic poate funcționa exponențial mai rapid decât un circuit clasic.

Se crede că pentru a implementa un computer cuantic la scară largă, superioară ca performanță oricărui computer clasic, indiferent de principiile fizice pe care funcționează, trebuie îndeplinite următoarele cerințe de bază:

• un sistem fizic care este un computer cuantic la scară largă trebuie să conţină un număr suficient de mare L>103 qubiți clar distinși pentru efectuarea de operații cuantice relevante;
• este necesar să se asigure suprimarea maximă a efectelor de distrugere a suprapunerii stărilor cuantice cauzate de interacțiunea sistemului qubit cu mediul, în urma căreia executarea algoritmilor cuantici poate deveni imposibilă. Timpul de distrugere a suprapunerii stărilor cuantice (timp de decoerență) trebuie să fie de cel puțin 104 ori mai mare decât timpul necesar pentru efectuarea operațiilor cuantice de bază (timp de ciclu). Pentru a face acest lucru, sistemul qubit trebuie să fie cuplat destul de lejer la mediul său;
• este necesar să se asigure măsurarea cu fiabilitate suficient de mare a stării sistemului cuantic la ieșire. Măsurarea stării cuantice finale este una dintre principalele provocări ale calculului cuantic.

Aplicații practice ale calculatoarelor cuantice

Pentru utilizare practică, nu a fost creat încă un singur computer cuantic care să satisfacă toate condițiile de mai sus. Cu toate acestea, în multe țări dezvoltate, se acordă o atenție deosebită dezvoltării computerelor cuantice și se investesc zeci de milioane de dolari anual în astfel de programe.

În prezent, cel mai mare computer cuantic este format din doar șapte qubiți. Acest lucru este suficient pentru a implementa algoritmul lui Shor și pentru a factoriza numărul 15 în factori primi de 3 și 5.

Dacă vorbim despre posibile modele de calculatoare cuantice, atunci, în principiu, sunt destul de multe. Primul computer cuantic care a fost creat în practică a fost un spectrometru de rezonanță magnetică nucleară pulsată (RMN) de înaltă rezoluție, deși, desigur, nu a fost considerat un computer cuantic. Abia când a apărut conceptul de computer cuantic, oamenii de știință și-au dat seama că un spectrometru RMN era o variantă a unui computer cuantic.

Într-un spectrometru RMN, spinurile nucleelor ​​moleculei studiate formează qubiți. Fiecare nucleu are propria frecvență de rezonanță într-un anumit câmp magnetic. Când un nucleu este expus unui puls la frecvența sa de rezonanță, acesta începe să evolueze, în timp ce nucleele rămase nu experimentează niciun impact. Pentru a forța un alt nucleu să evolueze, trebuie să luați o frecvență de rezonanță diferită și să îi dați un impuls. Astfel, acțiunea pulsată asupra nucleelor ​​la o frecvență de rezonanță reprezintă un efect selectiv asupra qubiților. Mai mult, molecula are o legătură directă între spini, deci este o pregătire ideală pentru un computer cuantic, iar spectrometrul în sine este un procesor cuantic.

Primele experimente asupra spinurilor nucleare a doi atomi de hidrogen în moleculele de 2,3-dibromotiofen SCH:(CBr) 2:CH și pe trei spini nucleari - unul în atomul de hidrogen H și doi în izotopii carbonului 13 C în moleculele de tricloretilenă CCl 2:CHCl - au fost puse în scenă în 1997 la Oxford (Marea Britanie).

În cazul utilizării unui spectrometru RMN, este important ca pentru a influența selectiv spinurile nucleare ale unei molecule, este necesar ca aceștia să difere semnificativ în ceea ce privește frecvențele de rezonanță. Ulterior, operațiunile cuantice au fost efectuate într-un spectrometru RMN cu numărul de qubiți 3, 5, 6 și 7.

Principalul avantaj al unui spectrometru RMN este că poate folosi un număr mare de molecule identice. Mai mult, fiecare moleculă (mai precis, nucleele atomilor din care constă) este un sistem cuantic. Secvențele de impulsuri de radiofrecvență, acționând ca anumite porți logice cuantice, efectuează transformări unitare ale stărilor spinilor nucleari corespunzători simultan pentru toate moleculele. Adică, influența selectivă asupra unui qubit individual este înlocuită de accesul simultan la qubiții corespunzători din toate moleculele unui ansamblu mare. Un astfel de computer se numește computer cuantic de ansamblu. Astfel de computere pot funcționa la temperatura camerei, iar timpul de decoerență al stărilor cuantice ale spinurilor nucleare este de câteva secunde.

În domeniul RMN al calculatoarelor cuantice pe lichide organice, cel mai mare progres a fost realizat până în prezent. Acestea se datorează în principal tehnicii de spectroscopie RMN pulsată bine dezvoltată, care permite efectuarea diferitelor operații pe suprapuneri coerente ale stărilor de spin nuclear și posibilității de a utiliza în acest scop spectrometre RMN standard care funcționează la temperatura camerei.

Principala limitare a calculatoarelor cuantice RMN este dificultatea inițializării stării inițiale într-un registru cuantic. Cert este că într-un ansamblu mare de molecule starea inițială a qubiților este diferită, ceea ce complică aducerea sistemului la starea inițială.

O altă limitare a calculatoarelor cuantice RMN se datorează faptului că semnalul măsurat la ieșirea sistemului scade exponențial odată cu creșterea numărului de qubiți. L. În plus, numărul de qubiți nucleari dintr-o singură moleculă cu frecvențe de rezonanță foarte variate este limitat. Acest lucru duce la faptul că calculatoarele cuantice RMN nu pot avea mai mult de zece qubiți. Acestea ar trebui considerate doar ca prototipuri ale viitoarelor calculatoare cuantice, utile pentru testarea principiilor calculului cuantic și testarea algoritmilor cuantici.

O altă versiune a unui computer cuantic se bazează pe utilizarea capcanelor de ioni, când rolul qubiților este nivelul energetic al ionilor captați de capcanele de ioni, care sunt creați în vid printr-o anumită configurație a câmpului electric în condiții de răcire cu laser. la temperaturi foarte scăzute. Primul prototip al unui computer cuantic bazat pe acest principiu a fost propus în 1995. Avantajul acestei abordări este că este relativ simplu să controlezi individual qubiții individuali. Principalele dezavantaje ale computerelor cuantice de acest tip sunt necesitatea de a crea temperaturi ultra-scăzute, de a asigura stabilitatea stării ionilor din lanț și numărul limitat posibil de qubiți - nu mai mult de 40.

Sunt posibile și alte scheme pentru calculatoare cuantice, a căror dezvoltare este în prezent în curs. Cu toate acestea, vor mai trece cel puțin încă zece ani până când adevăratele computere cuantice vor fi create în sfârșit.

De zeci de ani se vorbește despre calculul cuantic, cel puțin în teorie. Tipurile moderne de mașini care utilizează mecanică non-clasică pentru a procesa cantități potențial inimaginabile de date au reprezentat o descoperire majoră. Potrivit dezvoltatorilor, implementarea lor s-a dovedit a fi poate cea mai complexă tehnologie creată vreodată. Procesoarele cuantice operează la niveluri de materie pe care omenirea le-a învățat doar cu aproximativ 100 de ani în urmă. Potențialul unui astfel de calcul este enorm. Folosirea proprietăților bizare ale cuantelor va accelera calculele, așa că multe probleme care în prezent depășesc capacitățile computerelor clasice vor fi rezolvate. Și nu numai în domeniul chimiei și al științei materialelor. Wall Street este și el interesat.

Investind în viitor

CME Group a investit în 1QB Information Technologies Inc., cu sediul în Vancouver, care dezvoltă software pentru procesoare cuantice. Un astfel de calcul va avea probabil cel mai mare impact asupra industriilor care se ocupă cu volume mari de date sensibile la timp, spun investitorii. Un exemplu de astfel de consumatori sunt instituțiile financiare. Goldman Sachs a investit în D-Wave Systems, iar In-Q-Tel este finanțat de CIA. Prima produce mașini care fac ceea ce se numește „recoacere cuantică”, adică rezolvă probleme de optimizare la nivel scăzut folosind un procesor cuantic. Intel investește și el în această tehnologie, deși consideră implementarea acesteia o chestiune de viitor.

De ce este necesar acest lucru?

Motivul pentru care calculul cuantic este atât de interesant este din cauza combinației sale perfecte cu învățarea automată. Aceasta este în prezent principala aplicație pentru astfel de calcule. O parte din ideea unui computer cuantic este utilizarea unui dispozitiv fizic pentru a găsi soluții. Uneori acest concept este explicat folosind exemplul jocului Angry Birds. Pentru a simula gravitația și interacțiunea obiectelor care se ciocnesc, procesorul tabletei folosește ecuații matematice. Procesoarele cuantice întorc această abordare pe cap. Ei „aruncă” câteva păsări și văd ce se întâmplă. Păsările sunt înregistrate pe un microcip, sunt aruncate, care este traiectoria optimă? Apoi toate soluțiile posibile, sau cel puțin o combinație foarte mare a acestora, sunt testate și este returnat un răspuns. Într-un computer cuantic nu există matematician, legile fizicii funcționează în schimb.

Cum funcționează?

Elementele de bază ale lumii noastre sunt mecanica cuantică. Dacă te uiți la molecule, motivul pentru care se formează și rămân stabile este interacțiunea orbitalilor lor de electroni. Toate calculele mecanice cuantice sunt cuprinse în fiecare dintre ele. Numărul lor crește exponențial cu numărul de electroni simulați. De exemplu, pentru 50 de electroni există opțiuni posibile de la 2 la a 50-a putere. Acest lucru este fenomenal, așa că este imposibil de calculat astăzi. Conectarea teoriei informațiilor la fizică poate indica calea către rezolvarea unor astfel de probleme. Un computer de 50 de qubiți poate face acest lucru.

Zorii unei noi ere

Potrivit lui Landon Downs, președinte și co-fondator al 1QBit, un procesor cuantic este capacitatea de a valorifica puterea de calcul a lumii subatomice, ceea ce are implicații enorme pentru obținerea de noi materiale sau crearea de noi medicamente. Există o schimbare de la paradigma descoperirii la o nouă eră a designului. De exemplu, calculul cuantic poate fi folosit pentru a modela catalizatori care elimină carbonul și azotul din atmosferă și, prin urmare, ajută la oprirea încălzirii globale.

În fruntea progresului

Comunitatea de dezvoltare tehnologică este extrem de entuziasmată și activă. Echipele din întreaga lume din startup-uri, corporații, universități și laboratoare guvernamentale se întrec pentru a construi mașini care utilizează abordări diferite pentru procesarea informațiilor cuantice. Cipurile qubit supraconductoare și qubiții cu ioni prinși au fost create de cercetătorii de la Universitatea din Maryland și de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA. Microsoft dezvoltă o abordare topologică numită Station Q, care își propune să exploateze un anion non-abelian care nu a fost încă dovedit în mod concludent că există.

Anul unei posibile descoperiri

Și acesta este doar începutul. De la sfârșitul lui mai 2017, numărul procesoarelor cuantice care în mod clar fac ceva mai rapid sau mai bun decât un computer clasic este zero. Un astfel de eveniment ar stabili „supremația cuantică”, dar nu a avut loc încă. Deși este probabil ca acest lucru să se întâmple anul acesta. Majoritatea persoanelor din interior spun că favorita clară este echipa Google condusă de profesorul de fizică UC Santa Barbara, John Martini. Scopul său este de a atinge superioritatea computațională folosind un procesor de 49 de qubiți. Până la sfârșitul lui mai 2017, echipa a testat cu succes un cip de 22 de qubiți ca pas intermediar către dezasamblarea unui supercomputer clasic.

De unde a început totul?

Ideea de a folosi mecanica cuantică pentru a procesa informații există de zeci de ani. Unul dintre evenimentele cheie a avut loc în 1981, când IBM și MIT au organizat împreună o conferință despre fizica computerului. Celebrul fizician a propus construirea unui computer cuantic. Potrivit acestuia, mecanica cuantică ar trebui folosită pentru modelare. Și aceasta este o sarcină grozavă pentru că nu pare atât de ușoară. Principiul de funcționare al procesorului cuantic se bazează pe câteva proprietăți ciudate ale atomilor - suprapunere și încurcare. O particulă poate fi în două stări în același timp. Cu toate acestea, atunci când este măsurat, va apărea doar în unul dintre ele. Și este imposibil de prezis care dintre ele, decât din perspectiva teoriei probabilităților. Acest efect stă la baza experimentului de gândire al pisicii lui Schrödinger, care este atât vie, cât și moartă într-o cutie până când un observator aruncă o privire. Nimic din viața de zi cu zi nu funcționează așa. Cu toate acestea, aproximativ 1 milion de experimente efectuate de la începutul secolului al XX-lea arată că suprapunerea există. Iar următorul pas este să descoperi cum să folosești acest concept.

Procesor cuantic: descrierea postului

Biții clasici pot lua valoarea 0 sau 1. Dacă treceți șirul lor prin „porți logice” (ȘI, SAU, NU etc.), puteți înmulți numere, desena imagini etc. Un qubit poate lua valori 0, 1 sau ambele în același timp. Dacă, să zicem, 2 qubiți sunt încurși, atunci acest lucru îi face să fie perfect corelați. Un procesor cuantic poate folosi porți logice. T.n. Poarta Hadamard, de exemplu, plasează qubitul într-o stare de suprapunere perfectă. Când suprapunerea și încurcarea sunt combinate cu porți cuantice plasate inteligent, potențialul calculului subatomic începe să se dezvolte. 2 qubiți vă permit să explorați 4 stări: 00, 01, 10 și 11. Principiul de funcționare al unui procesor cuantic este de așa natură încât efectuarea unei operații logice face posibilă lucrul cu toate pozițiile simultan. Iar numărul de stări disponibile este de 2 la puterea numărului de qubiți. Deci, dacă ai face un computer cuantic universal de 50 de qubiți, teoretic ai putea explora toate combinațiile de 1,125 de cvadrilioane simultan.

Felicitari

Procesorul cuantic din Rusia este văzut oarecum diferit. Oamenii de știință de la MIPT și Centrul cuantic rusesc au creat „qudit-uri”, care sunt mai mulți qubiți „virtuali” cu diferite niveluri de „energie”.

Amplitudini

Un procesor cuantic are avantajul că mecanica cuantică se bazează pe amplitudini. Amplitudinile sunt similare cu probabilitatea, dar pot fi și numere negative și complexe. Deci, dacă trebuie să calculați probabilitatea unui eveniment, puteți adăuga amplitudinile tuturor opțiunilor posibile pentru dezvoltarea lor. Ideea din spatele calculului cuantic este să încercăm să-l reglați astfel încât unele căi către răspunsuri incorecte să aibă o amplitudine pozitivă, iar unele să aibă o amplitudine negativă, astfel încât să se anuleze reciproc. Iar căile care conduc la răspunsul corect ar avea amplitudini care sunt în fază între ele. Trucul este să organizezi totul fără să știi dinainte care răspuns este corect. Deci natura exponențială a stărilor cuantice, combinată cu potențialul de interferență între amplitudinile pozitive și negative, este un avantaj al acestui tip de calcul.

algoritmul lui Shor

Există multe probleme pe care un computer nu le poate rezolva. De exemplu, criptarea. Problema este că nu este atât de ușor să găsiți factorii primi ai unui număr de 200 de cifre. Chiar dacă laptopul dvs. rulează un software excelent, poate fi necesar să așteptați ani pentru a găsi răspunsul. Deci, o altă piatră de hotar în calculul cuantic a fost un algoritm publicat în 1994 de Peter Shor, acum profesor de matematică la MIT. Metoda lui este de a găsi factorii unui număr mare folosind un computer cuantic care nu exista încă. În esență, algoritmul efectuează operații care indică zonele cu răspunsul corect. În anul următor, Shor a descoperit o metodă de corectare a erorilor cuantice. Apoi mulți și-au dat seama că acesta era un mod alternativ de calcul, care în unele cazuri ar putea fi mai puternic. Apoi a existat o creștere a interesului din partea fizicienilor pentru crearea de qubiți și porți logice între ei. Și acum, două decenii mai târziu, omenirea este pe punctul de a crea un computer cuantic cu drepturi depline.

Omenirea, la fel ca acum 60 de ani, se află din nou în pragul unei descoperiri majore în domeniul tehnologiei de calcul. Foarte curând, calculatoarele cuantice vor înlocui mașinile de calcul de astăzi.

Cât de departe a ajuns progresul?

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

Cum funcționează un computer cuantic

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

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

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

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

Unde va fi folosit noul computer?

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

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

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

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

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

Dificultăți de proiectare

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

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

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

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

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

Înainte de restul planetei

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

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

Snowden, care a părăsit Statele Unite, a făcut și o declarație revelatoare importantă - NSA 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 va depăși primul prototip comercial de cel puțin 300 de mii de ori ca viteză și volum de calcule. Calculatorul cuantic, ilustrat mai jos, este prima versiune comercială din lume a unei tehnologii de calcul fundamental noi.

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

Descoperire sau farsă științifică

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

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

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

Când vor apărea

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

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

Unde a început totul

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

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

DE CE AI NEVOIE DE UN CALCULATOR CUANTUM?

Pe ce se bazează un computer cuantic?

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

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

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

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

Secvența operațiilor efectuate

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

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

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

Cum funcționează un computer cuantic?

Ce am realizat?

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

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

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

Realizări ale diferitelor țări.

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

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

De ce este nevoie de toate acestea?

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

Viitor

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

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

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

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

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