Kvantumszámítógép – várnak rá, és félnek tőle. A kvantumszámítógép működési elve A kvantumszámítógép működési elve egyszerű

A tudomány nem áll meg, és úgy tűnik, amit tegnap misztikának tekintettek, az ma már tagadhatatlan valóság. Így most a párhuzamos világokról szóló mítoszok általános tényekké válhatnak a jövőben. Úgy gondolják, hogy a kvantumszámítógép létrehozásának területén végzett kutatások segítenek elérni ezt az állítást. Az összes kutatás több mint 70%-a ebből az országból származik. Ennek a felfedezésnek a lényege érthetőbb azok számára, akik így vagy úgy kapcsolatban állnak a fizikával. De a legtöbben középiskolát végeztünk, ahol a 11. osztályos tankönyv a kvantumfizika néhány kérdésével foglalkozott.

Ahol minden kezdődött

Emlékezzünk vissza, hogy a kezdetet két fő felfedezés rakta le, amelyekért szerzőiket Nobel-díjjal jutalmazták. Max Planck 1918-ban fedezte fel a kvantum- és Albert Einstein 1921-ben foton. A kvantumszámítógép létrehozásának ötlete 1980-ban született, amikor bebizonyosodott a kvantumelmélet igazsága. És az ötleteket csak 1998-ban kezdték átültetni a gyakorlatba. Masszív és egyben elég hatékony munka csak az elmúlt 10 évben történt.

Az alapelvek világosak, de minden lépéssel egyre több probléma merül fel, amelyek megoldása meglehetősen hosszú időt vesz igénybe, bár világszerte számos laboratórium foglalkozik ezzel a problémával. Az ilyen számítógépekkel szemben támasztott követelmények nagyon magasak, mivel a mérési pontosságnak nagyon nagynak kell lennie, és minimálisra kell csökkenteni a külső hatások számát, amelyek mindegyike torzítja a kvantumrendszer működését.

MIÉRT VAN SZÜKSÉGE KVANTUMSZÁMÍTÓGÉPRE?

Mire épül a kvantumszámítógép?

Kisebb-nagyobb mértékben mindenkinek van fogalma egy hagyományos számítógép működéséről. Jelentése a bináris kódolás használatában rejlik, ahol egy bizonyos feszültségérték meglétét 1-nek vesszük, a 0 hiányát pedig 0-ban vagy 1-ben kifejezve bitnek tekintjük. A kvantumszámítógép működése a spin fogalmához kapcsolódik. Azok, akik a fizikát az iskolai ismeretekre korlátozzák, vitatkozhatnak három elemi részecske létezéséről és olyan egyszerű jellemzők meglétéről, mint a tömeg és a töltés.

A fizikusok azonban folyamatosan bővítik az elemi részecskék osztályát és jellemzőit, amelyek közül az egyik a spin. És a részecske spinjének egy bizonyos irányát 1-nek, az ellenkező irányát pedig 0-nak veszik. Ez hasonló egy tranzisztor felépítéséhez. A fő elemet már kvantumbitnek vagy qubitnek fogják nevezni. Lehetnek fotonok, atomok, ionok és atommagok.

A fő feltétel itt két kvantumállapot jelenléte. Egy adott bit állapotának megváltoztatása egy hagyományos számítógépben nem okoz változást másokban, de egy kvantumszámítógépben az egyik megváltoztatása más részecskék állapotának megváltozásához vezet. Ez a változás ellenőrizhető, és képzeljük el, hogy több száz ilyen részecske létezik.

Képzelje csak el, hányszorosára nő egy ilyen gép termelékenysége. De egy teljesen új számítógép létrehozása csak egy hipotézis a fizikusoknak a kvantummechanika azon a területén, amelyet sokrészecske-mechanikának neveznek. Az első mini kvantumszámítógép 16 qubitből állt. A közelmúltban megjelentek az 512 qubitet használó számítógépek, de ezeket már használják az összetett számítások végrehajtásának sebességének növelésére. A Quipper egy kifejezetten ilyen gépekhez készült nyelv.

Az elvégzett műveletek sorrendje

Egy új generációs számítógép létrehozása során négy irányvonal van, amelyek abban különböznek egymástól, hogy logikai qubitként működnek:

  1. az atom alapját képező részecskék spinjének iránya;
  2. egy Cooper-pár jelenléte vagy hiánya egy meghatározott helyen a térben;
  3. milyen állapotban van a külső elektron?
  4. a foton különböző állapotai.

Most nézzük meg azt az áramkört, amelyen keresztül a számítógép működik. Először is felveszünk néhány qubit-készletet, és rögzítjük a kezdeti paramétereiket. Az átalakításokat logikai műveletekkel hajtják végre, a kapott értéket rögzítik, amely a számítógép által kiadott eredmény. A vezetékek qubitek, a transzformációk logikai blokkokból állnak. Egy ilyen processzort D. Deutsch javasolt, aki 1995-ben olyan láncot tudott létrehozni, amely képes bármilyen kvantumszintű számítás elvégzésére. De egy ilyen rendszer kis hibákat produkál, amelyek kissé csökkenthetők az algoritmusban részt vevő műveletek számának növelésével.

Hogyan működik a kvantumszámítógép?

Mit értünk el?

Eddig csak kétféle kvantumszámítógépet fejlesztettek ki, de a tudomány nem áll meg. Mindkét gép működése kvantumjelenségeken alapul:

  1. szupravezetéshez kapcsolódik. Ha megsértik, kvantálás figyelhető meg;
  2. olyan tulajdonságon alapul, mint a koherencia. Az ilyen számítógépek számítási sebessége megduplázódik a qubitek számához képest.

A számításba vettek második típusát prioritásnak tekintik a kvantumszámítógépek létrehozása terén.

Különböző országok eredményei.

Röviden, az elmúlt 10 év eredményei jelentősek. Megjegyzendő a két qubites számítógép Amerikában készült szoftverrel. Egy kétkubites számítógépet is tudtak gyártani gyémántkristállyal. A nitrogénrészecskék és összetevői: az atommag és az elektron spinjének irányát kvbitként használtam. A jelentős védelem érdekében egy nagyon összetett rendszert fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi, hogy 95%-os pontossággal adjon eredményt.

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

Miért van szükség minderre?

A kvantumszámítógépek létrehozásáról már szó esett. Ezek a számítógépek nem annak az eredménye, amire törekedtek, de megtalálták a vevőt. Az amerikai Lockheed Martin védelmi cég 10 millió dollárt fizetett. Megszerzésük képes hibákat találni az F-35 vadászrepülőgépre telepített legösszetettebb programban. A Google gépi tanulási programokat szeretne elindítani felvásárlásával.

Jövő

Kvantumszámítógép fejlesztése során A nagy cégek és az állam nagyon érdeklődik. Új felfedezésekhez vezet a kriptográfiai algoritmusok fejlesztése terén. Az idő eldönti, hogy ez az állam vagy a hackerek hasznára válik-e. De a titkosítási kulcsok létrehozása és felismerése azonnal megtörténik. A bankkártyával kapcsolatos számos probléma megoldódik.

Az üzenetek továbbítása óriási sebességgel történik, és nem lesz probléma a kommunikációval a Föld bármely pontjával, sőt talán azon túl is.

Egy ilyen számítógép segít ebben, különösen a genetikai kód megfejtésében. Ez számos egészségügyi probléma megoldásához vezet.

És természetesen megnyitja az ajtót a misztikus titkok és párhuzamos világok országába.

Nagy megrázkódtatások várnak ránk. Minden, amit megszoktunk, csak egy része annak a világnak, amely már a Kvantumvalóság nevet kapta. Segítenek túllépni az anyagi világon, ami a kvantumszámítógép működési elve.

A kvantumszámítógépek igazi forradalmat ígérnek, nemcsak a számítástechnikában, hanem a való életben is. A média tele van címekkel arról, hogy a kvantumszámítógépek hogyan fogják tönkretenni a modern kriptográfiát, és a mesterséges intelligencia ereje nekik köszönhetően nagyságrendekkel megnő.

Az elmúlt 10 évben a kvantumszámítógépek a tiszta elmélettől az első működő példákig jutottak el. Igaz, a beígért forradalomig még hosszú út áll előttünk, és a hatása végül nem biztos, hogy olyan átfogó, mint amilyennek most látszik.

Hogyan működik a kvantumszámítógép?

A kvantumszámítógép egy olyan eszköz, amely a kvantum-szuperpozíció és a kvantum-összefonódás jelenségeit használja. Az ilyen számítások fő eleme a qubit vagy kvantumbit. Mindezek a szavak mögött meglehetősen bonyolult matematika és fizika húzódik meg, de ha a lehető legjobban leegyszerűsítjük őket, valami ilyesmit kapunk.

A közönséges számítógépekben bitekkel foglalkozunk. A bit az információ mértékegysége egy bináris rendszerben. 0 és 1 értéket vehet fel, ami nem csak a matematikai, hanem a logikai műveleteknél is nagyon kényelmes, mivel a nulla a „false”, az egy pedig az „igaz” értékkel társítható.


A modern processzorok tranzisztorokra, félvezető elemekre épülnek, amelyek képesek vagy nem engedik át az elektromos áramot. Más szavakkal, két értéket állít elő, a 0-t és az 1-et. Hasonlóképpen, a flash memóriában egy lebegőkapu tranzisztor képes töltést tárolni. Ha jelen van, akkor egyet kapunk, ha nincs, nullát kapunk. A mágneses digitális rögzítés is hasonlóan működik, csak ott az információhordozó egy mágneses részecske, akár töltéssel, akár anélkül.

A számítások során kiolvasunk egy bit értékét (0 vagy 1) a memóriából, majd áramot vezetünk át a tranzisztoron, és attól függően, hogy átengedi-e vagy sem, a kimeneten kapunk egy új, esetleg más értékű bitet.

Mik a qubitek a kvantumszámítógépeknél? A kvantumszámítógépben a fő elem egy qubit - egy kvantumbit. A közönséges bittől eltérően kvantum-szuperpozíciós állapotban van, azaz értéke 0 és 1, és ezek bármely kombinációja bármikor. Ha több qubit van a rendszerben, akkor az egyik megváltoztatása az összes többi qubit megváltoztatását is jelenti.


Ez lehetővé teszi az összes lehetséges opció egyidejű kiszámítását. Egy hagyományos processzor a bináris számításaival valójában szekvenciálisan számítja ki az opciókat. Először egy forgatókönyv, aztán egy másik, aztán egy harmadik stb. A dolgok felgyorsítása érdekében elkezdtek többszálú feldolgozást, párhuzamos számításokat, prefetchinget használni, hogy előre jelezzék a lehetséges elágazási lehetőségeket és előre kiszámolják azokat. A kvantumszámítógépben mindez párhuzamosan történik.

A számítási elv is más. Bizonyos értelemben a kvantumszámítógép már minden lehetséges megoldást tartalmaz a probléma megoldására, csak az a feladatunk, hogy leolvassuk a qubitek állapotát, és... kiválasztjuk a megfelelő opciót. És itt kezdődnek a nehézségek. Ez a kvantumszámítógép működési elve.

Kvantumszámítógép létrehozása

Mi lesz a kvantumszámítógép fizikai természete? Kvantumállapot csak részecskékben érhető el. Egy kubit nem építhető fel több atomból, mint egy tranzisztor. Ez a probléma egyelőre nem teljesen megoldódott. Több lehetőség is van. Az atomok töltési állapotait használják, például egy elektron jelenléte vagy hiánya egy közönséges pontban, szupravezető elemek, fotonok stb.


Az ilyen „finom dolgok” korlátozzák a qubitek állapotának mérését. Az energiák rendkívül alacsonyak, az adatok olvasásához erősítőkre van szükség. De az erősítők képesek befolyásolni egy kvantumrendszert, megváltoztatni annak állapotát, de nem csak ezeknek, hanem még a megfigyelés tényének is lehet jelentősége.

A kvantumszámítás olyan műveletek sorozatát foglalja magában, amelyeket egy vagy több qubiten hajtanak végre. Ezek viszont az egész rendszerben változásokhoz vezetnek. A feladat az, hogy állapotai közül válassza ki a megfelelőt, amely megadja a számítások eredményét. Ebben az esetben tetszőleges számú állapot lehet, amely a lehető legközelebb áll ehhez. Ennek megfelelően az ilyen számítások pontossága szinte mindig eltér az egységtől.

Így egy teljes értékű kvantumszámítógép a fizika jelentős előrehaladását követeli meg. Ráadásul a kvantumszámítógép programozása más lesz, mint a jelenlegi. Végül, a kvantumszámítógépek nem lesznek képesek megoldani azokat a problémákat, amelyeket a hagyományos számítógépekkel nem lehet megoldani, de felgyorsíthatják azok megoldását, amelyeket kezelni tudnak. Igaz, megint nem minden.

Qubit számolás, qubit kvantum számítógép

Fokozatosan megszűnnek a problémák a kvantumszámítógép felé vezető úton. Az első kubitek a század elején épültek. A folyamat az évtized elején felgyorsult. Ma már a fejlesztők képesek több tíz qubites processzort gyártani.


A legújabb áttörést a Bristlecone processzor megalkotása jelentette a Google szívében. 2018 márciusában a cég bejelentette, hogy 72 qubit-es processzort tudott építeni. A Google nem mondja meg, hogy a Bristlecone milyen fizikai elvekre épül. Azonban úgy gondolják, hogy 49 qubit elegendő a „kvantumfölény” eléréséhez, amikor a kvantumszámítógép kezdi jobban teljesíteni, mint egy hagyományos. A Google-nak sikerült teljesítenie ezt a feltételt, de a 0,6%-os hibaarány még mindig magasabb, mint a szükséges 0,5%.

2017 őszén az IBM bejelentette egy 50 qubites kvantumprocesszor prototípusának megalkotását. Őt tesztelik. 2017-ben azonban az IBM megnyitotta 20 qubites processzorát a felhőalapú számítástechnika előtt. 2018 márciusában megjelent az IBM Q egy kisebb verziója, bárki futtathat kísérleteket egy ilyen számítógépen. Eredményeik alapján már 35 tudományos közlemény jelent meg.


A 10. évforduló elején megjelent a piacon a svéd D-Wave cég, amely kvantumként pozicionálta számítógépeit. Sok vitát kavart, ugyanis bejelentette az 1000 qubites gépek megalkotását, miközben az elismert vezetők csak pár qubittel „bakkantottak”. A svéd fejlesztők számítógépei 10-15 millió dollárért keltek el, így ezek tesztelése nem volt olyan egyszerű.


A D-Wave számítógépek nem kvantumok a szó legigazibb értelmében, de használnak néhány kvantumeffektust, amelyek segítségével néhány optimalizálási probléma megoldható. Más szóval, nem minden kvantumszámítógépen végrehajtható algoritmus kap kvantumgyorsulást a D-hullámon. A Google felvásárolta a svédek egyik rendszerét. Ennek eredményeként a kutatók a számítógépeket „korlátozottan kvantumként” ismerték fel. Kiderült, hogy a qubitek nyolcas klaszterekbe vannak csoportosítva, vagyis valós számuk észrevehetően kisebb a deklaráltnál.

Kvantumszámítógép Oroszországban

A hagyományosan erős fizikaiskola lehetővé teszi, hogy az ember jelentős mértékben hozzájáruljon a fizikai problémák megoldásához egy kvantumszámítógép létrehozásával. 2018 januárjában az oroszok jelerősítőt készítettek egy kvantumszámítógéphez. Tekintettel arra, hogy az erősítő maga is képes a működésén keresztül befolyásolni a qubitek állapotát, az általa generált zajszint alig térhet el a „vákuumtól”. Ez sikerült az orosz tudósoknak a NUST MISIS „Superconducting Metamaterials” laboratóriumából és az Orosz Tudományos Akadémia két intézetéből. Az erősítő létrehozásához szupravezetőket használtak.


Oroszországban is létrehoztak egy kvantumközpontot. Ez egy nem kormányzati kutatószervezet, amely a kvantumfizika területén végzett kutatásokkal foglalkozik. A qubitek létrehozásának problémáján is dolgozik. A központ mögött Szergej Belousov üzletember és Mihail Lukin, a Harvard Egyetem professzora áll. Vezetése alatt a Harvardon már megalkottak egy 51 qubit-es processzort, amely a Bristlecon bejelentése előtt egy ideig a világ legerősebb kvantumszámítógép-eszköze volt.

A kvantumszámítástechnika fejlesztése a Digitális Gazdaság állami program részévé vált. 2018-20-ban az ezen a területen végzett munkára állami támogatást osztanak ki. Az akcióterv nyolc szupravezető qubit felhasználásával kvantumszimulátor létrehozását írja elő. Ezt követően dől el a technológia további skálázásának kérdése.

Emellett 2020 előtt Oroszország egy másik kvantumtechnológiát is tesztel: semleges atomokon kubiteket és csapdákban töltött ionokat készít.

A program egyik célja kvantumkriptográfiai és kvantumkommunikációs eszközök létrehozása. Létrejönnek a kvantumkulcsok elosztóközpontjai, amelyek elosztják azokat a fogyasztók – bankok, adatközpontok és ipari vállalkozások – felé. Úgy gondolják, hogy egy teljes értékű kvantumszámítógép percek alatt képes feltörni bármilyen modern titkosítási algoritmust.

Végül is

Tehát a kvantumszámítógépek még mindig kísérletiek. Nem valószínű, hogy a következő évtized előtt megjelenik egy teljes értékű, valóban nagy számítási teljesítményre képes kvantumszámítógép. A qubitek előállítása és a belőlük stabil rendszerek felépítése még messze van a tökéletestől.

Abból ítélve, hogy fizikai szinten a kvantumszámítógépeknek több technológiájukban és valószínűleg költségükben is eltérő megoldása van, még 10 évig nem lesz egységes a szabványosítási folyamat.

Ráadásul már most is világos, hogy a kvantumszámítógépek nagy valószínűséggel „darabos” és nagyon drága eszközök maradnak a következő évtizedben. Nem valószínű, hogy egy hétköznapi felhasználó zsebébe kerülnek, de számítani lehet rájuk a szuperszámítógépek listájára.

Valószínűleg a kvantumszámítógépeket „felhő” modellben kínálják majd, ahol erőforrásaikat az érdeklődő kutatók és szervezetek használhatják.

A világ egy újabb kvantumforradalom küszöbén áll. Az első kvantumszámítógép azonnal megoldja azokat a problémákat, amelyek megoldása a legerősebb modern eszköznek jelenleg évekig tart. Mik ezek a feladatok? Kinek van haszna és kit fenyeget a kvantumalgoritmusok tömeges használata? Mi a qubitek szuperpozíciója, hogyan tanulták meg az emberek megtalálni az optimális megoldást anélkül, hogy több billió lehetőséget kellett volna átmenniük? Ezekre a kérdésekre válaszolunk az „Egyszerűen a komplexumról” címszó alatt.

A kvantumelmélet előtt az elektromágneses sugárzás klasszikus elméletét használták. 1900-ban Max Planck német tudós, aki maga nem hitt a kvantumokban, és fiktív és pusztán elméleti konstrukciónak tartotta őket, kénytelen volt beismerni, hogy a felhevült test energiája részletekben – kvantumokban – bocsátódik ki; Így az elmélet feltételezései egybeestek a kísérleti megfigyelésekkel. És öt évvel később a nagy Albert Einstein is ehhez a megközelítéshez folyamodott, amikor a fotoelektromos hatást magyarázta: fénnyel besugározva elektromos áram keletkezett a fémekben! Nem valószínű, hogy Planck és Einstein azt gondolhatta volna, hogy munkájukkal egy új tudomány – a kvantummechanika – alapjait rakják le, amelynek a sorsa a felismerhetetlenségig átalakítani fogja világunkat, és hogy a 21. században a tudósok közel kerülhetnek a teremtéshez. egy kvantumszámítógép.

A kvantummechanika eleinte lehetővé tette az atom szerkezetének magyarázatát, és segített megérteni a benne zajló folyamatokat. Nagyjából valóra vált az alkimisták régi álma, hogy egyes elemek atomjait mások atomjaivá alakítsák át (igen, még arannyal is). Einstein híres E=mc2 képlete pedig az atomenergia és ennek következtében az atombomba megjelenéséhez vezetett.

Öt qubites kvantumprocesszor az IBM-től

Tovább tovább. Einstein és Paul Dirac angol fizikus munkájának köszönhetően a 20. század második felében létrehoztak egy lézert - egyben egy keskeny sugárba gyűjtött ultratiszta fény kvantumforrását. A lézerkutatás több mint egy tucat tudós számára hozta meg a Nobel-díjat, maguk a lézerek pedig az emberi tevékenység szinte minden területén megtalálták alkalmazásukat – az ipari vágóktól és lézerfegyverektől a vonalkód-leolvasókig és a látásjavításig. Ugyanebben az időben aktív kutatások folytak a félvezetőkről – olyan anyagokról, amelyekkel az elektromos áram áramlása könnyen szabályozható. Ezek alapján jöttek létre az első tranzisztorok - később a modern elektronika fő építőelemeivé váltak, amelyek nélkül már nem tudjuk elképzelni az életünket.

Az elektronikus számítástechnikai gépek - számítógépek - fejlődése számos probléma gyors és hatékony megoldását tette lehetővé. A méretük és költségük fokozatos csökkentése (a tömeggyártás miatt) pedig utat nyitott a számítógépek számára minden otthonba. Az Internet megjelenésével a számítógépes rendszerektől való függőségünk, beleértve a kommunikációt is, még erősebbé vált.

Richard Feynman

A függőség növekszik, a számítási teljesítmény folyamatosan növekszik, de eljött az idő beismerni, hogy lenyűgöző képességeik ellenére a számítógépek nem tudták megoldani az összes olyan problémát, amelyet készen állunk eléjük állítani. A híres fizikus, Richard Feynman az elsők között beszélt erről: még 1981-ben egy konferencián kijelentette, hogy alapvetően lehetetlen valódi fizikai rendszert pontosan kiszámítani hétköznapi számítógépeken. Minden a kvantumtermészetéről szól! A mikroskálás hatásokat könnyen megmagyarázza a kvantummechanika, és nagyon rosszul magyarázza a klasszikus mechanika, amihez hozzászoktunk: nagy objektumok viselkedését írja le. Feynman ekkor javasolta alternatívaként kvantumszámítógépek használatát a fizikai rendszerek kiszámításához.

Mi a kvantumszámítógép, és miben különbözik az általunk megszokott számítógépektől? Minden azon múlik, hogyan adjuk elő az információkat.

Ha a hagyományos számítógépekben a bitek - nullák és egyesek - felelősek ezért a funkcióért, akkor a kvantumszámítógépekben ezeket kvantumbitekkel (rövidítve qubit) helyettesítik. Maga a qubit meglehetősen egyszerű dolog. Még mindig van két alapvető értéke (vagy állapota, ahogy a kvantummechanika szokta mondani), amelyeket fel tud venni: 0 és 1. A kvantumobjektumok „szuperpozíciónak” nevezett tulajdonságának köszönhetően azonban a qubit minden értéket felvehet. ezek az alapvetőek kombinációja. Sőt, kvantumtermészete lehetővé teszi, hogy egyszerre legyen ezekben az állapotokban.

Ez a kvantumszámítás párhuzamossága a qubitekkel. Minden egyszerre történik – többé nincs szükség a rendszerállapotok összes lehetséges beállítására, és pontosan ezt teszi egy normál számítógép. A nagy adatbázisokban való keresés, az optimális útvonal kidolgozása, új gyógyszerek fejlesztése csak néhány példa a kvantumalgoritmusokkal sokszor gyorsabban megoldható problémákra. Ezek azok a feladatok, ahol a helyes válasz megtalálásához rengeteg lehetőségen kell keresztülmenni.

Ráadásul a rendszer pontos állapotának leírásához már nincs szükség hatalmas számítási teljesítményre és RAM mennyiségekre, mert egy 100 részecskéből álló rendszer kiszámításához 100 qubit is elegendő, nem pedig billió billió bit. Ráadásul a részecskék számának növekedésével (mint a valódi összetett rendszerekben), ez a különbség még jelentősebbé válik.

Az egyik felsorolási probléma a látszólagos haszontalanságával tűnt ki – nagy számok prímtényezőkre bontása (vagyis csak önmagukkal és eggyel osztható). Ezt "faktorizálásnak" hívják. A helyzet az, hogy a közönséges számítógépek meglehetősen gyorsan képesek megszorozni a számokat, még a nagyon nagyokat is. A hagyományos számítógépek azonban nagyon rosszul birkóznak meg azzal az inverz problémával, hogy két prímszámot az eredeti tényezőjükre szorozva nagy számokat le kell bontani. Például ahhoz, hogy 256 számjegyet két tényezőre számoljunk, még a legerősebb számítógépnek is több tucat évre van szüksége. De egy kvantumalgoritmust, amely néhány perc alatt meg tudja oldani ezt a problémát, Peter Shor angol matematikus talált fel 1997-ben.

A Shor-algoritmus megjelenésével a tudományos közösség komoly problémával szembesült. Az 1970-es évek végén a faktorizációs probléma összetettsége alapján a kriptográfiai tudósok megalkottak egy széles körben elterjedt adattitkosítási algoritmust. Különösen ennek az algoritmusnak a segítségével kezdték meg védeni az internetes adatokat - jelszavakat, személyes levelezést, banki és pénzügyi tranzakciókat. Sok év sikeres használat után pedig hirtelen kiderült, hogy az így titkosított információk könnyű célpontjává válnak a kvantumszámítógépen futó Shor-algoritmusnak. A segítségével a visszafejtés percek kérdése lesz. Egy dolog volt jó: még nem készült kvantumszámítógép, amelyen a halálos algoritmus futhatna.

Eközben világszerte tudományos csoportok és laboratóriumok tucatjai kezdtek el kísérleti vizsgálatokkal foglalkozni a qubitekkel és a belőlük kvantumszámítógép létrehozásának lehetőségeivel. Végül is egy dolog elméletileg feltalálni egy qubitet, és egészen más dolog megvalósítani. Ehhez egy megfelelő fizikai rendszert kellett találni két kvantumszinttel, amely a qubit alapállapotaként használható - nulla és egy. Feynman maga is úttörő cikkében javasolta különböző irányokba csavart fotonok használatát ezekre a célokra, de az első kísérletileg létrehozott qubitek 1995-ben speciális csapdákba befogott ionok voltak. Az ionokat sok más fizikai megvalósítás követte: atommagok, elektronok, fotonok, kristályhibák, szupravezető áramkörök – ezek mind megfeleltek a követelményeknek.

Ennek a sokféleségnek megvoltak az érdemei. Az intenzív versenytől vezérelve a különböző tudományos csoportok egyre fejlettebb qubiteket hoztak létre, és egyre bonyolultabb áramköröket építettek belőlük. A qubiteknek két fő versenyparamétere volt: az élettartamuk és az együtt működő qubitek száma.

A Mesterséges Kvantumrendszerek Laboratóriumának munkatársai

A qubitek élettartama meghatározta, hogy a törékeny kvantumállapot mennyi ideig tárolódik bennük. Ez viszont meghatározta, hogy hány számítási műveletet lehet végrehajtani a qubiten, mielőtt az „elhal”.

A kvantumalgoritmusok hatékony működéséhez nem egy qubitre volt szükség, hanem legalább százra, és együtt dolgozni. A probléma az volt, hogy a qubitek nem igazán szerettek egymás mellett lenni, és az életük drámai csökkentésével tiltakoztak. A qubitek ezen inkompatibilitásának megkerüléséhez a tudósoknak mindenféle trükkhöz kellett folyamodniuk. Ennek ellenére a mai napig a tudósoknak maximum egy-két tucat qubitet sikerült összedolgozniuk.

Tehát a kriptográfusok legnagyobb örömére a kvantumszámítógép még mindig a jövő dolga. Bár egyáltalán nincs olyan távol, mint amilyennek valaha tűnhetett, mert mind a legnagyobb vállalatok, mint az Intel, az IBM és a Google, mind az egyes államok, amelyek számára stratégiai jelentőségű a kvantumszámítógép létrehozása létrehozásában aktívan részt vesz.

Ne hagyd ki az előadást:

Az elmúlt évtizedekben a számítógépek nagyon gyorsan fejlődtek. Valójában egy generáció emlékezetében a terjedelmes, hatalmas helyiségeket elfoglaló lámpa alapúaktól a miniatűr táblagépekké váltak. A memória és a sebesség gyorsan növekedett. Ám eljött a pillanat, amikor olyan feladatok jelentek meg, amelyekre még a szupererős modern számítógépek sem képesek.

Mi az a kvantumszámítógép?

A hagyományos számítógépek képességein túlmutató új feladatok megjelenése arra késztetett bennünket, hogy új lehetőségeket keressünk. És a hagyományos számítógépek alternatívájaként megjelentek a kvantumszámítógépek. A kvantumszámítógép a kvantummechanika elemeire épülő számítástechnika. A kvantummechanika alapelvei a múlt század elején fogalmazódtak meg. Megjelenése lehetővé tette számos olyan fizikai probléma megoldását, amelyekre a klasszikus fizikában nem találtak megoldást.

Bár a kvantumelmélet már a második századát éli, még mindig csak a szakemberek szűk köre számára érthető. De a kvantummechanikának is vannak valós eredményei, amelyeket már megszoktunk - lézertechnika, tomográfia. A múlt század végén pedig Yu Manin szovjet fizikus dolgozta ki a kvantumszámítás elméletét. Öt évvel később David Deutsch bemutatta a kvantumgép ötletét.

Létezik kvantumszámítógép?

De az ötletek megvalósítása nem volt olyan egyszerű. Időről időre jelennek meg jelentések arról, hogy újabb kvantumszámítógépet hoztak létre. Az információs technológia területén óriások dolgoznak az ilyen számítógépes technológia fejlesztésén:

  1. A D-Wave egy kanadai cég, amely elsőként gyártott működő kvantumszámítógépeket. Mindazonáltal a szakértők között vita folyik arról, hogy valójában milyen kvantumok ezek a számítógépek, és milyen előnyökkel járnak.
  2. Az IBM kvantumszámítógépet hozott létre, és hozzáférést biztosított az internetezők számára, hogy kvantumalgoritmusokkal kísérletezzenek. A vállalat 2025-re egy gyakorlati problémák megoldására alkalmas modell megalkotását tervezi.
  3. A Google bejelentette, hogy idén kiad egy olyan számítógépet, amely képes bizonyítani a kvantumtechnika jobbságát a hagyományos számítógépekkel szemben.
  4. 2017 májusában a kínai tudósok Sanghajban bejelentették, hogy megalkották a világ legerősebb kvantumszámítógépét, amely 24-szeresével haladja meg az analógok jelfeldolgozási frekvenciáját.
  5. 2017 júliusában a moszkvai kvantumtechnológiai konferencián bejelentették, hogy egy 51 kvbites kvantumszámítógépet hoztak létre.

Miben különbözik a kvantumszámítógép a hagyományostól?

A kvantumszámítógépek közötti alapvető különbség a számítási folyamat megközelítésében rejlik.

  1. Egy hagyományos processzorban minden számítás olyan biteken alapul, amelyeknek két állapota van, 1 vagy 0. Ez azt jelenti, hogy minden munka hatalmas adatmennyiség elemzésén múlik annak megállapítására, hogy az megfelel-e a megadott feltételeknek. A kvantumszámítógép qubiteken (kvantumbiteken) alapul. Jellemzőjük, hogy egyszerre tudnak 1, 0, valamint 1 és 0 állapotban lenni.
  2. A kvantumszámítógép képességei jelentősen megnövekednek, hiszen nem kell a sok között keresni a kívánt választ. Ebben az esetben a válasz a már rendelkezésre álló lehetőségek közül kerül kiválasztásra, bizonyos egyezési valószínűséggel.

Mire használható a kvantumszámítógép?

A kvantumszámítógép elve, amely a kellő valószínűségi fokú megoldás kiválasztására és a modern számítógépeknél többszörösen gyorsabb megoldásra épül, meghatározza felhasználásának céljait. Először is, az ilyen típusú számítástechnika megjelenése aggasztja a kriptográfusokat. Ez annak köszönhető, hogy a kvantumszámítógép képes könnyen kiszámítani a jelszavakat. Így az orosz-amerikai tudósok által megalkotott legerősebb kvantumszámítógép képes a meglévő titkosítási rendszerek kulcsainak megszerzésére.

A kvantumszámítógépeknél vannak hasznosabb alkalmazott problémák is, ezek az elemi részecskék viselkedésével, a genetikával, az egészségüggyel, a pénzügyi piacokkal, a hálózatok vírusok elleni védelmével, a mesterséges intelligenciával és sok mással kapcsolatosak, amelyeket a hagyományos számítógépek még nem tudnak megoldani.

Hogyan működik a kvantumszámítógép?

A kvantumszámítógép tervezése a qubitek használatán alapul. Jelenleg a következőket használják a qubitek fizikai végrehajtásaként:

  • szupravezetőkből készült gyűrűk jumperekkel, többirányú árammal;
  • lézersugarak hatásának kitett egyes atomok;
  • ionok;
  • fotonok;
  • Folyamatban vannak a félvezető nanokristályok felhasználási lehetőségei.

Kvantumszámítógép - működési elv

Ha van bizonyosság a klasszikus számítógép működésében, akkor a kvantumszámítógép működésének kérdését nem könnyű megválaszolni. A kvantumszámítógép működésének leírása két olyan mondaton alapul, amelyek a legtöbbek számára homályosak:

  • szuperpozíció elve– olyan qubitekről beszélünk, amelyek egyszerre lehetnek az 1. és a 0. pozícióban. Ez lehetővé teszi, hogy egyszerre több számítást is végezzen, ahelyett, hogy az opciók között válogatna, ami nagy időnyereséget ad;
  • kvantumösszefonódás- A. Einstein által feljegyzett jelenség, amely két részecske kölcsönhatásában áll. Egyszerűen fogalmazva, ha az egyik részecskének pozitív helicitása van, akkor a második azonnal pozitív helicitást vesz fel. Ez a kapcsolat távolságtól függetlenül létrejön.

Ki találta fel a kvantumszámítógépet?

A kvantummechanika alapja a múlt század legelején körvonalazódott hipotézisként. Kifejlesztését olyan zseniális fizikusokhoz kötik, mint Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. 1980-ban Yu Antonov felvetette a kvantumszámítás lehetőségét. Egy évvel később Richard Feineman elméletileg modellezte az első kvantumszámítógépet.

Jelenleg a kvantumszámítógépek létrehozása fejlesztési szakaszban van, és még elképzelni is nehéz, mire képes egy kvantumszámítógép. De teljesen egyértelmű, hogy ennek az iránynak az elsajátítása sok új felfedezést fog hozni az embereknek a tudomány minden területén, lehetővé teszi számukra, hogy bepillantást nyerjenek a mikro- és makrovilágba, és többet megtudjanak az elme természetéről és a genetikáról.

A múlt héten felröppent a hír, hogy a Google áttörést ért el a kvantumszámítógép fejlesztésében -
a cég megértette, hogyan birkózik meg egy ilyen számítógép
a saját hibáiddal. A kvantumszámítógépekről több éve beszélnek: szerepeltek például a Time magazin címlapján. Ha ilyen számítógépek jelennek meg, az a klasszikus számítógépek megjelenéséhez hasonló – vagy akár komolyabb – áttörést jelent. A Look At Me elmagyarázza, miért nagyszerűek a kvantumszámítógépek, és mit tett pontosan a Google.

Mi az a kvantumszámítógép?


A kvantumszámítógép a számítástechnika és a kvantumfizika metszéspontjában álló mechanizmus, az elméleti fizika legösszetettebb ága. Richard Feynman, a 20. század egyik legnagyobb fizikusa egyszer azt mondta: "Ha azt hiszed, hogy érted a kvantumfizikát, akkor nem érted." Ezért kérjük, vegye figyelembe, hogy a következő magyarázatok hihetetlenül leegyszerűsítettek. Az emberek sok évet töltenek azzal, hogy megértsék a kvantumfizikát.

A kvantumfizika az atomnál kisebb elemi részecskékkel foglalkozik. Ezeknek a részecskéknek a szerkezete és viselkedése ellentmond számos, az Univerzumról alkotott elképzelésünknek. Egy kvantumrészecske lehet egyszerre több helyen – és egyszerre több állapotban is. Képzeld el, hogy feldobtál egy érmét: amíg az a levegőben van, nem tudod megmondani, hogy fej vagy farok jön-e fel; Ez az érme olyan, mint a fej és a farok egyszerre. Körülbelül így viselkednek a kvantumrészecskék. Ezt a szuperpozíció elvének nevezik.

A kvantumszámítógép még mindig egy hipotetikus eszköz, amely a szuperpozíció elvét fogja használni (és egyéb kvantumtulajdonságok)
számításokhoz. Egy hagyományos számítógép tranzisztorokkal működik,
akik bármilyen információt nulláknak és egyeseknek érzékelnek. A bináris kód leírhatja az egész világot – és megoldhat benne minden problémát. A klasszikus bit kvantumanalógját könyöknek nevezzük. (qubit, qu - a kvantum, kvantum szóból). A szuperpozíció elvét alkalmazva egy könyök egyszerre lehet
0 és 1 állapotban - és ez nemcsak jelentősen növeli a teljesítményt a hagyományos számítógépekhez képest, hanem lehetővé teszi a váratlan problémák megoldását is,
amire a hagyományos számítógépek nem képesek.

A szuperpozíció elve az egyetlen dolog
Mire épülnek majd a kvantumszámítógépek?


Nem. Tekintettel arra, hogy a kvantumszámítógépek csak elméletben léteznek, a tudósok még mindig csak találgatnak, hogyan fognak pontosan működni. Például úgy gondolják, hogy a kvantumszámítógépek kvantumösszefonódást is fognak használni.
Ez egy olyan jelenség, amelyet Albert Einstein "furcsa"-nak nevezett. általában ellenezte a kvantumelméletet, mert az nem egyezik az ő relativitáselméletével). A jelenség jelentése az, hogy az Univerzumban két részecske összekapcsolódhat, és fordítva: ha mondjuk a helicitás
(van egy ilyen jellemzője az elemi részecskék állapotának, nem részletezzük) az első részecske pozitív, akkor a második helicitása mindig negatív lesz, és fordítva. Ezt a jelenséget két okból is „hátborzongatónak” nevezik. Először is, ez a kapcsolat azonnal működik, gyorsabban, mint a fénysebesség. Másodszor, az összegabalyodott részecskék bármilyen távolságra elhelyezkedhetnek egymástól.
egymástól: például a Tejútrendszer különböző végein.

Hogyan használható a kvantumszámítógép?


A tudósok alkalmazásokat keresnek kvantumszámítógépekhez, és egyúttal kitalálják, hogyan építsék meg őket. A lényeg az, hogy egy kvantumszámítógép képes lesz nagyon gyorsan optimalizálni az információkat, és általában nagy mennyiségű adattal dolgozni, amelyeket felhalmozunk, de még nem értjük, hogyan kell használni.

Képzeljük el ezt a lehetőséget (persze nagyon leegyszerűsítve): íjat készülsz lőni egy célba, és ki kell számolnod, milyen magasra kell célozni. Tegyük fel, hogy ki kell számítania a magasságot 0 és 100 cm között. Egy hagyományos számítógép sorra számítja ki az egyes pályákat: először 0 cm, majd 1 cm, majd 2 cm és így tovább. A kvantumszámítógép egyidejűleg kiszámítja az összes opciót - és azonnal előállítja azt, amely lehetővé teszi, hogy elérje a célt. Így számos folyamatot optimalizálhat:
az orvostudományból (mondjuk, hogy korábban diagnosztizálják a rákot) a repülés előtt (például bonyolultabb robotpilótákat készíteni).

Létezik olyan verzió is, hogy egy ilyen számítógép képes lesz olyan problémákat megoldani, amelyekre egy közönséges számítógép egyszerűen nem képes – vagy ez több ezer éves számításokat igényelne. A kvantumszámítógép a legbonyolultabb szimulációkkal is képes lesz dolgozni: például kiszámolhatja, hogy az Univerzumban vannak-e az embereken kívül más intelligens lények. Lehetséges, hogy a kvantumszámítógépek létrehozása vezet majd
a mesterséges intelligencia megjelenéséig. Képzeld el, mit tett a hagyományos számítógépek megjelenése a világunkkal – a kvantumszámítógépek nagyjából ugyanilyen áttörést jelenthetnek.

Ki fejleszt kvantumszámítógépeket?


Minden. Kormányok, katonai, technológiai cégek. A kvantumszámítógép létrehozása szinte bárki számára hasznos lesz. Például az Edward Snowden által kiadott dokumentumok között olyan információk szerepeltek, hogy az NSA-nak van egy projektje „Infiltration of Complex Targets” (Infiltration of Complex Targets), amelynek része egy kvantumszámítógép létrehozása az információk titkosítására. A Microsoft komolyan foglalkozik a kvantumszámítógépekkel – 2007-ben kezdték meg első kutatásaikat ezen a területen. Az IBM fejleszt, és néhány évvel ezelőtt bejelentette, hogy létrehoztak egy három qubites chipet. Végül a Google és a NASA együttműködik
a D-Wave céggel, amely azt állítja, hogy már gyárt
"az első kereskedelmi kvantumprocesszor" (vagy inkább a második, most a modelljük a D-Wave Two), de még nem úgy működik, mint egy kvantum -
Emlékeztessük önöket, hogy nem léteznek.

Milyen közel állunk az alkotáshoz
kvantum számítógép?


Senki sem tudja biztosan megmondani. Hírek a technológiai áttörésekről (mint a Google-ról szóló friss hírek) folyamatosan jelennek meg, de nagyon messze lehetünk
egy teljes értékű kvantumszámítógépről, és nagyon közel van hozzá. Tegyük fel, hogy vannak olyan tanulmányok, amelyek szerint elég egy számítógépet létrehozni
több száz könyökkel, így teljes értékű kvantumszámítógépként működik. A D-Wave azt állítja, hogy egy 84 qubites processzort hozott létre.
de a kritikusok, akik elemezték a processzorukat, azt mondják, hogy működik,
mint egy klasszikus számítógép, nem úgy, mint egy kvantum. A Google együttműködik
A D-Wave-vel úgy gondolják, hogy processzoruk a fejlesztés nagyon korai szakaszában van, és végül úgy fog működni, mint egy kvantum. Mindegy, most
A kvantumszámítógépeknek egy fő problémájuk van: a hibák. Bármely számítógép követ el hibákat, de a klasszikusok könnyen megbirkóznak velük – a kvantumszámítógépek viszont még nem. Amint a kutatók rájönnek a hibákra, a kvantumszámítógép megjelenése csak néhány év múlva lesz hátra.

Mi nehezíti a hibák kijavítását?
a kvantumszámítógépekben?


Az egyszerűsítés kedvéért a kvantumszámítógépek hibái két szintre oszthatók. Az első azok a hibák, amelyeket minden számítógép elkövet, beleértve a klasszikusokat is. Hiba jelenhet meg a számítógép memóriájában, ha a 0 külső zaj – például kozmikus sugarak vagy sugárzás – miatt önkéntelenül 1-re változik. Ezek a hibák könnyen megoldhatók; És a Google nemrég foglalkozott ezzel a problémával a kvantumszámítógépeknél: stabilizálták a kilenc qubitből álló láncot
és megmentette a hibáktól. Ennek az áttörésnek azonban van egy figyelmeztetése: a Google foglalkozott a klasszikus számítástechnika klasszikus hibáival. A kvantumszámítógépeknél van egy második hibaszint, és sokkal nehezebb megérteni és megmagyarázni.

A könyökök rendkívül instabilak, kvantumdekoherenciának vannak kitéve – ez a kvantumrendszeren belüli kommunikáció megszakadása a környezet hatására. A kvantumprocesszort a lehető legnagyobb mértékben el kell szigetelni a környezeti hatásoktól (bár a dekoherencia néha belső folyamatok eredményeként lép fel) hogy a hibák minimálisra csökkenjenek. Ugyanakkor a kvantumhibákat nem lehet teljesen kiküszöbölni, de ha kellően megritkítják őket, akkor a kvantumszámítógép működhet. Ugyanakkor egyes kutatók úgy vélik, hogy egy ilyen számítógép teljesítményének 99%-a irányított lesz
a hibák kiküszöbölésére, de a maradék 1% elegendő az esetleges problémák megoldására.
Scott Aaronson fizikus szerint a Google eredménye a harmadiknak tekinthető
a kvantumszámítógép létrehozásához szükséges hét lépés felével – más szóval, félúton vagyunk.

 

Hasznos lehet elolvasni: