Kvantdator - de väntar på den och fruktar den. Arbetsprincipen för en kvantdator Arbetsprincipen för en kvantdator är enkel

Vetenskapen står inte stilla och, verkar det som, det som ansågs vara mystik i går är idag en obestridlig verklighet. Så nu kan myter om parallella världar bli ett vanligt faktum i framtiden. Man tror att forskning inom området för att skapa en kvantdator kommer att hjälpa till att nå detta uttalande. Japan ligger i täten, mer än 70 % av all forskning kommer från detta land. Kärnan i denna upptäckt är mer förståelig för dem som på ett eller annat sätt är kopplade till fysik. Men de flesta av oss tog examen från gymnasiet, där läroboken i 11:e klass täckte några frågor om kvantfysik.

Där allt började

Låt oss komma ihåg att början lades av två huvudupptäckter, för vilka deras författare tilldelades Nobelpriset. 1918 upptäckte Max Planck kvantumet och Albert Einstein i 1921 foton. Idén om att skapa en kvantdator uppstod 1980, när sanningen om kvantteorin bevisades. Och idéer började omsättas i praktiken först 1998. Massivt, och samtidigt ganska effektivt, arbete har endast utförts under de senaste 10 åren.

De grundläggande principerna är tydliga, men för varje steg framåt uppstår fler och fler problem, vars lösning tar ganska lång tid, även om många laboratorier runt om i världen arbetar med detta problem. Kraven på en sådan dator är mycket höga, eftersom mätnoggrannheten måste vara mycket hög och antalet yttre påverkan måste minimeras, som var och en kommer att förvränga kvantsystemets funktion.

VARFÖR BEHÖVER DU EN KVANTDATOR?

Vad är en kvantdator baserad på?

Alla, i större eller mindre utsträckning, har en uppfattning om hur en vanlig dator fungerar. Dess betydelse ligger i användningen av binär kodning, där närvaron av ett visst spänningsvärde tas som 1, och frånvaron av 0, uttryckt som 0 eller 1, anses vara lite. Driften av en kvantdator är förknippad med begreppet spin. För den som begränsar fysiken till skolkunskaper kan de hävda att det finns tre elementarpartiklar och att de har enkla egenskaper som massa och laddning.

Men fysiker lägger hela tiden till klassen av elementarpartiklar och deras egenskaper, varav en är spinn. Och en viss riktning av partikelns spinn tas som 1, och dess motsatta riktning som 0. Detta liknar designen av en transistor. Huvudelementet kommer redan att kallas en kvantbit eller kvantbit. Det kan vara fotoner, atomer, joner och atomkärnor.

Huvudvillkoret här är närvaron av två kvanttillstånd. Att ändra tillståndet för en viss bit i en konventionell dator leder inte till förändringar hos andra, men i en kvantdator kommer en förändring av en att leda till en förändring i tillståndet för andra partiklar. Denna förändring kan kontrolleras, och föreställ dig att det finns hundratals sådana partiklar.

Föreställ dig bara hur många gånger produktiviteten för en sådan maskin kommer att öka. Men skapandet av en helt ny dator är bara en hypotes; fysiker har mycket arbete att göra inom det området av kvantmekanik, som kallas många-partikelmekanik. Den första minikvantdatorn bestod av 16 qubits. Nyligen har datorer som använder 512 qubits släppts, men de används redan för att öka hastigheten på att utföra komplexa beräkningar. Quipper är ett språk designat speciellt för sådana maskiner.

Sekvens av utförda operationer

När du skapar en ny generations dator finns det fyra riktningar som skiljer sig åt genom att de fungerar som logiska qubits:

  1. riktningen för spinn av partiklarna som utgör grunden för atomen;
  2. närvaron eller frånvaron av ett Cooper-par på en specificerad plats i rymden;
  3. vilket tillstånd är den yttre elektronen i?
  4. olika tillstånd hos fotonen.

Låt oss nu titta på kretsen som datorn fungerar med. Till att börja med tas någon uppsättning qubits och deras initiala parametrar registreras. Transformationer utförs med logiska operationer, det resulterande värdet registreras, vilket är resultatet som utfärdas av datorn. Ledningarna är qubits, och transformationerna är uppbyggda av logiska block. En sådan processor föreslogs av D. Deutsch, som 1995 kunde skapa en kedja som kunde utföra alla beräkningar på kvantnivå. Men ett sådant system ger små fel, som kan reduceras något genom att öka antalet operationer som är involverade i algoritmen.

Hur fungerar en kvantdator?

Vad har vi uppnått?

Hittills har bara två typer av kvantdatorer utvecklats, men vetenskapen står inte stilla. Driften av båda maskinerna är baserad på kvantfenomen:

  1. förknippas med supraledning. När den bryts, observeras kvantisering;
  2. utifrån en sådan egenskap som samstämmighet. Beräkningshastigheten för sådana datorer fördubblas jämfört med antalet qubits.

Den andra typen av de övervägda anses vara en prioritet inom området för att skapa kvantdatorer.

Olika länders prestationer.

Kort sagt, de senaste 10 årens framgångar är betydande. Man kan notera två-qubit-datorn med programvara skapad i Amerika. De kunde också producera en två-qubit-dator med en diamantkristall. Riktningen för kvävepartiklarnas spinn och dess komponenter: kärnan och elektronen användes som qubits. För att ge ett betydande skydd utvecklades ett mycket komplext system som gör att det kan ge resultat med 95 % noggrannhet.

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

Varför behövs allt detta?

Skapandet av kvantdatorer har redan diskuterats. Dessa datorer är inte resultatet av vad de strävade efter, men de hittade sin köpare. Det amerikanska försvarsföretaget Lockheed Martin betalade 10 miljoner dollar. Deras förvärv kan hitta fel i det mest komplexa programmet installerat på F-35 fighter. Google vill lansera maskininlärningsprogram med sitt förvärv.

Framtida

Under utveckling av en kvantdator Stora företag och staten är mycket intresserade. Det kommer att leda till nya upptäckter inom området för kryptografisk algoritmutveckling. Tiden kommer att avgöra om detta kommer att gynna staten eller hackare. Men arbetet med att skapa och känna igen kryptonycklar kommer att göras omedelbart. Många problem i samband med ett bankkort kommer att lösas.

Meddelanden kommer att sändas med enorm hastighet och det kommer inte att finnas några problem att kommunicera med någon punkt på jordklotet, och kanske till och med bortom.

En sådan dator kommer att hjälpa till att göra detta, särskilt när det gäller att dechiffrera den genetiska koden. Detta kommer att leda till att många medicinska problem löses.

Och, naturligtvis, kommer det att öppna dörren till ett land av mystiska hemligheter och parallella världar.

Stora chocker väntar oss. Allt som vi är vana vid är bara en del av den världen, som redan har fått namnet Quantum Reality. De kommer att hjälpa dig att gå bortom den materiella världen, vilket är principen för driften av en kvantdator.

Kvantdatorer lovar en verklig revolution, inte bara inom datoranvändning, utan också i verkligheten. Media är fulla av rubriker om hur kvantdatorer kommer att förstöra modern kryptografi, och kraften hos artificiell intelligens, tack vare dem, kommer att öka i storleksordningar.

Under de senaste 10 åren har kvantdatorer gått från ren teori till de första fungerande exemplen. Det är sant att det fortfarande är långt kvar till den utlovade revolutionen, och dess inflytande i slutändan kanske inte är så omfattande som det verkar nu.

Hur fungerar en kvantdator?

En kvantdator är en enhet som använder fenomenen kvantsuperposition och kvantintrassling. Huvudelementet i sådana beräkningar är qubit, eller kvantbit. Bakom alla dessa ord ligger ganska komplex matematik och fysik, men om man förenklar dem så mycket som möjligt får man något sånt här.

I vanliga datorer sysslar vi med bitar. En bit är en måttenhet för information i ett binärt system. Det kan ta värdet 0 och 1, vilket är mycket praktiskt inte bara för matematiska operationer, utan också för logiska, eftersom noll kan associeras med värdet "falskt" och en med "sant".


Moderna processorer är byggda på basis av transistorer, halvledarelement som kan eller inte kan passera elektrisk ström. Med andra ord producerar den två värden, 0 och 1. På liknande sätt kan en flytande grindtransistor lagra laddning i flashminne. Om den finns får vi en, finns den inte där får vi noll. Magnetisk digital inspelning fungerar på liknande sätt, bara informationsbäraren där är en magnetisk partikel, antingen med eller utan laddning.

I beräkningar läser vi av värdet på en bit (0 eller 1) från minnet och för sedan ström genom transistorn och beroende på om den passerar den eller inte får vi en ny bit vid utgången, eventuellt med ett annat värde.

Vad är qubits för kvantdatorer? I en kvantdator är huvudelementet en qubit - en kvantbit. Till skillnad från en vanlig bit är den i ett tillstånd av kvantöverlagring, det vill säga den har värdet av både 0 och 1, och vilken kombination som helst av dem när som helst. Om det finns flera qubits i systemet, innebär att ändra en också att alla andra qubits ändras.


Detta gör att du kan beräkna alla möjliga alternativ samtidigt. En konventionell processor, med sina binära beräkningar, beräknar faktiskt alternativen sekventiellt. Först ett scenario, sedan ett annat, sedan ett tredje osv. För att påskynda saker och ting började de använda multithreading, köra beräkningar parallellt, förhämtning, för att förutsäga möjliga förgreningsalternativ och beräkna dem i förväg. I en kvantdator görs allt detta parallellt.

Beräkningsprincipen är också en annan. På sätt och vis innehåller en kvantdator redan alla möjliga alternativ för att lösa problemet; vår uppgift är bara att läsa tillståndet för qubitarna och... välja rätt alternativ från dem. Och det är här som svårigheterna börjar. Detta är principen för driften av en kvantdator.

Skapande av en kvantdator

Vad kommer att vara den fysiska naturen hos en kvantdator? Ett kvanttillstånd kan endast uppnås i partiklar. En qubit kan inte byggas av flera atomer, som en transistor. Hittills har detta problem inte helt lösts. Det finns flera alternativ. Atomers laddningstillstånd används, till exempel närvaro eller frånvaro av en elektron vid en vanlig punkt, supraledande element, fotoner, etc.


Sådana "subtila frågor" lägger restriktioner på att mäta tillståndet för qubits. Energierna är extremt låga, förstärkare behövs för att läsa data. Men förstärkare kan påverka ett kvantsystem och ändra dess tillstånd, men inte bara de, utan även själva observationen kan ha betydelse.

Kvantberäkning involverar en sekvens av operationer som utförs på en eller flera qubits. De leder i sin tur till förändringar i hela systemet. Uppgiften är att välja den rätta från dess tillstånd, vilket ger resultatet av beräkningarna. I det här fallet kan det finnas hur många stater som helst som är så nära detta som möjligt. Följaktligen kommer noggrannheten i sådana beräkningar nästan alltid att skilja sig från enhet.

En fullfjädrad kvantdator kräver alltså betydande framsteg inom fysiken. Dessutom kommer programmering för en kvantdator att vara annorlunda än vad som finns nu. Slutligen kommer kvantdatorer inte att kunna lösa problem som inte kan lösas av konventionella, men de kan snabba på lösningarna för dem som de kan hantera. Sant, återigen, inte alla.

Qubit räkning, qubit kvantdator

Successivt tas problemen på vägen till en kvantdator bort. De första qubitarna byggdes i början av seklet. Processen accelererade i början av decenniet. Idag kan utvecklare redan producera processorer med tiotals qubits.


Det senaste genombrottet var skapandet av Bristlecone-processorn i Googles inre. I mars 2018 meddelade företaget att det kunde bygga en 72-qubit-processor. Google säger inte på vilka fysiska principer Bristlecone är byggd. Man tror dock att 49 qubits är tillräckligt för att uppnå "kvantöverlägsenhet", när en kvantdator börjar överträffa en konventionell. Google lyckades uppfylla detta villkor, men felfrekvensen på 0,6 % är fortfarande högre än de 0,5 % som krävs.

Hösten 2017 tillkännagav IBM skapandet av en prototyp av en 50-qubit kvantprocessor. Han testas. Men 2017 öppnade IBM upp sin 20-qubit-processor för cloud computing. I mars 2018 lanserades en mindre version av IBM Q. Vem som helst kan köra experiment på en sådan dator. Baserat på deras resultat har 35 vetenskapliga artiklar redan publicerats.


I början av 10-årsjubileet dök det svenska företaget D-Wave upp på marknaden som positionerade sina datorer som kvant. Det genererade mycket kontrovers, eftersom det tillkännagav skapandet av 1000-qubit-maskiner, medan de erkända ledarna "pysslade" med bara ett par qubits. Datorer från svenska utvecklare såldes för 10-15 miljoner dollar, så att testa dem var inte så lätt.


D-Wave-datorer är inte kvanta i ordets rätta bemärkelse, men de använder vissa kvanteffekter som kan användas för att lösa vissa optimeringsproblem. Med andra ord, inte alla algoritmer som kan exekveras på en kvantdator tar emot kvantacceleration på D-Wave. Google skaffade ett av svenskarnas system. Som ett resultat erkände dess forskare datorer som "begränsat kvantum". Det visade sig att qubitarna är grupperade i kluster om åtta, det vill säga deras reella antal är märkbart mindre än det deklarerade.

Kvantdator i Ryssland

En traditionellt stark fysikskola tillåter en att göra betydande bidrag till att lösa fysiska problem för att skapa en kvantdator. I januari 2018 skapade ryssarna en signalförstärkare för en kvantdator. Med tanke på att förstärkaren själv kan påverka qubitarnas tillstånd genom sin funktion, bör brusnivån som den genererar skilja sig lite från "vakuum". Detta är vad ryska forskare från "Superconducting Metamaterials"-laboratoriet i NUST MISIS och två institut vid den ryska vetenskapsakademin lyckades göra. Supraledare användes för att skapa förstärkaren.


Ett kvantcenter har också skapats i Ryssland. Det är en icke-statlig forskningsorganisation som är engagerad i forskning inom kvantfysikområdet. Hon arbetar också med problemet med att skapa qubits. Bakom centret står affärsmannen Sergei Belousov och professorn Mikhail Lukin vid Harvard University. Under hans ledning hade en 51-qubit-processor redan skapats vid Harvard, som under en tid innan tillkännagivandet av Bristlecon var den mest kraftfulla kvantdatorenheten i världen.

Utvecklingen av quantum computing har blivit en del av Digital Economy state-programmet. Under 2018-20 kommer statligt stöd att anvisas för arbete inom området. Handlingsplanen tillhandahåller skapandet av en kvantsimulator som använder åtta supraledande kvantbitar. Efter detta kommer frågan om ytterligare skalning av denna teknik att avgöras.

Dessutom, före 2020, planerar Ryssland att testa en annan kvantteknologi: att konstruera qubits på neutrala atomer och laddade joner i fällor.

Ett av målen med programmet är att skapa kvantkryptografi och kvantkommunikationsenheter. Distributionscenter för kvantnycklar kommer att skapas, som kommer att distribuera dem till konsumenter - banker, datacenter och industriföretag. Man tror att en fullfjädrad kvantdator kan bryta vilken modern krypteringsalgoritm som helst på några minuter.

Så småningom

Så kvantdatorer är fortfarande experimentella. Det är osannolikt att en fullfjädrad kvantdator som kan ha riktigt hög datorkraft kommer att dyka upp före nästa decennium. Produktionen av qubits och konstruktionen av stabila system från dem är fortfarande långt ifrån perfekt.

Att döma av det faktum att kvantdatorer på fysisk nivå har flera lösningar som skiljer sig åt i teknik och troligen i kostnad, kommer de inte att förenas förrän om 10 år.Standardiseringsprocessen kan ta lång tid.

Dessutom är det redan klart att kvantdatorer med största sannolikhet kommer att förbli "bitar" och mycket dyra enheter under det kommande decenniet. Det är osannolikt att de hamnar i fickan på en vanlig användare, men du kan förvänta dig att de hamnar på listan över superdatorer.

Det är troligt att kvantdatorer kommer att erbjudas i en "molnmodell", där deras resurser kan användas av intresserade forskare och organisationer.

Världen står på gränsen till ännu en kvantrevolution. Den första kvantdatorn kommer omedelbart att lösa problem som den mest kraftfulla moderna enheten för närvarande tar år att lösa. Vilka är dessa uppgifter? Vem tjänar på och vem hotas av den massiva användningen av kvantalgoritmer? Vad är en superposition av qubits, hur lärde sig människor att hitta den optimala lösningen utan att gå igenom biljoner alternativ? Vi svarar på dessa frågor under rubriken "Helt enkelt om komplexet."

Före kvantteorin användes den klassiska teorin om elektromagnetisk strålning. År 1900 tvingades den tyske vetenskapsmannen Max Planck, som själv inte trodde på kvanta och betraktade dem som en fiktiv och rent teoretisk konstruktion, att erkänna att energin från en uppvärmd kropp avges i portioner - kvanta; Således sammanföll teorins antaganden med experimentella observationer. Och fem år senare tog den store Albert Einstein till samma tillvägagångssätt när han förklarade den fotoelektriska effekten: när den bestrålades med ljus uppstod en elektrisk ström i metaller! Det är osannolikt att Planck och Einstein kunde ha föreställt sig att de med sitt arbete lade grunden till en ny vetenskap - kvantmekaniken, som skulle vara avsedd att förvandla vår värld till oigenkännlighet, och att forskare under 2000-talet skulle komma nära att skapa en kvantdator.

Till en början gjorde kvantmekaniken det möjligt att förklara atomens struktur och hjälpte till att förstå de processer som sker inuti den. I stort sett har alkemisternas långvariga dröm att omvandla atomer av vissa grundämnen till atomer av andra (ja, till och med till guld) gått i uppfyllelse. Och Einsteins berömda formel E=mc2 ledde till uppkomsten av kärnenergi och, som en konsekvens, atombomben.

Fem-qubit kvantprocessor från IBM

Dessutom. Tack vare Einsteins och den engelske fysikerns arbete Paul Dirac skapades en laser under andra hälften av 1900-talet – också en kvantkälla av ultrarent ljus som samlats in i en smal stråle. Laserforskning har gett Nobelpriset till mer än ett dussin forskare, och lasrar själva har funnit sin tillämpning inom nästan alla områden av mänsklig aktivitet - från industriella skärare och laserpistoler till streckkodsläsare och synkorrigering. Ungefär samtidigt pågick aktiv forskning kring halvledare – material med vilka flödet av elektrisk ström enkelt kan kontrolleras. På grundval av dem skapades de första transistorerna - de blev senare huvudbyggnadselementen i modern elektronik, utan vilka vi inte längre kan föreställa oss våra liv.

Utvecklingen av elektroniska datorer – datorer – har gjort det möjligt att snabbt och effektivt lösa många problem. Och den gradvisa minskningen av deras storlek och kostnader (på grund av massproduktion) banade väg för datorer in i varje hem. Med internets intåg har vårt beroende av datorsystem, inklusive för kommunikation, blivit ännu starkare.

Richard Feynman

Beroendet växer, datorkraften växer ständigt, men det är dags att erkänna att, trots deras imponerande kapacitet, har datorer inte kunnat lösa alla problem som vi är redo att ställa inför dem. Den berömde fysikern Richard Feynman var en av de första som talade om detta: redan 1981, vid en konferens, konstaterade han att det var i grunden omöjligt att exakt beräkna ett verkligt fysiskt system på vanliga datorer. Allt handlar om dess kvantnatur! Mikroskaleffekter förklaras lätt av kvantmekaniken och mycket dåligt förklarade av den klassiska mekanik vi är vana vid: den beskriver beteendet hos stora föremål. Det var då som, som ett alternativ, Feynman föreslog att man skulle använda kvantdatorer för att beräkna fysiska system.

Vad är en kvantdator och hur skiljer den sig från de datorer vi är vana vid? Allt handlar om hur vi presenterar information.

Om i konventionella datorer bitar - nollor och ettor - är ansvariga för denna funktion, så ersätts de i kvantdatorer med kvantbitar (förkortas qubits). Qubiten i sig är en ganska enkel sak. Den har fortfarande två grundläggande värden (eller tillstånd, som kvantmekaniken vill säga) som den kan ta på sig: 0 och 1. Men tack vare en egenskap hos kvantobjekt som kallas "superposition" kan en qubit anta alla värden som är en kombination av de grundläggande. Dessutom tillåter dess kvantnatur att den är i alla dessa tillstånd samtidigt.

Detta är parallelliteten mellan kvantberäkning med kvantbitar. Allt händer på en gång - det finns inte längre något behov av att gå igenom alla möjliga alternativ för systemtillstånd, och det är precis vad en vanlig dator gör. Att söka i stora databaser, dra upp en optimal väg, utveckla nya läkemedel är bara några exempel på problem som kan lösas många gånger snabbare med kvantalgoritmer. Det är dessa uppgifter där du kan hitta det korrekta svaret du behöver för att gå igenom ett stort antal alternativ.

Dessutom, för att beskriva systemets exakta tillstånd, behövs inte längre enorm datorkraft och mängder RAM, eftersom för att beräkna ett system med 100 partiklar räcker det med 100 qubits och inte biljoner biljoner bitar. Dessutom, när antalet partiklar ökar (som i verkliga komplexa system), blir denna skillnad ännu mer signifikant.

Ett av uppräkningsproblemen stod ut för sin uppenbara värdelöshet - att sönderdela stora tal i primtalsfaktorer (det vill säga delbart med endast dem själva och en). Detta kallas "faktorisering". Faktum är att vanliga datorer kan multiplicera tal ganska snabbt, även mycket stora. Konventionella datorer klarar dock mycket dåligt det omvända problemet med att sönderdela ett stort tal som är resultatet av att multiplicera två primtal till sina ursprungliga faktorer. Till exempel, för att dela in ett antal på 256 siffror i två faktorer, kommer även den mest kraftfulla datorn att behöva mer än ett dussin år. Men en kvantalgoritm som kan lösa detta problem på några minuter uppfanns 1997 av den engelske matematikern Peter Shor.

Med tillkomsten av Shors algoritm stod det vetenskapliga samfundet inför ett allvarligt problem. Tillbaka i slutet av 1970-talet, baserat på komplexiteten i faktoriseringsproblemet, skapade kryptografiska forskare en datakrypteringsalgoritm som har blivit utbredd. I synnerhet med hjälp av denna algoritm började de skydda data på Internet - lösenord, personlig korrespondens, bank och finansiella transaktioner. Och efter många års framgångsrik användning visade det sig plötsligt att information krypterad på detta sätt blir ett enkelt mål för Shors algoritm som körs på en kvantdator. Dekryptering med dess hjälp blir en fråga om minuter. En sak var bra: en kvantdator på vilken den dödliga algoritmen kunde köras hade ännu inte skapats.

Under tiden, runt om i världen, började dussintals vetenskapliga grupper och laboratorier att engagera sig i experimentella studier av qubits och möjligheterna att skapa en kvantdator från dem. När allt kommer omkring är det en sak att teoretiskt uppfinna en qubit, och en helt annan att förverkliga den. För att göra detta var det nödvändigt att hitta ett lämpligt fysiskt system med två kvantnivåer som kan användas som bastillstånd för qubiten - noll och ett. Feynman själv föreslog i sin banbrytande artikel att använda fotoner vridna i olika riktningar för dessa ändamål, men de första experimentellt skapade qubits var joner som fångades i speciella fällor 1995. Joner följdes av många andra fysiska implementeringar: atomkärnor, elektroner, fotoner, defekter i kristaller, supraledande kretsar - de uppfyllde alla kraven.

Denna mångfald hade sina förtjänster. Driven av intensiv konkurrens skapade olika vetenskapliga grupper allt mer avancerade qubits och byggde allt mer komplexa kretsar av dem. Det fanns två huvudsakliga konkurrensparametrar för qubits: deras livslängd och antalet qubits som kunde fås att fungera tillsammans.

Anställda vid Laboratoriet för artificiella kvantsystem

Livslängden för qubitarna bestämde hur länge det bräckliga kvanttillståndet lagrades i dem. Detta i sin tur bestämde hur många beräkningsoperationer som kunde utföras på qubiten innan den "dö".

För effektiv drift av kvantalgoritmer behövdes inte en qubit, utan minst hundra, och arbeta tillsammans. Problemet var att qubitarna inte riktigt gillade att vara bredvid varandra och protesterade genom att dramatiskt minska deras livstid. För att komma runt denna oförenlighet med qubits, var forskare tvungna att ta till alla möjliga knep. Och ändå, hittills, har forskare lyckats få maximalt ett eller två dussin qubits att fungera tillsammans.

Så, till kryptografers glädje, är en kvantdator fortfarande en del av framtiden. Även om det inte alls är så långt borta som det en gång kunde ha verkat, eftersom både de största företagen som Intel, IBM och Google, såväl som enskilda stater, för vilka skapandet av en kvantdator är en fråga av strategisk betydelse, är aktivt delaktig i dess tillkomst.

Missa inte föreläsningen:

Under de senaste decennierna har datorer utvecklats mycket snabbt. Faktum är att inom en generations minne har de gått från skrymmande lampbaserade som upptar enorma rum till miniatyrplattor. Minnet och hastigheten ökade snabbt. Men ögonblicket kom då uppgifter dök upp som var bortom kontroll av till och med superkraftiga moderna datorer.

Vad är en kvantdator?

Framväxten av nya uppgifter utöver kapaciteten hos konventionella datorer tvingade oss att leta efter nya möjligheter. Och som ett alternativ till konventionella datorer dök det upp kvantdatorer. En kvantdator är en datorteknik baserad på element från kvantmekaniken. De grundläggande principerna för kvantmekaniken formulerades i början av förra seklet. Dess utseende gjorde det möjligt att lösa många problem inom fysiken som inte kunde hitta lösningar i klassisk fysik.

Även om kvantteorin redan är inne på sitt andra århundrade, är den fortfarande förståelig endast för en snäv krets av specialister. Men det finns också verkliga resultat av kvantmekaniken, som vi redan är vana vid - laserteknik, tomografi. Och i slutet av förra seklet utvecklades teorin om kvantberäkning av den sovjetiske fysikern Yu. Manin. Fem år senare avslöjade David Deutsch idén om en kvantmaskin.

Finns det en kvantdator?

Men genomförandet av idéer visade sig inte vara så enkelt. Då och då dyker det upp rapporter om att ytterligare en kvantdator har skapats. Jättar inom informationsteknologin arbetar med utvecklingen av sådan datorteknik:

  1. D-Wave är ett företag från Kanada som var först med att producera operativa kvantdatorer. Ändå finns det debatt bland experter om hur kvantum dessa datorer verkligen är och vilka fördelar de ger.
  2. IBM skapade en kvantdator och öppnade åtkomst till den för Internetanvändare att experimentera med kvantalgoritmer. Till 2025 planerar företaget att skapa en modell som kan lösa praktiska problem.
  3. Google har tillkännagivit lanseringen i år av en dator som kan bevisa kvantums överlägsenhet över konventionella datorer.
  4. I maj 2017 tillkännagav kinesiska forskare i Shanghai att de hade skapat den mest kraftfulla kvantdatorn i världen och överträffade analoger i signalbehandlingsfrekvens med 24 gånger.
  5. I juli 2017, vid Moskvakonferensen om Quantum Technologies, tillkännagavs att en 51-qubit kvantdator hade skapats.

Hur skiljer sig en kvantdator från en konventionell?

Den grundläggande skillnaden mellan en kvantdator är dess inställning till beräkningsprocessen.

  1. I en konventionell processor baseras alla beräkningar på bitar som har två tillstånd, 1 eller 0. Det vill säga, allt arbete handlar om att analysera en enorm mängd data för att avgöra om den uppfyller de angivna villkoren. En kvantdator är baserad på qubits (kvantbitar). Deras funktion är möjligheten att vara i tillståndet 1, 0 och även 1 och 0 samtidigt.
  2. Möjligheterna hos en kvantdator ökar avsevärt, eftersom det inte finns något behov av att söka efter det önskade svaret bland många. I det här fallet väljs svaret från redan tillgängliga alternativ med en viss sannolikhet för matchning.

Vad används en kvantdator till?

Principen för en kvantdator, byggd på att välja en lösning med en tillräcklig grad av sannolikhet och förmågan att hitta en sådan lösning många gånger snabbare än moderna datorer, avgör syftet med dess användning. Först och främst oroar uppkomsten av denna typ av datorteknik kryptografer. Detta beror på kvantdatorns förmåga att enkelt beräkna lösenord. Således kan den mest kraftfulla kvantdatorn som skapats av rysk-amerikanska forskare erhålla nycklar till befintliga krypteringssystem.

Det finns också mer användbara tillämpade problem för kvantdatorer, de är relaterade till beteendet hos elementarpartiklar, genetik, sjukvård, finansmarknader, skydd av nätverk från virus, artificiell intelligens och många andra som konventionella datorer ännu inte kan lösa.

Hur fungerar en kvantdator?

Konstruktionen av en kvantdator är baserad på användningen av qubits. Följande används för närvarande som fysiska exekveringar av qubits:

  • ringar gjorda av supraledare med byglar, med flerriktad ström;
  • individuella atomer exponerade för laserstrålar;
  • joner;
  • fotoner;
  • Alternativ för att använda halvledarnanokristaller håller på att utvecklas.

Kvantdator - funktionsprincip

Om det finns säkerhet i hur en klassisk dator fungerar, så är frågan om hur en kvantdator fungerar inte lätt att svara på. Beskrivningen av hur en kvantdator fungerar är baserad på två fraser som är oklara för de flesta:

  • superpositionsprincipen– vi pratar om qubits som kan vara samtidigt i position 1 och 0. Detta gör att du kan utföra flera beräkningar samtidigt, snarare än att sortera genom alternativ, vilket ger en stor vinst i tid;
  • kvantsammanflätning- ett fenomen noterat av A. Einstein, som består i inbördes förhållandet mellan två partiklar. Med enkla ord, om en av partiklarna har positiv helicitet, tar den andra omedelbart positiv helicitet. Detta förhållande uppstår oavsett avstånd.

Vem uppfann kvantdatorn?

Grunden för kvantmekaniken skisserades i början av förra seklet som en hypotes. Dess utveckling är förknippad med så lysande fysiker som Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. 1980 föreslog Yu Antonov idén om möjligheten till kvantberäkning. Ett år senare modellerade Richard Feineman teoretiskt den första kvantdatorn.

Nu är skapandet av kvantdatorer i utvecklingsstadiet och det är till och med svårt att föreställa sig vad en kvantdator är kapabel till. Men det är helt klart att att bemästra denna riktning kommer att ge människor många nya upptäckter inom alla vetenskapsområden, kommer att tillåta dem att titta in i mikro- och makrovärlden och lära sig mer om sinnets natur och genetik.

Förra veckan kom nyheten att Google hade gjort ett genombrott i utvecklingen av en kvantdator -
företaget förstod hur en sådan dator skulle klara sig
med dina egna misstag. Det har pratats om kvantdatorer i flera år: det stod till exempel på omslaget till tidningen Time. Om sådana datorer dyker upp blir det ett genombrott som liknar utseendet på klassiska datorer – eller till och med allvarligare. Look At Me förklarar varför kvantdatorer är fantastiska och exakt vad Google har gjort.

Vad är en kvantdator?


En kvantdator är en mekanism i skärningspunkten mellan datavetenskap och kvantfysik, den mest komplexa grenen av teoretisk fysik. Richard Feynman, en av 1900-talets största fysiker, sa en gång: "Om du tror att du förstår kvantfysik, så förstår du det inte." Observera därför att följande förklaringar är otroligt förenklade. Människor tillbringar många år med att försöka förstå kvantfysik.

Kvantfysik handlar om elementarpartiklar som är mindre än en atom. Hur dessa partiklar är uppbyggda och hur de beter sig motsäger många av våra idéer om universum. En kvantpartikel kan finnas på flera ställen samtidigt – och i flera tillstånd samtidigt. Föreställ dig att du kastade ett mynt: medan det är i luften kan du inte säga om det kommer upp i huvudet eller svansen; Detta mynt är som huvud och svans på samma gång. Ungefär så beter sig kvantpartiklar. Detta kallas superpositionsprincipen.

En kvantdator är fortfarande en hypotetisk anordning som kommer att använda principen om superposition (och andra kvantegenskaper)
för beräkningar. En vanlig dator arbetar med transistorer,
som uppfattar all information som nollor och ettor. Binär kod kan beskriva hela världen - och lösa eventuella problem inom den. Kvantanalogen av en klassisk bit kallas en aln. (qubit, qu - från ordet kvant, kvant). Med hjälp av superpositionsprincipen kan en aln samtidigt vara
i tillstånd 0 och 1 - och detta kommer inte bara att öka effekten avsevärt jämfört med traditionella datorer, utan kommer också att tillåta dig att lösa oväntade problem,
som konventionella datorer inte klarar av.

Superpositionsprincipen är det enda
Vad kommer kvantdatorer att baseras på?


Nej. På grund av det faktum att kvantdatorer endast existerar i teorin, spekulerar forskare fortfarande bara om hur exakt de kommer att fungera. Till exempel tror man att kvantdatorer också kommer att använda kvantentanglement.
Detta är ett fenomen som Albert Einstein kallade "det kusliga" ( han var generellt emot kvantteorin, eftersom den inte stämmer överens med hans relativitetsteori). Innebörden av fenomenet är att två partiklar i universum kan kopplas samman, och vice versa: säg, om heliciteten
(det finns en sådan egenskap hos elementarpartiklarnas tillstånd, vi kommer inte att gå in på detaljer) den första partikeln är positiv, då kommer den andras helicitet alltid att vara negativ, och vice versa. Detta fenomen kallas "läskigt" av två skäl. För det första fungerar denna anslutning omedelbart, snabbare än ljusets hastighet. För det andra kan intrasslade partiklar placeras på valfritt avstånd från varandra.
från varandra: till exempel i olika ändar av Vintergatan.

Hur kan en kvantdator användas?


Forskare letar efter applikationer för kvantdatorer och funderar samtidigt på hur man bygger dem. Huvudsaken är att en kvantdator mycket snabbt kommer att kunna optimera information och i allmänhet arbeta med stora data som vi samlar på oss, men som ännu inte förstår hur vi ska använda.

Låt oss föreställa oss detta alternativ (mycket förenklat förstås): Du är på väg att skjuta en pilbåge mot ett mål och du måste beräkna hur högt du ska sikta för att träffa. Låt oss säga att du behöver beräkna höjden från 0 till 100 cm. En konventionell dator kommer att beräkna varje bana i tur och ordning: först 0 cm, sedan 1 cm, sedan 2 cm och så vidare. Kvantdatorn kommer att beräkna alla alternativ samtidigt - och omedelbart producera den som gör att du kan träffa målet. På så sätt kan du optimera många processer:
från medicin (säg att diagnostisera cancer tidigare) före flyget (till exempel göra mer komplexa autopiloter).

Det finns också en version som en sådan dator kommer att kunna lösa problem som en vanlig dator helt enkelt inte klarar av – eller som skulle ta tusentals år av beräkningar. En kvantdator kommer att kunna arbeta med de mest komplexa simuleringarna: beräkna till exempel om det finns andra intelligenta varelser i universum än människor. Det är möjligt att skapandet av kvantdatorer kommer att leda
till framväxten av artificiell intelligens. Föreställ dig vad tillkomsten av konventionella datorer gjorde med vår värld - kvantdatorer kan vara ungefär samma genombrott.

Vem utvecklar kvantdatorer?


Allt. Regeringar, militärer, teknikföretag. Att skapa en kvantdator kommer att vara fördelaktigt för nästan alla. Till exempel, bland de dokument som släppts av Edward Snowden, fanns det information om att NSA har ett projekt som heter "Infiltration of Complex Targets", vilket inkluderar skapandet av en kvantdator för att kryptera information. Microsoft är seriöst involverat i kvantdatorer - de började sin första forskning inom detta område redan 2007. IBM utvecklar och meddelade för flera år sedan att de skapat ett chip med tre qubits. Äntligen samarbetar Google och NASA
med företaget D-Wave, som säger att det redan producerar
"den första kommersiella kvantprocessorn" (eller snarare den andra, nu heter deras modell D-Wave Two), men det fungerar inte som en kvant än -
Låt oss påminna dig om att de inte finns.

Hur nära är vi att skapa
kvantdator?


Ingen kan säga säkert. Nyheter om teknikgenombrott (som de senaste nyheterna om Google) dyker upp hela tiden, men vi kan vara väldigt långt borta
från en fullfjädrad kvantdator, och mycket nära den. Låt oss säga att det finns studier som visar att det räcker med att skapa en dator
med flera hundra alnar så att den fungerar som en fullfjädrad kvantdator. D-Wave påstår sig ha skapat en 84-qubit-processor -
men kritiker som har analyserat sin processor säger att den fungerar,
som en klassisk dator, inte som en kvantdator. Google samarbetar
med D-Wave tror de att deras processor helt enkelt är i de mycket tidiga utvecklingsstadierna och så småningom kommer att fungera som en kvant. Hur som helst, nu
Kvantdatorer har ett huvudproblem - fel. Vilken dator som helst gör misstag, men klassiska kan lätt klara av dem - men det gör inte kvantdatorer än. När forskarna väl tar reda på buggarna kommer tillkomsten av en kvantdator att vara bara några år bort.

Vad gör det svårt att rätta till fel?
i kvantdatorer?


För att förenkla kan fel i kvantdatorer delas in i två nivåer. Det första är de misstag som alla datorer gör, inklusive klassiska. Ett fel kan uppstå i datorns minne när 0 ofrivilligt ändras till 1 på grund av externt brus – till exempel kosmisk strålning eller strålning. Dessa fel är lätta att lösa, all data kontrolleras för sådana ändringar. Och Google tog nyligen upp detta problem i kvantdatorer: de stabiliserade en kedja av nio qubits
och räddade henne från misstag. Det finns dock en varning för detta genombrott: Google har hanterat klassiska fel i klassisk datoranvändning. Det finns en andra felnivå i kvantdatorer, och den är mycket svårare att förstå och förklara.

Alnar är extremt instabila, de är föremål för kvantdekoherens - detta är en störning av kommunikationen inom ett kvantsystem under påverkan av miljön. Kvantprocessorn måste isoleras så mycket som möjligt från miljöpåverkan (även om dekoherens ibland uppstår som ett resultat av interna processer) för att hålla felen till ett minimum. Samtidigt kan kvantfel inte helt elimineras, men om de görs tillräckligt sällsynta kan en kvantdator fungera. Samtidigt tror vissa forskare att 99% av kraften hos en sådan dator kommer att styras
för att eliminera fel, men de återstående 1% räcker för att lösa eventuella problem.
Enligt fysikern Scott Aaronson kan Googles prestation betraktas som den tredje
med hälften av de sju steg som behövs för att skapa en kvantdator – vi är med andra ord halvvägs.

 

Det kan vara bra att läsa: