Inimkond, nagu 60 aastat tagasi, on arvutitehnoloogia vallas taas suure läbimurde äärel. Üsna varsti asendatakse tänapäevased arvutusmasinad kvantarvutitega.

Kui kaugele areng on jõudnud?

Veel 1965. aastal ütles Gordon Moore, et aastaga kahekordistub räni mikrokiibile mahtuvate transistoride arv. See progressi kiirus on viimasel ajal aeglustunud ja kahekordistumine toimub harvemini – kord kahe aasta jooksul. Isegi selline tempo võimaldab transistoridel lähitulevikus saavutada aatomi suuruse. Järgmine on joon, mida ei saa ületada. Transistori füüsikalise ehituse seisukohalt ei saa see kuidagi olla väiksem kui aatomikogused. Kiibi suuruse suurendamine ei lahenda probleemi. Transistoride töö on seotud soojusenergia vabanemisega ja protsessorid vajavad kvaliteetset jahutussüsteemi. Mitmetuumaline arhitektuur ei lahenda ka edasise kasvu küsimust. Kaasaegse protsessoritehnoloogia arendamise haripunkti jõudmine toimub peagi.
Arendajad said sellest probleemist aru ajal, mil kasutajad alles hakkasid personaalarvuteid kasutama. 1980. aastal sõnastas kvantarvutuse idee üks kvantinfoteaduse asutajatest, Nõukogude professor Juri Manin. Aasta hiljem pakkus Richard Feyman välja esimese kvantprotsessoriga arvutimudeli. Teoreetilise aluse selle kohta, millised kvantarvutid peaksid välja nägema, sõnastas Paul Benioff.

Kuidas kvantarvuti töötab

Et mõista, kuidas uus protsessor töötab, peavad olema vähemalt pealiskaudsed teadmised kvantmehaanika põhimõtetest. Siin pole mõtet anda matemaatilisi skeeme ja valemeid. Piisab, kui tavaline inimene tutvub kvantmehaanika kolme eripäraga:

• Osakese olek või asukoht määratakse ainult teatud tõenäosusega.
• Kui osakesel võib olla mitu olekut, siis on ta korraga kõigis võimalikes olekutes. See on superpositsiooni põhimõte.
• Osakese oleku mõõtmise protsess viib superpositsiooni kadumiseni. Iseloomulik on see, et mõõtmisel saadud teadmine osakese oleku kohta erineb osakese tegelikust olekust enne mõõtmisi.

Terve mõistuse seisukohalt – täielik jama. Meie tavamaailmas saab neid põhimõtteid kujutada järgmiselt: ruumi uks on suletud ja samal ajal avatud. Suletud ja avatud korraga.

See on arvutuste silmatorkav erinevus. Tavaline protsessor töötab kahendkoodis. Arvutibitid saavad olla ainult ühes olekus – nende loogiline väärtus on 0 või 1. Kvantarvutid töötavad kubitidega, mille loogiline väärtus võib olla korraga 0, 1, 0 ja 1. Teatud probleemide lahendamisel on neil mitme miljoni dollari suurune eelis traditsiooniliste arvutusmasinate ees. Tänaseks on tööalgoritmide kirjeldusi juba kümneid. Programmeerijad loovad spetsiaalse programmikoodi, mis võib töötada uute arvutuspõhimõtete järgi.

Kus uut arvutit kasutama hakatakse?

Uus lähenemine arvutusprotsessile võimaldab töötada tohutute andmemahtudega ja teha koheseid arvutusoperatsioone. Esimeste arvutite tulekuga suhtusid mõned inimesed, sealhulgas riigiametnikud, nende kasutamisesse rahvamajanduses väga skeptiliselt. Praegugi on inimesi, kes kahtlevad põhimõtteliselt uue põlvkonna arvutite tähtsuses. Tehnikaajakirjad keeldusid väga pikka aega avaldamast artikleid kvantarvutite kohta, pidades seda valdkonda tavaliseks petturlikuks võtteks investorite petmiseks.

Uus arvutusmeetod loob eeldused suurejoonelisteks teaduslikeks avastusteks kõigis tööstusharudes. Meditsiin lahendab palju probleemseid küsimusi, millest viimasel ajal on kogunenud üsna palju. Vähki saab võimalikuks diagnoosida haiguse varasemas staadiumis kui praegu. Keemiatööstus suudab sünteesida ainulaadsete omadustega tooteid.

Läbimurre astronautikas ei lase end kaua oodata. Lennud teistele planeetidele muutuvad sama igapäevaseks kui igapäevased reisid mööda linna. Kvantarvutitele omane potentsiaal muudab meie planeedi kindlasti tundmatuseni.

Teine kvantarvutite eripära on kvantarvutite võime kiiresti leida soovitud kood või šifr. Tavaline arvuti sooritab matemaatilist optimeerimislahendust järjestikku, proovides üht varianti teise järel. Kvantkonkurent töötab korraga kogu andmemassiiviga, valides välkkiirelt sobivaimad valikud enneolematult lühikese aja jooksul. Pangatehingud dekrüpteeritakse silmapilguga, mis pole tänapäeva arvutitele ligipääsmatu.

Pangandussektor ei pea aga muretsema – selle saladuse päästab kvantkrüptimise meetod koos mõõtmisparadoksiga. Kui proovite koodi avada, on edastatud signaal moonutatud. Saadud teabel pole mõtet. Salateenistused, kelle jaoks spionaaž on levinud praktika, tunnevad huvi kvantarvutite võimaluste vastu.

Disaini raskused

Raskus seisneb tingimuste loomises, mille korral kvantbitt võib jääda määramata ajaks superpositsiooni olekusse.

Iga kubit on mikroprotsessor, mis töötab ülijuhtivuse põhimõtete ja kvantmehaanika seaduste alusel.

Loogikamasina mikroskoopiliste elementide ümber luuakse mitmeid ainulaadseid keskkonnatingimusi:

• temperatuur 0,02 kraadi Kelvinit (-269,98 Celsiuse järgi);
• kaitsesüsteem magnet- ja elektrikiirguse eest (vähendab nende tegurite mõju 50 tuhat korda);
• soojuse eemaldamise ja vibratsiooni summutamise süsteem;
• õhu hõrenemine on 100 miljardit korda madalam kui atmosfäärirõhk.

Väike kõrvalekalle keskkonnas põhjustab kubiidide kohese superpositsiooni oleku kaotamise, mille tulemuseks on talitlushäired.

Ülejäänud planeedi ees

Kõike eelnevat võiks kirjutada ulmelugude kirjutaja palavikulise meele loovuse arvele, kui Google poleks koos NASAga eelmisel aastal ostnud Kanada teaduskorporatsioonilt D-Wave’i kvantarvutit, mille protsessor sisaldab 512 kubitit.

Tema abiga lahendab arvutitehnoloogia turu liider masinõppe probleeme suurte andmemahtude sorteerimisel ja analüüsimisel.

USA-st lahkunud Snowden tegi ka olulise paljastava avalduse – NSA plaanib samuti välja töötada oma kvantarvuti.

2014 - D-Wave süsteemide ajastu algus

Edukas Kanada sportlane Geordie Rose hakkas pärast Google'i ja NASA-ga sõlmitud tehingut ehitama 1000-kubitist protsessorit. Tulevane mudel ületab esimese kommertsprototüübi kiiruse ja arvutuste mahu poolest vähemalt 300 tuhat korda. Alloleval pildil olev kvantarvuti on põhimõtteliselt uue arvutustehnoloogia esimene kommertsversioon maailmas.

Teda ajendas teaduse arendamisega tegelema tema tutvus ülikoolis Colin Williamsi kvantarvutite töödega. Peab ütlema, et Williams töötab täna Rose’s korporatsioonis äriprojektijuhina.

Läbimurre või teaduslik pettus

Rose ise ei tea täielikult, mis on kvantarvutid. Kümne aastaga on tema meeskond jõudnud 2-kubitise protsessori loomisest tänapäeva esimese kaubandusliku vaimusünnituseni.

Oma uurimistöö algusest peale püüdis Rose luua protsessori, mille minimaalne kubitide arv on 1000. Ja kindlasti pidi tal olema kommertsvariant – selleks, et müüa ja raha teenida.

Paljud, teades Rose'i kinnisideed ja ärilist taiplikkust, üritavad teda süüdistada võltsimises. Väidetavalt antakse kõige tavalisem protsessor kvantiks. Seda soodustab ka asjaolu, et uuel tehnoloogial on teatud tüüpi arvutuste tegemisel fenomenaalne jõudlus. Muidu käitub nagu täiesti tavaline arvuti, ainult et väga kallis.

Millal need ilmuvad

Pole kaua oodata. Prototüübi ühisostjate organiseeritud uurimisrühm annab lähiajal D-Wave’i uurimistöö tulemustest aru.
Võib-olla on peagi käes aeg, mil kvantarvutid muudavad meie arusaama ümbritsevast maailmast. Ja kogu inimkond jõuab sel hetkel oma evolutsiooni kõrgemale tasemele.

Kvantarvuti pole lihtsalt tulevase põlvkonna arvuti, see on palju enamat. Mitte ainult uusimate tehnoloogiate kasutamise seisukohast, vaid ka selle piiramatute, uskumatute, fantastiliste võimaluste seisukohast, mis on võimelised mitte ainult muutma inimeste maailma, vaid isegi... looma teistsuguse reaalsuse. .

Teatavasti kasutavad kaasaegsed arvutid mälu, mis on esitatud kahendkoodina: 0 ja 1. Täpselt nagu morse koodis – punkt ja pealkiri. Kahe tähemärgi abil saate mis tahes teabe krüpteerida, muutes nende kombinatsioone.

Kaasaegse arvuti mälus on neid bitte miljardeid. Kuid igaüks neist võib olla ühes kahest olekust - kas null või üks. Nagu lambipirn: kas sisse või välja.

Kvantbitt (qubit) on tuleviku arvuti teabe salvestamise väikseim element. Infoühik kvantarvutis ei saa nüüd olla mitte ainult null või üks, vaid mõlemad korraga.

Üks rakk sooritab kahte toimingut, kaks - neli, neli - kuusteist jne. Seetõttu võivad kvantsüsteemid töötada kaks korda kiiremini ja suurema teabehulgaga kui tänapäevased.

Esimest korda mõõtsid Venemaa kvantkeskuse (RCC) ja ülijuhtivate metamaterjalide labori teadlased kubiti (Q-bit).

Tehnilisest vaatenurgast on kubit mitme mikromeetrise läbimõõduga metallrõngas koos lõigetega, mis on ladestunud pooljuhile. Rõngas jahutatakse ülimadala temperatuurini, nii et sellest saab ülijuht. Oletame, et rõngast läbiv vool liigub päripäeva - see on 1. Vastu - 0. See tähendab, et kaks tavalist olekut.

Mikrolainekiirgus lasti läbi rõnga. Selle kiirguse väljumisel rõngast mõõdeti voolu faasinihet. Selgus, et kogu see süsteem võib asuda nii kahes peamises kui ka segaolek: mõlemad korraga!!! Teaduses nimetatakse seda superpositsiooni põhimõtteks.

Vene teadlaste eksperiment (teiste riikide teadlased viisid läbi sarnaseid) tõestas, et kubiidil on õigus elule. Kubiidi loomine viis selle ideeni ja tõi teadlased lähemale unistusele luua optiline kvantarvuti. Jääb vaid see kujundada ja luua. Kuid kõik pole nii lihtne...

Kvantarvuti loomise raskused ja probleemid

Kui näiteks moodne arvuti peab välja arvutama miljard võimalust, siis ta peab “kerima” miljard sarnast tsüklit. Kvantarvutiga on põhimõtteline erinevus: see suudab kõik need valikud korraga välja arvutada.
Üks peamisi põhimõtteid, mille alusel kvantarvuti töötab, on superpositsiooni põhimõte ja seda ei saa nimetada muuks kui maagiliseks!
See tähendab, et sama inimene võib olla korraga erinevates kohtades. Füüsikud naljatavad: "Kui kvantteooria teid ei šokeeri, siis te ei saa sellest aru."

Tänapäeval loodavate kvantarvutite välimus erineb silmatorkavalt klassikalistest. Nad näevad välja nagu kuupaiste ikka:

Selline vask- ja kuldosadest, jahutuspoolidest ja muudest iseloomulikest osadest koosnev disain selle loojatele loomulikult ei sobi. Teadlaste üks peamisi ülesandeid on muuta see kompaktseks ja odavaks. Et see juhtuks, tuleb lahendada mitmeid probleeme.

Probleem üks – superpositsioonide ebastabiilsus

Kõik need kvantsuperpositsioonid on väga “õrnad”. Niipea, kui hakkate neid vaatama, niipea, kui nad hakkavad teiste objektidega suhtlema, hävitatakse need kohe. Need muutuvad justkui klassikaks. See on üks olulisemaid probleeme kvantarvuti loomisel.

Teine probleem: vaja on tugevat jahutust

Teine takistus on saavutada kvantarvuti stabiilne töö. praegusel kujul nõuab see tugevat jahutamist. Tugev, see on seadmete loomine, milles temperatuur hoitakse absoluutse nulli lähedal - miinus 273 kraadi Celsiuse järgi! Seetõttu näevad selliste arvutite prototüübid koos nende krüogeen-vaakumseadmetega praegu väga tülikad:

Teadlased on aga kindlad, et peagi saavad kõik tehnilised probleemid lahendatud ja ühel päeval asendavad kaasaegsed tohutu arvutusvõimsusega kvantarvutid.

Mõned tehnilised lahendused probleemide lahendamiseks

Praeguseks on teadlased ülaltoodud probleemide lahendamiseks leidnud mitmeid olulisi lahendusi. Need tehnoloogilised avastused, mis on teadlaste keeruka ja mõnikord pika intensiivse töö tulemus, väärivad igakülgset austust.

Parim viis kubiti jõudluse parandamiseks... teemandid

Kõik on väga sarnane kuulsale laulule tüdrukutest ja teemantidest. Peamine, millega teadlased praegu tegelevad, on tõsta eluaeg qubit, samuti kvantarvuti "töötama panema". normaalsetel temperatuuridel. Jah, kvantarvutite vaheline suhtlus nõuab teemante! Kõige selle jaoks oli vaja luua ja kasutada ülikõrge läbipaistvusega kunstlikke teemante. Nende abiga suutsid nad pikendada kubiidi eluiga kahe sekundini. Need tagasihoidlikud saavutused: kaks sekundit kubiti eluiga ja arvuti töötamine toatemperatuuril on tegelikult revolutsioon teaduses.

Prantsuse teadlase Serge Haroche'i eksperimendi olemus põhineb asjaolul, et ta suutis kogu maailmale näidata, et kahe spetsiaalselt tema loodud peegli vahel läbiv valgus (footonite kvantvoog) ei kaota oma kvantolekut.

Sundides valgust nende peeglite vahel liikuma 40 000 km kaugusele, tegi ta kindlaks, et kõik juhtus kvantseisundit kaotamata. Valgus koosneb footonitest ja siiani pole keegi suutnud aru saada, kas nad teatud vahemaa läbides oma kvantoleku kaotavad. Nobeli preemia laureaat Serge Haroche: " Üks footon on korraga mitmes kohas, õnnestus see salvestada. Tegelikult see on superpositsiooni põhimõte. "Meie suures maailmas on see võimatu. Kuid mikromaailmas kehtivad erinevad seadused,” ütleb Arosh.

Õõnsuse sees olid klassikalised aatomid, mida saab mõõta. Aatomite käitumise põhjal on füüsik õppinud tuvastama ja mõõtma tabamatuid kvantosakesi. Enne Haroshi katseid usuti, et kvantide vaatlemine on võimatu. Pärast katset hakati rääkima footonite vallutamisest ehk lähenevast kvantarvutite ajastust.

Miks paljud ootavad täisväärtusliku kvantgeneraatori loomist, teised aga kardavad seda

Kvantarvuti annab inimkonnale tohutult võimalusi

Kvantarvuti avab inimkonnale lõputud võimalused. Näiteks aitab see luua tehisintellekti, mille üle ulmekirjanikud on nii kaua raisanud. Või simuleerida universumit. Täielikult. Kõige konservatiivsemate prognooside kohaselt võimaldab see vaadata üle võimaliku piiri. Kujutagem ette maailma, kus saate simuleerida absoluutselt kõike, mida soovite: kujundage molekul, ülitugev metall, lagundage kiiresti plasti, leidke ravimeid ravimatute haiguste vastu. Masin simuleerib kogu meie maailma kuni viimase aatomini. Saate isegi simuleerida teist maailma, isegi virtuaalset.

Kvantarvutist võib saada Apokalüpsise relv

Paljud inimesed, olles süvenenud kvanttehnoloogia olemusse, kardavad seda erinevatel põhjustel. Juba praegu hirmutavad arvutistamine ja kõik arvutiga seotud tehnoloogiad tavainimesi. Piisab, kui meenutada skandaale selle kohta, kuidas eriteenistused, kasutades arvutitesse ja isegi kodumasinatesse sisseehitatud programme, korraldavad oma tarbijate jälgimist ja andmete kogumist. Näiteks on paljud riigid keelanud tuntud prillid – need on ju ideaalne vahend varjatud filmimiseks ja jälgimiseks. Juba praegu on kindlasti iga riigi elanik ja veelgi enam Interneti-kasutaja sisestatud mõnda andmebaasi. Pealegi ja üsna realistlikult saavad teatud teenused välja arvutada kõik tema tegevused Internetis.

Kuid kvantarvutite jaoks pole saladusi! Mitte ükski. Kogu arvuti turvalisus põhineb väga pikkadel paroolinumbritel. Tavalisel arvutil kuluks koodi võtme kättesaamiseks miljon aastat. Kuid kvanti abil saab igaüks seda koheselt teha. Selgub, et maailm muutub täiesti ebaturvaliseks: kaasaegses maailmas juhivad ju kõike arvutid: pangaülekandeid, lennukilende, börse, tuumaraketirelvi! Nii selgub: kellele kuulub teave, sellele kuulub maailm. Kes on esimene, see on Jumal. Kvantarvuti muutub tugevamaks kui ükski relvasüsteem. Maal võib alata (või on juba alanud) uus võidurelvastumine, nüüd aga mitte tuuma, vaid arvuti.

Aidaku jumal meil sellest turvaliselt välja tulla...

Olete kõik meie arvutitega harjunud: hommikul loeme uudiseid nutitelefonist, pärastlõunal töötame sülearvutiga ja õhtul vaatame tahvelarvutist filme. Kõigil neil seadmetel on üks ühine joon – miljarditest transistoridest koosnev räniprotsessor. Selliste transistoride tööpõhimõte on üsna lihtne - olenevalt etteantavast pingest saame väljundis erineva pinge, mida tõlgendatakse kas loogilise 0 või loogilise 1-na. Jagamisoperatsioonide läbiviimiseks toimub biti nihe - kui me oleksime näiteks number 1101, siis pärast selle 1 biti võrra vasakule nihutamist on see 01101 ja kui nüüd nihutame seda 1 biti võrra paremale, on see 01110. Ja põhiprobleem seisneb selles, et tõsiasi, et sama divisjoni jaoks võib vaja minna mitukümmend sellist operatsiooni. Jah, arvestades tõsiasja, et transistore on miljardeid, võtab selline toiming nanosekundeid, kuid kui toiminguid on palju, kaotame nende arvutustega aega.

Kuidas kvantarvutid töötavad

Kvantarvuti pakub täiesti teistsugust arvutusviisi. Alustame määratlusega:

Kvantarvuti -arvutusseade, mis kasutab nähtusikvantsuperpositsioonJakvantpõimumineandmete edastamiseks ja töötlemiseks.

Ilmselgelt pole see selgemaks muutunud. Kvantsuperpositsioon ütleb meile, et süsteem eksisteerib teatud tõenäosusega kõigis selle jaoks võimalikes olekutes (kõikide tõenäosuste summa on loomulikult võrdne 100% või 1-ga). Vaatame seda näitega. Infot kvantarvutites salvestatakse kubittides – kui tavaliste bittide olek võib olla 0 või 1, siis kubiti olek võib olla korraga 0, 1 ning 0 ja 1. Seega, kui meil on 3 kubitti, näiteks 110, siis on see avaldis bittides samaväärne 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Mida see meile annab? Jah kõik! Näiteks on meil 4-kohaline digitaalne parool. Kuidas tavaline protsessor seda häkkib? Lihtsalt otsides vahemikus 0000 kuni 9999. 9999 on kahendsüsteemis kujul 10011100001111, see tähendab, et selle kirjutamiseks vajame 14 bitti. Seega, kui meil on 14 kubitiga kvantarvuti, siis me juba teame parooli: lõppude lõpuks on sellise süsteemi üks võimalikest olekutest parool! Selle tulemusena lahendatakse kvantsüsteemide abil hetkega kõik probleemid, mille arvutamiseks isegi superarvutitel kulub praegu päevi: kas peate leidma teatud omadustega aine? Pole probleemi, looge süsteem sama arvu kubitidega, kui teie mateeria nõuded on – ja vastus on juba teie taskus. Kas teil on vaja luua AI (tehisintellekt? See ei saaks olla lihtsam: kui tavaline arvuti proovib kõiki kombinatsioone, siis kvantarvuti töötab välkkiirelt, valides parima vastuse.


Näib, et kõik on suurepärane, kuid on üks oluline probleem - kuidas saame arvutuste tulemuse teada? Tavalise arvutiga on kõik lihtne - saame selle kätte võtta ja lugeda otse protsessoriga ühendades: loogilisi 0 ja 1 tõlgendatakse seal kindlasti kui laengu puudumist ja olemasolu. Kuid see ei tööta kubiidiga - lõppude lõpuks on see igal ajahetkel suvalises olekus. Ja siin tuleb meile appi kvantpõimumine. Selle olemus seisneb selles, et saad paari osakesi, mis on omavahel seotud (teaduslikus mõttes - kui näiteks ühe takerdunud osakese spin-projektsioon on negatiivne, siis teine ​​on kindlasti positiivne). Kuidas see teie sõrmedel välja näeb? Oletame, et meil on kaks kasti, millest igaühes on paberitükk. Viime kastid igale kaugusele, avame neist ühe ja vaatame, et sees olev paberitükk oleks horisontaalselt triibuline. See tähendab automaatselt, et teisel paberil on vertikaalsed triibud. Kuid probleem on selles, et niipea, kui saame teada ühe paberitüki (või osakese) oleku, kukub kvantsüsteem kokku – ebakindlus kaob, kubiidid muutuvad tavalisteks bittideks.

Seetõttu on kvantarvutite arvutused sisuliselt ühekordsed: loome süsteemi, mis koosneb takerdunud osakestest (teame, kus asuvad nende teised “pooled”). Teeme arvutused ja pärast seda "avame paberitükiga kasti" - saame teada takerdunud osakeste oleku ja seega ka osakeste oleku kvantarvutis ja seega ka arvutuste tulemuse. Nii et uute arvutuste jaoks peate uuesti looma kubitid - lihtsalt "kasti paberitükiga sulgemine" ei tööta - me ju teame juba, mis paberitükile joonistatakse.

Tekib küsimus – kuna kvantarvuti suudab hetkega ära arvata mis tahes paroolid –, kuidas teavet kaitsta? Kas selliste seadmete tulekuga kaob privaatsus? Muidugi mitte. Appi tuleb nn kvantkrüptimine: see põhineb sellel, et kui proovite kvantolekut “lugeda”, siis see hävib, mis muudab igasuguse häkkimise võimatuks.

Kodune kvantarvuti

Noh, viimane küsimus – kuna kvantarvutid on nii lahedad, võimsad ja häkkimatud –, miks me neid ei kasuta? Probleem on triviaalne – kvantsüsteemi rakendamise võimatus tavalistes kodutingimustes. Selleks, et kubit eksisteeriks superpositsiooni olekus lõputult, on vaja äärmiselt spetsiifilisi tingimusi: täielik vaakum (teiste osakeste puudumine), null Kelvinile võimalikult lähedane temperatuur (ülijuhtivuse jaoks) ja elektromagnetilise kiirguse täielik puudumine. (mitte mõjutada kvantsüsteemi). Nõus, selliseid tingimusi on kodus pehmelt öeldes raske luua, kuid vähimgi kõrvalekalle viib selleni, et superpositsiooni olek kaob ja arvutustulemused on valed. Teine probleem seisneb selles, et kubitid hakkavad omavahel suhtlema – suhtlemisel väheneb nende eluiga katastroofiliselt. Sellest tulenevalt on selle päeva maksimum paarikümne kubitiga kvantarvutid.

Siiski on D-Wave'i kvantarvuteid, millel on 1000 kubitti, kuid üldiselt pole need tõelised kvantarvutid, kuna nad ei kasuta kvantpõimumise põhimõtteid, mistõttu nad ei saa töötada klassikaliste kvantalgoritmide järgi:


Kuid ikkagi osutuvad sellised seadmed oluliselt (tuhandeid kordi) võimsamaks kui tavalised personaalarvutid, mida võib pidada läbimurdeks. Kasutajaseadmeid need aga niipea välja ei vaheta – esmalt tuleb meil kas õppida kodus selliste seadmete tööks tingimusi looma või, vastupidi, sellised seadmed meile tuttavates tingimustes tööle panna. Teises suunas on samme juba astutud – 2013. aastal loodi lisanditeemandil esimene kahe kubitine kvantarvuti, mis töötab toatemperatuuril. Kahjuks on see vaid prototüüp ja 2 kubitist arvutusteks ei piisa. Seega on kvantarvutite ootamine ikka väga-väga pikk.

Kvantarvutitehnoloogiate olemuse enam-vähem täielikuks paljastamiseks puudutagem esmalt kvantteooria ajalugu.
See sai alguse tänu kahele teadlasele, kelle uurimistulemused pälvisid Nobeli preemia: M. Plancki poolt 1918. aastal avastatud kvant ja A. Einsteini poolt 1921. aastal footoni avastamisele.
Kvantarvuti idee sündimise aasta oli 1980, mil Benioff suutis edukalt demonstreerida praktikas kvantteooria õigsust.
Noh, esimese kvantarvuti prototüübi lõid Gershenfeld ja Chuang 1998. aastal Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis (MTI). Sama teadlaste rühm lõi järgmise kahe aasta jooksul arenenumaid mudeleid.

Mittespetsialisti jaoks on kvantarvuti mastaapselt midagi täiesti fantastilist, see on arvutusmasin, mille ees tavaline arvuti on nagu aabits arvuti ees. Ja loomulikult on see midagi väga kaugel teadvustamisest.
Inimesele, kes on seotud kvantarvutitega, on see seade, mille üldised tööpõhimõtted on enam-vähem selged, kuid enne selle riistvarasse juurutamist tuleb lahendada palju probleeme ja nüüd on palju laboreid ümber. maailm kasutab neid takistusi, mida püütakse ületada.
Eraettevõtted, sealhulgas IBM ja DWays, on varem kvanttehnoloogiat edasi arendanud.
Nad annavad regulaarselt aru viimastest arengutest selles valdkonnas täna. Teadusuuringuid viivad läbi peamiselt Jaapani ja Ameerika teadlased. Jaapan, püüdes saavutada maailmas juhtpositsiooni riist- ja tarkvara vallas, kulutab selle valdkonna arendustele tohutult raha. Hewlett-Packardi asepresidendi sõnul viidi kuni 70% kõigist uuringutest läbi tõusva päikese maal. Kvantarvutid on üks nende keskendunud ettevõtte samme maailmaturul liidripositsiooni saavutamiseks.

Mis seletab soovi neid tehnoloogiaid omandada? Nende vaieldamatud olulised eelised pooljuhtarvutite ees!

MIS SEE ON?

Kvantarvuti on arvutusseade, mis töötab kvantmehaanika alusel.
Tänapäeval on täismahus kvantarvuti hüpoteetiline seade, mida ei saa kvantteoorias olemasolevaid andmeid arvestades luua.

Kvantarvuti ei kasuta arvutusteks klassikalisi algoritme, vaid keerukamaid kvantiseloomulisi protsesse, mida nimetatakse ka kvantalgoritmideks. Need algoritmid kasutavad kvantmehaanilisi efekte: kvantpõimumist ja kvantparalleelsust.

Et mõista, miks kvantarvutit üldse vaja on, tuleb ette kujutada selle tööpõhimõtet.
Kui tavaline arvuti töötab nullide ja ühtedega järjestikuste toimingutega, siis kvantarvuti kasutab ülijuhtiva kile rõngaid. Vool võib läbi nende rõngaste voolata erinevates suundades, nii et selliste rõngaste ahel võib üheaegselt teostada palju rohkem toiminguid nullide ja ühtedega.
Just suur võimsus on kvantarvuti peamine eelis. Kahjuks on need rõngad allutatud ka kõige väiksematele välismõjudele, mille tagajärjel võib voolu suund muutuda ja sel juhul osutuvad arvutused valeks.

KVANTARVUTI ERINEVUS TAVALISEST

Peamine erinevus kvantarvutite ja tavapäraste arvutite vahel seisneb selles, et andmete salvestamine, töötlemine ja edastamine ei toimu "bittide", vaid "kubitite" - lihtsalt öeldes "kvantbittide" - abil. Nagu tavaline bitt, võib kubit olla tuttavates olekutes “|0>” ja “|1>” ning lisaks superpositsiooni olekus A·|0> + B·|1>, kus A ja B on mis tahes kompleksarvud, mis vastavad tingimusele | A |2 + | B |2 = 1.

KVANTARVUTITE TÜÜBID

Kvantarvuteid on kahte tüüpi. Mõlemad põhinevad kvantnähtustel, lihtsalt erinevas järjekorras.

ülijuhtivuse rikkumistel põhineva magnetvoo kvantiseerimisel põhinevad arvutid – Josephsoni ristmikud. Josephsoni efekti kasutatakse juba lineaarvõimendite, analoog-digitaalmuundurite, SQUID-ide ja korrelaatorite valmistamisel Sama elemendi baasi kasutatakse projektis petaflop (1015 op./s) arvuti loomisel. Eksperimentaalselt on saavutatud taktsagedus 370 GHz, mida edaspidi saab tõsta 700 GHz-ni, kuid lainefunktsioonide faasimise aeg nendes seadmetes on võrreldav üksikute klappide lülitusajaga ning tegelikult juba tuttav elementide baasi rakendatakse uutel kvantpõhimõtetel - plätud, registrid ja muud loogilised elemendid.

Teist tüüpi kvantarvutid, mida nimetatakse ka kvantkoherentseteks arvutiteks, nõuavad kasutatavate kubitite lainefunktsioonide sidususe säilitamist kogu arvutusaja jooksul – algusest lõpuni (kubit võib olla mis tahes kvantmehaaniline süsteem, millel on kaks spetsiaalset energiataset). Selle tulemusena on mõne probleemi puhul koherentsete kvantarvutite arvutusvõimsus võrdeline 2N-ga, kus N on kubitide arv arvutis. Kvantarvutitest rääkides peetakse silmas just viimast tüüpi seadmeid.

KVANTARvutid KOHE

Kuid tänapäeval luuakse väikseid kvantarvuteid. Eriti aktiivselt töötab selles suunas ettevõte D-Wave Systems, mis lõi 2007. aastal 16 kubitise kvantarvuti. See arvuti sai külaliste lauda istumise ülesandega edukalt hakkama, kuna osa neist ei meeldinud üksteisele. Nüüd jätkab D-Wave Systems kvantarvutite arendamist.

Jaapani, Hiina ja USA füüsikute rühmal õnnestus esmakordselt ehitada kvantarvuti, kasutades von Neumanni arhitektuuri – see tähendab kvantprotsessori ja kvantmälu füüsilise eraldamisega. Praegu kasutavad füüsikud kvantarvutite (kvantmehaanika objektide ebatavalistel omadustel põhinevad arvutid) praktiliseks rakendamiseks mitmesuguseid eksootilisi objekte ja nähtusi - optilisse lõksu püütud ioone, tuumamagnetresonantsi. Uue töö tegemisel toetusid teadlased miniatuursetele ülijuhtivatele vooluringidele – võimalust rakendada selliseid ahelaid kasutades kvantarvutit kirjeldati ajakirjas Nature 2008. aastal.

Teadlaste kokkupandud arvuti koosnes kvantmälust, mille rolli täitsid kaks mikrolaineresonaatorit, kahe siiniga ühendatud kubiidi protsessor (selle rolli täitis ka resonaator ja kubitid olid ülijuhtivad ahelad) ja seadmed andmete kustutamiseks. Seda arvutit kasutades mõistsid teadlased kaks peamist algoritmi- nn kvant-Fourieri teisendus ja konjunkt Toffoli kvantloogikaelementide abil:

Esimene algoritm on diskreetse Fourier' teisenduse kvantanaloog. Selle eripäraks on palju väiksem (suurusjärgus n2) funktsionaalsete elementide arv algoritmi rakendamisel võrreldes selle analoogiga (suurusjärgus n 2n). Diskreetset Fourier' teisendust kasutatakse erinevates inimtegevuse valdkondades – alates osadiferentsiaalvõrrandite uurimisest kuni andmete tihendamiseni.

Toffoli kvantloogika väravad on omakorda põhielemendid, millest saab teatud lisanõuetega hankida mis tahes Boole'i ​​funktsiooni (programmi). Nende elementide eripäraks on nende pöörduvus, mis füüsika seisukohast võimaldab muuhulgas minimeerida seadme soojuse teket.

Teadlaste sõnul on nende loodud süsteemil üks märkimisväärne eelis – see on kergesti skaleeritav. Seega võib see olla tulevaste arvutite jaoks omamoodi ehitusplokk. Teadlaste sõnul näitavad uued tulemused selgelt uue tehnoloogia lubadust.

Eelmisel nädalal levis uudis, et Google on teinud läbimurde kvantarvuti arendamisel -
ettevõte sai aru, kuidas selline arvuti hakkama saab
omaenda vigadega. Kvantarvutitest on räägitud mitu aastat: see oli näiteks ajakirja Time kaanel. Kui sellised arvutid ilmuvad, on see läbimurre, mis sarnaneb klassikaliste arvutite välimusega – või isegi tõsisem. Look At Me selgitab, miks kvantarvutid on suurepärased ja mida Google täpselt on teinud.

Mis on kvantarvuti?

Kvantarvuti on mehhanism arvutiteaduse ja kvantfüüsika, teoreetilise füüsika kõige keerulisema haru, ristumiskohas. Üks 20. sajandi suurimaid füüsikuid Richard Feynman ütles kord: "Kui arvate, et saate kvantfüüsikast aru, siis te ei mõista seda." Seetõttu pange tähele, et järgmised selgitused on uskumatult lihtsustatud. Inimesed veedavad palju aastaid püüdes mõista kvantfüüsikat.

Kvantfüüsika käsitleb aatomist väiksemaid elementaarosakesi. See, kuidas need osakesed on üles ehitatud ja kuidas nad käituvad, on vastuolus paljude meie ettekujutustega universumist. Kvantosake võib olla korraga mitmes kohas – ja mitmes olekus korraga. Kujutage ette, et viskasite mündi: kui see on õhus, ei saa te öelda, kas see tõuseb pea või saba; See münt on samal ajal nagu pead ja sabad. Umbes nii käituvad kvantosakesed. Seda nimetatakse superpositsiooni põhimõtteks.

Kvantarvuti on endiselt hüpoteetiline seade, mis kasutab superpositsiooni põhimõtet (ja muud kvantomadused)
arvutuste jaoks. Tavaline arvuti töötab transistoridega,
kes tajuvad igasugust teavet nullide ja ühtedena. Binaarne kood võib kirjeldada kogu maailma ja lahendada kõik selles sisalduvad probleemid. Klassikalise biti kvantanaloogi nimetatakse küünart. (qubit, qu - sõnast quantum, quantum). Kasutades superpositsiooni põhimõtet, võib küünar olla samaaegselt
olekus 0 ja 1 - ja see mitte ainult ei suurenda oluliselt võimsust võrreldes traditsiooniliste arvutitega, vaid võimaldab teil lahendada ka ootamatuid probleeme,
milleks tavalised arvutid ei suuda.

Superpositsiooni põhimõte on ainus asi
Millel põhinevad kvantarvutid?

Ei. Kuna kvantarvutid eksisteerivad vaid teoreetiliselt, on teadlased endiselt vaid oletavad, kuidas need täpselt töötavad. Näiteks arvatakse, et kvantarvutid hakkavad kasutama ka kvantpõimumist.
See on nähtus, mida Albert Einstein nimetas "veidramaks" ( ta oli üldiselt kvantteooria vastu, kuna see ei sobi kokku tema relatiivsusteooriaga). Nähtuse tähendus on see, et kaks universumi osakest võivad olla omavahel seotud ja vastupidi: näiteks kui helilisus
(seal on selline elementaarosakeste oleku tunnus, me ei lasku detailidesse) esimene osake on positiivne, siis teise helilisus on alati negatiivne ja vastupidi. Seda nähtust nimetatakse "jubedaks" kahel põhjusel. Esiteks, see ühendus töötab koheselt, kiiremini kui valguse kiirus. Teiseks võivad takerdunud osakesed paikneda üksteisest mis tahes kaugusel.
üksteisest: näiteks Linnutee erinevates otstes.

Kuidas saab kvantarvutit kasutada?

Teadlased otsivad rakendusi kvantarvutitele ja samal ajal nuputavad, kuidas neid ehitada. Peaasi, et kvantarvuti suudab teavet väga kiiresti optimeerida ja üldiselt töötada suurte andmetega, mida me kogume, kuid ei mõista veel kasutada.

Kujutagem seda võimalust ette (muidugi väga lihtsustatult): Te hakkate laskma vibuga märklauda ja peate arvutama, kui kõrgele sihtida, et tabada. Oletame, et peate arvutama kõrguse vahemikus 0 kuni 100 cm. Tavaline arvuti arvutab iga trajektoori kordamööda: kõigepealt 0 cm, siis 1 cm, seejärel 2 cm ja nii edasi. Kvantarvuti arvutab välja kõik valikud korraga – ja toodab kohe selle, mis võimaldab teil sihtmärki tabada. Nii saate optimeerida paljusid protsesse:
meditsiinist (ütleme, et vähk varem diagnoosida) enne lennundust (näiteks tehke keerukamaid autopiloote).

On ka versioon, et selline arvuti suudab lahendada probleeme, milleks tavaline arvuti lihtsalt ei ole võimeline – või selleks kuluks tuhandeid aastaid arvutusi. Kvantarvuti suudab töötada kõige keerukamate simulatsioonidega: näiteks arvutada, kas universumis on peale inimeste ka teisi intelligentseid olendeid. Võimalik, et kvantarvutite loomine viib
tehisintellekti tekkeni. Kujutage ette, mida tavaarvutite tulek meie maailmaga tegi – kvantarvutid võivad olla umbes sama läbimurre.

Kes arendab kvantarvuteid?

Kõik. Valitsused, sõjavägi, tehnoloogiaettevõtted. Kvantarvuti loomine on kasulik peaaegu kõigile. Näiteks Edward Snowdeni avaldatud dokumentide hulgas oli teavet selle kohta, et NSA-l on projekt nimega "Keeruliste sihtmärkide infiltratsioon", mis hõlmab teabe krüptimiseks kvantarvuti loomist. Microsoft tegeleb tõsiselt kvantarvutitega – nad alustasid oma esimest uurimistööd selles valdkonnas juba 2007. aastal. IBM arendab ja mitu aastat tagasi teatas, et on loonud kolme kubitiga kiibi. Lõpuks teevad Google ja NASA koostööd
koos ettevõttega D-Wave, kes ütleb, et see juba toodab
"esimene kaubanduslik kvantprotsessor" (või õigemini teine, nüüd kannab nende mudel nime D-Wave Two), kuid see ei tööta veel nagu kvant -
Tuletame meelde, et neid pole olemas.

Kui lähedal me loomisele oleme
kvantarvuti?

Keegi ei saa kindlalt öelda. Uudised tehnoloogia läbimurretest (nagu hiljutised uudised Google'i kohta) ilmuvad pidevalt, kuid võime olla väga kaugel
täisväärtuslikust kvantarvutist ja sellele väga lähedal. Oletame, et on uuringuid, mis näitavad, et arvuti loomisest piisab
mitmesaja küünraga, nii et see töötab täisväärtusliku kvantarvutina. D-Wave väidab, et on loonud 84-kubitise protsessori -
kuid kriitikud, kes on oma protsessorit analüüsinud, ütlevad, et see töötab,
nagu klassikaline arvuti, mitte nagu kvantarvuti. Google teeb koostööd
D-Wave'iga usuvad nad, et nende protsessor on lihtsalt väga varajases arengujärgus ja hakkab lõpuks töötama nagu kvantprotsessor. Igatahes nüüd
Kvantarvutitel on üks põhiprobleem – vead. Iga arvuti teeb vigu, kuid klassikalised saavad nendega hõlpsalt hakkama – kvantarvutid aga veel mitte. Kui teadlased on vead välja selgitanud, on kvantarvuti tulekuni vaid paar aastat.

Mis teeb vigade parandamise keeruliseks?
kvantarvutites?

Lihtsustamise mõttes võib kvantarvutite vead jagada kaheks tasandiks. Esimene on vead, mida iga arvuti teeb, sealhulgas klassikalised. Arvuti mällu võib ilmneda tõrge, kui 0 muutub tahtmatult 1-ks välismüra – näiteks kosmiliste kiirte või kiirguse – tõttu. Neid vigu on lihtne lahendada; kõiki andmeid kontrollitakse selliste muudatuste suhtes. Ja Google tegeles just hiljuti selle probleemiga kvantarvutites: nad stabiliseerisid üheksast kubitist koosneva ahela
ja päästis ta vigadest. Sellel läbimurdel on siiski üks hoiatus: Google on tegelenud klassikalise andmetöötluse klassikaliste vigadega. Kvantarvutites on teine ​​veatase ning seda on palju keerulisem mõista ja seletada.

Küünarid on äärmiselt ebastabiilsed, nende suhtes avaldub kvantdekoherents – see on keskkonna mõjul kvantsüsteemisisese suhtluse katkemine. Kvantprotsessor peab olema võimalikult palju isoleeritud keskkonnamõjudest (kuigi dekoherentsus tekib mõnikord sisemiste protsesside tulemusena) et vead oleksid minimaalsed. Samas ei saa kvantvigu täielikult kõrvaldada, kuid kui need piisavalt haruldaseks teha, saab kvantarvuti töötada. Samal ajal usuvad mõned teadlased, et 99% sellise arvuti võimsusest on suunatud
vigade kõrvaldamiseks, kuid ülejäänud 1% piisab probleemide lahendamiseks.
Füüsik Scott Aaronsoni sõnul võib Google'i saavutust pidada kolmandaks
poolega kvantarvuti loomiseks vajalikust seitsmest sammust – teisisõnu oleme poolel teel.