Sen 2000 qubitin myynti alkaa kvanttitietokone D-Wave 2000Q ja on jo myynyt ensimmäisen mallin 15 miljoonalla dollarilla.

Ostaja oli kyberturvallisuusyritys Temporal Defense Systems. James Burrell Tekninen johtaja TDS kertoo, että yritys aikoo käyttää D-Wave 2000Q:ta uusien uhkien suojaus- ja kyberrikollisten tunnistamisratkaisujen kehittämiseen.

D-Waven järjestelmä tallentaa tiedot kubittien avulla. Ne koodaavat tietoa nollalla, yhdellä tai molemmilla tiloilla samanaikaisesti, toisin kuin perinteiset järjestelmät. Tästä syystä D-Wave pystyy hallitsemaan valtavia tilojen yhdistelmiä, mikä mahdollistaa sen, että se voi ratkaista tietyn luokan ongelmia tehokkaammin.

D-Wave esitteli kvanttitietokoneensa yleisölle jo viime vuoden syyskuussa sanoen, että uusi ratkaisu sisältää 2 tuhatta kubittia. Tämä on kaksi kertaa niin paljon kuin edellisen sukupolven kvanttitietokone, D-Wave X2, lanseerattiin elokuussa.

D-wave 2000Q on ns adiabaattinen tietokone, joka toimii kvanttihehkutuksen periaatteella.

Tämä on kvanttijärjestelmä, joka koostuu suuresta määrästä komponentteja ja ohjattuja parametreja. Jäähdyttämällä sen erittäin alhaiseen lämpötilaan (edellinen malli tietokone toimi 15 millikelvinin lämpötilassa - noin -273 ° C), kehittäjät olettavat, että järjestelmä saavuttaa vähimmäisenergian ja muuttuu sitten hitaasti annetut parametrit, käytä kvanttimekaniikan lakeja järjestelmän muuntamiseen alkutila uuteen minimienergian tilaan kvanttitunneloinnin ansiosta.

Uuden D-Waven ominaisuus on kyky säätää yksittäisten kubittien hehkutustaajuutta suorituskyvyn parantamiseksi. Myös uusi tietokone yhdistää kvantti- ja klassiset toiminta-algoritmit laskennallisten tulosten valinnan optimoimiseksi.

Venäjän kvanttikeskuksen Superconducting Quantum Circuits -ryhmän johtaja Aleksei Ustinov kertoi haastattelussa N+1:lle, mihin D-Wavea voidaan käyttää. Yksi sovellusalueista on kustannusfunktion optimointi.

Sinulla on monia parametreja, monia tavoitteita. Oletetaan, että sinun täytyy käydä miljoonan asiakkaan luona eri paikkoja optimoimalla matkat, kustannukset, ajan ja niin edelleen.

Lehdistötiedotteessa D-Waven edustajat totesivat, että 2000Q pystyy ratkaisemaan enemmän monimutkaisia ​​ongelmia edeltäjäänsä verrattuna. Myös enemmän korkea suorituskyky pitäisi vauhdittaa kyberturvallisuuden kaltaisten alojen kehitystä, koneoppiminen, biotekniikka. Yhtiö huomauttaa, että erikoistuneet algoritmit voidaan suorittaa tuhat ja jopa 10 tuhatta kertaa nopeammin kuin klassisilla palvelimilla.

Samaan aikaan D-Wave ei ainoastaan ​​toimita ratkaisuja asiakkailleen, vaan tarjoaa myös vuokraa sähköä kvanttikone etätyötä varten.

P.S. Tässä on mitä muuta kirjoitamme blogissamme:

Fysikaalisten ja matemaattisten tieteiden kandidaatti L. FEDICHKIN (Fysiikan ja teknologian instituutti Venäjän akatemia Sci.

Kvanttimekaniikan lakeja käyttämällä on mahdollista luoda perusteellisesti uusi tyyppi tietokoneita, jonka avulla voit ratkaista joitain ongelmia, jotka ovat saavuttamattomissa jopa tehokkaimmille nykyaikaiset supertietokoneet. Monien monimutkaisten laskelmien nopeus kasvaa jyrkästi; kvanttiviestintälinjojen kautta lähetettyjä viestejä on mahdoton siepata tai kopioida. Nykyään näistä tulevaisuuden kvanttitietokoneista on jo luotu prototyyppejä.

Unkarilaistaustainen yhdysvaltalainen matemaatikko ja fyysikko Johann von Neumann (1903-1957).

Amerikkalainen teoreettinen fyysikko Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Amerikkalainen matemaatikko Peter Shor, kvanttilaskennan asiantuntija. Ehdotti kvanttialgoritmia nopeaan tekijöihinjakoon suuret numerot.

Kvanttibitti tai kubitti. Tilat vastaavat esimerkiksi atomiytimen pyörimissuuntaa ylös tai alas.

Kvanttirekisteri on kvanttibittien ketju. Yhden tai kahden kubitin kvanttiporttien toteutus loogisia operaatioita yli qubits.

JOHDANTO TAI VÄHÄN TIETOSUOJASTA

Mitä ohjelmaa mielestäsi myydään maailmassa? suurin luku lisenssit? En ota riskiä väittämällä, että tiedän oikean vastauksen, mutta tiedän ehdottomasti yhden väärän: tämän Ei mikä tahansa versio Microsoft Windows. Yleisin käyttöjärjestelmä on edellä RSA Data Security, Inc:n vaatimatonta tuotetta. - ohjelma, joka toteuttaa salausalgoritmin julkinen avain RSA, nimetty kirjoittajiensa mukaan - amerikkalaiset matemaatikot Rivest, Shamir ja Adelman.

Tosiasia on, että RSA-algoritmi sisäänrakennettu useimpiin kaupallisiin käyttöjärjestelmiin sekä moniin muihin sovelluksiin, joita käytetään erilaisia ​​laitteita- älykorteista Kännykät. Erityisesti se on saatavana myös Microsoft Windowsissa, mikä tarkoittaa, että se on selvästi yleisempi kuin tämä suosittu käyttöjärjestelmä. RSA-jäämien havaitsemiseksi, esimerkiksi Internet-selain Explorer (ohjelma Internetin www-sivujen katseluun), avaa "Ohje"-valikko, siirry "About Internet Explorer" -alivalikkoon ja katso muiden yritysten käytettyjen tuotteiden luettelo. Toinen yleinen selain, Netscape Navigator, käyttää myös RSA-algoritmia. Yleisesti ottaen alalla toimivaa tunnettua yritystä on vaikea löytää korkea teknologia, joka ei ostaisi lisenssiä tälle ohjelmalle. Nykyään RSA Data Security, Inc. on myynyt jo yli 450 miljoonaa(!) lisenssiä.

Miksi RSA-algoritmi oli niin tärkeä?

Kuvittele, että sinun on vaihdettava nopeasti viesti kaukana olevan henkilön kanssa. Internetin kehityksen ansiosta tällainen vaihto on tullut useimpien ihmisten saataville nykyään - tarvitset vain tietokoneen modeemilla tai verkkokortti. Tietenkin, kun vaihdat tietoja verkossa, haluat luonnollisesti pitää viestisi salassa tuntemattomilta. Pitkää viestintälinjaa on kuitenkin mahdotonta täysin suojata salakuuntelulta. Tämä tarkoittaa, että kun viestit lähetetään, ne on salattava ja vastaanotettaessa niiden salaus on purettava. Mutta kuinka sinä ja keskustelukumppanisi voitte sopia, mitä avainta käytätte? Jos lähetät salauskoodin avaimen saman linjan kautta, salakuuntelu hyökkääjä voi helposti siepata sen. Voit tietysti välittää avaimen jonkin muun viestintälinjan kautta, esimerkiksi lähettää sen sähkeenä. Mutta tämä menetelmä on yleensä hankala ja lisäksi ei aina luotettava: myös toinen rivi voidaan napauttaa. On hyvä, jos sinä ja vastaanottajasi tiesitte etukäteen, että vaihdatte salausta, ja annoitte siksi avaimet toisillenne etukäteen. Mutta entä jos esimerkiksi haluat lähettää luottamuksellisesti Mainostarjous mahdollisen liikekumppanin tai ostaa mieleisesi tuotteen uudesta verkkokaupasta luottokortilla?

1970-luvulla tämän ongelman ratkaisemiseksi ehdotettiin salausjärjestelmiä, jotka käyttävät kahdenlaisia ​​avaimia samalle viestille: julkisia (ei vaadita salassa pitämistä) ja yksityisiä (tiukasti salainen). Julkista avainta käytetään viestin salaamiseen ja yksityistä avainta sen salauksen purkamiseen. Lähetät kirjeenvaihtajallesi julkisen avaimen, ja hän käyttää sitä viestinsä salaamiseen. Julkisen avaimen sieppannut hyökkääjä voi vain salata sähköpostinsa sillä ja välittää sen jollekin. Mutta hän ei pysty tulkitsemaan kirjeenvaihtoa. Sinä, tietäen yksityinen avain(se on alun perin tallennettu mukanasi), voit helposti lukea sinulle osoitetun viestin. Vastausviestien salaamiseen käytät kirjeenvaihtajasi lähettämää julkista avainta (ja hän säilyttää vastaavan yksityisen avaimen itselleen).

Juuri tätä salausmenetelmää käytetään RSA-algoritmissa, yleisimmässä julkisen avaimen salausmenetelmässä. Lisäksi julkisten ja yksityisten avainten parin luomiseen käytetään seuraavaa tärkeää hypoteesia. Jos on kaksi suurta (vaatii yli sata desimaalilukuja omaksi tiedoksesi) yksinkertainen numerot M ja K, niin heidän tuotteensa N=MK löytäminen ei ole vaikeaa (sitä varten ei tarvitse edes olla tietokonetta: melko huolellinen ja kärsivällinen ihminen pystyy kertomaan tällaiset luvut kynällä ja paperilla). Mutta päättää käänteinen ongelma, eli tietäen iso luku N, jaa se alkutekijöiksi M ja K (ns faktorointiongelma) - lähes mahdotonta! Juuri tähän ongelmaan hyökkääjä kohtaa, jos hän päättää "hakkeroida" RSA-algoritmin ja lukea sillä salatut tiedot: saadakseen selville yksityisen avaimen, tietäen julkisen avaimen, hänen on laskettava M tai K .

Suurten lukujen laskemisen käytännön monimutkaisuutta koskevan hypoteesin paikkansapitävyyden testaamiseksi suoritettiin ja tehdään edelleen kokeita. erityisiä kilpailuja. Vain 155-numeroisen (512-bittisen) luvun hajottamista pidetään ennätyksenä. Laskelmia tehtiin samanaikaisesti useilla tietokoneilla seitsemän kuukauden ajan vuonna 1999. Jos tämä tehtävä suoritettaisiin yhdellä nykyaikaisella henkilökohtainen tietokone, se vaatisi noin 35 vuotta tietokoneaikaa! Laskelmat osoittavat, että jopa tuhannella nykyaikaisella työasemalla ja parhaimmalla tunnetulla laskenta-algoritmilla yksi 250-numeroinen luku voidaan faktoroida noin 800 tuhannessa vuodessa ja 1000-numeroinen luku 10-25 (!) vuodessa. (Vertailun vuoksi maailmankaikkeuden ikä on ~10 10 vuotta.)

Siksi riittävän pitkillä avaimilla toimivia salausalgoritmeja, kuten RSA, pidettiin ehdottoman luotettavina ja niitä käytettiin monissa sovelluksissa. Ja kaikki oli hyvin siihen asti ...kunnes kvanttitietokoneet ilmestyivät.

Osoittautuu, että kvanttimekaniikan lakeja käyttämällä on mahdollista rakentaa tietokoneita, joille tekijöiden jakamisen ongelma (ja monet muut!) ei ole vaikea. On arvioitu, että kvanttitietokone, jossa on vain noin 10 tuhatta kvanttibittiä muistia, voi laskea 1000-numeroisen luvun alkutekijöiksi vain muutamassa tunnissa!

KUINKA KAIKKI ALKOI?

Vasta 1990-luvun puolivälissä kvanttitietokoneiden ja kvanttilaskennan teoria vakiintui uusi alue Tieteet. Kuten suurille ideoille usein tapahtuu, on vaikea määrittää lähdettä. Ilmeisesti unkarilainen matemaatikko J. von Neumann oli ensimmäinen, joka kiinnitti huomion mahdollisuuteen kehittää kvanttilogiikkaa. Siihen aikaan ei kuitenkaan ollut vielä luotu vain kvanttitietokoneita, vaan myös tavallisia klassisia tietokoneita. Ja jälkimmäisen tullessa tutkijoiden pääponnistelut kohdistuivat ensisijaisesti uusien elementtien etsimiseen ja kehittämiseen heille (transistorit ja sitten integroidut piirit), eikä luoda pohjimmiltaan erilaisia ​​tietokonelaitteita.

1960-luvulla IBM:llä työskennellyt amerikkalainen fyysikko R. Landauer yritti kiinnittää tieteellisen maailman huomion siihen, että laskelmat ovat aina jotain fyysistä prosessia, mikä tarkoittaa, että on mahdotonta ymmärtää laskentakykymme rajoja ilman mikä fyysinen toteutus ne ovat. Valitettavasti tuohon aikaan tiedemiesten keskuudessa vallitseva näkemys oli, että laskenta oli eräänlainen abstrakti looginen menettely, jota matemaatikoiden, ei fyysikkojen, tulisi tutkia.

Kun tietokoneet yleistyivät, kvanttitutkijat tulivat siihen tulokseen, että oli käytännössä mahdotonta suoraan laskea kehittyvän järjestelmän tilaa, joka koostuu vain muutamasta kymmenestä vuorovaikutuksessa olevasta hiukkasesta, kuten metaanimolekyylistä (CH 4). Tämä selittyy sillä, että varten täysi kuvaus monimutkainen järjestelmä tietokoneen muistiin on tarpeen tallentaa eksponentiaalisesti suuri (hiukkasten lukumäärän suhteen) määrä muuttujia, ns. kvanttiamplitudit. On syntynyt paradoksaalinen tilanne: tietäen evoluution yhtälön, tietäen riittävällä tarkkuudella kaikki hiukkasten keskinäisen vuorovaikutuksen mahdollisuudet ja järjestelmän alkutila, on lähes mahdotonta laskea sen tulevaisuutta, vaikka systeemi koostuu vain 30 elektronia potentiaalikaivossa, ja siellä on supertietokone RAM, jonka bittien lukumäärä on yhtä suuri kuin atomien lukumäärä universumin näkyvällä alueella (!). Ja samaan aikaan tällaisen järjestelmän dynamiikan tutkimiseksi voit yksinkertaisesti suorittaa kokeen 30 elektronilla asettamalla ne tiettyyn potentiaaliin ja alkutilaan. Erityisesti tämän pani merkille venäläinen matemaatikko Yu. I. Manin, joka vuonna 1980 huomautti tarpeesta kehittää kvantiteoria tietokonelaitteet. 1980-luvulla samaa ongelmaa tutki amerikkalainen fyysikko P. Benev, joka osoitti selvästi, että kvanttijärjestelmä pystyy suorittamaan laskelmia, sekä englantilainen tiedemies D. Deutsch, joka teoriassa kehitti yleismaailmallisen kvanttitietokoneen, joka on ylivoimainen sen suorituskykyyn verrattuna. klassinen vastine.

Fysiikan Nobel-palkinnon voittaja R. Feynman, joka tiedettiin säännöllisesti Science and Life -lehden lukijoille, kiinnitti paljon huomiota kvanttitietokoneiden kehittämisongelmaan. Hänen arvovaltaisen kutsunsa ansiosta kvanttilaskentaan kiinnittyneiden asiantuntijoiden määrä moninkertaistui.

Mutta silti pitkään aikaan Jäi epäselväksi, voitaisiinko kvanttitietokoneen hypoteettista laskentatehoa käyttää ratkaisun nopeuttamiseen käytännön ongelmia. Mutta vuonna 1994 amerikkalainen matemaatikko ja Lucent Technologiesin (USA) työntekijä P. Shor hämmästytti tiedemaailmaa ehdottamalla kvanttialgoritmia, joka mahdollistaa suurten lukujen nopean tekijöiden jakamisen (tämän ongelman tärkeydestä keskusteltiin jo johdannossa). Verrattuna parhaaseen nykyään tunnettuun klassiseen menetelmään, Shorin kvanttialgoritmi tarjoaa moninkertaisen kiihtyvyyden laskelmiin, ja mitä pidempi tekijäluku on, sitä suurempi on nopeuden vahvistus. Nopea faktorointialgoritmi on erittäin käytännön kiinnostava eri tiedustelupalveluille, jotka ovat keränneet pankkeja salaamattomia viestejä.

Vuonna 1996 Shorin kollega Lucent Technologiesista L. Grover ehdotti kvanttialgoritmia Pikahaku järjestämättömässä tietokannassa. (Esimerkki tällaisesta tietokannasta on Puhelinluettelo, jossa tilaajien sukunimiä ei ole järjestetty aakkosjärjestykseen, vaan mielivaltaiseen tapaan.) Hakuongelma, optimaalisen elementin valinta lukuisista vaihtoehdoista löytyy hyvin usein taloudellisista, sotilaallisista, teknisistä ongelmista, tietokonepelit. Groverin algoritmi ei vain nopeuttaa hakuprosessia, vaan myös noin kaksinkertaistaa optimaalista valittaessa huomioon otettujen parametrien lukumäärän.

Kvanttitietokoneiden todellista luomista vaikeutti olennaisesti ainoa vakava ongelma- virheitä tai häiriöitä. Tosiasia on, että sama häiriötaso pilaa kvanttilaskennan prosessia paljon intensiivisemmin kuin klassinen laskenta. P. Shor hahmotteli tapoja ratkaista tämä ongelma vuonna 1995 kehittämällä koodausjärjestelmän kvanttitilat ja korjata niissä olevat virheet. Valitettavasti kvanttitietokoneiden virheenkorjauksen aihe on yhtä tärkeä kuin se on monimutkaista käsitellä tässä artikkelissa.

KVANTTITIETOKONEEN LAITE

Ennen kuin kerromme, kuinka kvanttitietokone toimii, muistetaan kvanttijärjestelmien pääpiirteet (katso myös "Tiede ja elämä" nro 8, 1998; nro 12, 2000).

Ymmärtääkseen lakeja kvanttimaailma ei pidä luottaa suoraan jokapäiväiseen kokemukseen. Tavanomaisella tavalla (jokapäiväisessä ymmärryksessä) kvanttihiukkaset käyttäytyvät vain, jos niitä jatkuvasti "kurkistamme" tai tarkemmin sanottuna mittaamme jatkuvasti tilaa, jossa ne ovat. Mutta heti kun "käännymme pois" (lopetamme havainnoinnin), kvanttihiukkaset siirtyvät välittömästi hyvin tietystä tilasta useisiin eri muotoihin kerralla. Toisin sanoen elektroni (tai mikä tahansa muu kvanttiobjekti) sijaitsee osittain yhdessä pisteessä, osittain toisessa, osittain kolmannessa jne. Tämä ei tarkoita, että se olisi jaettu viipaleiksi, kuten appelsiini. Silloin olisi mahdollista luotettavasti eristää jokin osa elektronista ja mitata sen varaus tai massa. Mutta kokemus osoittaa, että mittauksen jälkeen elektroni osoittautuu aina "turvalliseksi ja terveeksi" yhdessä pisteessä huolimatta siitä, että sitä ennen se onnistui olemaan melkein kaikkialla samaan aikaan. Tätä elektronin tilaa, kun se sijaitsee useassa avaruuden pisteessä kerralla, kutsutaan kvanttitilojen superpositio ja niitä kuvataan yleensä aaltofunktiolla, jonka saksalainen fyysikko E. Schrödinger esitteli vuonna 1926. Aaltofunktion arvon moduuli missä tahansa pisteessä neliöitynä määrittää todennäköisyyden löytää hiukkanen kyseisessä pisteessä Tämä hetki. Hiukkasen sijainnin mittaamisen jälkeen sen aaltofunktio näyttää kutistuvan (kolapsi) siihen pisteeseen, jossa hiukkanen havaittiin, ja alkaa sitten levitä uudelleen. Kvanttihiukkasten ominaisuus olla monessa tilassa samanaikaisesti, ns kvanttirinnalleisuus, on käytetty menestyksekkäästi kvanttilaskennassa.

Kvanttibitti

Kvanttitietokoneen perussolu on kvanttibitti eli lyhyesti qubit(q-bitti). Tämä on kvanttihiukkanen, jolla on kaksi perustilaa, jotka on merkitty 0 ja 1 tai, kuten kvanttimekaniikassa on tapana, ja. Kubitin kaksi arvoa voivat vastata esimerkiksi atomin perus- ja viritystilaa, atomin ytimen spinin ylös- ja alassuuntaa, virran suuntaa suprajohtavassa renkaassa, kahta mahdollista asentoa puolijohteessa oleva elektroni jne.

Kvanttirekisteri

Kvanttirekisteri on rakenteeltaan lähes sama kuin klassinen. Tämä on kvanttibittien ketju, jolle voidaan suorittaa yksi- ja kaksibittisiä loogisia operaatioita (samanlainen kuin NOT, 2I-NOT jne. operaatioiden käyttö klassisessa rekisterissä).

L kubitin muodostaman kvanttirekisterin perustilat sisältävät, kuten klassisenkin, kaikki mahdolliset nollien ja ykkösten sekvenssit, joiden pituus on L. Yhteensä niitä voi olla 2 L erilaisia ​​yhdistelmiä. Niitä voidaan pitää lukujen tietueina binäärimuodossa 0 - 2 L -1 ja merkitään. Nämä perustilat eivät kuitenkaan tyhjennä kaikkia mahdollisia kvanttirekisterin arvoja (toisin kuin klassinen), koska on myös superpositiotiloja, jotka määritellään normalisointiehdolla liittyvillä kompleksisilla amplitudeilla. Klassista analogia useimmille mahdollisille kvanttirekisterin arvoille (lukuun ottamatta perusarvoja) ei yksinkertaisesti ole olemassa. Klassisen rekisterin tilat ovat vain säälittävä varjo kvanttitietokoneen tilarikkaudesta.

Kuvittele, että rekisteriin kohdistuu ulkoinen vaikutus, esimerkiksi sähköimpulsseja kohdistetaan osaan tilaa tai ohjataan Laser säteet. Jos kyseessä on klassinen rekisteri, impulssi, jota voidaan pitää laskennallisena operaationa, muuttaa L muuttujaa. Jos tämä on kvanttirekisteri, niin sama pulssi voi samanaikaisesti muuntaa muuttujiksi. Näin ollen kvanttirekisteri pystyy periaatteessa käsittelemään tietoa useita kertoja nopeammin kuin sen klassinen vastine. Tästä on heti selvää, että pienet kvanttirekisterit (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

On kuitenkin syytä huomata, että on ongelmaluokka, jolle kvanttialgoritmit eivät tarjoa merkittävää kiihtyvyyttä klassisiin algoritmeihin verrattuna. Yksi ensimmäisistä, joka osoitti tämän, oli venäläinen matemaatikko Yu. Ozhigov, joka rakensi useita esimerkkejä algoritmeista, joita ei periaatteessa voida kiihdyttää yhdellä kellojaksolla kvanttitietokoneessa.

Siitä huolimatta ei ole epäilystäkään siitä, että kvanttimekaniikan lakien mukaan toimivat tietokoneet ovat uusi ja ratkaiseva vaihe laskentajärjestelmien kehityksessä. Jäljelle jää vain niiden rakentaminen.

KVANTTITIETOKONEET TÄNÄÄN

Kvanttitietokoneiden prototyyppejä on jo olemassa. Totta, tähän asti on ollut kokeellisesti mahdollista koota vain pieniä rekistereitä, jotka koostuvat vain muutamasta kvanttibitistä. Niinpä äskettäin amerikkalaisen fyysikon I. Changin (IBM) johtama ryhmä ilmoitti 5-bittisen kvanttitietokoneen kokoamisesta. Epäilemättä tämä on suuri menestys. Valitettavasti olemassa olevat kvanttijärjestelmät eivät vielä pysty antamaan luotettavia laskelmia, koska ne ovat joko huonosti hallittuja tai erittäin herkkiä melulle. Tehokkaan kvanttitietokoneen rakentamiselle ei kuitenkaan ole fyysisiä rajoituksia, se on välttämätöntä vain teknisten vaikeuksien voittamiseksi.

Luotettavien ja helposti ohjattavien kvanttibittien tekemiseen on olemassa useita ideoita ja ehdotuksia.

I. Chang kehittää ajatusta joidenkin orgaanisten molekyylien ytimien spinien käyttämisestä kubitteina.

Venäläinen tutkija M.V. Feigelman, joka työskentelee nimetyssä teoreettisen fysiikan instituutissa. L.D. Landau RAS ehdottaa kvanttirekisterien kokoamista miniatyyreistä suprajohtavista renkaista. Jokainen rengas on kubitin rooli, ja tilat 0 ja 1 vastaavat renkaan sähkövirran suuntaa - myötä- ja vastapäivään. Tällaiset kubitit voidaan vaihtaa magneettikentän avulla.

Venäjän tiedeakatemian fysiikan ja teknologian instituutissa akateemikko K. A. Valievin johtama ryhmä ehdotti kahta vaihtoehtoa kubittien sijoittamiseksi puolijohderakenteisiin. Ensimmäisessä tapauksessa kubitin roolia esittää elektroni kahden potentiaalikuopan järjestelmässä, joka on luotu puolijohteen pinnalla oleviin minielektrodeihin kohdistetulla jännitteellä. Tilat 0 ja 1 ovat elektronin paikat yhdessä näistä kuopista. Kubitti vaihdetaan muuttamalla toisen elektrodin jännitettä. Toisessa versiossa kubitti on fosforiatomin ydin, joka on upotettu tiettyyn puolijohteen pisteeseen. Tilat 0 ja 1 - ydinspin suunnat ulkoista magneettikenttää pitkin tai sitä vastaan. Ohjaus suoritetaan käyttämällä resonanssitaajuuden ja jännitepulssien magneettipulssien yhteisvaikutusta.

Tutkimustyö on siis käynnissä ja voidaan olettaa, että aivan lähitulevaisuudessa - noin kymmenen vuoden kuluttua - syntyy tehokas kvanttitietokone.

KATSAUS TULEVAISUUDEN

Näin ollen on täysin mahdollista, että tulevaisuudessa kvanttitietokoneita valmistetaan perinteisillä mikroelektroniikan menetelmillä ja ne sisältävät monia ohjauselektrodeja, jotka muistuttavat nykyaikaista mikroprosessoria. Kvanttitietokoneen normaalille toiminnalle kriittisen melutason vähentämiseksi ensimmäiset mallit on ilmeisesti jäähdytettävä nestemäisellä heliumilla. On todennäköistä, että ensimmäiset kvanttitietokoneet ovat tilaa vieviä ja kalliita laitteita, jotka eivät mahdu pöydälle ja joita ylläpitää suuri joukko järjestelmäohjelmoijia ja laitteistosäätäjiä valkoisissa takkeissa. Ensinnäkin vain valtion virastot pääsevät niihin käsiksi, sitten varakkaat kaupalliset organisaatiot. Mutta perinteisten tietokoneiden aikakausi alkoi pitkälti samalla tavalla.

Mitä tapahtuu klassisille tietokoneille? Kuolevatko he pois? Tuskin. Sekä klassisilla että kvanttitietokoneilla on omat käyttöalueet. Vaikka todennäköisimmin markkinasuhde siirtyy vähitellen jälkimmäiseen.

Kvanttitietokoneiden käyttöönotto ei johda pohjimmiltaan ratkaisemattomien klassisten ongelmien ratkaisuun, vaan vain nopeuttaa joitain laskelmia. Lisäksi kvanttiviestintä tulee mahdolliseksi - kubittien siirto etäisyyden yli, mikä johtaa eräänlaisen kvantti-Internetin syntymiseen. Kvanttiviestintä mahdollistaa turvallisen (kvanttimekaniikan lakien mukaan) yhteyden toistensa kanssa salakuuntelusta. Kvanttitietokantoihin tallennetut tietosi ovat nykyistä luotettavammin suojattuja kopiointia vastaan. Kvanttitietokoneille ohjelmia tuottavat yritykset voivat suojella niitä kaikilta, myös laittomalta, kopioimiselta.

Tämän aiheen syvempää ymmärtämistä varten voit lukea E. Riffelin ja V. Polakin katsausartikkelin "Fundamentals of Quantum Computing", joka on julkaistu venäläisessä "Quantum Computers and Quantum Computing" -lehdessä (nro 1, 2000). (Tämä on muuten ensimmäinen ja toistaiseksi ainoa kvanttilaskentaan omistettu aikakauslehti maailmassa. Lisätietoja siitä löytyy Internetistä osoitteesta http://rcd.ru/qc.). Kun olet oppinut tämän työn, voit lukea kvanttilaskentaa koskevia tieteellisiä artikkeleita.

Hieman alustavampaa matemaattista valmistautumista tarvitaan, kun luetaan A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly kirja "Classical and Quantum Computations" (Moskova: MTsNMO-CheRo, 1999).

Useita kvanttimekaniikan perusnäkökohtia, jotka ovat olennaisia ​​kvanttilaskelmien suorittamisessa, käsitellään V. V. Belokurovin, O. D. Timofejevskajan, O. A. Khrustalevin kirjassa "Kvanttiteleportaatio - tavallinen ihme" (Izhevsk: RHD, 2000).

RCD-kustantamo valmistautuu julkaisemaan käännöksen A. Steenin kvanttitietokoneita käsittelevästä katsauksesta erillisenä kirjana.

Seuraava kirjallisuus on hyödyllistä paitsi koulutuksellisesti myös historiallisesti:

1) Yu. I. Manin. Laskennallinen ja laskematon.

M.: Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Kvanttimekaniikan matemaattiset perusteet.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Fysiikan simulointi tietokoneilla // Kvanttitietokone ja kvanttilaskenta:

la 2 osassa - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, s. 96-123.

4) R. Feynman. Kvanttimekaaniset tietokoneet

// Ibid., s. 123.-156.

Katso samasta aiheesta kysymys

Kvanttitietokoneet lupaavat maailmalle valtavan tiedonkäsittelyn nopeuden, mutta yksinkertaisimmankaan "ei-klassisen" ilmentymän kehittäminen ei ole niin helppoa. Yalen tutkijat ottivat uuden askeleen kohti tulevaisuutta: he onnistuivat luomaan kahden kubitin solid-state-kvanttiprosessorin ja osoittamaan, että se pystyy toimimaan yksinkertaisimpien kvanttialgoritmien kanssa.

Hiukkasten kvanttiominaisuuksilla voidaan saavuttaa vaikuttavia tuloksia, mutta piilaitteiden kvanttianalogin luominen tavallisista materiaaleista on vaikeaa.

Anna minun selittää. Klassisissa tietokoneissa tiedot salataan muodossa 0 ja 1 (kyllä/ei, päällä/pois). Jokainen muistibitti voi ottaa yhden näistä kahdesta arvosta. Kahden bitin yhdistelmällä voi olla neljä arvoa: 00, 11, 01 tai 10.

Kvanttibittien (kubittien) tapauksessa yksi solu voi kvanttisuperpositioperiaatteen vuoksi sisältää sekä 0:n että 1:n sekä niiden yhdistelmän (00, 11, 01 ja 10 samaan aikaan) (puhuimme tästä tarkemmin). Tästä syystä kvanttijärjestelmät voivat toimia nopeammin ja suuremmilla tietomäärillä.

Lisäksi kubitit voivat sotkeutua: kun yhden kubitin kvanttitilaa voidaan kuvata vain suhteessa toisen tilaan (solid-state-järjestelmissä kvanttisekoittuminen toteutettiin ensin timantissa). Tätä kvanttijärjestelmien ominaisuutta käytetään tiedonkäsittelyyn.

Leonardo DiCarlon johtamat fyysikot Yalen kvantti- ja informaatiofysiikan keskuksesta ovat onnistuneet luomaan ensimmäisen kerran kvantti-solidstate-prosessorin.

Lopuksi kvanttiprosessoreista on tullut samanlaisia ​​kuin tavalliset tietokonesirut (kuva Blake Johnson/Yalen yliopisto).

Aikaisemmin kubiteilla suoritettavien operaatioiden suorittamiseen oli tarpeen käyttää lasereita, ydinmagneettista resonanssia ja ioniloukkuja, kirjoittajat kirjoittavat Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissaan (sen esipainos löytyy myös verkkosivuilta arXiv.org).

Mutta todellisen kvanttitietokoneen syntymisen tuomiseksi lähemmäksi on tarpeen luoda yksinkertaisempi kone, joka on vähemmän herkkä ulkoisten olosuhteiden vaihteluille. Tämä tarkoittaa, että on suositeltavaa luoda yksi tärkeimmistä työosista (prosessori) klassisista kiinteistä materiaaleista.

DiCarlo ja hänen kollegansa tekivät juuri niin. He rakensivat laitteen, joka toimii kahdella transmon-kubitilla. Transmon on kaksi suprajohteen fragmenttia, jotka on yhdistetty tunnelikoskettimilla.

Tässä tapauksessa prosessori on suprajohtavan materiaalin kalvo (se sisältää niobiumia), joka on kerrostettu korundi (alumiinioksidi) -substraatille. Pintaan syövytetään urat ja virta voi kulkea niiden läpi (jälleen kvanttivaikutusten vuoksi).

Kaksi näistä kubiteista (jotka edustavat miljardeja alumiiniatomeja samassa kvanttitilassa ja toimivat yhtenä yksikkönä) uudessa sirussa on erotettu toisistaan ​​ontelolla, joka on eräänlainen "kvanttiväylä".

"Aiemmat kokeemme osoittivat, että kaksi keinotekoista atomia voidaan yhdistää resonanssiväylällä, joka on mikroaaltolähetin", sanoo yksi työn kirjoittajista, Robert Schoelkopf.

Erittäin tärkeää on, että prosessorin luomiseen tutkijat käyttivät nykyaikaisessa teollisuudessa käytettyä standarditekniikkaa.

Uuden sirun ainoa haittapuoli on alhainen käyttölämpötila. Suprajohtavuuden ylläpitämiseksi laite on jäähdytettävä. Tämä tehdään erityisellä järjestelmällä, joka pitää lämpötilan ympärillään juuri absoluuttisen nollan yläpuolella (usean kelvinin tuhannesosan luokkaa).

Kaavio kaksikubitisesta Yalen laitteesta prosessorin valokuvan päällä. Alla olevissa upeissa on transmonit (Nature-kuva).

Nämä kubitit voivat olla kvanttisekoittumisen tilassa (joka saavutetaan käyttämällä tietyn taajuuden mikroaaltoja). Kuinka kauan tämä tila kestää, määrää jännitepulssi.

Tiedemiehet ovat saavuttaneet yhden mikrosekunnin (joissakin tapauksissa jopa kolmen mikrosekunnin) säilytysajan, joka on edelleen raja. Mutta vain kymmenen vuotta sitten tämä arvo ei ylittänyt nanosekuntia, eli se oli tuhat kertaa pienempi.

Huomaa, että mitä pidempään kietoutuminen kestää, sitä parempi kvanttitietokoneelle, koska "pitkäkestoiset" kubitit voivat ratkaista monimutkaisempia ongelmia.

Tässä tapauksessa prosessori käytti kahden eri tehtävän suorittamiseen kvanttialgoritmeja Groverin algoritmi ja Deutsch-Jozsa-algoritmi.Prosessori antoi oikean vastauksen 80 %:ssa tapauksista (ensimmäisellä algoritmilla) ja 90 %:ssa tapauksista (toisella) algoritmi).

Muuten, tuloksen (kubittien tilan) lukeminen tapahtuu myös mikroaaltoja käyttämällä: jos värähtelytaajuus vastaa onkalossa olevaa, niin signaali kulkee sen läpi.

"Onkalon resonanssitaajuus riippuu siitä, missä tilassa kubitti on. Jos lähetetty säteily kulkee läpi, se on "oikeassa" tilassa, DiCarlo sanoo.

Tämä Yalen fyysikkojen (sekä tutkijoiden tutkijoista Waterloon ja Sherbrooken yliopistoista ja Wienin teknisestä yliopistosta) on epäilemättä ainutlaatuinen, mutta käytetty lukutekniikka voi epäonnistua monimutkaisemmissa järjestelmissä, joissa on suuri määrä kubitteja.

DiCarlo uskoo, että 3-4-kubitin prosessori (tämän kehityksen perusteella) syntyy pian, mutta seuraavan askeleen (kubittien määrän kasvattaminen 10:een) ottamiseksi on tehtävä yhtä merkittävä läpimurto.

"Prosessorimme pystyy tällä hetkellä suorittamaan vain muutaman yksinkertaisen toiminnon. Mutta sillä on yksi tärkeä etu - se on täysin elektroninen ja paljon enemmän samanlainen kuin perinteinen mikroprosessori kuin kaikki aiemmat kehitystyöt, Schölkopf sanoo yliopiston lehdistötiedotteessa.

Geordie Rose, D-Wave Systemsin teknologiajohtaja, esittelee yrityksensä uusinta kvanttitietokonetta (NY Timesin kuva).

Ei ole selvää, miten uusi saavutus liittyy yrityksen tuotteisiin

Kvanttilaskennasta on ainakin teoriassa puhuttu vuosikymmeniä. Nykyaikaiset koneet, jotka käyttävät ei-klassista mekaniikkaa potentiaalisesti käsittämättömien tietomäärien käsittelyyn, ovat olleet suuri läpimurto. Kehittäjien mukaan niiden toteutus osoittautui ehkä monimutkaisimmaksi koskaan luoduksi teknologiaksi. Kvanttiprosessorit toimivat aineen tasoilla, jotka ihmiskunta oppi vasta noin 100 vuotta sitten. Tällaisen laskennan potentiaali on valtava. Kvanttien omituisten ominaisuuksien käyttö nopeuttaa laskelmia, joten monet ongelmat, jotka eivät tällä hetkellä ylitä klassisten tietokoneiden kykyjä, ratkaistaan. Eikä vain kemian ja materiaalitieteen alalla. Myös Wall Street on kiinnostunut.

Sijoittaminen tulevaisuuteen

CME Group on sijoittanut vancouverilaisyritykseen 1QB Information Technologies Inc., joka kehittää ohjelmistoja kvanttiprosessoreille. Tällaisella tietojenkäsittelyllä on todennäköisesti suurin vaikutus toimialoihin, jotka käsittelevät suuria määriä aikaherkkää dataa, sijoittajat sanovat. Esimerkki tällaisista kuluttajista ovat rahoituslaitokset. Goldman Sachs sijoitti D-Wave Systemsiin, ja In-Q-Tel on CIA:n rahoittama. Ensimmäinen tuottaa koneita, jotka tekevät niin sanotun "kvanttihehkutuksen" eli ratkaisevat matalan tason optimointiongelmia kvanttiprosessorin avulla. Intel investoi myös tähän teknologiaan, vaikka se pitääkin sen käyttöönottoa tulevaisuuden asiana.

Miksi tämä on välttämätöntä?

Syy, miksi kvanttilaskenta on niin jännittävää, johtuu sen täydellisestä yhdistelmästä koneoppimisen kanssa. Tämä on tällä hetkellä tällaisten laskelmien pääsovellus. Osa kvanttitietokoneen ideaa on fyysisen laitteen käyttäminen ratkaisujen löytämiseen. Joskus tämä käsite selitetään Angry Birds -pelin esimerkillä. Tabletin CPU käyttää matemaattisia yhtälöitä painovoiman ja törmäävien esineiden vuorovaikutuksen simuloimiseksi. Kvanttiprosessorit kääntävät tämän lähestymistavan päälaelleen. He "heittävät" muutaman linnun ja katsovat mitä tapahtuu. Linnut tallennetaan mikrosirulle, ne heitetään, mikä on optimaalinen lentorata? Sitten testataan kaikki mahdolliset ratkaisut tai ainakin hyvin suuri yhdistelmä niistä ja palautetaan vastaus. Kvanttitietokoneessa ei ole matemaatikkoa, vaan fysiikan lait toimivat.

Kuinka se toimii?

Maailmamme perusrakennuspalikoita ovat kvanttimekaaniset. Jos tarkastellaan molekyylejä, syy niiden muodostumiseen ja pysymiseen vakaina on niiden elektroniradan vuorovaikutus. Kaikki kvanttimekaaniset laskelmat sisältyvät jokaiseen niistä. Niiden määrä kasvaa eksponentiaalisesti simuloitujen elektronien määrän myötä. Esimerkiksi 50 elektronille on mahdollista 2-50 tehovaihtoehtoa. Tämä on ilmiömäistä, joten sitä on mahdotonta laskea tänään. Tietoteorian yhdistäminen fysiikkaan voi osoittaa tien tällaisten ongelmien ratkaisemiseen. 50 qubit tietokone voi tehdä tämän.

Uuden aikakauden aamunkoitto

1QBitin puheenjohtajan ja perustajan Landon Downsin mukaan kvanttiprosessori on kyky valjastaa subatomisen maailman laskentatehoa, millä on valtavia vaikutuksia uusien materiaalien hankkimiseen tai uusien lääkkeiden luomiseen. Löytämisen paradigmasta ollaan siirtymässä uudelle suunnittelun aikakaudelle. Kvanttilaskennan avulla voidaan esimerkiksi mallintaa katalyyttejä, jotka poistavat hiiltä ja typpeä ilmakehästä ja auttavat siten pysäyttämään ilmaston lämpenemisen.

Edistyksen eturintamassa

Teknologian kehitysyhteisö on erittäin innostunut ja aktiivinen. Startup-yritysten, yritysten, yliopistojen ja valtion laboratorioiden tiimit ympäri maailmaa kilpailevat rakentaakseen koneita, jotka käyttävät erilaisia ​​lähestymistapoja kvanttitietojen käsittelyyn. Marylandin yliopiston ja Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin tutkijat ovat luoneet suprajohtavia kubittisiruja ja loukkuun jääneitä ionikubitteja. Microsoft kehittää topologista lähestymistapaa nimeltä Station Q, jonka tarkoituksena on hyödyntää ei-Abelin anionia, jonka olemassaoloa ei ole vielä lopullisesti todistettu.

Mahdollisen läpimurron vuosi

Ja tämä on vasta alkua. Toukokuun 2017 lopussa kvanttiprosessorien määrä, jotka selvästi tekevät jotain klassista tietokonetta nopeammin tai paremmin, on nolla. Tällainen tapahtuma vahvistaisi "kvanttiylivallan", mutta sitä ei ole vielä tapahtunut. Vaikka on todennäköistä, että tämä tapahtuu tänä vuonna. Useimmat sisäpiiriläiset sanovat, että selkeä suosikki on UC Santa Barbaran fysiikan professori John Martinin johtama Google-tiimi. Sen tavoitteena on saavuttaa laskennallinen ylivoima käyttämällä 49 qubit prosessoria. Toukokuun 2017 loppuun mennessä tiimi oli onnistuneesti testannut 22 kubitin sirua välivaiheena kohti klassisen supertietokoneen purkamista.

Mistä kaikki alkoi?

Ajatus kvanttimekaniikan käytöstä tiedon käsittelyyn on ollut olemassa vuosikymmeniä. Yksi tärkeimmistä tapahtumista tapahtui vuonna 1981, jolloin IBM ja MIT järjestivät yhdessä konferenssin tietojenkäsittelyn fysiikasta. Kuuluisa fyysikko ehdotti kvanttitietokoneen rakentamista. Hänen mukaansa mallintamiseen tulisi käyttää kvanttimekaniikkaa. Ja tämä on hieno tehtävä, koska se ei näytä niin helpolta. Kvanttiprosessorin toimintaperiaate perustuu useisiin outoihin atomien ominaisuuksiin - superpositioon ja takertumiseen. Hiukkanen voi olla kahdessa tilassa samanaikaisesti. Kuitenkin mitattuna se näkyy vain yhdessä niistä. Ja on mahdotonta ennustaa kumpi, paitsi todennäköisyysteorian näkökulmasta. Tämä efekti on perusta Schrödingerin kissan ajatuskokeelle, joka on sekä elossa että kuolleena laatikossa, kunnes tarkkailija kurkistaa. Mikään arkielämässä ei toimi näin. Kuitenkin noin miljoona koetta, jotka on tehty 1900-luvun alun jälkeen, osoittavat, että superpositiota on olemassa. Ja seuraava askel on selvittää, kuinka tätä käsitettä käytetään.

Kvanttiprosessori: työn kuvaus

Klassiset bitit voivat saada arvon 0 tai 1. Jos kuljetat niiden merkkijonon "loogisten porttien" läpi (AND, OR, NOT jne.), voit kertoa numeroita, piirtää kuvia jne. Kubitti voi saada arvoja 0, 1 tai molemmat samaan aikaan. Jos esimerkiksi 2 kubittia on sotkeutunut, se tekee niistä täydellisen korrelaation. Kvanttiprosessori voi käyttää logiikkaportteja. T.n. Esimerkiksi Hadamardin portti asettaa kubitin täydellisen superpositioon. Kun superpositio ja kietoutuminen yhdistetään taitavasti sijoitettuihin kvanttiportteihin, subatomisen laskennan potentiaali alkaa avautua. 2 kubittiä mahdollistaa 4 tilan tutkimisen: 00, 01, 10 ja 11. Kvanttiprosessorin toimintaperiaate on sellainen, että loogisen toiminnon suorittaminen mahdollistaa työskentelyn kaikkien asemien kanssa kerralla. Ja käytettävissä olevien tilojen määrä on 2 kubittien lukumäärän potenssilla. Joten jos tekisit 50 kubitin yleisen kvanttitietokoneen, voisit teoriassa tutkia kaikkia 1 125 kvadriljoonaa yhdistelmää kerralla.

Kudits

Venäjän kvanttiprosessori nähdään hieman eri tavalla. MIPT:n ja Venäjän kvanttikeskuksen tutkijat ovat luoneet "quditteja", jotka ovat useita "virtuaalisia" kubitteja, joilla on eri "energiatasot".

Amplitudit

Kvanttiprosessorilla on se etu, että kvanttimekaniikka perustuu amplitudeihin. Amplitudit ovat samanlaisia ​​kuin todennäköisyys, mutta ne voivat olla myös negatiivisia ja kompleksilukuja. Joten jos sinun on laskettava tapahtuman todennäköisyys, voit laskea yhteen kaikkien niiden kehityksen mahdollisten vaihtoehtojen amplitudit. Kvanttilaskennan ideana on yrittää virittää sitä niin, että joillakin poluilla vääriin vastauksiin on positiivinen amplitudi ja toisilla negatiivinen amplitudi, joten ne kumoavat toisensa. Ja oikeaan vastaukseen johtavilla poluilla olisi amplitudit, jotka ovat samassa vaiheessa keskenään. Temppu on järjestää kaikki tietämättä etukäteen, mikä vastaus on oikea. Joten kvanttitilojen eksponentiaalinen luonne yhdistettynä mahdollisiin häiriöihin positiivisten ja negatiivisten amplitudien välillä on tämän tyyppisen laskennan etu.

Shorin algoritmi

On monia ongelmia, joita tietokone ei pysty ratkaisemaan. Esimerkiksi salaus. Ongelmana on, että 200-numeroisen luvun alkutekijöiden löytäminen ei ole niin helppoa. Vaikka kannettavassa tietokoneessa olisi loistava ohjelmisto, saatat joutua odottamaan vuosia löytääksesi vastauksen. Joten toinen virstanpylväs kvanttilaskennassa oli algoritmi, jonka Peter Shore, nykyään MIT:n matematiikan professori, julkaisi vuonna 1994. Hänen menetelmänsä on löytää suuren luvun tekijät kvanttitietokoneella, jota ei vielä ollut olemassa. Pohjimmiltaan algoritmi suorittaa operaatioita, jotka osoittavat alueille, joilla on oikea vastaus. Seuraavana vuonna Shor keksi menetelmän kvanttivirheen korjaamiseksi. Sitten monet ymmärsivät, että tämä oli vaihtoehtoinen laskentatapa, joka voisi joissain tapauksissa olla tehokkaampi. Sitten fyysikot kiinnostuivat kubittien ja logiikkaporttien luomisesta niiden välille. Ja nyt, kaksi vuosikymmentä myöhemmin, ihmiskunta on luomassa täysimittaista kvanttitietokonetta.

Maailma on uuden kvanttivallankumouksen partaalla. Ensimmäinen kvanttitietokone ratkaisee välittömästi ongelmat, joiden ratkaiseminen tehokkaimmalla nykyaikaisella laitteella kestää vuosia. Mitä nämä tehtävät ovat? Kuka hyötyy ja ketä uhkaa kvanttialgoritmien massiivinen käyttö? Mikä on kubittien superpositio, kuinka ihmiset oppivat löytämään optimaalisen ratkaisun käymättä läpi biljoonia vaihtoehtoja? Vastaamme näihin kysymyksiin otsikon "Yksinkertaisesti kompleksista" alla.

Ennen kvanttiteoriaa oli käytössä klassinen sähkömagneettisen säteilyn teoria. Vuonna 1900 saksalainen tiedemies Max Planck, joka itse ei uskonut kvantteihin ja piti niitä kuvitteellisena ja puhtaasti teoreettisena konstruktiona, joutui myöntämään, että kuumennetun kappaleen energia säteilee osissa - kvantteina; Siten teorian oletukset osuivat yhteen kokeellisten havaintojen kanssa. Ja viisi vuotta myöhemmin suuri Albert Einstein turvautui samaan lähestymistapaan selittäessään valosähköistä vaikutusta: kun sitä säteilytettiin valolla, metalleissa syntyi sähkövirta! On epätodennäköistä, että Planck ja Einstein olisivat voineet kuvitella, että he luovat työllään perustaa uudelle tieteelle - kvanttimekaniikalle, jonka on määrä muuttaa maailmamme tuntemattomaan, ja että 2000-luvulla tiedemiehet olisivat lähellä luomista. kvanttitietokone.

Aluksi kvanttimekaniikka mahdollisti atomin rakenteen selittämisen ja auttoi ymmärtämään sen sisällä tapahtuvia prosesseja. Yleisesti ottaen alkemistien pitkäaikainen unelma muuttaa joidenkin alkuaineiden atomit toisten atomeiksi (kyllä, jopa kullaksi) on toteutunut. Ja Einsteinin kuuluisa kaava E=mc2 johti ydinenergian ja sen seurauksena atomipommin syntymiseen.

Viiden kubitin kvanttiprosessori IBM:ltä

Edelleen lisää. Einsteinin ja englantilaisen fyysikon Paul Diracin työn ansiosta 1900-luvun jälkipuoliskolla luotiin laser - myös kapeaan säteeseen kerätyn ultrapuhtaan valon kvanttilähde. Lasertutkimus on tuonut Nobel-palkinnon yli kymmenelle tutkijalle, ja itse laserit ovat löytäneet käyttökohteensa lähes kaikilla ihmisen toiminnan aloilla – teollisista leikkureista ja laseraseista viivakoodiskannereihin ja näönkorjaukseen. Samoihin aikoihin tehtiin aktiivista tutkimusta puolijohteista - materiaaleista, joilla sähkövirran kulkua voidaan helposti ohjata. Niiden perusteella luotiin ensimmäiset transistorit - niistä tuli myöhemmin modernin elektroniikan päärakennuselementtejä, joita ilman emme voi enää kuvitella elämäämme.

Elektronisten tietokoneiden - tietokoneiden - kehitys on mahdollistanut monien ongelmien nopean ja tehokkaan ratkaisemisen. Ja niiden koon ja kustannusten asteittainen pienentäminen (massatuotannon vuoksi) tasoitti tietä tietokoneille jokaiseen kotiin. Internetin myötä riippuvuutemme tietokonejärjestelmistä, myös viestinnästä, on vahvistunut entisestään.

Richard Feynman

Riippuvuus kasvaa, laskentateho kasvaa jatkuvasti, mutta on tullut aika myöntää, että vaikuttavasta kyvystään huolimatta tietokoneet eivät ole pystyneet ratkaisemaan kaikkia niitä ongelmia, joita olemme valmiita asettamaan niiden eteen. Kuuluisa fyysikko Richard Feynman oli yksi ensimmäisistä, jotka puhuivat tästä: vuonna 1981 hän totesi konferenssissa, että todellisen fyysisen järjestelmän tarkka laskeminen tavallisissa tietokoneissa oli pohjimmiltaan mahdotonta. Kyse on sen kvanttiluonteesta! Mikroskaalan vaikutukset selitetään helposti kvanttimekaniikalla ja erittäin huonosti klassisella mekaniikalla, johon olemme tottuneet: se kuvaa suurten esineiden käyttäytymistä. Silloin Feynman ehdotti vaihtoehtona kvanttitietokoneiden käyttöä fyysisten järjestelmien laskemiseen.

Mikä on kvanttitietokone ja miten se eroaa tietokoneista, joihin olemme tottuneet? Kaikki riippuu siitä, kuinka esitämme tiedot.

Jos tavanomaisissa tietokoneissa bitit - nollat ​​ja ykköset - ovat vastuussa tästä toiminnosta, niin kvanttitietokoneissa ne korvataan kvanttibiteillä (lyhennettynä qubits). Itse kubitti on melko yksinkertainen asia. Sillä on edelleen kaksi perusarvoa (tai tilaa, kuten kvanttimekaniikka haluaa sanoa), jotka se voi ottaa: 0 ja 1. Kuitenkin kvanttiobjektien "superpositioksi" kutsutun ominaisuuden ansiosta kubitti voi ottaa kaikki arvot jotka ovat yhdistelmä perustekijöitä. Lisäksi sen kvanttiluonteensa ansiosta se voi olla kaikissa näissä tiloissa samanaikaisesti.

Tämä on kvanttilaskennan rinnakkaisuus kubittien kanssa. Kaikki tapahtuu kerralla - ei enää tarvitse käydä läpi kaikkia mahdollisia järjestelmän tilojen vaihtoehtoja, ja juuri tämän tekee tavallinen tietokone. Haku suurista tietokannoista, optimaalisen reitin laatiminen, uusien lääkkeiden kehittäminen ovat vain muutamia esimerkkejä ongelmista, jotka voidaan ratkaista monta kertaa nopeammin kvanttialgoritmeilla. Nämä ovat tehtäviä, joissa oikean vastauksen löytämiseksi sinun on käytävä läpi valtava määrä vaihtoehtoja.

Lisäksi järjestelmän tarkan tilan kuvaamiseen ei enää tarvita valtavaa laskentatehoa ja RAM-määriä, koska 100 hiukkasen järjestelmän laskemiseen riittää 100 kubittia, ei biljoonaa biljoonaa bittiä. Lisäksi, kun hiukkasten lukumäärä kasvaa (kuten todellisissa monimutkaisissa järjestelmissä), tämä ero tulee vieläkin merkittävämmäksi.

Yksi luettelointiongelmista erottui ilmeisestä hyödyttömyydestään - suurten lukujen hajottaminen alkutekijöiksi (eli jaollisiksi vain itsellään ja yhdellä). Tätä kutsutaan "faktorointiksi". Tosiasia on, että tavalliset tietokoneet voivat kertoa numerot melko nopeasti, jopa erittäin suuret. Perinteiset tietokoneet selviävät kuitenkin erittäin huonosti käänteisongelmasta, joka liittyy suuren luvun hajottamiseen, joka johtuu kertomalla kaksi alkulukua niiden alkuperäisiksi tekijöiksi. Jos esimerkiksi 256 numeroa lasketaan kahdeksi tekijäksi, tehokkainkin tietokone tarvitsee yli tusina vuotta. Mutta kvanttialgoritmin, joka voi ratkaista tämän ongelman muutamassa minuutissa, keksi vuonna 1997 englantilainen matemaatikko Peter Shor.

Shorin algoritmin käyttöönoton myötä tiedeyhteisö kohtasi vakavan ongelman. 1970-luvun lopulla salaustutkijat loivat tekijöiden jakamisongelman monimutkaisuuden perusteella tiedon salausalgoritmin, josta on tullut laajalle levinnyt. Erityisesti tämän algoritmin avulla he alkoivat suojata Internetissä olevia tietoja - salasanoja, henkilökohtaista kirjeenvaihtoa, pankki- ja rahoitustapahtumia. Ja monien vuosien onnistuneen käytön jälkeen yhtäkkiä kävi ilmi, että tällä tavalla salatusta tiedosta tulee helppo kohde Shorin algoritmille, joka toimii kvanttitietokoneessa. Salauksen purkamisesta sen avulla tulee muutama minuutti. Yksi asia oli hyvä: kvanttitietokonetta, jolla tappavaa algoritmia voitiin ajaa, ei ollut vielä luotu.

Samaan aikaan ympäri maailmaa kymmenet tieteelliset ryhmät ja laboratoriot alkoivat tehdä kokeellisia tutkimuksia kubiteista ja mahdollisuuksista luoda niistä kvanttitietokone. Loppujen lopuksi kubitin teoreettinen keksiminen on eri asia ja sen toteuttaminen todellisuudessa. Tätä varten täytyi löytää sopiva fyysinen järjestelmä kahdella kvanttitasolla, joita voidaan käyttää kubitin perustiloina - nolla ja yksi. Feynman itse ehdotti uraauurtavassa artikkelissaan eri suuntiin kierrettyjen fotonien käyttöä näihin tarkoituksiin, mutta ensimmäiset kokeellisesti luodut kubitit olivat ioneja, jotka vangittiin erityisiin ansoihin vuonna 1995. Ioneja seurasivat monet muut fyysiset toteutukset: atomiytimet, elektronit, fotonit, kidevirheet, suprajohtavat piirit - ne kaikki täyttivät vaatimukset.

Tällä monimuotoisuudella oli puolensa. Kiihkeän kilpailun ohjaamana useat tieteelliset ryhmät loivat yhä edistyneempiä kubitteja ja rakensivat niistä yhä monimutkaisempia piirejä. Kubiteille oli kaksi tärkeintä kilpailuparametria: niiden käyttöikä ja niiden kubittien määrä, jotka voidaan saada toimimaan yhdessä.

Keinotekoisten kvanttijärjestelmien laboratorion työntekijät

Kubittien elinikä määritti, kuinka kauan hauras kvanttitila säilyi niissä. Tämä puolestaan ​​määritti, kuinka monta laskentaoperaatiota kubitille voitiin suorittaa ennen kuin se "kuoli".

Kvanttialgoritmien tehokkaaseen toimintaan ei tarvittu yhtä kubittia, vaan vähintään sata ja yhdessä toimimista. Ongelmana oli, että kubitit eivät todellakaan pitäneet vierekkäisyydestä ja protestoivat lyhentämällä dramaattisesti elinikää. Tämän kubittien yhteensopimattomuuden kiertämiseksi tutkijoiden oli turvauduttava kaikenlaisiin temppuihin. Ja kuitenkin tähän mennessä tiedemiehet ovat onnistuneet saamaan enintään yhden tai kaksi tusinaa kubittia työskentelemään yhdessä.

Joten kryptografien iloksi kvanttitietokone on edelleen tulevaisuuden asia. Vaikka se ei ole ollenkaan niin kaukana miltä se joskus näytti, sillä niin suurimmat yhtiöt kuten Intel, IBM ja Google sekä yksittäiset osavaltiot, joille kvanttitietokoneen luominen on strategisesti tärkeä asia, ovat aktiivisesti mukana sen luomisessa.

Älä missaa luentoa: