Komputer kuantum. Mesin pengkomputeran kuantum

Komputer kuantum menjanjikan kelajuan pemprosesan data yang besar di dunia, tetapi membangunkan contoh "bukan klasik" yang paling mudah sekalipun tidaklah begitu mudah. Para saintis Yale mengambil satu lagi langkah ke arah masa depan: mereka berjaya mencipta pemproses kuantum keadaan pepejal dua qubit dan menunjukkan bahawa ia mampu bekerja dengan algoritma kuantum yang paling mudah.

Sifat kuantum zarah boleh mencapai hasil yang mengagumkan, tetapi sukar untuk mencipta analog kuantum peranti silikon daripada bahan biasa.

Biar saya jelaskan. Dalam komputer klasik, maklumat disulitkan dalam bentuk 0 dan 1 (ya/tidak, hidup/mati). Setiap bit memori boleh mengambil salah satu daripada dua nilai ini. Gabungan dua bit boleh mengambil empat nilai: 00, 11, 01 atau 10.

Dalam kes bit kuantum (qubit), disebabkan oleh prinsip superposisi kuantum, satu sel boleh mengandungi kedua-dua 0 dan 1, serta gabungannya (00, 11, 01 dan 10 pada masa yang sama) (kami bercakap mengenai perkara ini dengan lebih terperinci). Atas sebab inilah sistem kuantum boleh berfungsi dengan lebih pantas dan dengan jumlah maklumat yang lebih besar.

Di samping itu, qubit boleh terjerat: apabila keadaan kuantum satu qubit hanya boleh diterangkan berhubung dengan keadaan qubit yang lain (dalam sistem keadaan pepejal, keterjeratan kuantum pertama kali direalisasikan dalam berlian). Sifat sistem kuantum ini digunakan untuk pemprosesan maklumat.

Ahli fizik yang diketuai oleh Leonardo DiCarlo dari Pusat Yale untuk Kuantum dan Fizik Maklumat telah berjaya mencipta pemproses keadaan pepejal kuantum buat kali pertama.

Akhirnya, pemproses kuantum telah menjadi serupa dengan cip komputer biasa (foto oleh Blake Johnson/Yale University).

Sebelum ini, untuk menjalankan operasi dengan qubit adalah perlu untuk menggunakan laser, resonans magnetik nuklear dan perangkap ion, penulis menulis dalam artikel mereka yang diterbitkan dalam jurnal Nature (pracetaknya juga boleh didapati di laman web arXiv.org).

Tetapi untuk membawa kemunculan komputer kuantum sebenar lebih dekat, adalah perlu untuk mencipta mesin yang lebih mudah yang kurang sensitif terhadap turun naik dalam keadaan luaran. Ini bermakna adalah dinasihatkan untuk membuat salah satu bahagian kerja utama (pemproses) daripada bahan pepejal klasik.

DiCarlo dan rakan-rakannya melakukan perkara itu. Mereka membina peranti yang beroperasi dengan dua qubit transmon. Transmon ialah dua serpihan superkonduktor yang disambungkan oleh hubungan terowong.

Dalam kes ini, pemproses adalah filem bahan superkonduktor (ia mengandungi niobium), didepositkan pada substrat korundum (aluminium oksida). Alur terukir ke permukaan dan arus boleh terowong melaluinya (sekali lagi disebabkan oleh kesan kuantum).

Dua daripada qubit ini (mewakili berbilion-bilion atom aluminium dalam keadaan kuantum yang sama dan bertindak sebagai satu unit) dalam cip baharu dipisahkan oleh rongga, iaitu sejenis "bas kuantum."

"Eksperimen kami sebelum ini menunjukkan bahawa dua atom buatan boleh disambungkan oleh bas resonans, yang merupakan pemancar gelombang mikro," kata salah seorang pengarang karya itu, Robert Schoelkopf.

Apa yang sangat penting ialah untuk mencipta pemproses, saintis menggunakan teknologi standard yang digunakan dalam industri moden.

Satu-satunya kelemahan cip baharu ialah suhu operasi yang rendah. Untuk mengekalkan superkonduktiviti, peranti mesti disejukkan. Ini dilakukan oleh sistem khas yang mengekalkan suhu di sekelilingnya tepat di atas sifar mutlak (mengikut susunan beberapa perseribu kelvin).

Gambar rajah peranti dua qubit dari Yale ditindih pada gambar pemproses. Sisipan di bawah menunjukkan transmon (ilustrasi oleh Alam Semula Jadi).

Qubit ini boleh berada dalam keadaan kuantum kuantum (yang dicapai menggunakan gelombang mikro dengan frekuensi tertentu). Berapa lama keadaan ini bertahan ditentukan oleh nadi voltan.

Para saintis telah mencapai tempoh penyimpanan satu mikrosaat (dalam beberapa kes walaupun tiga mikrosaat), yang masih menjadi had. Tetapi hanya sepuluh tahun yang lalu nilai ini tidak melebihi nanosaat, iaitu, ia seribu kali kurang.

Ambil perhatian bahawa lebih lama jalinan berlangsung, lebih baik untuk komputer kuantum, kerana qubit "tahan lama" boleh menyelesaikan masalah yang lebih kompleks.

Dalam kes ini, untuk melaksanakan dua tugas yang berbeza, pemproses menggunakan algoritma kuantum algoritma Grover dan algoritma Deutsch-Jozsa. Pemproses memberikan jawapan yang betul dalam 80% kes (menggunakan algoritma pertama) dan dalam 90% kes ( dengan yang kedua algoritma).

Ngomong-ngomong, membaca keputusan (keadaan qubit) juga berlaku menggunakan gelombang mikro: jika frekuensi ayunan sepadan dengan yang ada dalam rongga, maka isyarat melaluinya.

"Kekerapan resonan rongga bergantung pada keadaan qubit itu. Jika sinaran yang dihantar melaluinya, maka ia berada dalam keadaan "betul", kata DiCarlo.

Kerja oleh ahli fizik dari Yale (serta saintis dari universiti Kanada Waterloo dan Sherbrooke dan Universiti Teknikal Vienna) tidak diragukan lagi unik, tetapi teknologi bacaan yang digunakan mungkin gagal dalam sistem yang lebih kompleks dengan bilangan qubit yang besar.

DiCarlo percaya bahawa pemproses 3-4-qubit (berdasarkan perkembangan ini) akan dibuat tidak lama lagi, tetapi untuk mengambil langkah seterusnya (meningkatkan bilangan qubit kepada 10), adalah perlu untuk membuat kejayaan yang sama pentingnya.

“Pemproses kami pada masa ini hanya boleh melakukan beberapa operasi mudah. Tetapi ia mempunyai satu kelebihan penting - ia sepenuhnya elektronik dan lebih serupa dengan mikropemproses konvensional daripada semua perkembangan sebelumnya, "kata Schölkopf dalam kenyataan akhbar dari universiti.

Geordie Rose, ketua pegawai teknologi D-Wave Systems, menunjukkan komputer kuantum terbaharu yang dibina oleh syarikatnya (foto NY Times).

Tidak jelas bagaimana pencapaian baharu itu berkaitan dengan produk syarikat

Kemanusiaan, seperti 60 tahun yang lalu, sekali lagi di ambang kejayaan besar dalam bidang teknologi pengkomputeran. Tidak lama lagi, mesin pengkomputeran hari ini akan digantikan oleh komputer kuantum.

Sejauh mana kemajuan telah dicapai?

Pada tahun 1965, Gordon Moore berkata bahawa dalam setahun bilangan transistor yang sesuai pada mikrocip silikon berganda. Kadar kemajuan ini telah perlahan baru-baru ini, dan penggandaan berlaku kurang kerap - sekali setiap dua tahun. Malah kadar ini akan membolehkan transistor mencapai saiz atom dalam masa terdekat. Seterusnya adalah garisan yang tidak boleh dilalui. Dari sudut pandangan struktur fizikal transistor, ia tidak boleh sama sekali lebih kecil daripada kuantiti atom. Meningkatkan saiz cip tidak menyelesaikan masalah. Operasi transistor dikaitkan dengan pembebasan tenaga haba, dan pemproses memerlukan sistem penyejukan berkualiti tinggi. Seni bina berbilang teras juga tidak menyelesaikan isu pertumbuhan selanjutnya. Mencapai kemuncak dalam pembangunan teknologi pemproses moden akan berlaku tidak lama lagi.
Pembangun memahami masalah ini pada masa pengguna baru mula mempunyai komputer peribadi. Pada tahun 1980, salah seorang pengasas sains maklumat kuantum, profesor Soviet Yuri Manin, merumuskan idea pengkomputeran kuantum. Setahun kemudian, Richard Feyman mencadangkan model pertama komputer dengan pemproses kuantum. Asas teori tentang bagaimana komputer kuantum sepatutnya dirumuskan oleh Paul Benioff.

Bagaimana komputer kuantum berfungsi

Untuk memahami cara pemproses baharu berfungsi, anda mesti mempunyai sekurang-kurangnya pengetahuan cetek tentang prinsip mekanik kuantum. Tidak ada gunanya memberikan susun atur dan formula matematik di sini. Cukuplah untuk orang biasa membiasakan diri dengan tiga ciri tersendiri mekanik kuantum:

Keadaan atau kedudukan zarah ditentukan hanya dengan beberapa darjah kebarangkalian.
Jika zarah boleh mempunyai beberapa keadaan, maka ia berada dalam semua keadaan yang mungkin sekaligus. Ini adalah prinsip superposisi.
Proses mengukur keadaan zarah membawa kepada hilangnya superposisi. Ia adalah ciri bahawa pengetahuan tentang keadaan zarah yang diperolehi oleh pengukuran berbeza daripada keadaan sebenar zarah sebelum pengukuran.

Dari sudut akal - karut lengkap. Dalam dunia biasa kita, prinsip-prinsip ini boleh diwakili seperti berikut: pintu ke bilik ditutup, dan pada masa yang sama terbuka. Ditutup dan dibuka pada masa yang sama.

Ini adalah perbezaan yang ketara antara pengiraan. Pemproses konvensional beroperasi dalam kod binari. Bit komputer hanya boleh berada dalam satu keadaan - mempunyai nilai logik 0 atau 1. Komputer kuantum beroperasi dengan qubit, yang boleh mempunyai nilai logik 0, 1, 0 dan 1 sekaligus. Untuk menyelesaikan masalah tertentu, mereka akan mempunyai kelebihan berjuta-juta dolar berbanding mesin pengkomputeran tradisional. Hari ini sudah terdapat berpuluh-puluh penerangan tentang algoritma kerja. Pengaturcara mencipta kod program khas yang boleh berfungsi mengikut prinsip pengiraan baharu.

Di manakah komputer baharu itu akan digunakan?

Pendekatan baharu kepada proses pengkomputeran membolehkan anda bekerja dengan sejumlah besar data dan melaksanakan operasi pengiraan segera. Dengan kemunculan komputer pertama, sesetengah orang, termasuk pegawai kerajaan, mempunyai keraguan yang besar mengenai penggunaannya dalam ekonomi negara. Masih terdapat orang hari ini yang penuh keraguan tentang kepentingan komputer generasi baru yang asasnya. Untuk masa yang sangat lama, jurnal teknikal enggan menerbitkan artikel mengenai pengkomputeran kuantum, memandangkan kawasan ini merupakan muslihat penipuan yang biasa untuk menipu pelabur.

Kaedah pengkomputeran baharu akan mewujudkan prasyarat untuk penemuan saintifik yang hebat dalam semua industri. Perubatan akan menyelesaikan banyak masalah yang bermasalah, yang mana agak banyak telah terkumpul baru-baru ini. Ia akan menjadi mungkin untuk mendiagnosis kanser pada peringkat awal penyakit berbanding sekarang. Industri kimia akan dapat mensintesis produk dengan sifat unik.

Satu kejayaan dalam angkasawan tidak akan lama lagi. Penerbangan ke planet lain akan menjadi seperti biasa seperti perjalanan harian di sekitar bandar. Potensi yang wujud dalam pengkomputeran kuantum pastinya akan mengubah planet kita di luar pengiktirafan.

Satu lagi ciri tersendiri yang dimiliki oleh komputer kuantum ialah keupayaan pengkomputeran kuantum untuk mencari kod atau sifir yang dikehendaki dengan cepat. Komputer biasa melaksanakan penyelesaian pengoptimuman matematik secara berurutan, mencuba satu demi satu pilihan. Pesaing kuantum berfungsi dengan keseluruhan susunan data sekali gus, memilih pilihan yang paling sesuai pada kelajuan kilat dalam masa yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Urus niaga bank akan dinyahsulit dalam sekelip mata, yang tidak boleh diakses oleh komputer moden.

Walau bagaimanapun, sektor perbankan tidak perlu bimbang - rahsianya akan disimpan oleh kaedah penyulitan kuantum dengan paradoks pengukuran. Apabila anda cuba membuka kod, isyarat yang dihantar akan diherotkan. Maklumat yang diterima tidak akan masuk akal. Perkhidmatan rahsia, yang mana pengintipan adalah amalan biasa, berminat dengan kemungkinan pengkomputeran kuantum.

Kesukaran reka bentuk

Kesukarannya terletak pada mewujudkan keadaan di mana bit kuantum boleh kekal dalam keadaan superposisi selama-lamanya.

Setiap qubit ialah mikropemproses yang beroperasi pada prinsip superkonduktiviti dan undang-undang mekanik kuantum.

Beberapa keadaan persekitaran yang unik dicipta di sekeliling unsur mikroskopik mesin logik:

suhu 0.02 darjah Kelvin (-269.98 Celsius);
sistem perlindungan terhadap sinaran magnetik dan elektrik (mengurangkan kesan faktor-faktor ini sebanyak 50 ribu kali);
penyingkiran haba dan sistem redaman getaran;
jarang udara adalah 100 bilion kali lebih rendah daripada tekanan atmosfera.

Sisihan sedikit dalam persekitaran menyebabkan qubit kehilangan keadaan superposisi serta-merta, mengakibatkan pincang tugas.

Mendahului seluruh planet ini

Semua perkara di atas boleh dikaitkan dengan kreativiti minda panas seorang penulis cerita fiksyen sains jika Google, bersama-sama dengan NASA, tidak membeli komputer kuantum D-Wave tahun lepas daripada sebuah syarikat penyelidikan Kanada, yang mana pemprosesnya mengandungi 512 qubit.

Dengan bantuannya, peneraju dalam pasaran teknologi komputer akan menyelesaikan isu pembelajaran mesin dalam menyusun dan menganalisis sejumlah besar data.

Snowden, yang meninggalkan Amerika Syarikat, juga membuat kenyataan mendedahkan penting - NSA juga merancang untuk membangunkan komputer kuantumnya sendiri.

2014 - permulaan era sistem D-Wave

Atlet Kanada yang berjaya Geordie Rose, selepas perjanjian dengan Google dan NASA, mula membina pemproses 1000-qubit. Model masa depan akan melebihi prototaip komersial pertama sekurang-kurangnya 300 ribu kali dalam kelajuan dan jumlah pengiraan. Komputer kuantum, yang digambarkan di bawah, ialah versi komersial pertama di dunia bagi teknologi pengkomputeran yang asasnya baharu.

Dia terdorong untuk melibatkan diri dalam pembangunan saintifik oleh kenalannya di universiti dengan karya Colin Williams mengenai pengkomputeran kuantum. Harus dikatakan bahawa Williams hari ini bekerja di perbadanan Rose sebagai pengurus projek perniagaan.

Terobosan atau penipuan saintifik

Rose sendiri tidak tahu sepenuhnya apa itu komputer kuantum. Dalam sepuluh tahun, pasukannya telah beralih daripada mencipta pemproses 2-qubit kepada idea komersial pertama hari ini.

Sejak awal penyelidikannya, Rose berusaha untuk mencipta pemproses dengan bilangan qubit minimum 1 ribu. Dan dia pastinya perlu mempunyai pilihan komersial - untuk menjual dan membuat wang.

Ramai, mengetahui ketaksuban dan kepintaran komersial Rose, cuba menuduhnya pemalsuan. Didakwa, pemproses yang paling biasa diluluskan sebagai kuantum. Ini juga difasilitasi oleh fakta bahawa teknologi baharu mempamerkan prestasi yang luar biasa apabila melakukan jenis pengiraan tertentu. Jika tidak, ia berkelakuan seperti komputer biasa, hanya sangat mahal.

Bilakah mereka akan muncul

Tidak lama lagi untuk menunggu. Kumpulan penyelidikan yang dianjurkan oleh pembeli bersama prototaip akan melaporkan hasil penyelidikan mengenai D-Wave dalam masa terdekat.
Mungkin masa akan datang tidak lama lagi di mana komputer kuantum akan merevolusikan pemahaman kita tentang dunia di sekeliling kita. Dan semua manusia pada masa ini akan mencapai tahap evolusi yang lebih tinggi.

MOSCOW, 12 September- Berita RIA. Beberapa bidang sains boleh mendakwa dipertandingkan dengan hangat seperti sains maklumat kuantum. Sesetengah saintis terlibat secara aktif dalam penyelidikan dan mencadangkan penyelesaian baru, yang lain secara berterusan cuba mencari kekurangan, membuktikan kemustahilan kewujudan komputer kuantum sejagat. Kelemahan PC moden adalah jelas - lambat laun saiz minimum kemungkinan transistor klasik akan dicapai, dan kemajuan akan berhenti di situ.

Asas komputer sedemikian adalah sedikit, objek yang boleh berada dalam dua keadaan yang saling eksklusif: sama ada "0" atau "1". Sedikit boleh berubah bergantung pada voltan transistor semikonduktor: jika ia lebih besar daripada nilai tertentu, maka keadaan bit adalah logik "1", dan jika ia kurang, maka logik "0". Memori komputer ialah susunan bit, dan semua pengiraan adalah operasi khusus yang mengubah keadaan bit.

Komputer kuantum menggunakan kaedah pengiraan yang berbeza secara asasnya berdasarkan qubit. Tidak seperti bit, ia boleh berada dalam dua keadaan logik pada masa yang sama.

Keadaan sistem kuantum ini dipanggil superposisi.
Kuasa pengkomputeran komputer kuantum meningkat berbanding litar transistor klasik kerana pelaksanaan lebih banyak operasi setiap unit masa.

Terdapat banyak pilihan untuk asas teknikal untuk mencipta qubit. Pilihan pertama ialah cincin superkonduktor mikroskopik, di mana keadaan logik bergantung pada arah arus sepanjang cincin (arus dalam sistem sedemikian boleh mengalir secara serentak mengikut arah jam dan lawan jam). Pilihan kedua ialah atom yang disejukkan kepada suhu beberapa kelvin (“0” dan “1” ialah keadaan tenaga yang berbeza bagi atom). Yang ketiga ialah perangkap ion.

Bilangan qubit hanyalah satu ciri komputer kuantum. Terdapat banyak parameter lain: berapa lama qubit boleh wujud, betapa mudahnya ia dikawal, adakah hasil pengiraan boleh dihasilkan semula, adakah sistem boleh diskalakan kepada saiz yang besar?

Komputer 51-qubit di Harvard mampu menyelesaikan hanya satu masalah-kajian fenomena tertentu dalam model kuantum banyak zarah. Untuk menyelesaikan masalah lain, anda perlu mengubah suai dengan ketara. Bilangan maksimum qubit yang boleh digunakan untuk membuat komputer kuantum boleh diprogram semula yang mampu menyelesaikan pelbagai masalah pada masa ini adalah 16. Syarikat yang menciptanya, IBM, berkata bahawa komputer itu telah digunakan untuk menjalankan 300,000 eksperimen dengan pengkomputeran kuantum oleh penggunanya. menggunakan perkhidmatan awan.

Jadi, ramalan skeptik yang percaya bahawa komputer kuantum tidak akan dapat berfungsi sama sekali tidak menjadi kenyataan. Sudah tentu, sistem sedia ada belum lagi universal, iaitu, mampu menyelesaikan sebarang masalah dan menunjukkan pecutan dalam beberapa masalah, yang tidak boleh diakses oleh komputer klasik, terima kasih kepada kesan kuantum.

Tetapi di sebalik keghairahan penganut komputer kuantum, yang kedua mempunyai kelemahan mereka. Pertama, keadaan kuantum sangat rapuh sehinggakan sebarang gangguan (mengukur keadaan sistem) boleh membawa kepada kemusnahan keadaan. Oleh itu, kebolehpercayaan pengiraan menjadi persoalan, dan adalah perlu untuk memasang sistem berasingan untuk menyemak operasinya. Kelemahan kedua ialah kemungkinan kehilangan maklumat.

Apabila terdapat dua (atau beberapa) qubit dalam keadaan kuantum yang sama, kebarangkalian kehilangan sedikit maklumat cenderung kepada sifar. Walau bagaimanapun, sebaliknya, untuk keadaan kuantum yang berbeza, interaksi berlaku di antara mereka, yang membawa kepada kehilangan satu bit. Sangat sukar untuk mencipta sistem kuantum yang besar, unsur-unsurnya akan berinteraksi dengan cukup baik antara satu sama lain dan pada masa yang sama akan dilindungi dengan cukup baik daripada persekitaran yang boleh memusnahkan superposisi qubit.

Para penyelidik mengakui bahawa pada masa ini, komputer kuantum tidak sesuai untuk pengguna biasa. Dan adakah harga komputer kuantum untuk kegunaan rumah adalah wajar? Adakah kuasa pengkomputerannya diperlukan untuk menonton filem dan menyokong Internet?

Pastinya komputer kuantum akan menggantikan superkomputer semasa dalam makmal penyelidikan dan akan menjadi sangat diperlukan untuk memodelkan proses fizikal yang kompleks. Tetapi adakah mereka akan menjadi pengganti untuk PC di rumah kita dan adakah penggantian ini wajar? Kita boleh mengandaikan bahawa kita akan mempunyai kacukan komputer kuantum dan klasik di rumah kita, tetapi tiada siapa yang boleh mengatakan dengan tepat bagaimana ini akan berlaku sekarang.

"Saya percaya bahawa penciptaan komputer kuantum akan membahagikan sejarah manusia kepada dua era: sebelum dan selepas. By the way, Rusia mempunyai peluang untuk bersaing dengan negara-negara yang paling maju dari segi teknologi dalam perlumbaan kuantum. Keupayaan kuantum komputer bukan sahaja akan membawa kepada lonjakan teknologi yang besar, tetapi juga akan memberikan jawapan kepada soalan asas. Jadi ini sebenarnya teknologi masa depan. Dan ia menghampiri lebih pantas daripada yang kelihatan," komen Alexey Fedorov, seorang penyelidik di Kuantum Rusia Pusat.

Sejarah pengkomputeran, yang kini kita panggil pelayan atau komputer, bermula berabad-abad yang lalu. Dengan peredaran masa dan perkembangan teknologi, komputer juga telah bertambah baik. Prestasi, kelajuan dan juga penampilan bertambah baik. Mana-mana komputer pada asasnya melaksanakan undang-undang tertentu sains semula jadi, seperti fizik dan kimia. Dengan mendalami mana-mana sains ini, penyelidik mencari cara baharu dan baharu untuk menambah baik sistem pengkomputeran. Hari ini kita akan melihat penyelidikan yang bertujuan untuk merealisasikan penggunaan foton dalam komputer kuantum. Pergi.

Asas teori

Frasa "komputer kuantum" tidak lagi mengejutkan, walaupun ia kelihatan seperti fiksyen sains. Walau bagaimanapun, tidak ada yang hebat mengenainya, sekurang-kurangnya dari sudut sastera. Komputer kuantum mengeksploitasi superposisi kuantum dan jalinan kuantum. Dalam istilah mudah, superposisi kuantum adalah fenomena apabila keadaan kuantum sistem adalah saling eksklusif. Jika kita tidak bercakap tentang zarah, tetapi tentang sesuatu yang "lebih besar," maka kita boleh menyebut kucing Schrödinger.

Sedikit tentang kucing Schrödinger

Eksperimen teori ini telah diterangkan oleh Schrödinger sendiri secara terperinci dan rumit, sedikit sebanyak. Versi ringkas kelihatan seperti ini:

Terdapat kotak keluli. Di dalam kotak terdapat kucing dan mekanisme. Mekanismenya ialah kaunter Geiger dengan jumlah bahan radioaktif yang sangat kecil. Bahan ini sangat kecil sehingga dalam 1 jam 1 atom boleh reput (atau mungkin tidak reput). Jika ini berlaku, tiub bacaan meter dilepaskan dan geganti diaktifkan, melepaskan tukul, yang tergantung di atas kelalang racun. Kelalang pecah dan racun membunuh kucing.

Ilustrasi eksperimen

Sekarang untuk penjelasan. Kami tidak melihat apa yang berlaku di dalam kotak; kami tidak boleh mempengaruhi proses walaupun dengan pemerhatian kami. Sehingga kita membuka kotak, kita tidak tahu sama ada kucing itu hidup atau mati. Oleh itu, membesar-besarkan, kita boleh mengatakan bahawa bagi kita kucing di dalam kotak berada dalam dua keadaan pada masa yang sama: ia hidup dan mati.

Eksperimen yang sangat menarik yang menolak sempadan fizik kuantum.

Lebih luar biasa ialah paradoks Wigner. Kepada semua pembolehubah eksperimen di atas ditambah beberapa rakan pembantu makmal yang menjalankan eksperimen ini. Apabila dia membuka kotak dan mengetahui keadaan sebenar kucing itu, rakannya, yang berada di tempat lain, tidak mengetahui keadaan ini. Yang pertama mesti memberitahu yang kedua bahawa kucing itu hidup atau mati. Oleh itu, sehingga semua orang di alam semesta mengetahui keadaan sebenar haiwan yang malang itu, ia akan dianggap sebagai mati dan hidup pada masa yang sama.

Bagi jalinan kuantum, keadaan dua atau lebih zarah bergantung antara satu sama lain. Iaitu, bercakap tentang foton yang sama, jika perubahan dalam putaran satu zarah membawa kepada ia menjadi positif, maka yang kedua secara automatik menjadi negatif, dan sebaliknya. Pada masa yang sama, dengan mengukur keadaan zarah pertama, kita serta-merta melucutkan zarah kedua keadaan kuantum kuantum.

Komputer kuantum beroperasi bukan dengan bit, tetapi dengan qubit, yang berbeza daripada yang pertama kerana ia boleh berada dalam dua keadaan serentak - 0 dan 1. Ini membolehkan maklumat diproses dengan lebih cepat.

Dengan foton semuanya lebih mudah sedikit. Foton ialah "zarah cahaya," untuk meletakkannya secara berlebihan. Definisi yang lebih saintifik ialah zarah asas sinaran elektromagnet yang mampu memindahkan interaksi elektromagnet.

tetapi sebaliknya

Foton adalah pembawa maklumat kuantum yang sangat baik, tetapi kekurangannya deterministik* interaksi foton-foton mengehadkan aplikasinya dalam komputer dan rangkaian kuantum.

Sistem penentu* Ini adalah sistem di mana proses saling berkait sedemikian rupa sehingga urutan sebab dan akibat dapat dikesan. Dalam erti kata lain, ini adalah sistem di mana data masuk (contohnya, tugas) sepadan sepenuhnya dengan data keluar (hasil penyelesaian).

Penyelidikan ini mungkin tidak berlaku sama sekali jika tidak kerana penemuan terbaru dalam bidang interaksi jirim cahaya melalui atom terperangkap neutral, yang memungkinkan untuk menggunakan tak linear optik* dalam mod foton tunggal.

Ketaklinearan optik* dijelaskan oleh tindak balas tak linear vektor polarisasi kepada vektor kekuatan medan elektrik gelombang cahaya. Ini boleh diperhatikan apabila menggunakan laser, kerana ia boleh menghasilkan pancaran keamatan cahaya yang tinggi.

Ketaklinearan optik menggunakan contoh penjanaan gelombang harmonik kedua

Teknik ini dikaitkan dengan masalah melaksanakan peranti dalam bentuk padat, kerana pelaksanaannya memerlukan sangat besar dan sangat sukar untuk mengkonfigurasi perangkap laser. Di samping itu, atom neutral beroperasi pada daya pemprosesan yang rendah.

Pilihan lain, yang juga telah ditangguhkan buat masa ini, adalah sistem berdasarkan elektrodinamik kuantum tak linear. Memandangkan sistem sedemikian beroperasi secara eksklusif dalam mod gelombang mikro, menukarnya kepada mod optik adalah sangat bermasalah.

Penyelidik lain memutuskan untuk menggali lebih mendalam, hampir secara literal. Penggunaan sistem nanofotonik, di mana foton berinteraksi dengan unsur nanometer (dalam kes ini, pemancar kuantum), adalah cara yang sangat menarik untuk melaksanakan ketaklinearan foton tunggal dalam peranti keadaan pepejal padat. Walau bagaimanapun, setakat ini eksperimen sedemikian telah menggunakan pemancar yang diwakili oleh sistem atom dua peringkat, dihadkan oleh pertukaran antara lebar jalur dan kependaman, yang menjadikan pelaksanaan suis nada tunggal mustahil.

Sebagai kesimpulan, semua kajian terdahulu mempunyai hasil positif tertentu, yang, malangnya, dikaitkan dengan masalah pelaksanaan atau interaksi sistem tertentu.

Asas Penyelidikan

Kajian ini menunjukkan suis dan transistor foton tunggal yang dilaksanakan dengan menggabungkan qubit kuantum keadaan pepejal dan resonator nanofotonik.

Salah satu elemen utama eksperimen ialah qubit putaran, yang terdiri daripada satu elektron dalam satu muatan titik kuantum*.

Titik Kuantum*(atau "atom buatan") ialah zarah semikonduktor. Oleh kerana saiznya yang sangat kecil, sifat optik dan elektroniknya sangat berbeza daripada zarah yang lebih besar.

Imej No. 1a

Dalam imej 1a menunjukkan struktur tahap titik kuantum, termasuk dua syarat asas* dengan putaran bertentangan, yang membentuk ingatan kuantum yang stabil. Negeri-negeri ini dilabelkan seperti berikut: |⟩ Dan |↓⟩ .

Keadaan asas*- dalam mekanik kuantum, ini adalah keadaan pegun, apabila tahap tenaga dan kuantiti lain tidak berubah, dengan tenaga paling rendah.

Negeri-negeri juga ditandakan pada imej keterujaan*, yang mengandungi sepasang elektron dan satu lubang* dengan belakang bertentangan. Mereka ditetapkan seperti berikut: |↓,⇑⟩ Dan |↓, ⇓⟩ .

Keterujaan*- menandakan peralihan sistem daripada keadaan asas kepada keadaan dengan tenaga yang lebih tinggi.

lubang*- quasiparticle, pembawa cas positif sama dengan cas asas dalam semikonduktor.

Imej #1b

Gambar 1b Ini ialah imej mikroskop elektron pengimbasan resonator nanofotonik yang direka. Melalui eksploitasi Kesan vogt* Sambungan bergantung kepada putaran diperoleh dengan menggunakan medan magnet (5.5 T) di sepanjang satah peranti.

Kesan vogt*- berlakunya pembiasan berganda gelombang elektromagnet semasa perambatannya dalam pepejal.

Dengan mengukur pemantulan terkutub silang, ia juga mungkin untuk menentukan kekuatan gandingan ( g ), kadar pereputan tenaga resonator nanofotonik ( Kepada ) dan peralihan dipol tak koheren ( y ):

g/2π=10.7±0.2 GHz
Kepada/2π=35.5±0.6 GHz
y/2π=3.5±0.3 GHz

Di mana g>k/4- keadaan yang menentukan bahawa peranti telah bertukar kepada mod sambungan yang kuat dan stabil.

Imej #1c

Dalam imej 1s(kiri atas) secara grafik menunjukkan prinsip pengendalian suis dan transistor foton tunggal. Seperti yang dapat kita lihat, jika nadi gerbang tidak mengandungi foton, maka putaran kekal dalam kedudukan "bawah". Jika satu foton hadir, maka putaran pergi ke kedudukan "naik". Akibatnya, keadaan putaran mengawal pemantulan resonator nanofotonik, dengan itu mengubah polarisasi foton isyarat yang dipantulkan.

Seluruh jujukan nadi ditunjukkan dalam imej 1s(bawah). Sekarang mari kita pergi ke sedikit lebih terperinci tentang setiap langkah.

Pada permulaannya terdapat titik kuantum dalam superposisi keadaan putaran tanahnya. Dikira menggunakan formula (|⟩ + |↓⟩)/√2 . Ini dicapai dengan menggunakan nadi permulaan untuk mengepam putaran secara optikal, yang meletakkannya dalam keadaan "turun".
Seterusnya, nadi putaran optik digunakan, mewujudkan putaran putaran π/2.
Dalam beberapa waktu ( τ ) sistem berkembang dengan bebas.
Jika masa ini ditetapkan sebagai integer + separuh tempoh perarakan putaran, maka jika tiada foton gerbang putaran akan masuk ke keadaan (|⟩ - |↓⟩)/√2 , dan nadi putaran kedua akan membawa putaran kembali ke keadaan "bawah". Jika foton get dipantulkan daripada resonator, maka ia membentuk anjakan fasa π relatif antara keadaan "atas" dan "bawah", yang mencerminkan putaran sepanjang ( x) Sfera bloch*. Oleh itu, impuls putaran kedua akan memindahkan putaran ke keadaan "naik".
Satu lagi nadi putaran digunakan, sama dengan yang pertama.
Nadi get dimasukkan di antara dua denyutan ini.

Bloch Sphere*- dalam mekanik kuantum ia digunakan sebagai cara untuk mewakili secara geometri ruang keadaan qubit.

Pada akhir proses, medan isyarat dipantulkan dari resonator dan mengalami putaran polarisasi, yang secara langsung bergantung pada keadaan putaran.

Imej No. 2a

Graf di atas menunjukkan ketransmisian medan isyarat yang melalui polarizer sebagai fungsi (τ) tanpa ketiadaan nadi get.

Kontras penghantaran ditentukan oleh formula: δ = T naik- T turun

Di mana T naik dan T turun- pekali penghantaran medan isyarat pada saat putaran beralih ke keadaan "atas" ( naik) dan "turun" ( turun) menggunakan dua denyutan putaran sepadan dengan nilai maksimum dan minimum pemancaran dalam ayunan.

Nilai malar δ = 0.24 ± 0.01. Ia sangat berbeza daripada yang ideal kerana keadaan putaran yang tidak tepat F = 0.78 ± 0.01 dan disebabkan oleh kerjasama terhad C = 2 g 2 / ky= 1.96 ± 0.19.

Imej #2b

Jadual 2b menunjukkan kes di mana nadi 63-ps digunakan, mengandungi kira-kira 0.21 foton setiap nadi yang digabungkan dengan rongga. Untuk mengesahkan bahawa satu foton mengawal pemancaran, pengukuran kebetulan dua foton telah diambil di antara gerbang dan foton isyarat.

Titik hijau ialah penghantaran isyarat yang diukur kerana pengesanan foton get terpantul sebagai fungsi ( τ ).

Garisan hijau - surat-menyurat berangka kepada model yang dipaparkan pada graf 2a.

Garis menegak pada carta 2a Dan 2b ini adalah sebutan untuk keadaan apabila putaran mengalami bilangan putaran separuh integer di sekeliling sfera Bloch semasa tempoh pembangunan bebas. Dalam keadaan sedemikian, foton get menyebabkan polarisasi medan isyarat berputar dan dialihkan melalui polarizer.

Garis menegak (b) pada carta 2a Dan 2b Ini ialah paparan keadaan operasi kedua di mana operasi pensuisan boleh dilakukan. Dalam penjelmaan ini, tingkah laku pensuisan terbalik diperhatikan di mana foton get menghalang medan isyarat daripada berputar, dengan itu mengurangkan penghantaran.

Dalam kedua-dua kes, nadi get menyebabkan perubahan dalam penghantaran isyarat sebanyak 0.21 ± 0.02. Untuk mempertimbangkan ideal foton get, angka ini mestilah sama dengan 0.24, seperti yang ditentukan dalam pengiraan yang ditunjukkan dalam graf 2a. Dalam kes percubaan sebenar, prestasi lebih teruk disebabkan penggunaan dilemahkan(ayunan lembap) laser untuk mencipta denyutan get yang, walaupun tidak mungkin, boleh mengandungi beberapa foton.

Imej #2c

Graf di atas menggambarkan ketransmisian sebagai fungsi masa tunda ( τ ), apabila nilai purata foton isyarat setiap nadi ditetapkan kepada 4.4 ± 0.5 (atas), 10.9 ± 1.2 (tengah), 23.0 ± 2.5 (bawah).

Titik hijau ialah penghantaran disebabkan oleh pengesanan foton get.

Petak jingga - penghantaran tanpa nadi get.

Garis hijau dan oren - korespondensi berangka kepada model teori daripada graf 2a Dan 2b.

Dalam semua kes, tingkah laku bertukar diperhatikan dengan jelas.

Menukar pengiraan kontras ( ξ ) memberikan keputusan berikut: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 dan 0.12 ± 0.02, mengikut setiap graf.

Masalah utama dengan menukar kontras ialah ia berkurangan apabila bilangan foton isyarat meningkat. Ini disebabkan oleh fakta bahawa setiap foton isyarat boleh mempengaruhi putaran secara songsang melalui hamburan cahaya Raman ( Kesan Raman*). Ini menetapkan semula keadaan memori kuantum dalaman.

Kesan Raman*- penyebaran sinaran optik yang tidak anjal apabila zarah berlanggar, yang membawa kepada perubahan dalam keadaannya, pembentukan zarah baru, transformasi kepada yang lain atau kelahiran zarah baru.

Imej #3

Pada carta 3a Titik biru menunjukkan kontras penghantaran yang diukur apabila tiada nadi get sebagai fungsi purata bilangan foton dalam medan isyarat. Ini ialah ukuran tahap pensuisan diri yang dicetuskan oleh isyarat bukan gerbang. Garis biru menunjukkan kesesuaian berangka data dengan fungsi eksponen borang exp(-N s/N purata) , Di mana N purata ini ialah purata bilangan foton isyarat yang diperlukan untuk menukar kedudukan putaran. Pengiraan menunjukkan bahawa N purata = 27.7 ± 8.3.

Satu lagi sifat penting transistor ialah pekali penghantaran ( G ). Jadual 2b(titik biru) menunjukkan pertumbuhan penunjuk ini. Para penyelidik berjaya mencapai G = 3.3 ± 0.4 dengan bilangan foton N s = 29.2 ± 3.2.

Calon Sains Fizikal dan Matematik L. FEDICHKIN (Institut Fizikal dan Teknologi Akademi Sains Rusia.

Menggunakan undang-undang mekanik kuantum, adalah mungkin untuk mencipta jenis komputer yang pada asasnya baru yang akan membolehkan menyelesaikan beberapa masalah yang tidak boleh diakses walaupun oleh superkomputer moden yang paling berkuasa. Kelajuan banyak pengiraan kompleks akan meningkat dengan mendadak; mesej yang dihantar melalui talian komunikasi kuantum adalah mustahil untuk memintas atau menyalin. Hari ini, prototaip komputer kuantum masa hadapan ini telah pun dibuat.

Ahli matematik dan fizik Amerika asal Hungary Johann von Neumann (1903-1957).

Ahli fizik teori Amerika Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Ahli matematik Amerika Peter Shor, pakar dalam bidang pengkomputeran kuantum. Beliau mencadangkan algoritma kuantum untuk pemfaktoran pantas nombor besar.

Bit kuantum, atau qubit. Keadaan sepadan, sebagai contoh, dengan arah putaran nukleus atom ke atas atau ke bawah.

Daftar kuantum ialah rantaian bit kuantum. Gerbang kuantum satu atau dua qubit melakukan operasi logik pada qubit.

PENGENALAN, ATAU SEDIKIT TENTANG PERLINDUNGAN MAKLUMAT

Apakah program yang anda fikir telah menjual paling banyak lesen di dunia? Saya tidak akan mengambil risiko menegaskan bahawa saya tahu jawapan yang betul, tetapi saya pasti tahu satu yang salah: ini Tidak mana-mana versi Microsoft Windows. Sistem pengendalian yang paling biasa mendahului produk sederhana daripada RSA Data Security, Inc. - program yang melaksanakan algoritma penyulitan kunci awam RSA, dinamakan sempena pengarangnya - ahli matematik Amerika Rivest, Shamir dan Adelman.

Hakikatnya ialah algoritma RSA terbina dalam kebanyakan sistem pengendalian komersil, serta banyak aplikasi lain yang digunakan dalam pelbagai peranti - daripada kad pintar ke telefon bimbit. Khususnya, ia juga tersedia dalam Microsoft Windows, yang bermaksud ia pastinya lebih meluas daripada sistem pengendalian popular ini. Untuk mengesan kesan RSA, sebagai contoh, dalam pelayar Internet Explorer (program untuk melihat halaman www di Internet), cuma buka menu "Bantuan", masukkan submenu "Perihal Internet Explorer" dan lihat senarai produk terpakai dari syarikat lain. Satu lagi pelayar biasa, Netscape Navigator, juga menggunakan algoritma RSA. Secara umum, sukar untuk mencari syarikat terkenal yang bekerja dalam bidang teknologi tinggi yang tidak akan membeli lesen untuk program ini. Hari ini, RSA Data Security, Inc. telah menjual lebih daripada 450 juta(!) lesen.

Mengapakah algoritma RSA begitu penting?

Bayangkan anda perlu cepat bertukar mesej dengan orang yang jauh. Terima kasih kepada perkembangan Internet, pertukaran sedemikian telah tersedia kepada kebanyakan orang hari ini - anda hanya perlu mempunyai komputer dengan modem atau kad rangkaian. Sememangnya, apabila bertukar maklumat melalui rangkaian, anda ingin merahsiakan mesej anda daripada orang yang tidak dikenali. Walau bagaimanapun, adalah mustahil untuk melindungi sepenuhnya talian komunikasi yang panjang daripada mencuri dengar. Ini bermakna apabila mesej dihantar, ia mesti disulitkan, dan apabila diterima, ia mesti dinyahsulit. Tetapi bagaimana anda dan rakan bicara anda boleh bersetuju dengan kunci yang akan anda gunakan? Jika anda menghantar kunci kepada sifir melalui baris yang sama, penyerang yang mencuri dengar boleh memintasnya dengan mudah. Anda boleh, sudah tentu, menghantar kunci melalui beberapa talian komunikasi lain, sebagai contoh, menghantarnya melalui telegram. Tetapi kaedah ini biasanya menyusahkan dan, lebih-lebih lagi, tidak selalu boleh dipercayai: baris lain juga boleh ditoreh. Adalah baik jika anda dan penerima anda mengetahui lebih awal bahawa anda akan bertukar-tukar penyulitan, dan oleh itu saling memberi kunci lebih awal. Tetapi bagaimana jika, sebagai contoh, anda ingin menghantar tawaran komersial sulit kepada rakan kongsi perniagaan yang mungkin atau membeli produk yang anda suka di kedai dalam talian baharu menggunakan kad kredit?

Pada tahun 1970-an, untuk menyelesaikan masalah ini, sistem penyulitan telah dicadangkan yang menggunakan dua jenis kunci untuk mesej yang sama: awam (tidak memerlukan rahsia) dan peribadi (secara rahsia). Kunci awam digunakan untuk menyulitkan mesej, dan kunci peribadi digunakan untuk menyahsulitnya. Anda menghantar kepada wartawan anda kunci awam, dan dia menggunakannya untuk menyulitkan mesejnya. Semua penyerang yang telah memintas kunci awam boleh lakukan ialah menyulitkan e-melnya dengannya dan memajukannya kepada seseorang. Tetapi dia tidak akan dapat menguraikan surat-menyurat itu. Anda, mengetahui kunci peribadi (ia pada mulanya disimpan dengan anda), boleh membaca mesej yang ditujukan kepada anda dengan mudah. Untuk menyulitkan mesej balasan, anda akan menggunakan kunci awam yang dihantar oleh wartawan anda (dan dia akan menyimpan kunci peribadi yang sepadan untuk dirinya sendiri).

Ini betul-betul skema kriptografi yang digunakan dalam algoritma RSA, kaedah penyulitan kunci awam yang paling biasa. Selain itu, untuk mencipta sepasang kunci awam dan peribadi, hipotesis penting berikut digunakan. Jika terdapat dua yang besar (memerlukan lebih daripada seratus digit perpuluhan untuk ditulis) ringkas nombor M dan K, maka mencari produk mereka N=MK tidak akan sukar (anda tidak perlu mempunyai komputer untuk ini: orang yang agak berhati-hati dan sabar akan dapat mendarab nombor tersebut dengan pen dan kertas). Tetapi untuk menyelesaikan masalah songsang, iaitu, mengetahui sejumlah besar N, menguraikannya menjadi faktor perdana M dan K (yang dipanggil masalah pemfaktoran) - hampir mustahil! Inilah masalah yang akan dihadapi oleh penyerang jika dia memutuskan untuk "menggodam" algoritma RSA dan membaca maklumat yang disulitkan dengannya: untuk mengetahui kunci persendirian, mengetahui kunci awam, dia perlu mengira M atau K .

Untuk menguji kesahihan hipotesis tentang kerumitan praktikal pemfaktoran nombor besar, pertandingan khas telah dan masih diadakan. Penguraian hanya nombor 155 digit (512-bit) dianggap sebagai rekod. Pengiraan telah dijalankan secara selari pada banyak komputer selama tujuh bulan pada tahun 1999. Jika tugas ini dilakukan pada satu komputer peribadi moden, ia memerlukan lebih kurang 35 tahun masa komputer! Pengiraan menunjukkan bahawa menggunakan walaupun seribu stesen kerja moden dan algoritma pengkomputeran terbaik yang diketahui hari ini, satu nombor 250 digit boleh difaktorkan dalam kira-kira 800 ribu tahun, dan nombor 1000 digit dalam 10-25 (!) tahun. (Sebagai perbandingan, umur Alam Semesta ialah ~10 10 tahun.)

Oleh itu, algoritma kriptografi seperti RSA, beroperasi pada kekunci yang cukup panjang, dianggap benar-benar boleh dipercayai dan digunakan dalam banyak aplikasi. Dan semuanya baik-baik saja sehingga itu ... sehingga komputer kuantum muncul.

Ternyata dengan menggunakan undang-undang mekanik kuantum, adalah mungkin untuk membina komputer yang masalah pemfaktoran (dan banyak lagi!) tidak akan menjadi sukar. Dianggarkan bahawa komputer kuantum dengan hanya kira-kira 10 ribu bit kuantum memori boleh memfaktorkan nombor 1000 digit menjadi faktor perdana dalam beberapa jam sahaja!

BAGAIMANA SEMUANYA BERMULA?

Sehingga pertengahan 1990-an, teori komputer kuantum dan pengkomputeran kuantum ditubuhkan sebagai bidang sains baharu. Seperti yang sering berlaku dengan idea-idea yang hebat, sukar untuk menentukan pencetusnya. Nampaknya, ahli matematik Hungary J. von Neumann adalah orang pertama yang menarik perhatian kepada kemungkinan membangunkan logik kuantum. Walau bagaimanapun, pada masa itu, bukan sahaja kuantum, tetapi juga komputer klasik biasa masih belum dicipta. Dan dengan kemunculan yang terakhir, usaha utama saintis ditujukan terutamanya untuk mencari dan membangunkan elemen baru untuk mereka (transistor, dan kemudian litar bersepadu), dan bukan untuk mencipta peranti pengkomputeran yang berbeza secara asasnya.

Pada tahun 1960-an, ahli fizik Amerika R. Landauer, yang bekerja di IBM, cuba menarik perhatian dunia saintifik kepada fakta bahawa pengiraan sentiasa beberapa proses fizikal, yang bermaksud mustahil untuk memahami had keupayaan pengkomputeran kami tanpa menyatakan apakah pelaksanaan fizikalnya. sepadan. Malangnya, pada masa itu, pandangan yang dominan di kalangan saintis ialah pengiraan adalah sejenis prosedur logik abstrak yang harus dikaji oleh ahli matematik, bukan ahli fizik.

Apabila komputer semakin meluas, saintis kuantum membuat kesimpulan bahawa adalah mustahil untuk mengira secara langsung keadaan sistem yang berkembang yang terdiri daripada hanya beberapa dozen zarah berinteraksi, seperti molekul metana (CH 4). Ini dijelaskan oleh fakta bahawa untuk menerangkan sepenuhnya sistem yang kompleks, adalah perlu untuk menyimpan dalam memori komputer bilangan pembolehubah yang besar secara eksponen (dari segi bilangan zarah), yang dipanggil amplitud kuantum. Situasi paradoks telah timbul: mengetahui persamaan evolusi, mengetahui dengan ketepatan yang mencukupi semua potensi interaksi zarah antara satu sama lain dan keadaan awal sistem, hampir mustahil untuk mengira masa depannya, walaupun sistem hanya terdiri daripada 30 elektron dalam perigi berpotensi, dan superkomputer dengan RAM tersedia , bilangan bit yang sama dengan bilangan atom di rantau Alam Semesta yang boleh dilihat (!). Dan pada masa yang sama, untuk mengkaji dinamik sistem sedemikian, anda hanya boleh menjalankan eksperimen dengan 30 elektron, meletakkannya dalam potensi tertentu dan keadaan awal. Ini, khususnya, telah diperhatikan oleh ahli matematik Rusia Yu. I. Manin, yang pada tahun 1980 menunjukkan keperluan untuk membangunkan teori peranti pengkomputeran kuantum. Pada tahun 1980-an, masalah yang sama telah dikaji oleh ahli fizik Amerika P. Benev, yang dengan jelas menunjukkan bahawa sistem kuantum boleh melakukan pengiraan, serta saintis Inggeris D. Deutsch, yang secara teorinya membangunkan komputer kuantum sejagat yang lebih baik daripadanya. rakan sejawat klasik.

Pemenang Hadiah Nobel dalam fizik R. Feynman, yang terkenal dengan pembaca biasa Sains dan Kehidupan, menarik banyak perhatian kepada masalah membangunkan komputer kuantum. Terima kasih kepada panggilan berwibawanya, bilangan pakar yang memberi perhatian kepada pengkomputeran kuantum meningkat berkali-kali ganda.

Namun untuk masa yang lama ia masih tidak jelas sama ada kuasa pengkomputeran hipotesis komputer kuantum boleh digunakan untuk mempercepatkan penyelesaian masalah praktikal. Tetapi pada tahun 1994, seorang ahli matematik Amerika dan pekerja Lucent Technologies (AS) P. Shor mengejutkan dunia saintifik dengan mencadangkan algoritma kuantum yang membolehkan pemfaktoran pantas nombor besar (kepentingan masalah ini telah dibincangkan dalam pengenalan). Berbanding dengan kaedah klasik terbaik yang diketahui hari ini, algoritma kuantum Shor menyediakan pecutan berbilang pengiraan, dan semakin panjang nombor yang difaktorkan, semakin besar keuntungan kelajuan. Algoritma pemfaktoran pantas adalah menarik minat praktikal untuk pelbagai agensi perisikan yang telah mengumpul bank mesej yang tidak disulitkan.

Pada tahun 1996, rakan sekerja Shore di Lucent Technologies L. Grover mencadangkan algoritma kuantum untuk carian pantas dalam pangkalan data tidak tertib. (Contoh pangkalan data sedemikian ialah buku telefon di mana nama pelanggan tidak disusun mengikut abjad, tetapi dengan cara sewenang-wenangnya.) Tugas mencari, memilih elemen optimum di antara banyak pilihan sangat sering ditemui dalam ekonomi, ketenteraan, masalah kejuruteraan, dan dalam permainan komputer. Algoritma Grover membolehkan bukan sahaja untuk mempercepatkan proses carian, tetapi juga untuk lebih kurang dua kali ganda bilangan parameter yang diambil kira semasa memilih yang optimum.

Penciptaan sebenar komputer kuantum telah dihalang oleh satu-satunya masalah serius - kesilapan, atau gangguan. Hakikatnya ialah tahap gangguan yang sama merosakkan proses pengkomputeran kuantum dengan lebih intensif daripada pengkomputeran klasik. P. Shor menggariskan cara untuk menyelesaikan masalah ini pada tahun 1995, membangunkan skema untuk pengekodan keadaan kuantum dan membetulkan ralat di dalamnya. Malangnya, topik pembetulan ralat dalam komputer kuantum adalah sama pentingnya kerana ia rumit untuk dibincangkan dalam artikel ini.

PERANTI KOMPUTER KUANTUM

Sebelum kita memberitahu anda bagaimana komputer kuantum berfungsi, mari kita ingat ciri utama sistem kuantum (lihat juga "Sains dan Kehidupan" No. 8, 1998; No. 12, 2000).

Untuk memahami undang-undang dunia kuantum, seseorang tidak seharusnya bergantung secara langsung pada pengalaman seharian. Dalam cara biasa (dalam pemahaman harian), zarah kuantum bertindak hanya jika kita sentiasa "mengintip" mereka, atau, lebih tegas lagi, sentiasa mengukur keadaan di mana ia berada. Tetapi sebaik sahaja kita "berpaling" (berhenti memerhati), zarah kuantum segera bergerak dari keadaan yang sangat spesifik kepada beberapa bentuk yang berbeza sekaligus. Iaitu, elektron (atau mana-mana objek kuantum lain) akan terletak sebahagiannya pada satu titik, sebahagiannya pada satu lagi, sebahagiannya pada satu pertiga, dsb. Ini tidak bermakna ia dibahagikan kepada kepingan, seperti oren. Kemudian adalah mungkin untuk mengasingkan sebahagian daripada elektron dengan pasti dan mengukur cas atau jisimnya. Tetapi pengalaman menunjukkan bahawa selepas pengukuran, elektron sentiasa menjadi "selamat dan kukuh" pada satu titik, walaupun pada hakikatnya sebelum itu ia berjaya berada hampir di mana-mana pada masa yang sama. Keadaan elektron ini, apabila ia terletak di beberapa titik dalam ruang sekaligus, dipanggil superposisi keadaan kuantum dan biasanya digambarkan oleh fungsi gelombang, yang diperkenalkan pada tahun 1926 oleh ahli fizik Jerman E. Schrödinger. Modulus nilai fungsi gelombang pada mana-mana titik, kuasa dua, menentukan kebarangkalian mencari zarah pada titik itu pada masa tertentu. Selepas mengukur kedudukan zarah, fungsi gelombangnya kelihatan mengecut (runtuh) ke titik di mana zarah itu dikesan, dan kemudian mula merebak semula. Sifat zarah kuantum berada dalam banyak keadaan serentak, dipanggil keselarian kuantum, telah berjaya digunakan dalam pengkomputeran kuantum.

sedikit kuantum

Sel asas komputer kuantum ialah bit kuantum, atau, ringkasnya, qubit(q-bit). Ini ialah zarah kuantum yang mempunyai dua keadaan asas, yang ditetapkan 0 dan 1 atau, seperti kebiasaan dalam mekanik kuantum, dan. Dua nilai qubit boleh sepadan, sebagai contoh, dengan keadaan bumi dan keadaan teruja atom, arah atas dan bawah putaran nukleus atom, arah arus dalam cincin superkonduktor, dua kemungkinan kedudukan elektron dalam semikonduktor, dsb.

Daftar Kuantum

Daftar kuantum berstruktur hampir sama dengan daftar klasik. Ini ialah rantaian bit kuantum di mana operasi logik satu dan dua bit boleh dilakukan (serupa dengan penggunaan operasi NOT, 2I-NOT, dsb. dalam daftar klasik).

Keadaan asas daftar kuantum yang dibentuk oleh L qubit termasuk, seperti dalam klasik, semua kemungkinan urutan sifar dan satu panjang L. Boleh ada 2 L kombinasi berbeza secara keseluruhan. Mereka boleh dianggap sebagai rekod nombor dalam bentuk binari dari 0 hingga 2 L -1 dan ditetapkan. Walau bagaimanapun, keadaan asas ini tidak menghabiskan semua kemungkinan nilai daftar kuantum (tidak seperti yang klasik), kerana terdapat juga keadaan superposisi yang ditakrifkan oleh amplitud kompleks yang berkaitan dengan keadaan normalisasi. Analog klasik untuk kebanyakan nilai yang mungkin bagi daftar kuantum (kecuali yang asas) sememangnya tidak wujud. Keadaan daftar klasik hanyalah bayangan menyedihkan dari keseluruhan kekayaan keadaan komputer kuantum.

Bayangkan bahawa pengaruh luaran digunakan pada daftar, sebagai contoh, impuls elektrik digunakan pada bahagian ruang atau pancaran laser diarahkan. Jika ia adalah daftar klasik, impuls, yang boleh dianggap sebagai operasi pengiraan, akan mengubah pembolehubah L. Jika ini adalah daftar kuantum, maka nadi yang sama boleh bertukar secara serentak kepada pembolehubah. Oleh itu, daftar kuantum, pada dasarnya, mampu memproses maklumat beberapa kali lebih cepat daripada rakan klasiknya. Dari sini jelaslah bahawa daftar kuantum kecil (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.

Perlu diingat, bagaimanapun, terdapat kelas masalah yang mana algoritma kuantum tidak memberikan pecutan yang ketara berbanding dengan yang klasik. Salah seorang yang pertama menunjukkan ini ialah ahli matematik Rusia Yu. Ozhigov, yang membina beberapa contoh algoritma yang, pada dasarnya, tidak boleh dipercepatkan dengan satu kitaran jam pada komputer kuantum.

Namun begitu, tidak dapat dinafikan bahawa komputer yang beroperasi mengikut undang-undang mekanik kuantum adalah peringkat baharu dan penentu dalam evolusi sistem pengkomputeran. Yang tinggal hanyalah membina mereka.

KOMPUTER KUANTUM HARI INI

Prototaip komputer kuantum sudah wujud hari ini. Benar, setakat ini adalah mungkin secara eksperimen untuk memasang hanya daftar kecil yang terdiri daripada hanya beberapa bit kuantum. Oleh itu, baru-baru ini kumpulan yang diketuai oleh ahli fizik Amerika I. Chang (IBM) mengumumkan pemasangan komputer kuantum 5-bit. Tidak dinafikan, ini adalah satu kejayaan besar. Malangnya, sistem kuantum sedia ada masih belum mampu memberikan pengiraan yang boleh dipercayai, kerana ia sama ada dikawal dengan baik atau sangat terdedah kepada bunyi. Walau bagaimanapun, tiada sekatan fizikal untuk membina komputer kuantum yang berkesan; ia hanya perlu untuk mengatasi kesukaran teknologi.

Terdapat beberapa idea dan cadangan tentang cara membuat bit kuantum yang boleh dipercayai dan mudah dikawal.

I. Chang mengembangkan idea menggunakan putaran nukleus beberapa molekul organik sebagai qubit.

Penyelidik Rusia M.V. Feigelman, bekerja di Institut Fizik Teori yang dinamakan sempena. L.D. Landau RAS, bercadang untuk memasang daftar kuantum daripada cincin superkonduktor kecil. Setiap cincin memainkan peranan qubit, dan menyatakan 0 dan 1 sepadan dengan arah arus elektrik dalam cincin - mengikut arah jam dan lawan jam. Qubit tersebut boleh ditukar menggunakan medan magnet.

Di Institut Fizik dan Teknologi Akademi Sains Rusia, kumpulan yang diketuai oleh Ahli Akademik K. A. Valiev mencadangkan dua pilihan untuk meletakkan qubit dalam struktur semikonduktor. Dalam kes pertama, peranan qubit dimainkan oleh elektron dalam sistem dua telaga berpotensi yang dicipta oleh voltan yang digunakan untuk elektrod mini pada permukaan semikonduktor. Keadaan 0 dan 1 ialah kedudukan elektron dalam salah satu telaga ini. Qubit ditukar dengan menukar voltan pada salah satu elektrod. Dalam versi lain, qubit ialah nukleus atom fosforus yang tertanam pada titik tertentu semikonduktor. Keadaan 0 dan 1 - arah putaran nuklear sepanjang atau melawan medan magnet luar. Kawalan dijalankan menggunakan tindakan gabungan denyutan magnet frekuensi resonans dan denyutan voltan.

Oleh itu, penyelidikan sedang giat dijalankan dan boleh diandaikan bahawa dalam masa terdekat - kira-kira sepuluh tahun - komputer kuantum yang berkesan akan dicipta.

PANDANGAN KE MASA DEPAN

Oleh itu, agak mungkin pada masa hadapan, komputer kuantum akan dihasilkan menggunakan kaedah tradisional teknologi mikroelektronik dan mengandungi banyak elektrod kawalan, mengingatkan mikropemproses moden. Untuk mengurangkan tahap hingar, yang penting untuk operasi biasa komputer kuantum, model pertama nampaknya perlu disejukkan dengan helium cecair. Berkemungkinan komputer kuantum pertama adalah peranti besar dan mahal yang tidak muat di atas meja dan diselenggara oleh kakitangan besar pengaturcara sistem dan pelaras perkakasan berkot putih. Pertama, hanya agensi kerajaan akan mempunyai akses kepada mereka, kemudian organisasi komersial yang kaya. Tetapi era komputer konvensional bermula dengan cara yang sama.

Apakah yang akan berlaku kepada komputer klasik? Adakah mereka akan mati? hampir tidak. Kedua-dua komputer klasik dan kuantum mempunyai bidang aplikasi mereka sendiri. Walaupun, kemungkinan besar, nisbah pasaran akan beransur-ansur beralih ke arah yang kedua.

Pengenalan komputer kuantum tidak akan membawa kepada penyelesaian masalah klasik yang tidak dapat diselesaikan secara asas, tetapi hanya akan mempercepatkan beberapa pengiraan. Di samping itu, komunikasi kuantum akan menjadi mungkin - pemindahan qubit dari jarak jauh, yang akan membawa kepada kemunculan sejenis Internet kuantum. Komunikasi kuantum akan memungkinkan untuk menyediakan sambungan yang selamat (mengikut undang-undang mekanik kuantum) setiap orang antara satu sama lain daripada mencuri dengar. Maklumat anda yang disimpan dalam pangkalan data kuantum akan dilindungi dengan lebih pasti daripada penyalinan berbanding sekarang. Firma yang menghasilkan program untuk komputer kuantum akan dapat melindunginya daripada sebarang, termasuk penyalinan yang menyalahi undang-undang.

Untuk pemahaman yang lebih mendalam tentang topik ini, anda boleh membaca artikel ulasan oleh E. Riffel dan V. Polak, "Asas Pengkomputeran Kuantum," yang diterbitkan dalam jurnal Rusia "Komputer Kuantum dan Pengkomputeran Kuantum" (No. 1, 2000). (Dengan cara ini, ini adalah yang pertama dan setakat ini satu-satunya jurnal di dunia yang didedikasikan untuk pengkomputeran kuantum. Maklumat tambahan mengenainya boleh didapati di Internet di http://rcd.ru/qc.). Setelah anda menguasai kerja ini, anda akan dapat membaca artikel saintifik tentang pengkomputeran kuantum.

Persediaan matematik yang agak awal akan diperlukan apabila membaca buku oleh A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Pengiraan Klasik dan Kuantum" (Moscow: MTsNMO-CheRo, 1999).

Sejumlah aspek asas mekanik kuantum, penting untuk menjalankan pengiraan kuantum, dibincangkan dalam buku oleh V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev "Teleportasi kuantum - keajaiban biasa" (Izhevsk: RHD, 2000).

Rumah penerbitan RCD sedang bersedia untuk menerbitkan terjemahan ulasan A. Steen mengenai komputer kuantum sebagai buku yang berasingan.

Kesusasteraan berikut akan berguna bukan sahaja secara pendidikan, tetapi juga sejarah:

1) Yu. I. Manin. Boleh dikira dan tidak boleh dikira.

M.: Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Asas matematik mekanik kuantum.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulasi fizik pada komputer // Komputer kuantum dan pengkomputeran kuantum:

Sab. dalam 2 jilid - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, hlm. 96-123.

4) R. Feynman. Komputer mekanikal kuantum

// Ibid., hlm. 123.-156.

Lihat isu mengenai topik yang sama