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 tentang pengkomputeran kuantum, memandangkan kawasan ini merupakan muslihat penipuan 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 masanya 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.

Komputer kuantum bukan sekadar komputer generasi masa depan, ia lebih daripada itu. Bukan sahaja dari sudut penggunaan teknologi terkini, tetapi juga dari sudut pandangan kemungkinan yang tidak terhad, luar biasa, hebat, mampu bukan sahaja mengubah dunia orang, malah... mencipta realiti yang berbeza .

Seperti yang anda ketahui, komputer moden menggunakan memori yang diwakili dalam kod binari: 0 dan 1. Sama seperti dalam kod Morse - titik dan tajuk. Menggunakan dua aksara, anda boleh menyulitkan sebarang maklumat dengan mengubah kombinasinya.

Terdapat berbilion bit ini dalam ingatan komputer moden. Tetapi setiap daripada mereka boleh berada dalam satu daripada dua keadaan - sama ada sifar atau satu. Seperti mentol lampu: sama ada hidup atau mati.

Bit kuantum (qubit) ialah elemen terkecil penyimpanan maklumat dalam komputer masa hadapan. Unit maklumat dalam komputer kuantum kini boleh bukan sahaja sifar atau satu, tetapi kedua-duanya pada masa yang sama.

Satu sel melakukan dua tindakan, dua - empat, empat - enam belas, dsb. Inilah sebabnya mengapa sistem kuantum boleh berfungsi dua kali lebih pantas dan dengan jumlah maklumat yang lebih besar daripada yang moden.

Buat pertama kalinya, saintis dari Pusat Kuantum Rusia (RCC) dan Makmal Bahan Meta Superkonduktor "mengukur" qubit (Q-bit).

Dari sudut pandangan teknikal, qubit ialah cincin logam dengan diameter beberapa mikron dengan potongan, didepositkan pada semikonduktor. Cincin itu disejukkan kepada suhu ultra-rendah supaya ia menjadi superkonduktor. Mari kita anggap bahawa arus yang mengalir melalui gelang berjalan mengikut arah jam - ini adalah 1. Melawan - 0. Iaitu, dua keadaan biasa.

Sinaran gelombang mikro disalurkan melalui cincin. Pada keluar sinaran ini dari cincin, peralihan fasa arus diukur. Ternyata keseluruhan sistem ini boleh ditempatkan di kedua-dua dua utama dan keadaan bercampur: kedua-duanya pada masa yang sama!!! Dalam sains ini dipanggil prinsip superposisi.

Eksperimen oleh saintis Rusia (saintis dari negara lain melakukan yang serupa) membuktikan bahawa qubit mempunyai hak untuk hidup. Penciptaan qubit membawa kepada idea dan membawa saintis lebih dekat dengan impian mencipta komputer kuantum optik. Yang tinggal hanyalah mereka bentuk dan menciptanya. Tetapi tidak semuanya begitu mudah ...

Kesukaran dan masalah dalam mencipta komputer kuantum

Jika, sebagai contoh, komputer moden perlu mengira satu bilion pilihan, maka ia perlu "menatal" satu bilion kitaran yang serupa. Terdapat perbezaan asas dengan komputer kuantum: ia boleh mengira semua pilihan ini pada masa yang sama.
Salah satu prinsip utama di mana komputer kuantum akan berfungsi ialah prinsip superposisi, dan ia tidak boleh dipanggil apa-apa selain ajaib!
Ini bermakna bahawa orang yang sama boleh berada di tempat yang berbeza pada masa yang sama. Ahli fizik bergurau: "Jika teori kuantum tidak mengejutkan anda, maka anda tidak memahaminya."

Kemunculan komputer kuantum yang dicipta hari ini amat berbeza daripada komputer klasik. Mereka kelihatan... seperti cahaya bulan:

Reka bentuk sedemikian, yang terdiri daripada bahagian tembaga dan emas, gegelung penyejuk dan bahagian ciri lain, sudah tentu tidak sesuai dengan penciptanya. Salah satu tugas utama saintis ialah menjadikannya padat dan murah. Untuk ini berlaku, beberapa masalah perlu diselesaikan.

Masalah satu - ketidakstabilan superposisi

Semua superposisi kuantum ini sangat "lembut". Sebaik sahaja anda mula melihatnya, sebaik sahaja mereka mula berinteraksi dengan objek lain, mereka serta-merta musnah. Mereka menjadi, seolah-olah, klasik. Ini adalah salah satu masalah yang paling penting dalam mencipta komputer kuantum.

Masalah dua: penyejukan kuat diperlukan

Halangan kedua ialah untuk mencapai operasi komputer kuantum yang stabil. dalam bentuk yang kita ada hari ini, ia memerlukan penyejukan yang kuat. Kuat, ini adalah penciptaan peralatan di mana suhu dikekalkan hampir kepada sifar mutlak - tolak 273 darjah Celsius! Oleh itu, kini prototaip komputer sedemikian, dengan pemasangan vakum kriogenik mereka, kelihatan sangat rumit:

Walau bagaimanapun, saintis yakin bahawa tidak lama lagi semua masalah teknikal akan diselesaikan dan satu hari nanti komputer kuantum dengan kuasa pengkomputeran yang besar akan menggantikan yang moden.

Beberapa penyelesaian teknikal untuk menyelesaikan masalah

Sehingga kini, saintis telah menemui beberapa penyelesaian penting untuk menyelesaikan masalah di atas. Penemuan teknologi ini, hasil kerja yang kompleks dan kadangkala panjang, sengit oleh saintis, patut dihormati.

Cara terbaik untuk meningkatkan prestasi qubit...berlian

Semuanya sangat mirip dengan lagu terkenal tentang gadis dan berlian. Perkara utama yang sedang diusahakan oleh saintis sekarang adalah untuk meningkatkan seumur hidup qubit, serta "membuat" kerja komputer kuantum pada suhu biasa. Ya, komunikasi antara komputer kuantum memerlukan berlian! Untuk semua ini, adalah perlu untuk mencipta dan menggunakan berlian tiruan dengan ketelusan yang sangat tinggi. Dengan bantuan mereka, mereka dapat memanjangkan hayat qubit kepada dua saat. Pencapaian sederhana ini: dua saat hayat qubit dan operasi komputer pada suhu bilik, sebenarnya merupakan revolusi dalam sains.

Intipati eksperimen saintis Perancis Serge Haroche adalah berdasarkan fakta bahawa dia dapat menunjukkan kepada seluruh dunia bahawa cahaya (fluks kuantum foton) yang melalui antara dua cermin yang dicipta khas olehnya tidak kehilangan keadaan kuantumnya.

Dengan memaksa cahaya untuk bergerak sejauh 40,000 km di antara cermin-cermin ini, dia menentukan bahawa segala-galanya berlaku tanpa kehilangan keadaan kuantumnya. Cahaya terdiri daripada foton, dan sehingga kini tiada siapa yang dapat mengetahui sama ada mereka kehilangan keadaan kuantum mereka apabila mereka menempuh jarak tertentu. Pemenang Nobel Serge Haroche: “ Satu foton berada di beberapa tempat pada masa yang sama, kami berjaya merekodkan ini.” Sebenarnya ini adalah prinsip superposisi. “Dalam dunia besar kita ini adalah mustahil. Tetapi dalam dunia mikro terdapat undang-undang yang berbeza, "kata Arosh.

Di dalam rongga itu terdapat atom klasik yang boleh diukur. Berdasarkan tingkah laku atom, ahli fizik telah belajar mengenal pasti dan mengukur zarah kuantum yang sukar difahami. Sebelum eksperimen Harosh, dipercayai bahawa pemerhatian kuanta adalah mustahil. Selepas eksperimen, mereka mula bercakap tentang menakluk foton, iaitu, tentang era komputer kuantum yang semakin hampir.

Mengapa ramai yang menantikan penciptaan penjana kuantum sepenuhnya, sementara yang lain takut dengannya

Komputer kuantum akan memberi manusia peluang besar

Komputer kuantum akan membuka kemungkinan yang tidak berkesudahan untuk manusia. Sebagai contoh, ia akan membantu mencipta kecerdasan buatan, yang selama ini digembar-gemburkan oleh penulis fiksyen sains. Atau meniru alam semesta. sepenuhnya. Menurut ramalan yang paling konservatif, ia akan membolehkan kita melihat di luar sempadan yang mungkin. Mari bayangkan dunia di mana anda boleh mensimulasikan apa sahaja yang anda mahukan: reka bentuk molekul, logam yang sangat kuat, plastik reput dengan cepat, tampil dengan penawar untuk penyakit yang tidak boleh diubati. Mesin akan mensimulasikan seluruh dunia kita, hingga ke atom terakhir. Anda juga boleh mensimulasikan dunia lain, malah dunia maya.

Komputer kuantum boleh menjadi senjata Apocalypse

Ramai orang, setelah mendalami intipati teknologi kuantum, takut dengannya atas pelbagai sebab. Kini, pengkomputeran dan semua teknologi berkaitan komputer menakutkan orang biasa. Cukuplah untuk mengimbas kembali skandal tentang bagaimana perkhidmatan khas, menggunakan program terbina dalam dalam PC dan juga perkakas rumah, mengatur pengawasan dan pengumpulan data tentang pengguna mereka. Sebagai contoh, banyak negara telah mengharamkan cermin mata terkenal - lagipun, ia adalah cara yang ideal untuk penggambaran dan pengawasan rahsia. Sudah sekarang, pastinya, setiap penduduk di mana-mana negara, dan lebih-lebih lagi pengguna di Internet, dimasukkan ke dalam beberapa pangkalan data. Lebih-lebih lagi, dan agak realistik, perkhidmatan tertentu boleh mengira setiap tindakannya di Internet.

Tetapi tidak akan ada rahsia untuk komputer kuantum! Tiada langsung. Semua keselamatan komputer adalah berdasarkan nombor kata laluan yang sangat panjang. Komputer biasa memerlukan sejuta tahun untuk mendapatkan kunci kepada kod tersebut. Tetapi dengan bantuan kuantum, sesiapa sahaja boleh melakukan ini dengan serta-merta. Ternyata dunia akan menjadi tidak selamat sepenuhnya: selepas semua, di dunia moden semuanya dikawal oleh komputer: pemindahan bank, penerbangan kapal terbang, bursa saham, senjata peluru berpandu nuklear! Jadi ternyata: sesiapa yang memiliki maklumat itu memiliki Dunia. Sesiapa yang pertama adalah Tuhan. Komputer kuantum akan menjadi lebih kuat daripada mana-mana sistem senjata. Perlumbaan senjata baharu mungkin bermula (atau telah pun bermula) di Bumi, cuma sekarang bukan nuklear, tetapi komputer.

Semoga Allah membantu kita keluar darinya dengan selamat...

Anda semua sudah terbiasa dengan komputer kami: pada waktu pagi kami membaca berita dari telefon pintar, pada sebelah petang kami bekerja dengan komputer riba, dan pada waktu petang kami menonton filem pada tablet. Semua peranti ini mempunyai satu persamaan - pemproses silikon yang terdiri daripada berbilion transistor. Prinsip operasi transistor sedemikian agak mudah - bergantung pada voltan yang dibekalkan, kita mendapat voltan yang berbeza pada output, yang ditafsirkan sama ada sebagai logik 0 atau logik 1. Untuk menjalankan operasi pembahagian, terdapat perubahan sedikit - jika kita, sebagai contoh, adalah nombor 1101, maka selepas mengalihkannya sebanyak 1 bit ke kiri ia akan menjadi 01101, dan jika sekarang kita mengalihkannya sebanyak 1 bit ke kanan ia akan menjadi 01110. Dan masalah utama terletak pada fakta bahawa untuk bahagian yang sama beberapa dozen operasi sedemikian mungkin diperlukan. Ya, memandangkan fakta bahawa terdapat berbilion-bilion transistor, operasi sedemikian mengambil masa nanosaat, tetapi jika terdapat banyak operasi, kita kehilangan masa untuk pengiraan ini.

Bagaimana komputer kuantum berfungsi

Komputer kuantum menawarkan cara pengkomputeran yang sama sekali berbeza. Mari kita mulakan dengan definisi:

Komputer kuantum -peranti pengkomputeran, yang menggunakan fenomenasuperposisi kuantumDanketerikatan kuantumuntuk penghantaran dan pemprosesan data.

Ia jelas tidak menjadi lebih jelas. Superposisi kuantum memberitahu kita bahawa sistem, dengan beberapa darjah kebarangkalian, wujud dalam semua keadaan yang mungkin untuknya (jumlah semua kebarangkalian, sudah tentu, adalah sama dengan 100% atau 1). Mari kita lihat ini dengan contoh. Maklumat dalam komputer kuantum disimpan dalam qubit - manakala bit biasa boleh mempunyai keadaan 0 atau 1, maka qubit boleh mempunyai keadaan 0, 1, dan 0 dan 1 pada masa yang sama. Oleh itu, jika kita mempunyai 3 qubit, contohnya 110, maka ungkapan ini dalam bit adalah bersamaan dengan 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Apa yang diberikan ini kepada kita? Ya semua! Sebagai contoh, kami mempunyai kata laluan digital 4 aksara. Bagaimanakah pemproses biasa akan menggodamnya? Dengan hanya mencari dari 0000 hingga 9999. 9999 dalam sistem binari mempunyai bentuk 10011100001111, iaitu, kita memerlukan 14 bit untuk menulisnya. Oleh itu, jika kita mempunyai PC kuantum dengan 14 qubit, kita sudah tahu kata laluannya: lagipun, salah satu kemungkinan keadaan sistem sedemikian ialah kata laluan! Akibatnya, semua masalah yang walaupun superkomputer kini mengambil masa beberapa hari untuk mengira akan diselesaikan serta-merta menggunakan sistem kuantum: adakah anda perlu mencari bahan dengan sifat tertentu? Tiada masalah, buat sistem dengan bilangan qubit yang sama dengan keperluan anda untuk jirim - dan jawapannya sudah ada di dalam poket anda. Adakah anda perlu mencipta AI (kecerdasan buatan? Ia tidak boleh menjadi lebih mudah: sementara PC biasa akan mencuba semua kombinasi, komputer kuantum akan berfungsi dengan kelajuan kilat, memilih jawapan yang terbaik.


Nampaknya semuanya hebat, tetapi ada satu masalah penting - bagaimana kita mengetahui hasil pengiraan? Dengan PC biasa, semuanya mudah - kita boleh mengambilnya dan membacanya dengan menyambung terus ke pemproses: logik 0 dan 1 pasti ditafsirkan di sana sebagai ketiadaan dan kehadiran caj. Tetapi ini tidak akan berfungsi dengan qubit - lagipun, pada setiap saat ia berada dalam keadaan sewenang-wenangnya. Dan di sinilah keterikatan kuantum datang untuk membantu kami. Intipatinya terletak pada hakikat bahawa anda boleh mendapatkan sepasang zarah yang bersambung antara satu sama lain (dalam istilah saintifik - jika, sebagai contoh, unjuran putaran satu zarah terjerat adalah negatif, maka yang lain pasti akan positif). Apakah rupa pada jari anda? Katakan kita mempunyai dua kotak setiap satu mengandungi sekeping kertas. Kami membawa kotak ke mana-mana jarak, buka salah satu daripadanya dan lihat bahawa sekeping kertas di dalamnya berjalur mendatar. Ini secara automatik bermakna bahawa sekeping kertas yang lain akan mempunyai jalur menegak. Tetapi masalahnya ialah sebaik sahaja kita mengetahui keadaan sehelai kertas (atau zarah), sistem kuantum runtuh - ketidakpastian hilang, qubit bertukar menjadi bit biasa.

Oleh itu, pengiraan pada komputer kuantum pada asasnya adalah sekali: kami mencipta sistem yang terdiri daripada zarah terjerat (kita tahu di mana "separuh" mereka yang lain berada). Kami menjalankan pengiraan, dan selepas itu kami "membuka kotak dengan sekeping kertas" - kami mengetahui keadaan zarah yang terjerat, dan oleh itu keadaan zarah dalam komputer kuantum, dan oleh itu hasil pengiraan. Jadi untuk pengiraan baru, anda perlu membuat qubit sekali lagi - hanya "menutup kotak dengan sekeping kertas" tidak akan berfungsi - lagipun, kita sudah tahu apa yang dilukis pada sekeping kertas.

Persoalannya timbul - kerana komputer kuantum boleh meneka dengan serta-merta sebarang kata laluan - bagaimana untuk melindungi maklumat? Adakah privasi akan hilang dengan kemunculan peranti sedemikian? Sudah tentu tidak. Penyulitan kuantum yang dipanggil datang untuk menyelamatkan: ia berdasarkan fakta bahawa apabila anda cuba "membaca" keadaan kuantum, ia dimusnahkan, yang menjadikan sebarang penggodaman mustahil.

Komputer kuantum rumah

Nah, soalan terakhir - memandangkan komputer kuantum sangat keren, berkuasa dan tidak boleh digodam - mengapa kita tidak menggunakannya? Masalahnya adalah remeh - kemustahilan untuk melaksanakan sistem kuantum dalam keadaan rumah biasa. Agar qubit wujud dalam keadaan superposisi selama-lamanya, keadaan yang sangat spesifik diperlukan: vakum lengkap (ketiadaan zarah lain), suhu sehampir mungkin kepada sifar Kelvin (untuk superkonduktiviti), dan ketiadaan sinaran elektromagnet sepenuhnya. (untuk tiada pengaruh pada sistem kuantum). Setuju, sukar untuk mewujudkan keadaan sedemikian di rumah, untuk meletakkannya secara sederhana, tetapi sisihan yang sedikit akan membawa kepada fakta bahawa keadaan superposisi akan hilang dan hasil pengiraan akan menjadi tidak betul. Masalah kedua ialah mendapatkan qubit untuk berinteraksi antara satu sama lain - apabila berinteraksi, hayat mereka berkurangan secara besar-besaran. Akibatnya, maksimum untuk hari ini ialah komputer kuantum dengan beberapa puluh qubit.

Walau bagaimanapun, terdapat komputer kuantum dari D-Wave yang mempunyai 1000 qubit, tetapi, secara amnya, mereka bukan komputer kuantum sebenar, kerana mereka tidak menggunakan prinsip keterikatan kuantum, jadi mereka tidak boleh berfungsi mengikut algoritma kuantum klasik:


Namun begitu, peranti sedemikian ternyata jauh (beribu kali) lebih berkuasa daripada PC konvensional, yang boleh dianggap sebagai satu kejayaan. Walau bagaimanapun, mereka tidak akan menggantikan peranti pengguna dalam masa terdekat - mula-mula kita perlu sama ada belajar untuk mencipta keadaan untuk pengendalian peranti sedemikian di rumah, atau, sebaliknya, "membuat" peranti sedemikian berfungsi dalam keadaan yang kita biasa. Langkah ke arah kedua telah pun diambil - pada tahun 2013, komputer kuantum dua qubit pertama dicipta pada berlian kekotoran, beroperasi pada suhu bilik. Walau bagaimanapun, malangnya, ini hanya prototaip, dan 2 qubit tidak mencukupi untuk pengiraan. Jadi penantian untuk PC kuantum masih sangat lama.

Untuk mendedahkan lebih kurang sepenuhnya intipati teknologi komputer kuantum, mari kita sentuh dahulu sejarah teori kuantum.
Ia berpunca daripada dua orang saintis yang hasil penyelidikannya telah dianugerahkan Hadiah Nobel: penemuan kuantum oleh M. Planck pada tahun 1918 dan penemuan foton oleh A. Einstein pada tahun 1921.
Tahun idea komputer kuantum dilahirkan adalah pada tahun 1980, apabila Benioff berjaya menunjukkan dalam amalan ketepatan teori kuantum.
Nah, prototaip pertama komputer kuantum telah dicipta oleh Gershenfeld dan Chuang pada tahun 1998 di Massachusetts Institute of Technology (MTI). Kumpulan penyelidik yang sama mencipta model yang lebih maju dalam dua tahun akan datang.

Bagi bukan pakar, komputer kuantum adalah sesuatu yang sangat hebat dalam skala; ia adalah mesin pengkomputeran, di hadapannya komputer biasa seperti abakus di hadapan komputer. Dan, sudah tentu, ini adalah sesuatu yang sangat jauh daripada direalisasikan.
Bagi seseorang yang dikaitkan dengan komputer kuantum, ini adalah peranti yang prinsip operasinya lebih kurang jelas, tetapi terdapat banyak masalah yang perlu diselesaikan sebelum ia boleh dilaksanakan dalam perkakasan, dan kini banyak makmal di sekeliling dunia sedang menggunakan halangan ini cuba diatasi.
Terdapat kemajuan dalam teknologi kuantum pada masa lalu oleh syarikat swasta, termasuk IBM dan DWays.
Mereka kerap melaporkan perkembangan terkini di kawasan ini hari ini. Penyelidikan terutamanya dijalankan oleh saintis Jepun dan Amerika. Jepun, dalam usahanya untuk memimpin dunia dalam perkakasan dan perisian, membelanjakan sejumlah besar wang untuk pembangunan di kawasan ini. Menurut naib presiden Hewlett-Packard, sehingga 70% daripada semua penyelidikan dijalankan di negara matahari terbit. Komputer kuantum adalah salah satu langkah syarikat fokus mereka untuk mendapatkan kepimpinan dalam pasaran global.

Apakah yang menjelaskan keinginan untuk menguasai teknologi ini? Kelebihan ketara mereka yang tidak dapat dinafikan berbanding komputer semikonduktor!

APA ITU?

Komputer kuantum ialah peranti pengkomputeran yang beroperasi berdasarkan mekanik kuantum.
Hari ini, komputer kuantum berskala penuh ialah peranti hipotesis yang tidak boleh dibuat memandangkan data yang tersedia dalam teori kuantum.

Komputer kuantum tidak menggunakan algoritma klasik untuk pengiraan, tetapi proses yang lebih kompleks bersifat kuantum, yang juga dipanggil algoritma kuantum. Algoritma ini menggunakan kesan mekanikal kuantum: jalinan kuantum dan keselarian kuantum.

Untuk memahami mengapa komputer kuantum diperlukan sama sekali, adalah perlu untuk membayangkan prinsip operasinya.
Walaupun komputer konvensional berfungsi dengan melakukan operasi berurutan pada sifar dan satu, komputer kuantum menggunakan gelang filem superkonduktor. Arus boleh mengalir melalui gelang ini dalam arah yang berbeza, jadi rantai gelang tersebut boleh melaksanakan lebih banyak operasi secara serentak dengan sifar dan satu.
Ia adalah kuasa tinggi yang merupakan kelebihan utama komputer kuantum. Malangnya, cincin ini tertakluk kepada pengaruh luaran yang sedikit, akibatnya arah arus boleh berubah, dan dalam kes ini pengiraan ternyata tidak betul.

PERBEZAAN KOMPUTER KUANTUM DENGAN KONVENSIONAL

Perbezaan utama antara komputer kuantum dan komputer konvensional ialah penyimpanan, pemprosesan dan penghantaran data berlaku tidak menggunakan "bit", tetapi "qubit" - secara ringkasnya, "bit kuantum". Seperti bit biasa, qubit boleh berada dalam keadaan biasa "|0>" dan "|1>", dan sebagai tambahan - dalam keadaan superposisi A·|0> + B·|1>, di mana A dan B ialah sebarang nombor kompleks yang memenuhi syarat | A |2 + | B |2 = 1.

JENIS-JENIS KOMPUTER KUANTUM

Terdapat dua jenis komputer kuantum. Kedua-duanya adalah berdasarkan fenomena kuantum, hanya susunan yang berbeza.

komputer berdasarkan pengkuantitian fluks magnet berdasarkan pelanggaran superkonduktiviti - persimpangan Josephson. Kesan Josephson sudah digunakan untuk membuat penguat linear, penukar analog-ke-digital, SQUID dan korelator. Asas elemen yang sama digunakan dalam projek untuk mencipta komputer petaflop (1015 op./s). Frekuensi jam 370 GHz telah dicapai secara eksperimen, yang pada masa hadapan boleh ditingkatkan kepada 700 GHz. Walau bagaimanapun, masa penyusutan fungsi gelombang dalam peranti ini adalah setanding dengan masa pensuisan injap individu, dan sebenarnya, yang sudah biasa asas elemen dilaksanakan pada prinsip kuantum baharu - flip-flop, daftar dan elemen logik lain.

Satu lagi jenis komputer kuantum, juga dipanggil komputer koheren kuantum, memerlukan mengekalkan keselarasan fungsi gelombang qubit yang digunakan sepanjang keseluruhan masa pengiraan - dari awal hingga akhir (qubit boleh menjadi mana-mana sistem mekanikal kuantum dengan dua tahap tenaga khusus). Akibatnya, untuk beberapa masalah kuasa pengkomputeran komputer kuantum koheren adalah berkadar dengan 2N, di mana N ialah bilangan qubit dalam komputer. Ia adalah jenis peranti terakhir yang dimaksudkan apabila bercakap tentang komputer kuantum.

KOMPUTER KUANTUM SEKARANG

Tetapi komputer kuantum kecil sedang dicipta hari ini. Syarikat D-Wave Systems bekerja secara aktif ke arah ini, yang mencipta komputer kuantum sebanyak 16 qubit pada tahun 2007. Komputer ini berjaya mengatasi tugas meletakkan tetamu di meja, berdasarkan fakta bahawa sesetengah daripada mereka tidak menyukai satu sama lain. Kini D-Wave Systems terus membangunkan komputer kuantum.

Sekumpulan ahli fizik dari Jepun, China dan Amerika Syarikat buat pertama kalinya berjaya membina komputer kuantum menggunakan seni bina von Neumann - iaitu dengan pemisahan fizikal pemproses kuantum dan ingatan kuantum. Pada masa ini, untuk pelaksanaan praktikal komputer kuantum (komputer berdasarkan sifat luar biasa objek mekanik kuantum), ahli fizik menggunakan pelbagai jenis objek dan fenomena eksotik - ion yang ditangkap dalam perangkap optik, resonans magnetik nuklear. Untuk kerja baru, saintis bergantung pada litar superkonduktor miniatur - kemungkinan melaksanakan komputer kuantum menggunakan litar sedemikian telah diterangkan dalam Alam pada tahun 2008.

Komputer yang dipasang oleh saintis terdiri daripada ingatan kuantum, peranannya dimainkan oleh dua resonator gelombang mikro, pemproses dua qubit yang disambungkan oleh bas (peranannya juga dimainkan oleh resonator, dan qubit adalah litar superkonduktor), dan peranti untuk memadamkan data. Menggunakan komputer ini, saintis menyedari dua algoritma utama- apa yang dipanggil transformasi kuantum Fourier, dan konjungsi menggunakan unsur logik kuantum Toffoli:

Algoritma pertama ialah analog kuantum bagi transformasi Fourier diskret. Ciri tersendirinya ialah bilangan elemen berfungsi yang jauh lebih kecil (daripada susunan n2) apabila melaksanakan algoritma berbanding dengan analognya (daripada susunan n 2n). Transformasi Fourier diskret digunakan dalam pelbagai bidang aktiviti manusia - daripada kajian persamaan pembezaan separa kepada pemampatan data.

Sebaliknya, get logik kuantum Toffoli adalah elemen asas yang mana, dengan beberapa keperluan tambahan, sebarang fungsi (program) Boolean boleh diperolehi. Ciri tersendiri unsur-unsur ini ialah keterbalikan mereka, yang, dari sudut pandangan fizik, membolehkan, antara lain, untuk meminimumkan penjanaan haba peranti.

Menurut saintis, sistem yang mereka cipta mempunyai satu kelebihan yang luar biasa - ia mudah berskala. Oleh itu, ia boleh berfungsi sebagai sejenis blok bangunan untuk komputer masa depan. Menurut para penyelidik, keputusan baru jelas menunjukkan janji teknologi baru.

Minggu lalu berita tersebar bahawa Google telah membuat satu kejayaan dalam membangunkan komputer kuantum -
syarikat itu memahami bagaimana komputer sedemikian akan mengatasinya
dengan kesilapan anda sendiri. Komputer kuantum telah diperkatakan selama beberapa tahun: ia, sebagai contoh, pada kulit majalah Time. Jika komputer sedemikian muncul, ia akan menjadi satu kejayaan yang serupa dengan penampilan komputer klasik - atau lebih serius. Look At Me menerangkan sebab komputer kuantum hebat dan apa sebenarnya yang telah dilakukan oleh Google.

Apakah komputer kuantum?

Komputer kuantum ialah mekanisme di persimpangan sains komputer dan fizik kuantum, cabang fizik teori yang paling kompleks. Richard Feynman, salah seorang ahli fizik terhebat pada abad ke-20, pernah berkata: "Jika anda fikir anda memahami fizik kuantum, maka anda tidak memahaminya." Oleh itu, sila ambil perhatian bahawa penjelasan berikut adalah sangat dipermudahkan. Orang ramai menghabiskan bertahun-tahun cuba memahami fizik kuantum.

Fizik kuantum berurusan dengan zarah asas yang lebih kecil daripada atom. Cara zarah-zarah ini berstruktur dan cara ia berkelakuan bercanggah dengan banyak idea kita tentang Alam Semesta. Zarah kuantum boleh berada di beberapa tempat pada masa yang sama - dan di beberapa negeri pada masa yang sama. Bayangkan anda melemparkan syiling: semasa ia berada di udara, anda tidak dapat mengetahui sama ada ia akan timbul di kepala atau ekor; Syiling ini seperti kepala dan ekor pada masa yang sama. Ini kira-kira bagaimana zarah kuantum berkelakuan. Ini dipanggil prinsip superposisi.

Komputer kuantum masih merupakan peranti hipotetikal yang akan menggunakan prinsip superposisi (dan sifat kuantum lain)
untuk pengiraan. Komputer biasa berfungsi menggunakan transistor,
yang menganggap sebarang maklumat sebagai sifar dan satu. Kod binari boleh menggambarkan seluruh dunia - dan menyelesaikan sebarang masalah di dalamnya. Analog kuantum bit klasik dipanggil cubit. (qubit, qu - daripada perkataan kuantum, kuantum). Menggunakan prinsip superposisi, satu hasta secara serentak boleh
dalam keadaan 0 dan 1 - dan ini bukan sahaja akan meningkatkan kuasa dengan ketara berbanding komputer tradisional, tetapi juga akan membolehkan anda menyelesaikan masalah yang tidak dijangka,
komputer konvensional yang mana tidak mampu.

Prinsip superposisi adalah satu-satunya perkara
Apakah yang akan berasaskan komputer kuantum?

Tidak. Disebabkan oleh fakta bahawa komputer kuantum hanya wujud dalam teori, saintis masih hanya membuat spekulasi tentang bagaimana sebenarnya ia akan berfungsi. Sebagai contoh, dipercayai bahawa komputer kuantum juga akan menggunakan kuantum kuantum.
Ini adalah fenomena yang dipanggil oleh Albert Einstein sebagai "the uncanny" ( dia secara umumnya menentang teori kuantum, kerana ia tidak sesuai dengan teori relativitinya). Maksud fenomena itu ialah dua zarah di Alam Semesta boleh saling berkaitan, dan sebaliknya: katakan, jika heliks
(terdapat ciri keadaan zarah asas, kami tidak akan menjelaskan secara terperinci) zarah pertama adalah positif, maka heliks kedua akan sentiasa negatif, dan begitu juga sebaliknya. Fenomena ini dipanggil "menyeramkan" kerana dua sebab. Pertama, sambungan ini berfungsi serta-merta, lebih pantas daripada kelajuan cahaya. Kedua, zarah terjerat boleh terletak pada sebarang jarak antara satu sama lain.
antara satu sama lain: contohnya, di hujung Bima Sakti yang berbeza.

Bagaimanakah komputer kuantum boleh digunakan?

Para saintis sedang mencari aplikasi untuk komputer kuantum dan pada masa yang sama memikirkan cara untuk membinanya. Perkara utama ialah komputer kuantum akan dapat mengoptimumkan maklumat dengan cepat dan secara amnya berfungsi dengan data besar yang kami kumpulkan, tetapi belum memahami cara menggunakannya.

Mari bayangkan pilihan ini (sangat dipermudahkan, sudah tentu): Anda akan melepaskan busur pada sasaran dan anda perlu mengira berapa tinggi untuk mensasarkan untuk memukul. Katakan anda perlu mengira ketinggian dari 0 hingga 100 cm. Komputer konvensional akan mengira setiap trajektori secara bergilir-gilir: pertama 0 cm, kemudian 1 cm, kemudian 2 cm dan seterusnya. Komputer kuantum akan mengira semua pilihan pada masa yang sama - dan serta-merta menghasilkan pilihan yang membolehkan anda mencapai sasaran. Dengan cara ini anda boleh mengoptimumkan banyak proses:
daripada perubatan (katakan, untuk mendiagnosis kanser lebih awal) sebelum penerbangan (contohnya, buat autopilot yang lebih kompleks).

Terdapat juga versi yang komputer sedemikian akan dapat menyelesaikan masalah yang komputer biasa tidak mampu - atau yang memerlukan pengiraan beribu-ribu tahun. Komputer kuantum akan dapat berfungsi dengan simulasi yang paling kompleks: contohnya, hitung sama ada terdapat makhluk pintar di Alam Semesta selain manusia. Ada kemungkinan penciptaan komputer kuantum akan memimpin
kepada kemunculan kecerdasan buatan. Bayangkan apa yang dilakukan oleh kemunculan komputer konvensional kepada dunia kita - komputer kuantum boleh menjadi kejayaan yang sama.

Siapa yang membangunkan komputer kuantum?

Semua. Kerajaan, tentera, syarikat teknologi. Mencipta komputer kuantum akan memberi manfaat kepada hampir semua orang. Sebagai contoh, antara dokumen yang dikeluarkan oleh Edward Snowden, terdapat maklumat bahawa NSA mempunyai projek yang dipanggil "Penyusupan Sasaran Kompleks," yang termasuk penciptaan komputer kuantum untuk menyulitkan maklumat. Microsoft terlibat secara serius dalam komputer kuantum - mereka memulakan penyelidikan pertama mereka dalam bidang ini pada tahun 2007. IBM sedang membangun dan beberapa tahun lalu mengumumkan bahawa mereka telah mencipta cip dengan tiga qubit. Akhirnya, Google dan NASA bekerjasama
dengan syarikat D-Wave, yang mengatakan ia sudah pun menghasilkan
"pemproses kuantum komersial pertama" (atau lebih tepatnya yang kedua, kini model mereka dipanggil D-Wave Two), tetapi ia belum berfungsi seperti kuantum -
Mari kita ingatkan anda bahawa mereka tidak wujud.

Seberapa dekat kita untuk mencipta
komputer kuantum?

Tiada siapa yang boleh mengatakan dengan pasti. Berita tentang kejayaan teknologi (seperti berita terkini tentang Google) muncul sentiasa, tetapi kita boleh berada sangat jauh
daripada komputer kuantum yang lengkap, dan sangat dekat dengannya. Katakan ada kajian menunjukkan bahawa ia cukup untuk mencipta komputer
dengan beberapa ratus hasta supaya ia berfungsi sebagai komputer kuantum yang lengkap. D-Wave mendakwa telah mencipta pemproses 84-qubit -
tetapi pengkritik yang telah menganalisis pemproses mereka mengatakan ia berfungsi,
seperti komputer klasik, bukan seperti komputer kuantum. Google bekerjasama
dengan D-Wave, mereka percaya bahawa pemproses mereka hanya dalam peringkat awal pembangunan dan akhirnya akan berfungsi seperti satu kuantum. Bagaimanapun, sekarang
Komputer kuantum mempunyai satu masalah utama - ralat. Mana-mana komputer membuat kesilapan, tetapi yang klasik boleh mengatasinya dengan mudah - tetapi komputer kuantum belum lagi. Sebaik sahaja penyelidik mengetahui pepijat, kemunculan komputer kuantum akan tinggal beberapa tahun lagi.

Apakah yang menyebabkan sukar untuk membetulkan kesilapan?
dalam komputer kuantum?

Untuk memudahkan, ralat dalam komputer kuantum boleh dibahagikan kepada dua peringkat. Yang pertama ialah kesilapan yang dilakukan oleh mana-mana komputer, termasuk yang klasik. Ralat boleh muncul dalam ingatan komputer apabila 0 secara tidak sengaja bertukar kepada 1 disebabkan oleh bunyi luaran - contohnya, sinaran kosmik atau sinaran. Ralat ini mudah diselesaikan; semua data disemak untuk perubahan sedemikian. Dan Google baru-baru ini menangani masalah ini dalam komputer kuantum: mereka menstabilkan rantaian sembilan qubit
dan menyelamatkannya dari kesilapan. Walau bagaimanapun, terdapat satu kaveat untuk kejayaan ini: Google telah menangani ralat klasik dalam pengkomputeran klasik. Terdapat ralat tahap kedua dalam komputer kuantum, dan ia adalah lebih sukar untuk difahami dan dijelaskan.

Cubit adalah sangat tidak stabil, ia tertakluk kepada dekoheren kuantum - ini adalah gangguan komunikasi dalam sistem kuantum di bawah pengaruh persekitaran. Pemproses kuantum mesti diasingkan sebanyak mungkin daripada pengaruh persekitaran (walaupun dekoheren kadangkala berlaku akibat proses dalaman) untuk memastikan ralat pada tahap minimum. Pada masa yang sama, ralat kuantum tidak boleh dihapuskan sepenuhnya, tetapi jika ia dibuat cukup jarang, komputer kuantum boleh berfungsi. Pada masa yang sama, sesetengah penyelidik percaya bahawa 99% kuasa komputer sedemikian akan diarahkan
untuk menghapuskan ralat, tetapi baki 1% sudah cukup untuk menyelesaikan sebarang masalah.
Menurut ahli fizik Scott Aaronson, pencapaian Google boleh dianggap sebagai yang ketiga
dengan separuh daripada tujuh langkah yang diperlukan untuk mencipta komputer kuantum - dengan kata lain, kita sudah separuh jalan.