Permulaan jualan 2000-qubitnya komputer kuantum D-Wave 2000Q dan telah menjual model pertama dengan harga $15 juta.

Pembelinya ialah Temporal Defence Systems, sebuah syarikat keselamatan siber. James Burrell Pengarah teknikal TDS berkata syarikat itu merancang untuk menggunakan D-Wave 2000Q untuk membangunkan perlindungan ancaman baharu dan penyelesaian pengenalan jenayah siber.

Sistem D-Wave menyimpan data menggunakan qubit. Mereka mengekod maklumat dengan sifar, satu, atau kedua-dua keadaan serentak, tidak seperti sistem tradisional. Atas sebab ini, D-Wave mampu mengurus kombinasi keadaan yang besar, yang membolehkannya menyelesaikan kelas masalah tertentu dengan lebih cekap.

D-Wave membentangkan komputer kuantumnya kepada orang ramai pada September tahun lepas, mengatakan bahawa penyelesaian baharu itu akan mengandungi 2 ribu qubit. Itu dua kali ganda berbanding komputer kuantum generasi sebelumnya, D-Wave X2, yang dilancarkan pada bulan Ogos.

D-wave 2000Q adalah apa yang dipanggil komputer adiabatik, bekerja pada prinsip penyepuhlindapan kuantum.

Ini adalah sistem kuantum yang terdiri daripada sejumlah besar komponen dan parameter terkawal. Dengan menyejukkannya ke suhu yang sangat rendah (komputer model sebelumnya beroperasi pada suhu 15 millikelvin - kira-kira -273 ° C), pemaju menganggap bahawa sistem mencapai tenaga minimum, dan kemudian, perlahan-lahan berubah parameter yang diberikan, gunakan undang-undang mekanik kuantum untuk menukar sistem daripada keadaan awal ke keadaan baharu tenaga minimum disebabkan terowong kuantum.

Satu ciri D-Wave baharu ialah keupayaan untuk melaraskan frekuensi penyepuhlindapan qubit individu untuk meningkatkan prestasi. Juga komputer baru menggabungkan algoritma operasi kuantum dan klasik untuk mengoptimumkan pemilihan hasil pengiraan.

Dalam temu bual dengan N+1, Alexey Ustinov, ketua kumpulan Superconducting Quantum Circuits di Pusat Kuantum Rusia, menjelaskan kegunaan D-Wave. Salah satu bidang aplikasi ialah pengoptimuman fungsi kos.

Anda mempunyai banyak parameter, banyak matlamat. Katakan anda perlu melawat sejuta pelanggan masuk tempat berbeza, sambil mengoptimumkan perjalanan, kos, masa dan sebagainya.

Dalam siaran akhbar, wakil D-Wave menyatakan bahawa 2000Q mampu menyelesaikan lebih banyak masalah yang kompleks berbanding pendahulunya. Juga lebih prestasi tinggi harus memacu pembangunan bidang seperti keselamatan siber, pembelajaran mesin, bioteknologi. Syarikat itu menyatakan bahawa algoritma khusus boleh dilaksanakan 1 ribu dan bahkan 10 ribu kali lebih cepat daripada pada pelayan klasik.

Pada masa yang sama, D-Wave bukan sahaja membekalkan penyelesaian untuk pelanggannya, tetapi juga menawarkan untuk menyewa kuasa mesin kuantum untuk kerja jauh.

P.S. Inilah perkara lain yang kami tulis di blog kami:

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

Menggunakan undang-undang mekanik kuantum, adalah mungkin untuk mencipta secara asas jenis baru komputer, yang akan membolehkan anda menyelesaikan beberapa masalah yang tidak boleh diakses walaupun kepada yang paling berkuasa superkomputer moden. 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. Mencadangkan algoritma kuantum untuk pemfaktoran pantas bilangan yang 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 dilaksanakan operasi logik lebih qubit.

PENGENALAN, ATAU SEDIKIT TENTANG PERLINDUNGAN MAKLUMAT

Program apa yang anda fikir dijual di dunia? nombor terhebat lesen? 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 adalah mendahului produk sederhana daripada RSA Data Security, Inc. - program yang melaksanakan algoritma penyulitan dengan kunci awam RSA, dinamakan sempena pengarangnya - ahli matematik Amerika Rivest, Shamir dan Adelman.

Hakikatnya ialah Algoritma RSA terbina dalam kebanyakan sistem pengendalian komersial, serta banyak aplikasi lain yang digunakan dalam pelbagai peranti- daripada kad pintar kepada telefon bimbit. Khususnya, ia juga tersedia dalam Microsoft Windows, yang bermaksud ia jelas lebih meluas daripada popular ini sistem operasi. Untuk mengesan kesan RSA, contohnya, 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 di lapangan 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 sulit Tawaran komersial 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 perlu dirahsiakan) dan peribadi (secara ketat). 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. Awak, mengetahui kunci peribadi(ia pada mulanya disimpan dengan anda), 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 rekod anda sendiri) 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 membuat keputusan masalah songsang, iaitu mengetahui nombor besar N, menguraikannya kepada 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, eksperimen telah dijalankan dan masih dijalankan. pertandingan khas. 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 moden komputer peribadi, ia akan mengambil masa kira-kira 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 kawasan baru Sains. 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 fizikal yang 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 penerangan penuh 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 telaga berpotensi, dan terdapat superkomputer dengan Ram, bilangan bit yang sama dengan bilangan atom di kawasan yang boleh dilihat di Alam Semesta (!). Dan pada masa yang sama, untuk mengkaji dinamik sistem sedemikian, anda hanya boleh melakukan eksperimen dengan 30 elektron, meletakkannya dalam potensi dan keadaan awal yang diberikan. Ini, khususnya, telah diperhatikan oleh ahli matematik Rusia Yu I. Manin, yang pada tahun 1980 menunjukkan keperluan untuk membangunkan teori kuantum peranti pengkomputeran. 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.

Tapi masih untuk masa yang lama 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 Shor di Lucent Technologies L. Grover mencadangkan algoritma kuantum pencarian pantas dalam pangkalan data yang tidak teratur. (Contoh pangkalan data sedemikian ialah buku telefon, di mana nama keluarga pelanggan tidak disusun mengikut abjad, tetapi dengan cara sewenang-wenangnya.) Masalah mencari, memilih elemen optimum di antara banyak pilihan sangat sering dijumpai dalam masalah ekonomi, ketenteraan, kejuruteraan, 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 skim pengekodan keadaan kuantum dan membetulkan kesilapan 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 tidak boleh 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, sebahagian lagi, sebahagiannya pada satu pertiga, dsb. Ini tidak bermakna ia terbahagi 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 dalam masa ini. 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. Terdapat 2 L secara keseluruhan. pelbagai kombinasi. 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 kemungkinan nilai daftar kuantum (kecuali yang asas) tidak wujud. Keadaan daftar klasik hanyalah bayangan yang 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. 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 segera jelas 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 satu yang pertama menunjukkan ini ialah ahli matematik Rusia Yu Ozhigov, yang membina beberapa contoh algoritma yang, pada dasarnya, tidak boleh dipercepatkan oleh 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 belum lagi mampu menyediakan 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 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 pada 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 - dalam sepuluh tahun - komputer kuantum yang berkesan akan dicipta.

PANDANGAN KE MASA DEPAN

Oleh itu, agak mungkin bahawa 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. 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 pada topik yang sama

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 (berdasarkan 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

Pengkomputeran kuantum, sekurang-kurangnya dalam teori, telah diperkatakan selama beberapa dekad. Jenis mesin moden, menggunakan mekanik bukan klasik untuk memproses jumlah data yang mungkin tidak dapat dibayangkan, telah menjadi kejayaan besar. Menurut pemaju, pelaksanaan mereka ternyata mungkin teknologi paling kompleks yang pernah dibuat. Pemproses kuantum beroperasi pada tahap jirim yang hanya dipelajari oleh manusia kira-kira 100 tahun yang lalu. Potensi pengkomputeran sedemikian sangat besar. Menggunakan sifat pelik quanta akan mempercepatkan pengiraan, begitu banyak masalah yang pada masa ini di luar kemampuan komputer klasik akan diselesaikan. Dan bukan sahaja dalam bidang kimia dan sains bahan. Wall Street juga berminat.

Melabur pada masa hadapan

Kumpulan CME telah melabur dalam 1QB Information Technologies Inc. yang berpangkalan di Vancouver, yang membangunkan perisian untuk pemproses kuantum. Pengkomputeran sedemikian mungkin akan memberi impak terbesar kepada industri yang berurusan dengan jumlah besar data sensitif masa, kata pelabur. Contoh pengguna tersebut ialah institusi kewangan. Goldman Sachs melabur dalam Sistem D-Wave, dan In-Q-Tel dibiayai oleh CIA. Yang pertama menghasilkan mesin yang melakukan apa yang dipanggil "penyepuhlindapan kuantum," iaitu, menyelesaikan masalah pengoptimuman peringkat rendah menggunakan pemproses kuantum. Intel juga melabur dalam teknologi ini, walaupun ia menganggap pelaksanaannya sebagai perkara masa depan.

Mengapa ini perlu?

Sebab pengkomputeran kuantum sangat menarik adalah kerana gabungan sempurnanya dengan pembelajaran mesin. Ini pada masa ini merupakan aplikasi utama untuk pengiraan sedemikian. Sebahagian daripada idea komputer kuantum menggunakan peranti fizikal untuk mencari penyelesaian. Kadangkala konsep ini dijelaskan menggunakan contoh permainan Angry Birds. Untuk mensimulasikan graviti dan interaksi objek berlanggar, CPU tablet menggunakan persamaan matematik. Pemproses kuantum menghidupkan pendekatan ini. Mereka "membuang" beberapa burung dan melihat apa yang berlaku. Burung-burung direkodkan dalam mikrocip, mereka dibuang, apakah trajektori yang optimum? Kemudian semua penyelesaian yang mungkin, atau sekurang-kurangnya gabungan yang sangat besar daripada mereka, diuji dan jawapan dikembalikan. Dalam komputer kuantum tidak ada ahli matematik, sebaliknya undang-undang fizik berfungsi.

Bagaimanakah ia berfungsi?

Blok binaan asas dunia kita adalah mekanikal kuantum. Jika anda melihat molekul, sebab ia terbentuk dan kekal stabil ialah interaksi orbital elektronnya. Semua pengiraan mekanikal kuantum terkandung dalam setiap pengiraan. Bilangan mereka meningkat secara eksponen dengan bilangan elektron simulasi. Sebagai contoh, untuk 50 elektron terdapat 2 hingga 50 kuasa pilihan yang mungkin. Ini adalah fenomenal, jadi mustahil untuk mengiranya hari ini. Menghubungkan teori maklumat dengan fizik boleh menunjukkan jalan untuk menyelesaikan masalah tersebut. Komputer 50-qubit boleh melakukan ini.

Subuh era baru

Menurut Landon Downs, presiden dan pengasas bersama 1QBit, pemproses kuantum ialah keupayaan untuk memanfaatkan kuasa pengkomputeran dunia subatomik, yang mempunyai implikasi yang besar untuk mendapatkan bahan baharu atau mencipta ubat baharu. Terdapat anjakan daripada paradigma penemuan kepada era reka bentuk baharu. Sebagai contoh, pengkomputeran kuantum boleh digunakan untuk memodelkan pemangkin yang mengeluarkan karbon dan nitrogen dari atmosfera dan dengan itu membantu menghentikan pemanasan global.

Di barisan hadapan kemajuan

Komuniti pembangunan teknologi sangat teruja dan aktif. Pasukan di seluruh dunia dalam syarikat pemula, syarikat, universiti dan makmal kerajaan berlumba-lumba untuk membina mesin yang menggunakan pendekatan berbeza untuk memproses maklumat kuantum. Cip qubit superkonduktor dan qubit ion terperangkap telah dicipta oleh penyelidik dari Universiti Maryland dan Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan AS. Microsoft sedang membangunkan pendekatan topologi yang dipanggil Station Q, yang bertujuan untuk mengeksploitasi anion bukan Abel yang masih belum terbukti secara konklusif kewujudannya.

Tahun Kemungkinan Kejayaan

Dan ini baru permulaan. Sehingga akhir Mei 2017, bilangan pemproses kuantum yang jelas melakukan sesuatu yang lebih pantas atau lebih baik daripada komputer klasik adalah sifar. Peristiwa sedemikian akan mewujudkan "keunggulan kuantum," tetapi ia masih belum berlaku. Walaupun kemungkinan ini boleh berlaku pada tahun ini. Kebanyakan orang dalam mengatakan kegemaran yang jelas ialah pasukan Google yang diketuai oleh profesor fizik UC Santa Barbara John Martini. Matlamatnya adalah untuk mencapai keunggulan pengiraan menggunakan pemproses 49-qubit. Menjelang akhir Mei 2017, pasukan itu telah berjaya menguji cip 22-qubit sebagai langkah perantaraan ke arah menyahpasang superkomputer klasik.

Di mana semuanya bermula?

Idea menggunakan mekanik kuantum untuk memproses maklumat telah wujud selama beberapa dekad. Salah satu peristiwa penting berlaku pada tahun 1981, apabila IBM dan MIT bersama-sama menganjurkan persidangan mengenai fizik pengkomputeran. Ahli fizik terkenal itu mencadangkan membina komputer kuantum. Menurutnya, mekanik kuantum harus digunakan untuk pemodelan. Dan ini adalah tugas yang hebat kerana ia tidak kelihatan begitu mudah. Prinsip operasi pemproses kuantum adalah berdasarkan beberapa sifat aneh atom - superposisi dan kekusutan. Suatu zarah boleh berada dalam dua keadaan pada masa yang sama. Walau bagaimanapun, apabila diukur, ia akan muncul hanya dalam satu daripadanya. Dan adalah mustahil untuk meramalkan yang mana satu, kecuali dari perspektif teori kebarangkalian. Kesan ini adalah asas eksperimen pemikiran kucing Schrödinger, yang hidup dan mati di dalam kotak sehingga pemerhati menyelinap mengintip. Tiada apa-apa dalam kehidupan seharian berfungsi dengan cara ini. Walau bagaimanapun, kira-kira 1 juta eksperimen yang dijalankan sejak awal abad ke-20 menunjukkan bahawa superposisi memang wujud. Dan langkah seterusnya ialah memikirkan cara menggunakan konsep ini.

Pemproses kuantum: huraian kerja

Bit klasik boleh mengambil nilai 0 atau 1. Jika anda melepasi rentetannya melalui "gerbang logik" (DAN, ATAU, BUKAN, dll.), anda boleh mendarab nombor, melukis imej, dsb. Satu qubit boleh mengambil nilai 0, 1 atau kedua-duanya pada masa yang sama. Jika, katakan, 2 qubit terjerat, maka ini menjadikannya berkorelasi sempurna. Pemproses kuantum boleh menggunakan get logik. T.n. Gerbang Hadamard, sebagai contoh, meletakkan qubit dalam keadaan superposisi yang sempurna. Apabila superposisi dan jalinan digabungkan dengan gerbang kuantum yang diletakkan dengan bijak, potensi pengkomputeran subatomik mula terungkap. 2 qubit membolehkan anda meneroka 4 keadaan: 00, 01, 10 dan 11. Prinsip operasi pemproses kuantum adalah sedemikian rupa sehingga melakukan operasi logik memungkinkan untuk bekerja dengan semua kedudukan sekaligus. Dan bilangan keadaan yang tersedia ialah 2 kepada kuasa bilangan qubit. Jadi, jika anda membuat komputer kuantum universal 50-qubit, anda secara teorinya boleh meneroka kesemua 1.125 kuadrilion kombinasi sekaligus.

Kudits

Pemproses kuantum di Rusia dilihat agak berbeza. Para saintis dari MIPT dan Pusat Kuantum Rusia telah mencipta "qudits," yang merupakan beberapa qubit "maya" dengan tahap "tenaga" yang berbeza.

Amplitud

Pemproses kuantum mempunyai kelebihan bahawa mekanik kuantum adalah berdasarkan amplitud. Amplitud adalah serupa dengan kebarangkalian, tetapi ia juga boleh menjadi nombor negatif dan kompleks. Jadi, jika anda perlu mengira kebarangkalian sesuatu peristiwa, anda boleh menambah amplitud semua pilihan yang mungkin untuk pembangunannya. Idea di sebalik pengkomputeran kuantum adalah untuk cuba menyesuaikannya supaya beberapa laluan kepada jawapan yang salah mempunyai amplitud positif dan sesetengahnya mempunyai amplitud negatif, jadi ia membatalkan satu sama lain. Dan laluan yang membawa kepada jawapan yang betul akan mempunyai amplitud yang berfasa antara satu sama lain. Caranya ialah dengan mengatur segala-galanya tanpa mengetahui terlebih dahulu jawapan mana yang betul. Jadi sifat eksponen keadaan kuantum, digabungkan dengan potensi gangguan antara amplitud positif dan negatif, adalah kelebihan jenis pengiraan ini.

Algoritma Shor

Terdapat banyak masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer. Contohnya, penyulitan. Masalahnya ialah bukan mudah untuk mencari faktor perdana bagi nombor 200 digit. Walaupun komputer riba anda menjalankan perisian yang hebat, anda mungkin perlu menunggu bertahun-tahun untuk mencari jawapannya. Jadi satu lagi peristiwa penting dalam pengkomputeran kuantum ialah algoritma yang diterbitkan pada tahun 1994 oleh Peter Shore, kini seorang profesor matematik di MIT. Kaedah beliau ialah mencari faktor bilangan yang besar menggunakan komputer kuantum yang belum wujud. Pada asasnya, algoritma menjalankan operasi yang menunjuk ke kawasan dengan jawapan yang betul. Pada tahun berikutnya, Shor menemui kaedah untuk pembetulan ralat kuantum. Kemudian ramai yang menyedari bahawa ini adalah cara pengkomputeran alternatif, yang dalam beberapa kes mungkin lebih berkuasa. Kemudian terdapat lonjakan minat di pihak ahli fizik dalam penciptaan qubit dan gerbang logik di antara mereka. Dan kini, dua dekad kemudian, manusia berada di ambang mencipta komputer kuantum yang lengkap.

Dunia berada di ambang revolusi kuantum yang lain. Komputer kuantum pertama akan segera menyelesaikan masalah yang peranti moden paling berkuasa pada masa ini mengambil masa bertahun-tahun untuk diselesaikan. Apakah tugas-tugas ini? Siapa yang mendapat manfaat dan siapa yang terancam oleh penggunaan besar-besaran algoritma kuantum? Apakah superposisi qubit, bagaimana orang belajar untuk mencari penyelesaian optimum tanpa melalui bertrilion pilihan? Kami menjawab soalan ini di bawah tajuk "Sekadar tentang kompleks."

Sebelum teori kuantum, teori klasik sinaran elektromagnet telah digunakan. Pada tahun 1900, saintis Jerman Max Planck, yang sendiri tidak percaya pada quanta dan menganggapnya sebagai rekaan dan pembinaan teori semata-mata, terpaksa mengakui bahawa tenaga badan yang dipanaskan dipancarkan dalam bahagian - quanta; Oleh itu, andaian teori itu bertepatan dengan pemerhatian eksperimen. Dan lima tahun kemudian, Albert Einstein yang hebat menggunakan pendekatan yang sama apabila menerangkan kesan fotoelektrik: apabila disinari dengan cahaya, arus elektrik timbul dalam logam! Tidak mungkin Planck dan Einstein dapat membayangkan bahawa dengan kerja mereka, mereka meletakkan asas sains baru - mekanik kuantum, yang akan ditakdirkan untuk mengubah dunia kita di luar pengiktirafan, dan bahawa pada abad ke-21 saintis akan hampir mencipta komputer kuantum.

Pada mulanya, mekanik kuantum memungkinkan untuk menerangkan struktur atom dan membantu memahami proses yang berlaku di dalamnya. Pada umumnya, impian lama ahli alkimia untuk mengubah atom beberapa unsur menjadi atom lain (ya, malah menjadi emas) telah menjadi kenyataan. Dan formula terkenal Einstein E=mc2 membawa kepada kemunculan tenaga nuklear dan, sebagai akibatnya, bom atom.

Pemproses kuantum lima qubit daripada IBM

Lebih lanjut lagi. Terima kasih kepada kerja Einstein dan ahli fizik Inggeris Paul Dirac, laser dicipta pada separuh kedua abad ke-20 - juga sumber kuantum cahaya ultra-tulen yang dikumpulkan ke dalam pancaran sempit. Penyelidikan laser telah membawa Hadiah Nobel kepada lebih daripada sedozen saintis, dan laser sendiri telah menemui aplikasinya dalam hampir semua bidang aktiviti manusia - daripada pemotong industri dan senjata laser kepada pengimbas kod bar dan pembetulan penglihatan. Pada masa yang sama, penyelidikan aktif sedang dijalankan mengenai semikonduktor - bahan yang dengannya aliran arus elektrik boleh dikawal dengan mudah. Atas dasar mereka, transistor pertama dicipta - mereka kemudiannya menjadi elemen bangunan utama elektronik moden, tanpanya kita tidak dapat membayangkan kehidupan kita lagi.

Perkembangan mesin pengkomputeran elektronik - komputer - telah memungkinkan untuk menyelesaikan banyak masalah dengan cepat dan cekap. Dan pengurangan secara beransur-ansur dalam saiz dan kos mereka (disebabkan oleh pengeluaran besar-besaran) membuka jalan untuk komputer ke setiap rumah. Dengan kemunculan Internet, pergantungan kita kepada sistem komputer, termasuk untuk komunikasi, menjadi lebih kuat.

Richard Feynman

Kebergantungan semakin meningkat, kuasa pengkomputeran sentiasa berkembang, tetapi masanya telah tiba untuk mengakui bahawa, walaupun keupayaan mereka yang mengagumkan, komputer tidak dapat menyelesaikan semua masalah yang kami sedia untuk meletakkan sebelum mereka. Ahli fizik terkenal Richard Feynman adalah salah seorang yang pertama bercakap tentang perkara ini: pada tahun 1981, pada persidangan, beliau menyatakan bahawa pada asasnya mustahil untuk mengira dengan tepat sistem fizikal sebenar pada komputer biasa. Ini semua tentang sifat kuantumnya! Kesan skala mikro mudah dijelaskan oleh mekanik kuantum dan sangat kurang dijelaskan oleh mekanik klasik yang biasa kita gunakan: ia menerangkan tingkah laku objek besar. Pada masa itu, sebagai alternatif, Feynman mencadangkan menggunakan komputer kuantum untuk mengira sistem fizikal.

Apakah komputer kuantum dan bagaimana ia berbeza daripada komputer yang biasa kita gunakan? Ini semua tentang cara kami menyampaikan maklumat.

Jika dalam komputer konvensional bit - sifar dan satu - bertanggungjawab untuk fungsi ini, maka dalam komputer kuantum ia digantikan dengan bit kuantum (disingkatkan sebagai qubit). Qubit itu sendiri adalah perkara yang agak mudah. Ia masih mempunyai dua nilai asas (atau keadaan, seperti yang dikatakan mekanik kuantum) yang boleh diambil alih: 0 dan 1. Walau bagaimanapun, terima kasih kepada sifat objek kuantum yang dipanggil "superposisi," qubit boleh mengambil semua nilai itu adalah gabungan yang asas. Selain itu, sifat kuantumnya membolehkan ia berada di semua negeri ini pada masa yang sama.

Ini adalah keselarian pengkomputeran kuantum dengan qubit. Segala-galanya berlaku serentak - tidak perlu lagi melalui semua pilihan yang mungkin untuk keadaan sistem, dan inilah yang dilakukan oleh komputer biasa. Mencari melalui pangkalan data yang besar, merangka laluan optimum, membangunkan ubat baharu hanyalah beberapa contoh masalah yang boleh diselesaikan berkali-kali lebih pantas dengan algoritma kuantum. Ini adalah tugas-tugas di mana untuk mencari jawapan yang betul yang anda perlukan untuk melalui sejumlah besar pilihan.

Di samping itu, untuk menerangkan keadaan sistem yang tepat, kuasa pengkomputeran yang besar dan jumlah RAM tidak lagi diperlukan, kerana untuk mengira sistem 100 zarah, 100 qubit sudah cukup, dan bukan trilion trilion bit. Selain itu, apabila bilangan zarah bertambah (seperti dalam sistem kompleks sebenar), perbezaan ini menjadi lebih ketara.

Salah satu masalah penghitungan menonjol kerana tidak bergunanya - menguraikan sejumlah besar menjadi faktor utama (iaitu, hanya boleh dibahagikan dengan mereka sendiri dan satu). Ini dipanggil "pemfaktoran". Hakikatnya ialah komputer biasa boleh mendarab nombor dengan agak cepat, malah yang sangat besar. Walau bagaimanapun, komputer konvensional mengatasi masalah songsang penguraian nombor yang besar akibat daripada mendarab dua nombor perdana kepada faktor asalnya. Contohnya, untuk memfaktorkan sejumlah 256 digit kepada dua faktor, komputer yang paling berkuasa pun memerlukan berpuluh-puluh tahun. Tetapi algoritma kuantum yang boleh menyelesaikan masalah ini dalam beberapa minit telah dicipta pada tahun 1997 oleh ahli matematik Inggeris Peter Shor.

Dengan kemunculan algoritma Shor, komuniti saintifik menghadapi masalah yang serius. Kembali pada akhir 1970-an, berdasarkan kerumitan masalah pemfaktoran, saintis kriptografi mencipta algoritma penyulitan data yang telah meluas. Khususnya, dengan bantuan algoritma ini mereka mula melindungi data di Internet - kata laluan, surat-menyurat peribadi, perbankan dan transaksi kewangan. Dan selepas bertahun-tahun berjaya digunakan, tiba-tiba ternyata maklumat yang disulitkan dengan cara ini menjadi sasaran mudah untuk algoritma Shor yang dijalankan pada komputer kuantum. Penyahsulitan dengan bantuannya menjadi beberapa minit. Satu perkara yang baik: komputer kuantum di mana algoritma maut boleh dijalankan belum lagi dicipta.

Sementara itu, di seluruh dunia, berpuluh-puluh kumpulan saintifik dan makmal mula terlibat dalam kajian eksperimen qubit dan kemungkinan mencipta komputer kuantum daripada mereka. Lagipun, ia adalah satu perkara untuk mencipta qubit secara teori, dan agak lain untuk membawanya menjadi realiti. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mencari sistem fizikal yang sesuai dengan dua tahap kuantum yang boleh digunakan sebagai keadaan asas qubit - sifar dan satu. Feynman sendiri, dalam artikel perintisnya, mencadangkan penggunaan foton yang dipintal ke arah yang berbeza untuk tujuan ini, tetapi qubit pertama yang dibuat secara eksperimen ialah ion yang ditangkap dalam perangkap khas pada tahun 1995. Ion diikuti oleh banyak pelaksanaan fizikal lain: nukleus atom, elektron, foton, kecacatan dalam kristal, litar superkonduktor - semuanya memenuhi keperluan.

Kepelbagaian ini mempunyai kelebihannya. Didorong oleh persaingan yang sengit, pelbagai kumpulan saintifik mencipta qubit yang lebih maju dan membina litar yang lebih kompleks daripadanya. Terdapat dua parameter persaingan utama untuk qubit: hayatnya dan bilangan qubit yang boleh dibuat untuk berfungsi bersama.

Pekerja Makmal Sistem Kuantum Buatan

Jangka hayat qubit menentukan berapa lama keadaan kuantum rapuh disimpan di dalamnya. Ini, seterusnya, menentukan berapa banyak operasi pengiraan boleh dilakukan pada qubit sebelum ia "mati."

Untuk operasi algoritma kuantum yang cekap, tidak satu qubit diperlukan, tetapi sekurang-kurangnya seratus, dan bekerjasama. Masalahnya ialah qubit tidak begitu suka berada di sebelah satu sama lain dan memprotes dengan mengurangkan jangka hayat mereka secara mendadak. Untuk mengatasi ketidakserasian qubit ini, saintis terpaksa menggunakan pelbagai helah. Namun, setakat ini, saintis telah berjaya mendapatkan maksimum satu atau dua dozen qubit untuk bekerjasama.

Oleh itu, untuk menggembirakan ahli kriptografi, komputer kuantum masih menjadi perkara masa depan. Walaupun ia tidak begitu jauh seperti yang pernah dilihat, kerana kedua-dua syarikat terbesar seperti Intel, IBM dan Google, serta negeri-negeri individu, yang mana penciptaan komputer kuantum adalah perkara yang mempunyai kepentingan strategik, adalah terlibat secara aktif dalam penciptaannya.

Jangan ketinggalan kuliah: