De afgelopen decennia hebben computers zich zeer snel ontwikkeld. In feite zijn ze, binnen de herinnering van één generatie, veranderd van omvangrijke, op lampen gebaseerde exemplaren die enorme kamers bezetten, naar miniatuurtablets. Het geheugen en de snelheid namen snel toe. Maar het moment kwam dat er taken verschenen die buiten de controle van zelfs superkrachtige moderne computers lagen.

Wat is een kwantumcomputer?

De opkomst van nieuwe taken die de mogelijkheden van conventionele computers te boven gaan, dwong ons naar nieuwe mogelijkheden te zoeken. En als alternatief voor conventionele computers verschenen kwantumcomputers. Een kwantumcomputer is een computertechnologie gebaseerd op elementen uit de kwantummechanica. De basisprincipes van de kwantummechanica zijn begin vorige eeuw geformuleerd. Zijn verschijning maakte het mogelijk om veel problemen in de natuurkunde op te lossen die in de klassieke natuurkunde geen oplossingen konden vinden.

Hoewel de kwantumtheorie zich al in de tweede eeuw bevindt, is ze nog steeds alleen begrijpelijk voor een kleine kring van specialisten. Maar er zijn ook echte resultaten van de kwantummechanica, waaraan we al gewend zijn: lasertechnologie, tomografie. En aan het einde van de vorige eeuw werd de theorie van kwantumcomputers ontwikkeld door de Sovjet-natuurkundige Yu Manin. Vijf jaar later onthulde David Deutsch het idee van een kwantummachine.

Bestaat er een kwantumcomputer?

Maar de implementatie van ideeën bleek niet zo eenvoudig. Van tijd tot tijd verschijnen er berichten dat er weer een kwantumcomputer is gemaakt. Over de ontwikkeling van dergelijke computertechnologie Er zijn reuzen op het gebied van informatietechnologie:

1. D-Wave is een bedrijf uit Canada dat als eerste operationele kwantumcomputers produceerde. Niettemin is er onder experts discussie over hoe kwantum deze computers werkelijk zijn en welke voordelen ze bieden.
2. IBM heeft een kwantumcomputer gemaakt en de toegang daartoe opengesteld voor internetgebruikers om te experimenteren met kwantumalgoritmen. Tegen 2025 wil het bedrijf een model creëren dat praktische problemen kan oplossen.
3. Google heeft dit jaar de release aangekondigd van een computer die de superioriteit van kwantum ten opzichte van conventionele computers kan bewijzen.
4. In mei 2017 maakten Chinese wetenschappers in Shanghai bekend dat ze de krachtigste kwantumcomputer ter wereld hadden gemaakt, die de signaalverwerkingsfrequentie van analogen 24 keer overtrof.
5. In juli 2017 werd op de Moskouse Conferentie over Quantum Technologieën aangekondigd dat er een kwantumcomputer van 51 qubit was gemaakt.

Hoe verschilt een kwantumcomputer van een conventionele computer?

Het fundamentele verschil tussen een kwantumcomputer is de benadering van het rekenproces.

1. In een conventionele processor zijn alle berekeningen gebaseerd op bits die twee toestanden hebben, 1 of 0. Dat wil zeggen dat al het werk neerkomt op het analyseren van een enorme hoeveelheid gegevens om te bepalen of deze aan de gespecificeerde voorwaarden voldoen. Een kwantumcomputer is gebaseerd op qubits (kwantumbits). Hun kenmerk is het vermogen om tegelijkertijd in de staat 1, 0 en ook 1 en 0 te zijn.
2. De mogelijkheden van een kwantumcomputer nemen aanzienlijk toe, omdat het niet nodig is om tussen velen naar het gewenste antwoord te zoeken. In dit geval wordt het antwoord geselecteerd uit reeds beschikbare opties met een bepaalde waarschijnlijkheid van overeenstemming.

Waar wordt een kwantumcomputer voor gebruikt?

Het principe van een kwantumcomputer, gebaseerd op het kiezen van een oplossing met voldoende waarschijnlijkheid en het vermogen om zo’n oplossing vele malen sneller te vinden dan moderne computers, bepaalt de doeleinden van het gebruik ervan. Allereerst baart de opkomst van dit soort computertechnologie cryptografen zorgen. Dit komt door het vermogen van de kwantumcomputer om eenvoudig wachtwoorden te berekenen. De krachtigste kwantumcomputer die door Russisch-Amerikaanse wetenschappers is gemaakt, is dus in staat de sleutels ervan te verkrijgen bestaande systemen encryptie.

Er zijn ook nuttiger toegepaste problemen voor kwantumcomputers; deze houden verband met het gedrag van elementaire deeltjes, genetica, gezondheidszorg, financiële markten, het beschermen van netwerken tegen virussen, kunstmatige intelligentie en vele andere die conventionele computers nog niet kunnen oplossen.

Hoe werkt een kwantumcomputer?

Het ontwerp van een kwantumcomputer is gebaseerd op het gebruik van qubits. De volgende worden momenteel gebruikt als fysieke uitvoeringen van qubits:

• ringen gemaakt van supergeleiders met jumpers, met multidirectionele stroom;
• individuele atomen blootgesteld aan laserstralen;
• ionen;
• fotonen;
• Opties voor het gebruik van halfgeleider nanokristallen worden ontwikkeld.

Kwantumcomputer - werkingsprincipe

Als er zekerheid bestaat over hoe een klassieke computer werkt, dan is de vraag hoe een kwantumcomputer werkt niet eenvoudig te beantwoorden. De beschrijving van de werking van een kwantumcomputer is gebaseerd op twee zinnen die voor de meesten onduidelijk zijn:

• superpositieprincipe– we hebben het over qubits die tegelijkertijd op positie 1 en 0 kunnen staan. Hierdoor kun je meerdere berekeningen tegelijk uitvoeren, in plaats van opties doorzoeken, wat een grote tijdwinst oplevert;
• kwantumverstrengeling- een fenomeen opgemerkt door A. Einstein, dat bestaat uit de relatie tussen twee deeltjes. Spreken in eenvoudige woorden Als een van de deeltjes een positieve heliciteit heeft, neemt de tweede onmiddellijk een positieve heliciteit aan. Deze relatie vindt plaats ongeacht de afstand.

Wie heeft de kwantumcomputer uitgevonden?

De basis van de kwantummechanica werd aan het begin van de vorige eeuw als hypothese geschetst. De ontwikkeling ervan wordt geassocieerd met briljante natuurkundigen als Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. In 1980 stelde Yu Antonov het idee van de mogelijkheid van kwantumcomputers voor. Een jaar later modelleerde Richard Feineman theoretisch de eerste kwantumcomputer.

Nu bevindt de creatie van quantumcomputers zich in de ontwikkelingsfase en is het zelfs moeilijk voor te stellen waartoe een quantumcomputer in staat is. Maar het is absoluut duidelijk dat het beheersen van deze richting mensen veel nieuwe ontdekkingen zal opleveren op alle gebieden van de wetenschap, hen in staat zal stellen in de micro- en macrowereld te kijken en meer te leren over de aard van de geest en genetica.

De wereld staat aan de vooravond van een nieuwe kwantumrevolutie. De eerste kwantumcomputer zal onmiddellijk de problemen oplossen waarvoor de krachtigste is modern apparaat is nu al jaren bezig. Wat zijn deze taken? Wie profiteert en wie wordt bedreigd door het massale gebruik van kwantumalgoritmen? Wat is een superpositie van qubits, hoe hebben mensen geleerd de optimale oplossing te vinden zonder triljoenen opties te doorlopen? Deze vragen beantwoorden wij onder het kopje ‘Gewoon over het complex’.

Vóór de kwantumtheorie was de klassieke theorie in gebruik elektromagnetische straling. In 1900 werd de Duitse wetenschapper Max Planck, die zelf niet in quanta geloofde en ze als een fictieve en puur theoretische constructie beschouwde, gedwongen toe te geven dat de energie van een verwarmd lichaam in porties wordt uitgestoten - quanta; De aannames van de theorie vielen dus samen met experimentele waarnemingen. En vijf jaar later nam de grote Albert Einstein zijn toevlucht tot dezelfde aanpak bij het verklaren van het foto-elektrische effect: bij bestraling met licht ontstond er een elektrische stroom in metalen! Het is onwaarschijnlijk dat Planck en Einstein zich hadden kunnen voorstellen dat ze met hun werk de basis legden voor een nieuwe wetenschap: de kwantummechanica, die voorbestemd zou zijn om onze wereld onherkenbaar te transformeren, en dat wetenschappers in de 21e eeuw dicht bij het creëren van nieuwe wetenschap zouden komen. een kwantumcomputer.

Aanvankelijk maakte de kwantummechanica het mogelijk om de structuur van het atoom te verklaren en hielp het de processen die zich daarin afspelen te begrijpen. Over het algemeen is de al lang bestaande droom van alchemisten om atomen van sommige elementen te transformeren in atomen van andere (ja, zelfs in goud) werkelijkheid geworden. En Einsteins beroemde formule E=mc2 leidde tot de opkomst van kernenergie en, als gevolg daarvan, van de atoombom.

Vijf-qubit quantumprocessor van IBM

Verder. Dankzij het werk van Einstein en de Engelse natuurkundige Paul Dirac werd in de tweede helft van de 20e eeuw een laser gecreëerd - ook een kwantumbron van ultrapuur licht verzameld in een smalle straal. Laseronderzoek heeft de Nobelprijs aan meer dan een dozijn wetenschappers opgeleverd, en lasers zelf hebben hun toepassing gevonden op bijna alle gebieden van menselijke activiteit - van industriële snijders en lasergeweren tot streepjescodescanners en zichtcorrectie. Rond dezelfde tijd werd er actief onderzoek gedaan naar halfgeleiders, materialen waarmee je de stroom gemakkelijk kunt controleren elektrische stroom. Op basis daarvan werden de eerste transistors gemaakt - later werden ze de belangrijkste bouwelementen moderne elektronica, zonder welke we ons leven niet langer kunnen voorstellen.

De ontwikkeling van elektronische computermachines – computers – heeft het mogelijk gemaakt om veel problemen snel en efficiënt op te lossen. A geleidelijke afname hun omvang en kosten (als gevolg van massaproductie) maakten de weg vrij voor computers in elk huis. Met de komst van internet is onze afhankelijkheid van computersystemen, ook op het gebied van communicatie, is nog sterker geworden.

Richard Feynman

De afhankelijkheid groeit, de rekenkracht groeit voortdurend, maar de tijd is gekomen om toe te geven dat computers, ondanks hun indrukwekkende capaciteiten, niet alle problemen hebben kunnen oplossen die we ze willen voorleggen. De beroemde natuurkundige Richard Feynman was een van de eersten die hierover sprak: in 1981 verklaarde hij op een conferentie dat het op gewone computers fundamenteel onmogelijk is om de werkelijke waarde nauwkeurig te berekenen. fysiek systeem. Het draait allemaal om de kwantumaard ervan! Effecten op microschaal kunnen gemakkelijk worden verklaard door de kwantummechanica en zeer slecht door de klassieke mechanica, die ons bekend is: deze beschrijft het gedrag van grote objecten. Het was toen dat Feynman als alternatief voorstelde om fysieke systemen te berekenen kwantumcomputers.

Wat is een kwantumcomputer en waarin verschilt deze van de computers die we gewend zijn? Het draait allemaal om de manier waarop we informatie presenteren.

Als in conventionele computers bits – nullen en enen – verantwoordelijk zijn voor deze functie, dan worden ze in quantumcomputers vervangen door quantumbits (afgekort als qubits). De qubit zelf is een vrij eenvoudig ding. Het heeft nog steeds twee fundamentele waarden (of toestanden, zoals de kwantummechanica graag zegt) die het kan aannemen: 0 en 1. Dankzij een eigenschap van kwantumobjecten die ‘superpositie’ wordt genoemd, kan een qubit echter alle waarden aannemen. die een combinatie zijn van de fundamentele. Bovendien zorgt zijn kwantumkarakter ervoor dat hij zich tegelijkertijd in al deze toestanden kan bevinden.

Dit is het parallellisme van quantum computing met qubits. Alles gebeurt tegelijk - het is niet langer nodig om alle mogelijke varianten van systeemtoestanden te doorlopen, en dit is precies wat het doet gewone computer. Zoek op grote databases gegevens, compilatie optimale route zijn de ontwikkeling van nieuwe medicijnen slechts enkele voorbeelden van problemen waarvan de oplossing vele malen kan worden versneld door kwantumalgoritmen. Dit zijn de taken waarbij je een groot aantal opties moet doorlopen om het juiste antwoord te vinden.

Om de exacte toestand van het systeem te beschrijven, zijn bovendien geen enorme rekenkracht en hoeveelheden RAM meer nodig, omdat om een ​​systeem van 100 deeltjes te berekenen, 100 qubits voldoende zijn, en niet biljoenen biljoenen bits. Bovendien wordt dit verschil zelfs nog groter naarmate het aantal deeltjes toeneemt (zoals in echte complexe systemen).

Een van de opsommingsproblemen viel op door de schijnbare nutteloosheid ervan: het ontbinden van grote getallen in priemfactoren (dat wil zeggen: deelbaar door alleen zichzelf en één). Dit wordt "factorisatie" genoemd. Feit is dat gewone computers getallen vrij snel kunnen vermenigvuldigen, zelfs hele grote. Echter, met omgekeerd probleem ontleding groot aantal, resulterend uit vermenigvuldiging van twee priemgetallen, conventionele computers kunnen zeer slecht omgaan met de oorspronkelijke vermenigvuldigers. Om bijvoorbeeld een getal van 256 cijfers in twee factoren te ontbinden, heeft zelfs de krachtigste computer tientallen jaren nodig. Maar een kwantumalgoritme dat dit probleem in een paar minuten kan oplossen, werd in 1997 uitgevonden door de Engelse wiskundige Peter Shor.

Met de komst van het algoritme van Shor werd de wetenschappelijke gemeenschap geconfronteerd serieus probleem. Eind jaren zeventig creëerden cryptografische wetenschappers, gebaseerd op de complexiteit van het factorisatieprobleem, een algoritme voor gegevensversleuteling dat wijdverbreid is geworden. Met behulp van dit algoritme begonnen ze vooral gegevens op internet te beschermen: wachtwoorden, persoonlijke correspondentie, bank- en financiële transacties. En na vele jaren van succesvol gebruik bleek plotseling dat op deze manier gecodeerde informatie een gemakkelijk doelwit wordt voor het algoritme van Shor dat op een kwantumcomputer draait. Decodering met zijn hulp wordt een kwestie van minuten. Eén ding was goed: er was nog geen kwantumcomputer gemaakt waarop het dodelijke algoritme kon worden uitgevoerd.

Ondertussen begonnen tientallen wetenschappelijke groepen en laboratoria over de hele wereld zich bezig te houden met experimentele studies naar qubits en de mogelijkheden om er een kwantumcomputer van te maken. Het is tenslotte één ding om in theorie een qubit uit te vinden, en iets heel anders om deze in de praktijk te brengen. Om dit te doen was het nodig om een ​​geschikt fysiek systeem te vinden met twee kwantumniveaus die kunnen worden gebruikt als de basistoestanden van de qubit: nul en één. Feynman zelf stelde in zijn baanbrekende artikel voor om voor deze doeleinden twist te gebruiken verschillende kanten fotonen, maar de eerste experimenteel gecreëerde qubits waren ionen die in 1995 in speciale vallen werden opgevangen. Ionen werden gevolgd door vele andere fysieke implementaties: atoomkernen, elektronen, fotonen, defecten in kristallen, supergeleidende circuits - ze voldeden allemaal aan de eisen.

Deze diversiteit had zijn voordelen. Gedreven door hevige concurrentie creëerden verschillende wetenschappelijke groepen steeds meer perfecte qubits en bouwden ze er steeds meer op. complexe circuits. Er waren twee belangrijke concurrentieparameters voor qubits: hun levensduur en het aantal qubits dat met elkaar kon samenwerken.

Medewerkers van het Laboratorium voor Kunstmatige Kwantumsystemen

De levensduur van de qubits bepaalde hoe lang ze fragiel bewaard bleven kwantum staat. Dit bepaalde op zijn beurt hoeveel rekenbewerkingen er op de qubit konden worden uitgevoerd voordat deze ‘stierf’.

Voor efficiënt werk Quantumalgoritmen hadden niet slechts één qubit nodig, maar minstens honderd, en die moesten samenwerken. Het probleem was dat de qubits het niet zo leuk vonden om naast elkaar te zijn en protesteerden door hun levensduur drastisch te verkorten. Om deze incompatibiliteit van qubits te omzeilen, moesten wetenschappers allerlei trucjes gebruiken. En toch zijn wetenschappers er tot nu toe in geslaagd om maximaal een tot twintig qubits met elkaar te laten samenwerken.

Tot grote vreugde van cryptografen is een kwantumcomputer dus nog steeds iets van de toekomst. Hoewel dit helemaal niet zo ver weg is als het ooit leek, omdat zowel de grootste bedrijven als Intel, IBM en Google, als individuele staten, waarvoor de creatie van een kwantumcomputer een kwestie van strategisch belang is, actief betrokken bij de totstandkoming ervan.

Mis de lezing niet:

Jullie zijn allemaal gewend aan onze computers: 's morgens lezen we het nieuws vanaf een smartphone, 's middags werken we met een laptop en 's avonds kijken we films op een tablet. Al deze apparaten hebben één ding gemeen: een siliciumprocessor bestaande uit miljarden transistors. Het werkingsprincipe van dergelijke transistors is vrij eenvoudig: afhankelijk van de geleverde spanning krijgen we een andere spanning aan de uitgang, die wordt geïnterpreteerd als logische 0 of logische 1. Om delingsbewerkingen uit te voeren, is er een bitverschuiving - als we bijvoorbeeld het nummer 1101 waren, dan zal het, nadat we het 1 bit naar links hebben verschoven, 01101 zijn, en als we het nu 1 bit naar rechts verschuiven, wordt het 01110. En het grootste probleem ligt in de feit dat voor dezelfde divisie enkele tientallen van dergelijke operaties nodig kunnen zijn. Ja, gezien het feit dat er miljarden transistors zijn, duurt zo’n operatie nanoseconden, maar als er veel operaties zijn, verspillen we tijd aan deze berekeningen.

Hoe kwantumcomputers werken

Een kwantumcomputer biedt een heel andere manier van computergebruik. Laten we beginnen met de definitie:

Kwantumcomputer -computerapparaat, die gebruik maakt van verschijnselenkwantumsuperpositieEnkwantumverstrengelingvoor gegevensoverdracht en -verwerking.

Het is er duidelijk niet duidelijker op geworden. Kwantumsuperpositie vertelt ons dat het systeem, met een zekere mate van waarschijnlijkheid, in alle mogelijke toestanden bestaat (de som van alle waarschijnlijkheden is uiteraard gelijk aan 100% of 1). Laten we dit eens bekijken met een voorbeeld. Informatie in kwantumcomputers wordt opgeslagen in qubits - terwijl gewone bits de toestand 0 of 1 kunnen hebben, kan een qubit tegelijkertijd de toestand 0, 1 en 0 en 1 hebben. Als we dus 3 qubits hebben, bijvoorbeeld 110, dan is deze uitdrukking in bits gelijk aan 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Wat levert dit ons op? Dat is het! We hebben bijvoorbeeld een digitaal wachtwoord van 4 tekens. Hoe zal een gewone processor het hacken? Door simpelweg te zoeken van 0000 tot 9999. 9999 heeft in het binaire systeem de vorm 10011100001111, dat wil zeggen dat we 14 bits nodig hebben om het te schrijven. Als we dus een quantum-pc met 14 qubits hebben, kennen we het wachtwoord al: een van de mogelijke toestanden van zo’n systeem is immers het wachtwoord! Als gevolg hiervan zullen alle problemen waar zelfs supercomputers nu dagen over doen om te berekenen, onmiddellijk worden opgelost met behulp van kwantumsystemen: moet je een stof vinden met bepaalde eigenschappen? Geen probleem, maak een systeem met hetzelfde aantal qubits als uw vereisten voor materie - en het antwoord zit al in uw zak. We moeten AI creëren ( kunstmatige intelligentie? Simpeler kan het niet: terwijl een gewone pc alle combinaties probeert, werkt een kwantumcomputer razendsnel en kiest het beste antwoord.


Het lijkt erop dat alles geweldig is, maar er is er één belangrijke kwestie- Hoe komen we achter het resultaat van berekeningen? Met een gewone pc is alles eenvoudig: we kunnen het nemen en lezen door rechtstreeks verbinding te maken met de processor: logische 0 en 1 worden daar zeker geïnterpreteerd als de afwezigheid en aanwezigheid van lading. Maar met qubits zal dit niet werken; het bevindt zich immers op elk moment in een willekeurige toestand. En dit is waar kwantumverstrengeling ons te hulp komt. De essentie ervan ligt in het feit dat je een paar deeltjes kunt krijgen die met elkaar verbonden zijn (in wetenschappelijke termen - als bijvoorbeeld de spinprojectie van het ene verstrengelde deeltje negatief is, dan zal het andere zeker positief zijn). Hoe ziet het eruit op je vingers? Laten we zeggen dat we twee dozen hebben die elk een stuk papier bevatten. We dragen dozen naar elke afstand, openen er een en zien dat het stuk papier erin horizontaal gestreept is. Dit betekent automatisch dat het andere vel papier erin komt verticale streep. Maar het probleem is dat zodra we de toestand van een stukje papier (of deeltje) kennen, het kwantumsysteem instort: ​​de onzekerheid verdwijnt en qubits veranderen in gewone bits.

Daarom zijn berekeningen op kwantumcomputers in wezen eenmalig: we creëren een systeem dat bestaat uit verstrengelde deeltjes (we weten waar hun andere ‘helften’ zich bevinden). We voeren berekeningen uit, en daarna "openen we de doos met het stuk papier" - we ontdekken de toestand van de verstrengelde deeltjes, en dus de toestand van de deeltjes in de kwantumcomputer, en dus het resultaat van de berekeningen. Voor nieuwe berekeningen moet je dus opnieuw qubits maken - simpelweg "de doos sluiten met het stuk papier" zal niet werken - we weten immers al wat er op het stuk papier staat getekend.

De vraag rijst – aangezien een kwantumcomputer elk wachtwoord onmiddellijk kan raden – hoe informatie te beschermen? Zal privacy verdwijnen met de komst van dergelijke apparaten? Natuurlijk niet. De zogenaamde quantum-encryptie komt te hulp: deze is gebaseerd op het feit dat wanneer je een quantumtoestand probeert te ‘lezen’, deze wordt vernietigd, waardoor hacken onmogelijk wordt.

Kwantumcomputer voor thuis

Nou, de laatste vraag – aangezien kwantumcomputers zo cool, krachtig en onhackbaar zijn – waarom gebruiken we ze niet? Het probleem is triviaal: de onmogelijkheid om een ​​kwantumsysteem in gewone huisomstandigheden te implementeren. Om een ​​qubit voor onbepaalde tijd in een staat van superpositie te laten bestaan, zijn extreem specifieke omstandigheden nodig: volledig vacuüm (afwezigheid van andere deeltjes), een temperatuur zo dicht mogelijk bij nul Kelvin (voor supergeleiding) en een volledige afwezigheid van elektromagnetische straling. (omdat er geen invloed is op het kwantumsysteem). Mee eens, het is op zijn zachtst gezegd moeilijk om dergelijke omstandigheden thuis te creëren, maar de kleinste afwijking zal ertoe leiden dat de superpositietoestand zal verdwijnen en de berekeningsresultaten onjuist zullen zijn. Het tweede probleem is om de qubits met elkaar te laten communiceren; bij interactie wordt hun levensduur catastrofaal verkort. Het maximum voor deze dag zijn daardoor kwantumcomputers met enkele tientallen qubits.

Er zijn echter quantumcomputers van D-Wave die 1000 qubits hebben, maar over het algemeen zijn dat geen echte quantumcomputers, omdat ze geen gebruik maken van de principes van quantumverstrengeling en dus niet kunnen werken volgens klassieke quantumalgoritmen:


Maar toch blijken dergelijke apparaten aanzienlijk (duizenden keren) krachtiger te zijn dan conventionele pc's, wat als een doorbraak kan worden beschouwd. Ze zullen echter niet snel de apparaten van gebruikers vervangen - eerst moeten we leren voorwaarden te scheppen voor de werking van dergelijke apparaten thuis, of, integendeel, dergelijke apparaten 'laten werken' onder de omstandigheden die we kennen. Er zijn al stappen in de tweede richting gezet: in 2013 werd de eerste twee-qubit-kwantumcomputer gemaakt op basis van onzuivere diamant, die opereert op kamertemperatuur. Helaas is dit slechts een prototype en zijn 2 qubits niet genoeg voor berekeningen. Het wachten op kwantum-pc's duurt dus nog steeds heel erg lang.

29 januari 2017

Voor mij is de uitdrukking ‘kwantumcomputer’ bijvoorbeeld vergelijkbaar met ‘fotonenmotor’, dat wil zeggen dat het iets heel complex en fantastisch is. Maar ik lees nu in het nieuws: “een kwantumcomputer wordt verkocht aan iedereen die hem wil hebben.” Het is vreemd: bedoelen ze nu iets anders met deze uitdrukking, of is het gewoon nep?

Laten we het eens nader bekijken...

HOE IS HET ALLEMAAL BEGONNEN?

Pas halverwege de jaren negentig werd de theorie van kwantumcomputers en kwantumcomputers gevestigd nieuw gebied wetenschap. Zoals vaak het geval is met geweldige ideeën, is het moeilijk om de bedenker ervan te achterhalen. Blijkbaar was de Hongaarse wiskundige J. von Neumann de eerste die de aandacht vestigde op de mogelijkheid om kwantumlogica te ontwikkelen. In die tijd waren echter niet alleen kwantumcomputers, maar ook gewone, klassieke computers nog niet gemaakt. En met de komst van laatstgenoemde waren de belangrijkste inspanningen van wetenschappers vooral gericht op het vinden en ontwikkelen van nieuwe elementen voor hen (transistors en vervolgens geïntegreerde schakelingen), en niet op het creëren van fundamenteel verschillende computerapparatuur.

In de jaren zestig probeerde de Amerikaanse natuurkundige R. Landauer, die bij IBM werkte, de aandacht van de wetenschappelijke wereld te vestigen op het feit dat berekeningen altijd een fysiek proces zijn, wat betekent dat het onmogelijk is om de grenzen van onze computermogelijkheden te begrijpen zonder specificeren welke fysieke implementatie ze zijn. Helaas was de dominante opvatting onder wetenschappers destijds dat berekening een soort abstracte, logische procedure was die door wiskundigen en niet door natuurkundigen bestudeerd zou moeten worden.

Naarmate computers steeds wijdverspreider werden, kwamen kwantumwetenschappers tot de conclusie dat het praktisch onmogelijk was om rechtstreeks de toestand te berekenen van een evoluerend systeem dat uit slechts enkele tientallen op elkaar inwerkende deeltjes bestaat, zoals een methaanmolecuul (CH4). Dit wordt verklaard door het feit dat voor een volledige beschrijving complex systeem het is noodzakelijk om in het computergeheugen een exponentieel groot (in termen van het aantal deeltjes) aantal variabelen op te slaan, de zogenaamde kwantumamplitudes. Er is een paradoxale situatie ontstaan: als we de evolutievergelijking kennen, en met voldoende nauwkeurigheid alle mogelijkheden van interactie van deeltjes met elkaar en de begintoestand van het systeem kennen, is het bijna onmogelijk om de toekomst ervan te berekenen, ook al bestaat het systeem alleen uit 30 elektronen in een potentiaalput, en daar zit een supercomputer bij RAM, waarvan het aantal bits gelijk is aan het aantal atomen in het zichtbare gebied van het heelal (!). En tegelijkertijd kun je, om de dynamiek van een dergelijk systeem te bestuderen, eenvoudigweg een experiment uitvoeren met 30 elektronen, door ze in een bepaalde potentiële en initiële staat te plaatsen. Dit werd met name opgemerkt door de Russische wiskundige Yu I. Manin, die in 1980 wees op de noodzaak om een ​​kwantumtheorie te ontwikkelen computerapparatuur. In de jaren tachtig werd hetzelfde probleem bestudeerd door de Amerikaanse natuurkundige P. Benev, die duidelijk aantoonde dat een kwantumsysteem berekeningen kan uitvoeren, evenals door de Engelse wetenschapper D. Deutsch, die theoretisch een universele kwantumcomputer ontwikkelde die superieur is aan zijn kwantumcomputer. klassieke tegenhanger.

Nobelprijswinnaar natuurkunde R. Feynman trok veel aandacht voor het probleem van de ontwikkeling van kwantumcomputers. Dankzij zijn gezaghebbende oproep groeide het aantal specialisten dat aandacht besteedde aan quantum computing vele malen.

De basis van het algoritme van Shor: het vermogen van qubits om meerdere waarden tegelijkertijd op te slaan)

En toch voor een lange tijd Het bleef onduidelijk of de hypothetische rekenkracht van een kwantumcomputer gebruikt kon worden om de oplossing te versnellen praktische problemen. Maar in 1994 verbaasde de Amerikaanse wiskundige en medewerker van Lucent Technologies (VS) P. Shor de wetenschappelijke wereld door een kwantumalgoritme voor te stellen dat snelle factorisatie van grote getallen mogelijk maakt (het belang van dit probleem werd al in de inleiding besproken). Vergeleken met de beste klassieke methode die momenteel bekend is, biedt het kwantumalgoritme van Shor een meervoudige versnelling van berekeningen, en hoe langer het getal wordt meegerekend, hoe groter de snelheidswinst. Het snelle factorisatie-algoritme is van groot praktisch belang voor verschillende inlichtingendiensten die banken met niet-gedecodeerde berichten hebben verzameld.

In 1996 stelde Shor's collega bij Lucent Technologies, L. Grover, een kwantumalgoritme voor snel zoeken in een ongeordende database. (Een voorbeeld van zo'n database is een telefoonboek waarin de namen van abonnees niet alfabetisch, maar op willekeurige wijze zijn gerangschikt.) De taak van het zoeken en selecteren van het optimale element uit talloze opties komt vaak voor in de economische, militaire, technische problemen, in computerspellen. Het algoritme van Grover maakt het niet alleen mogelijk om het zoekproces te versnellen, maar ook om het aantal parameters waarmee rekening wordt gehouden bij het kiezen van het optimale ongeveer te verdubbelen.

De werkelijke creatie van kwantumcomputers werd in wezen belemmerd door het enige ernstige probleem: fouten of interferentie. Feit is dat hetzelfde niveau van interferentie het proces van kwantumcomputers veel intensiever bederft dan klassiek computergebruik.

Om het in simpele woorden te zeggen: " een kwantumsysteem produceert een resultaat dat slechts met enige waarschijnlijkheid correct is. Met andere woorden: als je 2+2 telt, komt 4 er slechts tot op zekere hoogte uit. Je krijgt nooit precies 4. De logica van de processor is helemaal niet vergelijkbaar met de processor die we gewend zijn.

Er zijn methoden om het resultaat met een vooraf bepaalde nauwkeurigheid te berekenen, uiteraard met een toename van de computertijd.
Deze functie bepaalt de lijst met taken. En voor deze functie wordt geen reclame gemaakt, en het publiek krijgt de indruk dat een kwantumcomputer hetzelfde is als een gewone pc (dezelfde 0 en 1), alleen snel en duur. Dit is fundamenteel niet waar.

Ja, en nog iets: voor een kwantumcomputer en kwantumcomputers in het algemeen, vooral om de “kracht en snelheid” van kwantumcomputers te kunnen gebruiken, zijn speciale algoritmen en modellen nodig die specifiek zijn ontwikkeld voor de specifieke kenmerken van kwantumcomputers. De moeilijkheid van het gebruik van een kwantumcomputer ligt daarom niet alleen in de beschikbaarheid van hardware, maar ook in de ontwikkeling van nieuwe, tot nu toe ongebruikte rekenmethoden. "

Laten we nu teruggaan naar praktische uitvoering kwantumcomputer: een commerciële 512-qubit D-Wave processor bestaat al een tijdje en is zelfs verkocht!!!

Nu lijkt het erop dat dit een echte doorbraak is!!! En een groep gerenommeerde wetenschappers in het even gerenommeerde tijdschrift Physical Review getuigt op overtuigende wijze dat kwantumverstrengelingseffecten inderdaad zijn ontdekt in D-Wave.

Respectievelijk, dit apparaat heeft alle recht om een ​​echte kwantumcomputer genoemd te worden; architectonisch maakt hij een verdere toename van het aantal qubits volledig mogelijk, en heeft daarom prachtige perspectieven voor de toekomst... (T. Lanting et al. Entanglement in a Quantum Annealing Verwerker. FYSIEKE REVIEW X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

Het is waar dat iets later een andere groep gerenommeerde wetenschappers in het niet minder gerenommeerde tijdschrift Science, die dezelfde computationele technieken bestudeerden D-Wave-systeem, beoordeelde het puur praktisch: hoe goed dit apparaat zijn computerfuncties vervult. En deze groep wetenschappers toont net zo grondig en overtuigend aan als de eerste dat in echte verificatietests die optimaal geschikt zijn voor dit ontwerp, de D-Wave-kwantumcomputer geen enkele snelheidswinst oplevert vergeleken met conventionele, klassieke computers. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, juni 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

In feite waren er geen taken voor de dure maar gespecialiseerde ‘machine van de toekomst’ waarin deze haar kwantumsuperioriteit kon aantonen. Met andere woorden: er bestaat grote twijfel over de betekenis van de zeer dure inspanningen om een ​​dergelijk apparaat te maken...
De resultaten zijn als volgt: nu bestaat er in de wetenschappelijke gemeenschap geen twijfel meer over dat in de D-Wave-computerprocessor de werking van de elementen daadwerkelijk plaatsvindt op basis van echte kwantumeffecten tussen qubits.

Maar (en dit is een uiterst serieuze MAAR) belangrijkste kenmerken in het ontwerp van de D-Wave-processor zijn zodanig dat tijdens de daadwerkelijke werking al zijn kwantumfysica biedt geen enkel voordeel ten opzichte van normaal krachtige computer, met speciale software die is afgestemd op het oplossen van optimalisatieproblemen.

Simpel gezegd: niet alleen hebben de wetenschappers die D-Wave hebben getest tot nu toe geen enkel probleem in de echte wereld kunnen zien waarbij een kwantumcomputer op overtuigende wijze zijn computationele superioriteit zou kunnen demonstreren, maar zelfs het productiebedrijf zelf heeft geen idee wat dat probleem zou kunnen zijn. ..

Het draait allemaal om de ontwerpkenmerken van de 512-qubit D-Wave-processor, die is samengesteld uit groepen van 8 qubits. Tegelijkertijd communiceren ze binnen deze groepen van 8 qubits allemaal direct met elkaar, maar tussen deze groepen zijn de verbindingen erg zwak (idealiter zouden ALLE qubits van de processor direct met elkaar moeten communiceren). Dit vermindert natuurlijk ZEER aanzienlijk de complexiteit van het bouwen van een kwantumprocessor... MAAR dit geeft aanleiding tot een heleboel andere problemen die uiteindelijk resulteren in cryogene apparatuur, die erg duur is in het gebruik, waardoor het circuit tot ultra-laag koelt. temperaturen.

Dus wat bieden ze ons nu?

Het Canadese bedrijf D-Wave kondigde de start aan van de verkoop van zijn kwantumcomputer D-Wave 2000Q, aangekondigd in september vorig jaar. Vasthouden aan onze eigen analoog van de wet van Moore, volgens welke het aantal transistors per geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbelt, plaatste D-Wave 2.048 qubits op de QPU (quantum processing unit). Dynamiek van de groei van het aantal qubits op de CPU de afgelopen jaren ziet er zo uit:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

Bovendien gaat het verdubbelen van qubits, in tegenstelling tot traditionele processors, CPU's en GPU's, niet gepaard met een tweevoudige, maar met een duizendvoudige prestatieverbetering. Vergeleken met een computer met een traditionele architectuur en configuratie van een single-core CPU en 2500-core GPU is het prestatieverschil 1.000 tot 10.000 keer. Al deze cijfers zijn zeker indrukwekkend, maar er zijn ook enkele ‘maren’.

Ten eerste is de D-Wave 2000Q extreem duur: $ 15 miljoen. Het is een behoorlijk groot en complex apparaat. Zijn brein is een CPU gemaakt van een non-ferrometaal genaamd niobium, waarvan de supergeleidende eigenschappen (noodzakelijk voor kwantumcomputers) plaatsvinden in een vacuüm bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt onder de 15 millikelvin (dat is 180 keer lager dan de temperatuur in de ruimte).

Het handhaven van zo’n extreem lage temperatuur vergt veel energie, 25 kW. Maar toch is dit volgens de fabrikant 100 keer minder dan traditionele supercomputers met vergelijkbare prestaties. De prestaties van de D-Wave 2000Q per watt stroomverbruik zijn dus 100 keer hoger. Als het bedrijf erin slaagt zijn “Wet van Moore” te blijven volgen, zal dit verschil in zijn toekomstige computers exponentieel groeien, terwijl het stroomverbruik op het huidige niveau blijft.

Ten eerste hebben kwantumcomputers een heel specifiek doel. In het geval van D-Wave 2000Q waar we het over hebben over de zgn adiabatische computers en het oplossen van kwantumnormalisatieproblemen. Ze doen zich met name voor op de volgende gebieden:

Machinaal leren:

Statistische afwijkingen detecteren
— het vinden van gecomprimeerde modellen
— beeld- en patroonherkenning
— training van neurale netwerken
— verificatie en goedkeuring software
— classificatie van structuurloze gegevens
— diagnostiek van fouten in het circuit

Veiligheid en planning

Detectie van virussen en netwerkhacking
— verdeling van hulpbronnen en het vinden van optimale paden
— bepaling van het lidmaatschap van een verzameling
— analyse van kaarteigenschappen
— factorisatie van gehele getallen (gebruikt in cryptografie)

Financiële modellering

Het detecteren van marktinstabiliteit
- ontwikkeling handelsstrategieën
— optimalisatie van handelstrajecten
— optimalisatie van de prijsstelling en hedging van activa
— portefeuilleoptimalisatie

Gezondheidszorg en geneeskunde

Fraudedetectie (waarschijnlijk gerelateerd aan zorgverzekering)
— het genereren van gerichte (“moleculair gerichte”) medicamenteuze therapie
— optimalisatie van de behandeling van [kanker] met behulp van radiotherapie
— creatie van eiwitmodellen.

De eerste koper van de D-Wave 2000Q was TDS (Temporal Defense Systems), een bedrijf dat zich bezighoudt met cybersecurity. Over het algemeen worden D-Wave-producten gebruikt door bedrijven en instellingen als Lockheed Martin, Google, NASA Ames Research Center, de University of Southern California en het Los Alamos National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

We hebben het dus over een zeldzame (D-Wave is het enige bedrijf ter wereld dat produceert commerciële monsters kwantumcomputers) en dure technologie met een vrij beperkte en specifieke toepassing. Maar de groeisnelheid van de productiviteit is verbazingwekkend, en als deze dynamiek aanhoudt, kunnen we dankzij de adiabatische computers van D-Wave (waar andere bedrijven zich in de loop van de tijd bij zullen aansluiten) de komende jaren echte doorbraken in wetenschap en technologie verwachten. Van bijzonder belang is de combinatie van kwantumcomputers met zo'n veelbelovende en zich snel ontwikkelende technologie als kunstmatige intelligentie - vooral omdat zo'n gezaghebbende specialist als Andy Rubin hierin de toekomst ziet.

Ja, wist u trouwens dat IBM Corporation internetgebruikers toestond gratis verbinding te maken met de universele kwantumcomputer die zij hadden gebouwd en te experimenteren met kwantumalgoritmen. Dit apparaat is niet krachtig genoeg om cryptografische systemen mee te kraken openbare sleutel, maar als de plannen van IBM werkelijkheid worden, staat de opkomst van complexere kwantumcomputers voor de deur.

De quantumcomputer die IBM beschikbaar heeft gesteld bevat vijf qubits: vier worden gebruikt om met data te werken, en de vijfde wordt gebruikt om fouten tijdens berekeningen te corrigeren. Foutcorrectie is de belangrijkste innovatie waar de ontwikkelaars trots op zijn. Het zal het in de toekomst makkelijker maken om het aantal qubits uit te breiden.

IBM benadrukt dat zijn kwantumcomputer universeel is en in staat is om alle kwantumalgoritmen uit te voeren. Daarmee onderscheidt het zich van de adiabatische kwantumcomputers die D-Wave ontwikkelt. Adiabatische kwantumcomputers zijn ontworpen om te zoeken optimale oplossing functies en zijn niet geschikt voor andere doeleinden.

Er wordt aangenomen dat universele kwantumcomputers het mogelijk zullen maken een aantal problemen op te lossen die conventionele computers niet kunnen. Het bekendste voorbeeld van een dergelijk probleem is het ontbinden van getallen in priemfactoren. Het zou een gewone computer, zelfs een hele snelle, honderden jaren kosten om de belangrijkste factoren van een groot aantal te vinden. Een kwantumcomputer zal ze bijna net zo snel vinden met behulp van het algoritme van Shor als het vermenigvuldigen van gehele getallen.

De onmogelijkheid om getallen snel in priemfactoren te ontbinden ligt aan de basis cryptografische systemen met een publieke sleutel. Als ze leren deze operatie uit te voeren met de snelheid die wordt beloofd door kwantumalgoritmen, dan zullen de meeste dat doen moderne cryptografie zal moeten vergeten.

Op kwantum IBM-computer je kunt het algoritme van Shor uitvoeren, maar totdat er meer qubits zijn, heeft dit weinig nut. De komende tien jaar zal dit veranderen. In 2025 wil IBM een kwantumcomputer bouwen met vijftig tot honderd qubits. Volgens experts kunnen quantumcomputers zelfs met vijftig qubits een aantal praktische problemen oplossen.

Hier is nog wat interessants over computertechnologie: lees hoe, maar het blijkt ook mogelijk te zijn en wat het is

Om de essentie van kwantumcomputertechnologieën min of meer volledig te onthullen, gaan we eerst in op de geschiedenis van de kwantumtheorie.
Het is ontstaan ​​dankzij twee wetenschappers wier onderzoeksresultaten werden bekroond met Nobelprijzen: de ontdekking van het kwantum door M. Planck in 1918 en de ontdekking van het foton door A. Einstein in 1921.
Het jaar waarin het idee van een kwantumcomputer werd geboren was 1980, toen Benioff met succes de juistheid van de kwantumtheorie in de praktijk kon aantonen.
Welnu, het eerste prototype van een kwantumcomputer werd in 1998 gemaakt door Gershenfeld en Chuang aan het Massachusetts Institute of Technology (MTI). Dezelfde groep onderzoekers creëerde in de daaropvolgende twee jaar meer geavanceerde modellen.

Voor een niet-specialist is een kwantumcomputer iets absoluut fantastisch qua schaal computer, waarvoor een gewone computer als een telraam voor een computer staat. En dit is natuurlijk nog lang niet gerealiseerd.
Voor iemand die geassocieerd wordt met kwantumcomputers is dit een apparaat algemene principes waarvan de acties min of meer duidelijk zijn, maar er zijn veel problemen die moeten worden opgelost voordat het in hardware kan worden geïmplementeerd, en nu proberen veel laboratoria over de hele wereld deze obstakels te overwinnen.
Er zijn in het verleden vooruitgang geboekt op het gebied van de kwantumtechnologie door particuliere bedrijven, waaronder IBM en DWays.
OVER de nieuwste prestaties op dit gebied rapporteren ze zelfs vandaag nog regelmatig. Het onderzoek wordt voornamelijk uitgevoerd door Japanse en Amerikaanse wetenschappers. Japan besteedt in zijn zoektocht naar wereldleiderschap op het gebied van hardware en software enorme hoeveelheden geld aan ontwikkelingen op dit gebied. Volgens de vice-president van Hewlett-Packard werd tot 70% van al het onderzoek uitgevoerd in het land van de rijzende zon. Kwantumcomputers zijn een van de stappen van hun gefocuste bedrijf om leiderschap te verwerven op de wereldmarkt.

Wat verklaart de wens om deze technologieën onder de knie te krijgen? Hun onmiskenbare aanzienlijke voordelen ten opzichte van halfgeleidercomputers!

WAT IS DIT?

Een kwantumcomputer is een computerapparaat dat werkt op basis van de kwantummechanica.
Tegenwoordig is een kwantumcomputer op volledige schaal een hypothetisch apparaat dat niet kan worden gemaakt op basis van de beschikbare gegevens in de kwantumtheorie.

Een kwantumcomputer gebruikt voor berekeningen geen klassieke algoritmen, maar complexere processen van kwantumaard, ook wel kwantumalgoritmen genoemd. Deze algoritmen maken gebruik van kwantummechanische effecten: kwantumverstrengeling en kwantumparallellisme.

Om te begrijpen waarom een ​​kwantumcomputer überhaupt nodig is, is het noodzakelijk om het principe van de werking ervan voor te stellen.
Terwijl een conventionele computer werkt door opeenvolgende bewerkingen uit te voeren op nullen en enen, gebruikt een kwantumcomputer ringen van supergeleidende film. Door deze ringen kan stroom in verschillende richtingen stromen, zodat een keten van zulke ringen tegelijkertijd veel meer bewerkingen met nullen en enen kan uitvoeren.
Het hoge vermogen is het belangrijkste voordeel van een kwantumcomputer. Helaas zijn deze ringen onderhevig aan zelfs de geringste invloeden van buitenaf, waardoor de richting van de stroom kan veranderen en de berekeningen dan onjuist zijn.

VERSCHIL TUSSEN EEN QUANTUMCOMPUTER EN EEN CONVENTIONEEL

Het belangrijkste verschil tussen kwantumcomputers en conventionele computers is dat de opslag, verwerking en overdracht van gegevens niet gebeurt met behulp van ‘bits’, maar van ‘qubits’ – simpel gezegd ‘kwantumbits’. Net als een gewoon bit kan een qubit zich in de bekende toestanden “|0>” en “|1>” bevinden, en daarnaast - in de superpositietoestand A·|0> + B·|1>, waarbij A en B zijn elk complexe getallen, die voldoet aan de voorwaarde | EEN |2 + | B |2 = 1.

SOORTEN KWANTUMCOMPUTERS

Er zijn twee soorten kwantumcomputers. Beide zijn gebaseerd op kwantumverschijnselen, alleen van een andere orde.

computers gebaseerd op de kwantisering van magnetische flux op basis van supergeleidingsschendingen - Josephson-overgangen. Ze maken al gebruik van het Josephson-effect lineaire versterkers, analoog-naar-digitaal omzetters, SQUID's en correlatoren elementbasis gebruikt in het project om een ​​petaflop-computer (1015 op./s) te maken. Experimenteel bereikt klok frequentie 370 GHz, wat in de toekomst kan worden verhoogd tot 700 GHz. De defaseringstijd van golffuncties in deze apparaten is echter vergelijkbaar met de schakeltijd van individuele kleppen, en in feite op nieuwe. kwantumprincipes de reeds bekende elementenbasis is geïmplementeerd - triggers, registers en andere logische poorten.

Een ander type kwantumcomputers, ook wel kwantumcoherente computers genoemd, vereist het handhaven van de samenhang van de golffuncties van de qubits die gedurende de gehele rekentijd worden gebruikt - van begin tot eind (een qubit kan elk kwantummechanisch systeem zijn met twee specifieke energieniveaus). Als gevolg hiervan voor sommige taken rekenkracht coherente kwantumcomputers is evenredig met 2N, waarbij N het aantal qubits in de computer is. Het is dit laatste type apparaat dat bedoeld wordt als het over kwantumcomputers gaat.

NU QUANTUMCOMPUTERS

Maar tegenwoordig worden er kleine kwantumcomputers gemaakt. Het bedrijf D-Wave Systems werkt bijzonder actief in deze richting, dat in 2007 een kwantumcomputer van 16 qubits creëerde. Deze computer kon met succes de taak van het plaatsen van gasten aan tafel aan, gebaseerd op het feit dat sommigen van hen elkaar niet mochten. Nu blijft D-Wave Systems kwantumcomputers ontwikkelen.

Een groep natuurkundigen uit Japan, China en de VS is er voor het eerst in geslaagd een kwantumcomputer te bouwen met behulp van de von Neumann-architectuur - dat wil zeggen met een fysieke scheiding van de kwantumprocessor en het kwantumgeheugen. IN huidige moment Voor de praktische implementatie van kwantumcomputers (computers gebaseerd op de ongebruikelijke eigenschappen van objecten uit de kwantummechanica) gebruiken natuurkundigen verschillende soorten exotische objecten en verschijnselen: ionen gevangen in een optische val, nucleaire magnetische resonantie. Binnenin nieuwe baan wetenschappers vertrouwden op miniatuur-supergeleidende circuits; de mogelijkheid om een ​​kwantumcomputer te implementeren die dergelijke circuits gebruikt, werd in 2008 in Nature beschreven.

De door de wetenschappers samengestelde computer bestond uit een kwantumgeheugen, waarvan de rol werd gespeeld door twee microgolfresonatoren, een processor van twee qubits verbonden door een bus (zijn rol werd ook gespeeld door een resonator, en de qubits waren supergeleidende circuits), en apparaten voor het wissen van gegevens. Met behulp van deze computer realiseerden wetenschappers zich twee hoofdalgoritmen- de zogenaamde kwantum Fourier-transformatie en conjunctie met behulp van kwantum Toffoli-logische elementen:

Het eerste algoritme is een kwantumanaloog van de discrete Fourier-transformatie. Het onderscheidende kenmerk is een veel kleiner getal (in de orde van n2). functionele elementen bij het implementeren van het algoritme in vergelijking met de analoog (van orde n 2n). Discrete conversie Fourier wordt het meest gebruikt verschillende gebieden menselijke activiteit - uit onderzoek differentiaalvergelijkingen in gedeeltelijke afgeleiden vóór datacompressie.

Op hun beurt zijn Toffoli-kwantumlogische poorten basiselementen waaruit, met enkele aanvullende vereisten, elke Booleaanse functie (programma) kan worden verkregen. Onderscheidend kenmerk Deze elementen zijn omkeerbaar, wat het vanuit natuurkundig oogpunt onder meer mogelijk maakt de warmteontwikkeling van het apparaat te minimaliseren.

Volgens wetenschappers heeft het systeem dat ze hebben gemaakt één opmerkelijk voordeel: het is gemakkelijk schaalbaar. Het kan dus dienen als een soort bouwsteen voor toekomstige computers. Volgens de onderzoekers tonen de nieuwe resultaten duidelijk de belofte van de nieuwe technologie aan.