Kompyuta ya quantum. Mashine za kompyuta za quantum

Kompyuta za Quantum huahidi ulimwengu kasi kubwa ya usindikaji wa data, lakini kutengeneza hata mfano rahisi zaidi "usio wa kawaida" sio rahisi sana. Wanasayansi wa Yale walichukua hatua nyingine kuelekea siku zijazo: waliweza kuunda processor ya quantum ya hali ngumu ya mbili-qubit na kuonyesha kwamba ina uwezo wa kufanya kazi na algorithms rahisi zaidi ya quantum.

Tabia za quantum za chembe zinaweza kufikia matokeo ya kuvutia, lakini ni vigumu kuunda analog ya quantum ya vifaa vya silicon kutoka kwa vifaa vya kawaida.

Hebu nielezee. Katika kompyuta za kitamaduni, habari imesimbwa kwa njia ya 0 na 1 (ndio / hapana, imewashwa / imezimwa). Kila sehemu ya kumbukumbu inaweza kuchukua moja ya maadili haya mawili. Mchanganyiko wa biti mbili unaweza kuchukua maadili manne: 00, 11, 01 au 10.

Kwa upande wa bits za quantum (qubits), kwa sababu ya kanuni ya quantum superposition, seli moja inaweza kuwa na 0 na 1, pamoja na mchanganyiko wao (00, 11, 01 na 10 kwa wakati mmoja) (tulizungumza. kuhusu hili kwa undani zaidi). Ni kwa sababu hii kwamba mifumo ya quantum inaweza kufanya kazi kwa kasi na kwa kiasi kikubwa cha habari.

Kwa kuongeza, qubits zinaweza kuingizwa: wakati hali ya quantum ya qubit moja inaweza kuelezewa tu kuhusiana na hali ya mwingine (katika mifumo ya hali ya imara, msongamano wa quantum uligunduliwa kwanza katika almasi). Mali hii ya mifumo ya quantum hutumiwa kwa usindikaji wa habari.

Wanafizikia wakiongozwa na Leonardo DiCarlo kutoka Kituo cha Yale cha Quantum na Fizikia ya Habari wamefaulu kuunda kichakataji cha hali ngumu ya quantum kwa mara ya kwanza.

Hatimaye, wasindikaji wa quantum wamekuwa sawa na chips za kawaida za kompyuta (picha na Blake Johnson/Chuo Kikuu cha Yale).

Hapo awali, ili kutekeleza shughuli na qubits ilikuwa ni lazima kutumia lasers, resonance ya sumaku ya nyuklia na mitego ya ion, waandishi wanaandika katika makala yao iliyochapishwa katika jarida la Nature (preprint yake inaweza pia kupatikana kwenye tovuti arXiv.org).

Lakini ili kuleta kuibuka kwa kompyuta halisi ya quantum karibu, ni muhimu kuunda mashine rahisi ambayo ni nyeti sana kwa kushuka kwa hali ya nje. Hii ina maana kwamba ni vyema kuunda moja ya sehemu kuu za kazi (processor) kutoka kwa vifaa vya classic imara.

DiCarlo na wenzake walifanya hivyo. Walijenga kifaa kinachofanya kazi na qubits mbili za transmon. Transmon ni vipande viwili vya superconductor iliyounganishwa na mawasiliano ya handaki.

Katika kesi hii, processor ni filamu ya nyenzo za superconducting (ina niobium), iliyowekwa kwenye substrate ya corundum (oksidi ya alumini). Grooves ni etched ndani ya uso na sasa unaweza handaki kupitia kwao (tena kutokana na madhara quantum).

Mbili kati ya hizi (zinazowakilisha mabilioni ya atomi za alumini katika hali sawa ya quantum na kufanya kama kitengo kimoja) kwenye chip mpya hutenganishwa na shimo, ambayo ni aina ya "basi ya quantum."

"Majaribio yetu ya awali yalionyesha kuwa atomi mbili za bandia zinaweza kuunganishwa na basi ya resonant, ambayo ni transmitter ya microwave," anasema mmoja wa waandishi wa kazi hiyo, Robert Schoelkopf.

Kilicho muhimu sana ni kwamba kuunda processor, wanasayansi walitumia teknolojia ya kawaida inayotumiwa katika tasnia ya kisasa.

Hasara pekee ya chip mpya ni joto la chini la uendeshaji. Ili kudumisha superconductivity, kifaa lazima kilichopozwa. Hii inafanywa na mfumo maalum unaohifadhi joto karibu nayo juu ya sifuri kabisa (kwa utaratibu wa maelfu kadhaa ya kelvin).

Mchoro wa kifaa cha qubit mbili kutoka kwa Yale iliyowekwa juu ya picha ya kichakataji. Vipengee vilivyo hapa chini vinaonyesha transmons (kielelezo na Nature).

Qubits hizi zinaweza kuwa katika hali ya kuunganishwa kwa quantum (ambayo inafanikiwa kwa kutumia microwaves ya mzunguko fulani). Muda gani hali hii hudumu imedhamiriwa na pigo la voltage.

Wanasayansi wamefikia muda wa kuhifadhi wa microsecond moja (katika baadhi ya matukio hata sekunde tatu), ambayo bado ni kikomo. Lakini miaka kumi tu iliyopita thamani hii haikuzidi nanosecond, yaani, ilikuwa chini ya mara elfu.

Kumbuka kuwa msongamano wa muda mrefu hudumu, bora kwa kompyuta ya quantum, kwani qubits "ya muda mrefu" inaweza kutatua matatizo magumu zaidi.

Katika kesi hii, ili kufanya kazi mbili tofauti, processor ilitumia algorithms ya quantum algorithm ya Grover na algorithm ya Deutsch-Jozsa. Mchakataji alitoa jibu sahihi katika 80% ya kesi (kwa kutumia algorithm ya kwanza) na katika 90% ya kesi ( na ya pili. algorithm).

Kwa njia, kusoma matokeo (hali ya qubits) pia hutokea kwa kutumia microwaves: ikiwa mzunguko wa oscillation unafanana na uliopo kwenye cavity, basi ishara hupita kwa njia hiyo.

"Marudio ya sauti ya patupu inategemea hali ambayo qubit iko. Ikiwa mionzi iliyopitishwa inapita, basi iko katika hali "sahihi," anasema DiCarlo.

Kazi hii ya wanafizikia kutoka Yale (pamoja na wanasayansi kutoka vyuo vikuu vya Kanada vya Waterloo na Sherbrooke na Chuo Kikuu cha Ufundi cha Vienna) bila shaka ni ya kipekee, lakini teknolojia ya kusoma inayotumiwa inaweza kushindwa katika mifumo ngumu zaidi yenye idadi kubwa ya qubits.

DiCarlo anaamini kuwa processor ya 3-4-qubit (kulingana na maendeleo haya) itaundwa hivi karibuni, lakini ili kuchukua hatua inayofuata (kuongeza idadi ya qubits hadi 10), ni muhimu kufanya mafanikio muhimu sawa.

"Kichakataji chetu kwa sasa kinaweza kufanya shughuli chache rahisi. Lakini ina faida moja muhimu – ni ya kielektroniki kabisa na inafanana zaidi na kichakataji cha kawaida kuliko maendeleo yote ya awali,” anasema Schölkopf katika taarifa kwa vyombo vya habari kutoka chuo kikuu.

Geordie Rose, afisa mkuu wa teknolojia wa D-Wave Systems, anaonyesha kompyuta ya hivi punde zaidi iliyojengwa na kampuni yake (picha ya NY Times).

Haijulikani wazi jinsi mafanikio mapya yanahusiana na bidhaa za kampuni

Ubinadamu, kama miaka 60 iliyopita, uko tena kwenye hatihati ya mafanikio makubwa katika uwanja wa teknolojia ya kompyuta. Hivi karibuni, mashine za kompyuta za leo zitabadilishwa na kompyuta za quantum.

Je, maendeleo yamefikia wapi?

Nyuma mwaka wa 1965, Gordon Moore alisema kuwa kwa mwaka idadi ya transistors ambayo inafaa kwenye microchip ya silicon huongezeka mara mbili. Kiwango hiki cha maendeleo kimepungua hivi karibuni, na kuongezeka mara mbili hutokea mara kwa mara - mara moja kila baada ya miaka miwili. Hata kasi hii itaruhusu transistors kufikia saizi ya atomi katika siku za usoni. Ifuatayo ni mstari ambao hauwezi kuvuka. Kutoka kwa mtazamo wa muundo wa kimwili wa transistor, haiwezi kwa njia yoyote kuwa ndogo kuliko kiasi cha atomiki. Kuongeza saizi ya chip haisuluhishi shida. Uendeshaji wa transistors unahusishwa na kutolewa kwa nishati ya joto, na wasindikaji wanahitaji mfumo wa baridi wa hali ya juu. Usanifu wa msingi wa anuwai pia hausuluhishi suala la ukuaji zaidi. Kufikia kilele katika maendeleo ya teknolojia ya kisasa ya processor itatokea hivi karibuni.
Watengenezaji walikuja kuelewa tatizo hili wakati ambapo watumiaji walikuwa wanaanza tu kuwa na kompyuta za kibinafsi. Mnamo 1980, mmoja wa waanzilishi wa sayansi ya habari ya quantum, profesa wa Soviet Yuri Manin, aliunda wazo la kompyuta ya quantum. Mwaka mmoja baadaye, Richard Feyman alipendekeza mfano wa kwanza wa kompyuta na processor ya quantum. Msingi wa kinadharia wa jinsi kompyuta za quantum zinapaswa kuonekana iliundwa na Paul Benioff.

Jinsi kompyuta ya quantum inavyofanya kazi

Ili kuelewa jinsi processor mpya inavyofanya kazi, lazima uwe na angalau ujuzi wa juu juu wa kanuni za mechanics ya quantum. Hakuna maana katika kutoa mpangilio wa hisabati na fomula hapa. Inatosha kwa mtu wa kawaida kufahamiana na sifa tatu tofauti za mechanics ya quantum:

Hali au nafasi ya chembe hubainishwa tu kwa kiwango fulani cha uwezekano.
Ikiwa chembe inaweza kuwa na majimbo kadhaa, basi iko katika majimbo yote iwezekanavyo mara moja. Hii ni kanuni ya superposition.
Mchakato wa kupima hali ya chembe husababisha kutoweka kwa nafasi ya juu. Ni sifa kwamba ujuzi kuhusu hali ya chembe iliyopatikana kwa kipimo hutofautiana na hali halisi ya chembe kabla ya vipimo.

Kutoka kwa mtazamo wa akili ya kawaida - upuuzi kamili. Katika ulimwengu wetu wa kawaida, kanuni hizi zinaweza kuwakilishwa kama ifuatavyo: mlango wa chumba umefungwa, na wakati huo huo wazi. Imefungwa na kufunguliwa kwa wakati mmoja.

Hii ndio tofauti ya kushangaza kati ya mahesabu. Kichakataji cha kawaida hufanya kazi kwa nambari ya binary. Biti za kompyuta zinaweza kuwa katika hali moja tu - zina thamani ya kimantiki ya 0 au 1. Kompyuta za quantum zinafanya kazi na qubits, ambazo zinaweza kuwa na thamani ya mantiki ya 0, 1, 0 na 1 mara moja. Kwa kutatua matatizo fulani, watakuwa na faida ya mamilioni ya dola juu ya mashine za jadi za kompyuta. Leo tayari kuna maelezo kadhaa ya algorithms ya kazi. Watayarishaji wa programu huunda nambari maalum ya programu ambayo inaweza kufanya kazi kulingana na kanuni mpya za hesabu.

Kompyuta mpya itatumika wapi?

Mbinu mpya ya mchakato wa kompyuta hukuruhusu kufanya kazi na idadi kubwa ya data na kufanya shughuli za hesabu za papo hapo. Pamoja na ujio wa kompyuta za kwanza, baadhi ya watu wakiwemo viongozi wa serikali walikuwa na mashaka makubwa kuhusiana na matumizi yao katika uchumi wa taifa. Bado kuna watu leo ambao wamejaa mashaka juu ya umuhimu wa kompyuta za kizazi kipya kimsingi. Kwa muda mrefu sana, majarida ya kiufundi yalikataa kuchapisha makala juu ya quantum computing, kwa kuzingatia eneo hili kama njama ya kawaida ya udanganyifu kuwadanganya wawekezaji.

Mbinu mpya ya kompyuta itaunda masharti ya uvumbuzi wa kisayansi wa hali ya juu katika tasnia zote. Dawa itasuluhisha maswala mengi ya shida, ambayo mengi yamekusanya hivi karibuni. Itawezekana kugundua saratani katika hatua ya mapema ya ugonjwa kuliko sasa. Sekta ya kemikali itaweza kuunganisha bidhaa na mali ya kipekee.

Mafanikio katika astronautics hayatachukua muda mrefu kuja. Safari za ndege hadi sayari zingine zitakuwa kawaida kama safari za kila siku kuzunguka jiji. Uwezo uliopo katika kompyuta ya kiasi hakika utabadilisha sayari yetu zaidi ya kutambuliwa.

Kipengele kingine tofauti ambacho kompyuta za quantum zina uwezo wa kompyuta ya quantum kupata msimbo au cipher kwa haraka. Kompyuta ya kawaida hufanya suluhisho la utoshelezaji wa hisabati kwa mlolongo, ikijaribu chaguo moja baada ya lingine. Mshindani wa quantum hufanya kazi na safu nzima ya data mara moja, akichagua chaguo zinazofaa zaidi kwa kasi ya umeme katika muda mfupi sana. Shughuli za benki zitasimbwa kwa kufumba na kufumbua, jambo ambalo haliwezi kufikiwa na kompyuta za kisasa.

Walakini, sekta ya benki haina haja ya kuwa na wasiwasi - siri yake itahifadhiwa na njia ya usimbuaji wa quantum na kitendawili cha kipimo. Unapojaribu kufungua msimbo, ishara iliyopitishwa itapotoshwa. Taarifa iliyopokelewa haitakuwa na maana yoyote. Huduma za siri, ambao ujasusi ni mazoezi ya kawaida, wanavutiwa na uwezekano wa kompyuta ya quantum.

Ugumu wa kubuni

Ugumu upo katika kuunda hali ambayo quantum bit inaweza kubaki katika hali ya juu kwa muda usiojulikana.

Kila qubit ni microprocessor ambayo inafanya kazi kwa kanuni za superconductivity na sheria za mechanics ya quantum.

Idadi ya hali ya kipekee ya mazingira huundwa karibu na vitu vya microscopic vya mashine ya mantiki:

joto 0.02 digrii Kelvin (-269.98 Selsiasi);
mfumo wa ulinzi dhidi ya mionzi ya sumaku na umeme (hupunguza athari za mambo haya kwa mara elfu 50);
kuondolewa kwa joto na mfumo wa uchafu wa vibration;
uboreshaji wa hewa ni mara bilioni 100 chini ya shinikizo la anga.

Kupotoka kidogo katika mazingira husababisha qubits kupoteza hali yao ya juu mara moja, na kusababisha utendakazi.

Mbele ya sayari nyingine

Yote haya hapo juu yanaweza kuhusishwa na ubunifu wa akili kali ya mwandishi wa hadithi za hadithi za kisayansi ikiwa Google, pamoja na NASA, hawakununua kompyuta ya quantum ya D-Wave mwaka jana kutoka kwa shirika la utafiti la Kanada, ambalo processor yake ina. 512 qubit.

Kwa msaada wake, kiongozi katika soko la teknolojia ya kompyuta atatatua masuala ya kujifunza mashine katika kupanga na kuchambua kiasi kikubwa cha data.

Snowden, ambaye aliondoka Marekani, pia alitoa taarifa muhimu ya kufichua - NSA pia inapanga kuendeleza kompyuta yake ya quantum.

2014 - mwanzo wa enzi ya mifumo ya D-Wave

Mwanariadha aliyefaulu wa Kanada Geordie Rose, baada ya makubaliano na Google na NASA, alianza kuunda kichakataji cha 1000-qubit. Mfano wa siku zijazo utazidi mfano wa kwanza wa kibiashara kwa angalau mara elfu 300 kwa kasi na kiasi cha mahesabu. Kompyuta ya quantum, iliyoonyeshwa hapa chini, ni toleo la kwanza la kibiashara la teknolojia mpya ya kompyuta.

Alichochewa kujihusisha na maendeleo ya kisayansi na mtu anayemfahamu katika chuo kikuu na kazi za Colin Williams kwenye kompyuta ya quantum. Ni lazima kusema kwamba Williams leo anafanya kazi katika shirika la Rose kama meneja wa mradi wa biashara.

Uzushi au udanganyifu wa kisayansi

Rose mwenyewe hajui kabisa kompyuta za quantum ni nini. Katika muda wa miaka kumi, timu yake imetoka kuunda kichakataji cha 2-qubit hadi kikundi cha kwanza cha biashara cha kisasa.

Kuanzia mwanzo wa utafiti wake, Rose alitaka kuunda processor na idadi ya chini ya qubits 1 elfu. Na hakika alilazimika kuwa na chaguo la kibiashara - ili kuuza na kupata pesa.

Wengi, wakijua uchu wa Rose na uwezo wake wa kibiashara, wanajaribu kumshutumu kwa kughushi. Inadaiwa, processor ya kawaida hupitishwa kama quantum. Hii pia inawezeshwa na ukweli kwamba teknolojia mpya inaonyesha utendaji wa ajabu wakati wa kufanya aina fulani za mahesabu. Vinginevyo, inafanya kazi kama kompyuta ya kawaida kabisa, ghali sana.

Wataonekana lini

Hakuna muda mrefu wa kusubiri. Kikundi cha utafiti kilichoandaliwa na wanunuzi wa pamoja wa mfano huo kitaripoti juu ya matokeo ya utafiti kuhusu D-Wave katika siku za usoni.
Labda wakati unakuja hivi karibuni ambapo kompyuta za quantum zitabadilisha uelewa wetu wa ulimwengu unaotuzunguka. Na ubinadamu wote kwa wakati huu utafikia kiwango cha juu cha mageuzi yake.

MOSCOW, Septemba 12- Habari za RIA. Sehemu chache za sayansi zinaweza kudai kuwa zinashindaniwa vikali kama sayansi ya habari ya quantum. Wanasayansi wengine wanashiriki kikamilifu katika utafiti na kupendekeza suluhisho mpya, wengine wanajaribu kutafuta mapungufu, kuthibitisha kutowezekana kwa kuwepo kwa kompyuta za quantum zima. Hasara ya PC za kisasa ni dhahiri - mapema au baadaye ukubwa mdogo iwezekanavyo wa transistor ya classic itafikiwa, na maendeleo yataacha hapo.

Msingi wa kompyuta kama hizo ni kidogo, kitu ambacho kinaweza kuwa katika majimbo mawili ya kipekee: ama "0" au "1". Kidogo kinaweza kubadilika kulingana na voltage ya transistor ya semiconductor: ikiwa ni kubwa kuliko thamani fulani, basi hali ya kidogo ni mantiki "1", na ikiwa ni chini, basi mantiki "0". Kumbukumbu ya kompyuta ni safu ya bits, na mahesabu yote ni shughuli maalum zinazobadilisha hali ya bits.

Kompyuta ya quantum hutumia mbinu tofauti kimsingi ya kuhesabu kulingana na qubits. Tofauti na bits, wanaweza kuwa katika hali mbili za mantiki kwa wakati mmoja.

Hali hii ya mfumo wa quantum inaitwa superposition.
Nguvu ya kompyuta ya kompyuta za quantum huongezeka kuhusiana na mzunguko wa transistor wa classical kutokana na utekelezaji wa idadi kubwa ya shughuli kwa kitengo cha muda.

Kuna chaguzi nyingi kwa msingi wa kiufundi wa kuunda qubits. Chaguo la kwanza ni pete za superconducting microscopic, ambayo hali ya kimantiki inategemea mwelekeo wa sasa kando ya pete (ya sasa katika mfumo kama huo inaweza kutiririka kwa saa moja na kinyume chake). Chaguo la pili ni atomi zilizopozwa kwa joto la kelvins kadhaa ("0" na "1" ni hali tofauti za nishati za atomi). Ya tatu ni mitego ya ion.

Idadi ya qubits ni tabia moja tu ya kompyuta ya quantum. Kuna vigezo vingine vingi: qubits inaweza kuwepo kwa muda gani, ni rahisi vipi kudhibiti, ni matokeo ya mahesabu yanaweza kuzaliana tena, mfumo unaweza kupunguzwa kwa ukubwa mkubwa?

Kompyuta ya qubit 51 huko Harvard ina uwezo wa kutatua tatizo moja tu-utafiti wa matukio fulani katika modeli ya chembe nyingi ya quantum. Ili kutatua shida nyingine, itabidi ubadilishe kwa kiasi kikubwa. Idadi ya juu ya qubits zinazoweza kutumika kutengeneza kompyuta ya quantum inayoweza kupangwa tena yenye uwezo wa kutatua matatizo mbalimbali kwa sasa ni 16. Kampuni iliyoiunda, IBM, ilisema kuwa kompyuta hiyo tayari imetumika kufanya majaribio 300,000 kwa kutumia kompyuta ya quantum na watumiaji wake. kutumia huduma za wingu.

Kwa hivyo, utabiri wa wakosoaji ambao wanaamini kuwa kompyuta ya quantum haitaweza kufanya kazi hata kidogo haijatimia. Kwa kweli, mifumo iliyopo bado haijawa ulimwenguni, ambayo ni, uwezo wa kutatua shida yoyote na kuonyesha kasi ya shida kadhaa, ambazo hazipatikani na kompyuta za kawaida, kwa sababu ya athari za quantum.

Lakini licha ya shauku ya wafuasi wa kompyuta za quantum, za mwisho zina udhaifu wao. Kwanza, majimbo ya quantum ni tete sana kwamba usumbufu wowote (kupima hali ya mfumo) unaweza kusababisha uharibifu wa serikali. Kwa hivyo, uaminifu wa mahesabu huja katika swali, na ni muhimu kukusanya mifumo tofauti ili kuangalia uendeshaji wao. Hasara ya pili ni uwezekano wa kupoteza habari.

Wakati kuna qubits mbili (au kadhaa) katika hali sawa za quantum, uwezekano wa kupoteza habari kidogo huelekea sifuri. Hata hivyo, vinginevyo, kwa majimbo tofauti ya quantum, mwingiliano hutokea kati yao, na kusababisha kupoteza kidogo moja. Ni ngumu sana kuunda mfumo mkubwa wa quantum, vitu ambavyo vitaingiliana vya kutosha na kila mmoja na wakati huo huo vitalindwa vya kutosha kutoka kwa mazingira ambayo yanaweza kuharibu uboreshaji wa qubits.

Watafiti wanakubali kwamba kwa sasa, kompyuta ya quantum haifai kwa mtumiaji wa kawaida. Na bei ya kompyuta za quantum kwa matumizi ya nyumbani itahesabiwa haki? Je, uwezo wake wa kutumia kompyuta utahitajika ili kutazama filamu na kutumia Intaneti?

Hakika kompyuta za quantum zitachukua nafasi ya kompyuta kuu za sasa katika maabara za utafiti na zitakuwa muhimu sana kwa kuunda michakato ngumu ya kimwili. Lakini zitakuwa mbadala wa Kompyuta katika nyumba yetu na je, uingizwaji huu utahesabiwa haki? Tunaweza kudhani kwamba tutakuwa na mahuluti ya kompyuta za quantum na classical katika nyumba zetu, lakini hakuna mtu anayeweza kusema hasa jinsi hii itatokea sasa.

"Ninaamini kwamba uundaji wa kompyuta ya quantum utagawanya historia ya wanadamu katika enzi mbili: kabla na baada. Kwa njia, Urusi ina nafasi ya kushindana na nchi zilizoendelea zaidi kiteknolojia katika mbio za quantum. Uwezo wa quantum. Kompyuta sio tu itaongoza kwa kasi kubwa ya kiteknolojia, lakini pia itatoa majibu kwa maswali ya kimsingi. Kwa hivyo hii ni teknolojia ya siku zijazo. Na inakaribia haraka kuliko inavyoonekana," asema Alexey Fedorov, mtafiti katika Quantum ya Urusi. Kituo.

Historia ya kompyuta, ambayo sasa tunaiita seva au kompyuta, ilianza karne nyingi zilizopita. Kwa kupita kwa muda na maendeleo ya teknolojia, kompyuta pia imeboreshwa. Utendaji, kasi na hata kuonekana kuboreshwa. Kompyuta yoyote kimsingi hutekeleza sheria fulani za sayansi asilia, kama vile fizikia na kemia. Kupitia ndani zaidi katika yoyote ya sayansi hizi, watafiti hupata njia mpya na mpya za kuboresha mifumo ya kompyuta. Leo tutaangalia utafiti unaolenga kutambua matumizi ya fotoni katika kompyuta za quantum. Nenda.

Msingi wa kinadharia

Neno "kompyuta ya quantum" limeacha kushtua, ingawa linasikika kama hadithi za kisayansi. Hata hivyo, hakuna kitu cha ajabu kuhusu hilo, angalau kutoka kwa mtazamo wa fasihi. Kompyuta ya quantum hutumia nafasi kubwa zaidi ya quantum na msongamano wa quantum. Kwa maneno rahisi, nafasi ya juu ya quantum ni jambo la kawaida wakati hali za quantum za mfumo ni za kipekee. Ikiwa hatuzungumzii juu ya chembe, lakini kuhusu kitu "kikubwa," basi tunaweza kutaja paka ya Schrödinger.

Kidogo kuhusu paka wa Schrödinger

Jaribio hili la kinadharia lilielezewa na Schrödinger mwenyewe kwa undani na utata, kwa kiasi fulani. Toleo lililorahisishwa linaonekana kama hii:

Kuna sanduku la chuma. Katika sanduku kuna paka na utaratibu. Utaratibu ni counter ya Geiger yenye kiasi kidogo sana cha nyenzo za mionzi. Dutu hii ni ndogo sana kwamba katika saa 1 atomi 1 inaweza kuoza (au haiwezi kuoza). Ikiwa hii itatokea, bomba la kusoma la mita hutolewa na relay imewashwa, ikitoa nyundo, ambayo hutegemea juu ya chupa ya sumu. Chupa hupasuka na sumu inaua paka.

Mchoro wa majaribio

Sasa kwa maelezo. Hatuoni kinachotokea kwenye kisanduku; hatuwezi kuathiri mchakato hata kwa uchunguzi wetu. Hadi tunafungua sanduku, hatujui kama paka yuko hai au amekufa. Kwa hivyo, kuzidisha, tunaweza kusema kwamba kwetu paka katika sanduku iko katika majimbo mawili kwa wakati mmoja: ni hai na imekufa.

Jaribio la kuvutia sana ambalo linasukuma mipaka ya fizikia ya quantum.

Hata isiyo ya kawaida zaidi ni kitendawili cha Wigner. Kwa vigezo vyote hapo juu vya jaribio huongezwa baadhi ya marafiki wa msaidizi wa maabara ambaye anafanya jaribio hili. Anapofungua sanduku na kujua hali halisi ya paka, rafiki yake, akiwa mahali pengine, hajui hali hii. Wa kwanza lazima ajulishe pili kwamba paka ni hai au amekufa. Hivyo, mpaka kila mtu katika ulimwengu ajue hali halisi ya mnyama maskini, atahesabiwa kuwa mfu na aliye hai kwa wakati mmoja.

Kuhusu msongamano wa quantum, hali ya chembe mbili au zaidi hutegemea kila mmoja. Hiyo ni, kuzungumza juu ya photons sawa, ikiwa mabadiliko katika spin ya chembe moja inaongoza kwa kuwa chanya, basi pili moja kwa moja inakuwa hasi, na kinyume chake. Wakati huo huo, kwa kupima hali ya chembe ya kwanza, mara moja tunanyima chembe ya pili ya hali ya msongamano wa quantum.

Kompyuta ya quantum haifanyi kazi na bits, lakini kwa qubits, ambayo inatofautiana na ya kwanza kwa kuwa inaweza wakati huo huo kuwa katika majimbo mawili - 0 na 1. Hii inaruhusu habari kusindika kwa kasi zaidi.

Kwa photons kila kitu ni rahisi kidogo. Photon ni "chembe ya mwanga," ili kuiweka kwa chumvi sana. Ufafanuzi wa kisayansi zaidi ni chembe ya msingi ya mionzi ya sumakuumeme yenye uwezo wa kuhamisha mwingiliano wa sumakuumeme.

lakini kwa upande mwingine

Picha ni flygbolag bora za habari za quantum, lakini ukosefu ya kuamua* mwingiliano wa photon-photon hupunguza matumizi yao katika kompyuta na mitandao ya quantum.

Mifumo ya kuamua* Hii ni mifumo ambayo michakato imeunganishwa kwa njia ambayo mlolongo wa sababu-na-athari unaweza kufuatiliwa. Kwa maneno mengine, hizi ni mifumo ambapo data inayoingia (kwa mfano, kazi) inalingana kikamilifu na data inayotoka (matokeo ya suluhisho).

Utafiti huu unaweza haukufanyika hata kidogo kama si kwa uvumbuzi wa hivi majuzi katika uwanja wa mwingiliano wa jambo-nyepesi kupitia atomi zilizonaswa zisizoegemea upande wowote, ambazo zilifanya iwezekane kutumia. macho yasiyo ya mstari* katika hali ya photon moja.

Macho yasiyo ya mstari* inaelezewa na mmenyuko usio na mstari wa vector ya polarization kwa vector ya nguvu ya shamba la umeme ya wimbi la mwanga. Hii inaweza kuzingatiwa wakati wa kutumia lasers, kwa vile wanaweza kuzalisha boriti ya mwanga wa juu.

Macho yasiyo ya mstari kwa kutumia mfano wa kizazi cha pili cha mawimbi ya harmonic

Mbinu hii inahusishwa na shida za kutekeleza vifaa katika fomu ngumu, kwani utekelezaji wake unahitaji kubwa sana na ngumu sana kusanidi mitego ya laser. Kwa kuongeza, atomi za upande wowote hufanya kazi kwa upitishaji mdogo.

Chaguo jingine, ambalo pia limehifadhiwa kwa sasa, ni mifumo kulingana na electrodynamics ya quantum isiyo ya kawaida. Kwa kuwa mifumo kama hiyo hufanya kazi katika hali ya microwave pekee, kuibadilisha kuwa hali ya macho ni shida sana.

Watafiti wengine waliamua kuchimba hata zaidi, karibu halisi. Matumizi ya mifumo ya nanophotonic, ambayo photons huingiliana na vipengele vya nanometer (katika kesi hii, emitters ya quantum), ni njia ya kuvutia sana ya kutekeleza nonlinearity moja ya photon katika vifaa vya compact imara-hali. Hata hivyo, hadi sasa majaribio hayo yametumia emitters zinazowakilishwa na mfumo wa atomiki wa ngazi mbili, mdogo na biashara kati ya bandwidth na latency, ambayo inafanya utekelezaji wa swichi za toni moja haiwezekani.

Kama hitimisho, tafiti zote za awali zilikuwa na matokeo fulani mazuri, ambayo, kwa bahati mbaya, yalihusishwa na matatizo fulani ya utekelezaji au mwingiliano wa mifumo.

Misingi ya Utafiti

Utafiti huu unaonyesha swichi ya fotoni moja na transistor inayotekelezwa kwa kuunganisha qubit ya quantum ya hali-imara na resonator ya nanophotonic.

Moja ya vipengele kuu vya jaribio ni spin qubit, inayojumuisha elektroni moja kwenye chaji nukta quantum*.

Nukta ya Quantum*(au "chembe bandia") ni chembe ya semiconductor. Kwa sababu ya ukubwa wake mdogo sana, sifa zake za macho na elektroniki ni tofauti sana na zile za chembe kubwa.

Picha Nambari 1a

Katika picha 1a ilionyesha muundo wa kiwango cha nukta cha quantum, ikijumuisha mbili masharti ya msingi* na spins kinyume, ambayo huunda kumbukumbu ya quantum imara. Majimbo haya yameandikwa kama ifuatavyo: |⟩ Na |↓⟩ .

Hali ya msingi*- katika mechanics ya quantum, hii ni hali ya stationary, wakati kiwango cha nishati na kiasi kingine haibadilika, na nishati ya chini kabisa.

Majimbo pia yamewekwa alama kwenye picha furaha*, ambayo ina jozi ya elektroni na moja shimo* na migongo kinyume. Wao huteuliwa kama ifuatavyo: |↓,⇑⟩ Na |↓, ⇓⟩ .

Msisimko*- inaashiria mpito wa mfumo kutoka hali ya chini hadi hali yenye nishati ya juu.

Shimo*- quasiparticle, carrier wa malipo chanya sawa na malipo ya msingi katika semiconductors.

Picha #1b

Picha 1b Hii ni taswira ya hadubini ya elektroni inayochanganua ya resonator ya nanophotonic iliyoundwa. Kupitia unyonyaji Athari ya Vogt* Uunganisho unaotegemea spin ulipatikana kwa kutumia uwanja wa sumaku (5.5 T) kando ya ndege ya kifaa.

Athari ya Vogt*- tukio la refraction mara mbili ya wimbi la sumakuumeme wakati wa uenezi wake katika yabisi.

Kwa kupima kutafakari kwa polarized, iliwezekana pia kuamua nguvu ya kuunganisha ( g ), kiwango cha kuoza kwa nishati ya resonator ya nanophotonic ( Kwa ) na mabadiliko ya dipole yasiyolingana ( y ):

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

Ambapo g>k/4- hali ambayo huamua kuwa kifaa kimebadilika kwa hali ya uunganisho yenye nguvu na imara.

Picha #1c

Katika picha 1s(juu kushoto) inaonyesha kanuni za uendeshaji wa swichi ya fotoni moja na transistor. Kama tunavyoona, ikiwa mapigo ya lango hayana fotoni, basi spin inabaki katika nafasi ya "chini". Ikiwa photon moja iko, basi spin inakwenda kwenye nafasi ya "juu". Kwa hivyo, hali ya mzunguko inadhibiti uakisi wa resonator ya nanophotonic, na hivyo kubadilisha mgawanyiko wa fotoni za mawimbi zilizoakisiwa.

Mlolongo mzima wa mapigo unaonyeshwa kwenye picha 1s(chini). Sasa hebu tuende kwa undani zaidi kuhusu kila hatua.

Mwanzoni kuna nukta ya quantum katika nafasi ya juu ya hali yake ya mzunguko wa ardhi. Imehesabiwa kwa kutumia formula (|⟩ + |↓⟩)/√2 . Hii inafanikiwa kwa kutumia mapigo ya uanzishaji ili kusukuma spin kwa macho, ambayo inaiweka katika hali ya "chini".
Ifuatayo, mapigo ya mzunguko wa macho hutumiwa, na kuunda mzunguko wa mzunguko wa π/2.
Wakati fulani ( τ ) mfumo hukua kwa uhuru.
Ikiwa wakati huu umewekwa kama nambari kamili + nusu ya kipindi cha maandamano ya spin, basi kwa kukosekana kwa picha ya lango spin itaingia katika hali. (|⟩ - |↓⟩)/√2 , na pigo la pili la mzunguko litaleta spin nyuma kwenye hali ya "chini". Iwapo fotoni ya lango inaakisiwa kutoka kwa kinasa sauti, basi huunda badiliko la π-awamu kati ya hali ya "juu" na "chini", ambayo inaonyesha mzunguko kando ya ( x) Bloch nyanja*. Kwa hivyo, msukumo wa pili wa mzunguko utahamisha spin kwenye hali ya "juu".
Pigo lingine la mzunguko linatumika, sawa na la kwanza.
Kati ya mapigo haya mawili, pigo la lango huletwa.

Bloch Sphere*- katika mechanics ya quantum hutumiwa kama njia ya kuwakilisha nafasi ya hali ya qubit.

Mwishoni mwa mchakato, uwanja wa ishara unaonyeshwa kutoka kwa resonator na hupitia mzunguko wa polarization, ambayo inategemea moja kwa moja hali ya spin.

Picha Na. 2a

Grafu iliyo hapo juu inaonyesha upitishaji wa uga wa mawimbi unaopita kwenye kipenyo kama kitendakazi cha (τ) bila kuwepo kwa mpigo wa lango.

Tofauti ya maambukizi imedhamiriwa na fomula: δ = T juu- T chini

Ambapo T juu na T chini- mgawo wa usambazaji wa uwanja wa mawimbi wakati wa mabadiliko ya mzunguko hadi hali ya "juu" ( juu) na "chini" ( chini) kwa kutumia mapigo mawili ya mzunguko yanayolingana na viwango vya juu na vya chini vya upitishaji katika oscillation.

Thamani ya mara kwa mara δ = 0.24 ± 0.01. Inatofautiana sana na bora kutokana na hali ya spin isiyo sahihi F = 0.78 ± 0.01 na kutokana na ushirikiano mdogo C = 2 g 2 / ky= 1.96 ± 0.19.

Picha #2b

Ratiba 2b huonyesha kisa ambapo mpigo wa 63-ps unatumika, iliyo na takriban fotoni 0.21 kwa kila mpigo ikiambatana na tundu. Ili kuthibitisha kwamba fotoni moja inadhibiti utumaji, vipimo vya matukio ya fotoni mbili vilichukuliwa kati ya lango na fotoni za mawimbi.

Dots za kijani ni upitishaji wa mawimbi uliopimwa kwa sababu ya kugundua fotoni ya lango iliyoakisiwa kama kazi ya ( τ ).

Mstari wa Kijani - mawasiliano ya nambari kwa mfano ulioonyeshwa kwenye grafu 2a.

Mistari wima kwenye chati 2a Na 2b hili ni jina la jimbo wakati spin inapitia nambari nusu kamili ya mizunguko kuzunguka nyanja ya Bloch katika kipindi cha ukuzaji bila malipo. Katika hali hiyo, photon ya lango husababisha polarization ya uwanja wa ishara kuzunguka na kuelekezwa kupitia polarizer.

Mstari wima (b) kwenye chati 2a Na 2b Hii ni maonyesho ya hali ya pili ya uendeshaji ambayo shughuli za kubadili zinaweza kufanywa. Katika mfano huu, tabia ya kubadili nyuma huzingatiwa ambapo fotoni ya lango huzuia uga wa mawimbi kuzunguka, na hivyo kupunguza upitishaji.

Katika hali zote mbili, pigo la lango husababisha mabadiliko katika upitishaji wa ishara ya 0.21 ± 0.02. Ili kuzingatia picha bora ya lango, takwimu hii lazima iwe sawa na 0.24, kama inavyobainishwa katika hesabu zilizoonyeshwa kwenye grafu. 2a. Katika kesi ya jaribio la kweli, utendaji ni mbaya zaidi kwa sababu ya matumizi kupunguzwa(damped oscillation) leza ili kuunda mpigo wa lango ambao, ingawa hauwezekani, unaweza kuwa na fotoni kadhaa.

Picha #2c

Grafu hapo juu inapanga upitishaji wa viwanja kama kipengele cha muda wa kuchelewa ( τ ), wakati thamani ya wastani ya fotoni za ishara kwa mpigo imewekwa kwa 4.4 ± 0.5 (juu), 10.9 ± 1.2 (katikati), 23.0 ± 2.5 (chini).

Dots za kijani ni upitishaji kwa sababu ya kugundua fotoni ya lango.

Viwanja vya machungwa - upitishaji bila mapigo ya lango.

Mistari ya kijani na machungwa - mawasiliano ya nambari kwa mifano ya kinadharia kutoka kwa grafu 2a Na 2b.

Katika hali zote, tabia ya kubadili inaonekana wazi.

Kubadilisha hesabu za utofautishaji ( ξ ) ilitoa matokeo yafuatayo: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 na 0.12 ± 0.02, kulingana na kila grafu.

Shida kuu ya utofautishaji wa ubadilishaji ni kwamba inapungua kadiri idadi ya fotoni za mawimbi inavyoongezeka. Hii ni kutokana na ukweli kwamba kila fotoni ya mawimbi inaweza kuathiri kinyume na mzunguko kupitia kutawanya kwa mwanga wa Raman ( Athari ya Raman*) Hii inaweka upya hali ya kumbukumbu ya quantum ya ndani.

Athari ya Raman*- kueneza kwa inelastic ya mionzi ya macho wakati chembe zinapogongana, ambayo husababisha mabadiliko katika hali yao, uundaji wa chembe mpya, mabadiliko katika wengine au kuzaliwa kwa chembe mpya.

Picha #3

Kwenye chati 3a Nukta za samawati huonyesha utofautishaji wa upitishaji uliopimwa wakati hakuna mpigo wa lango kama utendaji wa wastani wa idadi ya fotoni katika sehemu ya mawimbi. Hiki ni kipimo cha kiwango cha ubadilishaji wa kibinafsi unaosababishwa na ishara isiyo ya lango. Mistari ya samawati huonyesha uwiano wa nambari kwa utendaji wa kipeo wa fomu exp(-N s/N wastani) , Wapi N wastani hii ni wastani wa idadi ya fotoni za mawimbi zinazohitajika ili kubadilisha nafasi ya kuzunguka. Mahesabu yalionyesha hivyo N wastani = 27.7 ± 8.3.

Sifa nyingine muhimu ya transistors ni mgawo wa maambukizi ( G ) Ratiba 2b(dots za bluu) inaonyesha ukuaji wa kiashiria hiki. Watafiti waliweza kufikia G = 3.3 ± 0.4 pamoja na idadi ya fotoni N s = 29.2 ± 3.2.

Mgombea wa Sayansi ya Kimwili na Hisabati L. FEDICHKIN (Taasisi ya Kimwili na Teknolojia ya Chuo cha Sayansi cha Urusi.

Kutumia sheria za mechanics ya quantum, inawezekana kuunda aina mpya ya kompyuta ambayo itaruhusu kutatua shida kadhaa ambazo haziwezi kufikiwa na kompyuta kuu za kisasa zenye nguvu zaidi. Kasi ya mahesabu mengi magumu itaongezeka kwa kasi; ujumbe unaotumwa kwa njia ya mawasiliano ya quantum haitawezekana kukatiza au kunakili. Leo, prototypes za kompyuta hizi za quantum za siku zijazo tayari zimeundwa.

Mwanahisabati wa Marekani na mwanafizikia wa asili ya Hungarian Johann von Neumann (1903-1957).

Mwanafizikia wa nadharia wa Marekani Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Mtaalamu wa hisabati wa Marekani Peter Shor, mtaalamu katika uwanja wa kompyuta ya quantum. Alipendekeza algorithm ya quantum kwa sababu ya haraka ya idadi kubwa.

Quantum kidogo, au qubit. Mataifa yanahusiana, kwa mfano, na mwelekeo wa spin ya nucleus ya atomiki juu au chini.

Rejesta ya quantum ni mlolongo wa biti za quantum. Milango ya quantum moja au mbili hufanya shughuli za kimantiki kwenye qubits.

UTANGULIZI, AU KIDOGO KUHUSU ULINZI WA HABARI

Je, unadhani ni mpango gani ambao umeuza leseni nyingi zaidi duniani? Sitahatarisha kusisitiza kwamba najua jibu sahihi, lakini hakika najua moja mbaya: hii Sivyo toleo lolote la Microsoft Windows. Mfumo wa uendeshaji unaojulikana zaidi uko mbele ya bidhaa ya kawaida kutoka kwa RSA Data Security, Inc. - programu inayotumia algoriti ya usimbaji fiche ya ufunguo wa RSA, iliyopewa jina la waandishi wake - wanahisabati wa Marekani Rivest, Shamir na Adelman.

Ukweli ni kwamba algorithm ya RSA imejengwa katika mifumo mingi ya uendeshaji ya kibiashara, pamoja na programu nyingine nyingi zinazotumiwa katika vifaa mbalimbali - kutoka kwa kadi smart hadi simu za mkononi. Hasa, inapatikana pia katika Microsoft Windows, ambayo inamaanisha kuwa hakika imeenea zaidi kuliko mfumo huu wa uendeshaji maarufu. Ili kugundua athari za RSA, kwa mfano, kwenye kivinjari cha Internet Explorer (mpango wa kutazama kurasa za mtandao kwenye Mtandao), fungua tu menyu ya "Msaada", ingiza menyu ndogo ya "Kuhusu Internet Explorer" na uangalie orodha ya bidhaa zilizotumiwa kutoka. makampuni mengine. Kivinjari kingine cha kawaida, Netscape Navigator, pia hutumia algorithm ya RSA. Kwa ujumla, ni vigumu kupata kampuni inayojulikana inayofanya kazi katika uwanja wa teknolojia ya juu ambayo haiwezi kununua leseni ya programu hii. Leo, RSA Data Security, Inc. tayari imeuza leseni zaidi ya milioni 450(!).

Kwa nini algorithm ya RSA ilikuwa muhimu sana?

Fikiria kuwa unahitaji kubadilishana ujumbe haraka na mtu ambaye yuko mbali. Shukrani kwa maendeleo ya mtandao, kubadilishana vile kumepatikana kwa watu wengi leo - unahitaji tu kuwa na kompyuta na modem au kadi ya mtandao. Kwa kawaida, wakati wa kubadilishana habari kwenye mtandao, ungependa kuweka ujumbe wako kwa siri kutoka kwa wageni. Hata hivyo, haiwezekani kulinda kabisa mstari mrefu wa mawasiliano kutoka kwa usikilizaji. Hii ina maana kwamba wakati ujumbe unatumwa, ni lazima usimbaji fiche, na unapopokelewa, lazima utambuliwe. Lakini wewe na mpatanishi wako mnawezaje kukubaliana juu ya ufunguo gani utatumia? Ukituma ufunguo kwa msimbo juu ya laini ile ile, mshambulizi anayesikiliza anaweza kuikatiza kwa urahisi. Unaweza, bila shaka, kusambaza ufunguo kupitia mstari mwingine wa mawasiliano, kwa mfano, kutuma kwa telegram. Lakini njia hii kawaida haifai na, zaidi ya hayo, sio ya kuaminika kila wakati: mstari mwingine pia unaweza kugongwa. Ni vizuri ikiwa wewe na mpokeaji wako mlijua mapema kuwa mtabadilishana usimbuaji, na kwa hivyo mkapeana funguo mapema. Lakini vipi ikiwa, kwa mfano, unataka kutuma ofa ya siri ya kibiashara kwa mshirika anayewezekana wa biashara au kununua bidhaa unayopenda katika duka jipya la mtandaoni kwa kutumia kadi ya mkopo?

Katika miaka ya 1970, ili kutatua tatizo hili, mifumo ya usimbaji fiche ilipendekezwa kutumia aina mbili za funguo kwa ujumbe sawa: umma (hautakiwi kuwekwa siri) na faragha (siri kabisa). Ufunguo wa umma hutumika kusimba ujumbe kwa njia fiche, na ufunguo wa faragha hutumiwa kusimbua. Unamtumia mwandishi wako ufunguo wa umma, na anautumia kusimba ujumbe wake. Yote ambayo mshambuliaji ambaye amenasa ufunguo wa umma anaweza kufanya ni kusimba barua pepe yake nayo na kuituma kwa mtu fulani. Lakini hataweza kufafanua mawasiliano. Wewe, ukijua ufunguo wa kibinafsi (hapo awali umehifadhiwa nawe), unaweza kusoma kwa urahisi ujumbe ulioelekezwa kwako. Ili kusimba ujumbe wa kujibu kwa njia fiche, utatumia ufunguo wa umma uliotumwa na mwandishi wako (na atajiwekea ufunguo wa kibinafsi unaolingana).

Huu ndio mpango wa kriptografia unaotumiwa katika algoriti ya RSA, mbinu ya kawaida ya usimbaji ufunguo wa umma. Zaidi ya hayo, kuunda jozi ya funguo za umma na za kibinafsi, hypothesis muhimu ifuatayo hutumiwa. Ikiwa kuna mbili kubwa (zinahitaji zaidi ya tarakimu mia moja kuandikwa) rahisi nambari M na K, kisha kupata bidhaa zao N = MK haitakuwa ngumu (hauitaji hata kuwa na kompyuta kwa hili: mtu mwangalifu na mwenye subira ataweza kuzidisha nambari kama hizo kwa kalamu na karatasi). Lakini ili kutatua shida ya kinyume, ambayo ni, kujua nambari kubwa N, itengeneze kuwa sababu kuu M na K (kinachojulikana kama tatizo la factorization) - karibu haiwezekani! Hili ndio shida ambayo mshambuliaji atakutana nayo ikiwa ataamua "kuhack" algorithm ya RSA na kusoma habari iliyosimbwa nayo: ili kujua ufunguo wa kibinafsi, akijua ufunguo wa umma, italazimika kuhesabu M au K. .

Ili kujaribu uhalali wa nadharia juu ya ugumu wa vitendo wa kuhesabu idadi kubwa, mashindano maalum yamefanyika na bado yanafanyika. Mtengano wa nambari ya tarakimu 155 tu (512-bit) inachukuliwa kuwa rekodi. Hesabu zilifanywa sambamba kwenye kompyuta nyingi kwa muda wa miezi saba mwaka wa 1999. Ikiwa kazi hii ilifanywa kwenye kompyuta moja ya kisasa ya kibinafsi, itahitaji takriban miaka 35 ya muda wa kompyuta! Mahesabu yanaonyesha kuwa kwa kutumia hata elfu ya vituo vya kazi vya kisasa na algorithm bora zaidi ya kompyuta inayojulikana leo, nambari moja ya tarakimu 250 inaweza kuwa factorized katika karibu miaka 800 elfu, na nambari ya tarakimu 1000 katika miaka 10-25 (!). (Kwa kulinganisha, umri wa Ulimwengu ni ~ miaka 10 10.)

Kwa hivyo, algoriti za kriptografia kama vile RSA, zinazofanya kazi kwa funguo ndefu za kutosha, zilizingatiwa kuwa za kuaminika kabisa na zilitumika katika programu nyingi. Na kila kitu kilikuwa sawa hadi wakati huo ...mpaka kompyuta za quantum zilipotokea.

Inatokea kwamba kwa kutumia sheria za mechanics ya quantum, inawezekana kujenga kompyuta ambayo shida ya factorization (na wengine wengi!) haitakuwa vigumu. Inakadiriwa kwamba kompyuta ya quantum iliyo na kumbukumbu takribani elfu 10 tu inaweza kujumuisha nambari ya tarakimu 1000 katika vipengele muhimu katika saa chache tu!

YOTE ILIANZAJE?

Haikuwa hadi katikati ya miaka ya 1990 ambapo nadharia ya kompyuta za quantum na kompyuta ya quantum ilianzishwa kama uwanja mpya wa sayansi. Kama ilivyo kawaida kwa mawazo mazuri, ni vigumu kubainisha mwanzilishi. Inavyoonekana, mwanahisabati wa Hungarian J. von Neumann alikuwa wa kwanza kuteka fikira juu ya uwezekano wa kukuza mantiki ya quantum. Hata hivyo, wakati huo, si tu quantum, lakini pia kompyuta za kawaida, za classical bado hazijaundwa. Na pamoja na ujio wa mwisho, juhudi kuu za wanasayansi zililenga kupata na kukuza vitu vipya kwao (transistors, na kisha mizunguko iliyojumuishwa), na sio kuunda vifaa tofauti vya kompyuta.

Katika miaka ya 1960, mwanafizikia wa Marekani R. Landauer, ambaye alifanya kazi katika IBM, alijaribu kuteka mawazo ya ulimwengu wa kisayansi kwa ukweli kwamba mahesabu daima ni mchakato wa kimwili, ambayo ina maana haiwezekani kuelewa mipaka ya uwezo wetu wa kompyuta bila. kubainisha ni utekelezaji gani wa kimwili. Kwa bahati mbaya, wakati huo, maoni makuu kati ya wanasayansi yalikuwa kwamba hesabu ilikuwa aina ya utaratibu wa kimantiki ambao unapaswa kusomwa na wanahisabati, sio wanafizikia.

Kompyuta zilipozidi kuenea, wanasayansi wa quantum walifikia hitimisho kwamba haiwezekani kuhesabu moja kwa moja hali ya mfumo unaoendelea unaojumuisha chembe chache tu zinazoingiliana, kama vile molekuli ya methane (CH 4). Hii inafafanuliwa na ukweli kwamba ili kuelezea kikamilifu mfumo mgumu, ni muhimu kuweka katika kumbukumbu ya kompyuta idadi kubwa (kwa mujibu wa idadi ya chembe) idadi ya vigezo, kinachojulikana quantum amplitudes. Hali ya kushangaza imetokea: kujua equation ya mageuzi, kujua kwa usahihi wa kutosha uwezekano wote wa mwingiliano wa chembe na kila mmoja na hali ya awali ya mfumo, karibu haiwezekani kuhesabu mustakabali wake, hata ikiwa mfumo unajumuisha tu. Elektroni 30 kwenye kisima kinachowezekana, na kompyuta kubwa iliyo na RAM inapatikana , idadi ya bits ambayo ni sawa na idadi ya atomi katika eneo linaloonekana la Ulimwengu (!). Na wakati huo huo, kusoma mienendo ya mfumo kama huo, unaweza tu kufanya majaribio na elektroni 30, kuziweka katika uwezo fulani na hali ya awali. Hii, hasa, ilibainishwa na mwanahisabati wa Kirusi Yu. I. Manin, ambaye mwaka wa 1980 alionyesha haja ya kuendeleza nadharia ya vifaa vya kompyuta vya quantum. Katika miaka ya 1980, tatizo kama hilo lilichunguzwa na mwanafizikia wa Marekani P. Benev, ambaye alionyesha wazi kwamba mfumo wa quantum unaweza kufanya mahesabu, pamoja na mwanasayansi wa Kiingereza D. Deutsch, ambaye kinadharia alitengeneza kompyuta ya quantum ya ulimwengu wote ambayo ni bora kuliko yake. mshirika wa classical.

Mshindi wa Tuzo ya Nobel katika fizikia R. Feynman, anayejulikana sana kwa wasomaji wa kawaida wa Sayansi na Maisha, alivutia sana tatizo la kutengeneza kompyuta za quantum. Shukrani kwa wito wake wa mamlaka, idadi ya wataalamu ambao walitilia maanani kompyuta ya quantum iliongezeka mara nyingi zaidi.

Bado kwa muda mrefu ilibakia haijulikani ikiwa nguvu ya dhahania ya kompyuta ya quantum inaweza kutumika kuharakisha suluhisho la shida za vitendo. Lakini mwaka wa 1994, mtaalamu wa hisabati wa Marekani na mfanyakazi wa Lucent Technologies (USA) P. Shor alishangaza ulimwengu wa kisayansi kwa kupendekeza algorithm ya quantum ambayo inaruhusu kwa haraka factorization ya idadi kubwa (umuhimu wa tatizo hili tayari kujadiliwa katika utangulizi). Ikilinganishwa na mbinu bora zaidi ya kitamaduni inayojulikana leo, algorithm ya quantum ya Shor hutoa uongezaji kasi mwingi wa hesabu, na kadiri nambari inavyohesabiwa, ndivyo faida ya kasi inavyoongezeka. Kanuni ya uainishaji wa haraka ni ya manufaa makubwa kwa mashirika mbalimbali ya kijasusi ambayo yamekusanya benki za ujumbe ambao haujasifiwa.

Mnamo 1996, mfanyakazi mwenza wa Shore katika Lucent Technologies L. Grover alipendekeza algorithm ya quantum kwa utafutaji wa haraka katika hifadhidata ambayo haijaamriwa. (Mfano wa hifadhidata kama hiyo ni kitabu cha simu ambacho majina ya waliojiandikisha hayajapangwa kwa herufi, lakini kwa njia ya kiholela.) Kazi ya kutafuta, kuchagua kipengele bora kati ya chaguzi nyingi mara nyingi hupatikana katika kiuchumi, kijeshi, matatizo ya uhandisi, na katika michezo ya kompyuta. Algorithm ya Grover inaruhusu sio tu kuharakisha mchakato wa utaftaji, lakini pia takriban mara mbili ya idadi ya vigezo vilivyozingatiwa wakati wa kuchagua bora.

Uundaji halisi wa kompyuta za quantum ulizuiliwa na shida kubwa pekee - makosa, au kuingiliwa. Ukweli ni kwamba kiwango sawa cha kuingiliwa kinaharibu mchakato wa kompyuta ya quantum kwa nguvu zaidi kuliko ile ya zamani. P. Shor alielezea njia za kutatua tatizo hili mwaka wa 1995, kuendeleza mpango wa encoding majimbo ya quantum na kurekebisha makosa ndani yao. Kwa bahati mbaya, mada ya urekebishaji wa makosa katika kompyuta za quantum ni muhimu kwani ni ngumu kufunika katika nakala hii.

KIFAA CHA KOMPYUTA YA QUANTUM

Kabla ya kukuambia jinsi kompyuta ya quantum inavyofanya kazi, hebu tukumbuke sifa kuu za mifumo ya quantum (tazama pia "Sayansi na Maisha" No. 8, 1998; No. 12, 2000).

Ili kuelewa sheria za ulimwengu wa quantum, mtu haipaswi kutegemea moja kwa moja juu ya uzoefu wa kila siku. Kwa njia ya kawaida (katika ufahamu wa kila siku), chembe za quantum hutenda tu ikiwa tunazitazama kila wakati, au, kwa kusema madhubuti, tunapima kila wakati hali ambayo iko. Lakini mara tu "tunapogeuka" (kuacha kutazama), chembe za quantum hutoka mara moja kutoka kwa hali maalum hadi aina tofauti mara moja. Hiyo ni, elektroni (au kitu kingine chochote cha quantum) itakuwa sehemu iko katika sehemu moja, sehemu kwa nyingine, sehemu ya tatu, nk. Hii haimaanishi kuwa imegawanywa katika vipande, kama chungwa. Kisha itawezekana kutenganisha sehemu fulani ya elektroni kwa uhakika na kupima malipo au wingi wake. Lakini uzoefu unaonyesha kwamba baada ya kipimo, elektroni daima hugeuka kuwa "salama na sauti" kwa wakati mmoja, licha ya ukweli kwamba kabla ya kuwa imeweza kuwa karibu kila mahali kwa wakati mmoja. Hali hii ya elektroni, wakati iko katika pointi kadhaa katika nafasi mara moja, inaitwa superposition ya majimbo ya quantum na kwa kawaida huelezewa na kazi ya wimbi, iliyoanzishwa mwaka wa 1926 na mwanafizikia wa Ujerumani E. Schrödinger. Moduli ya thamani ya utendaji kazi wa wimbi katika hatua yoyote, mraba, huamua uwezekano wa kupata chembe katika hatua hiyo kwa wakati fulani. Baada ya kupima nafasi ya chembe, kazi yake ya wimbi inaonekana kupungua (kuanguka) hadi mahali ambapo chembe iligunduliwa, na kisha huanza kuenea tena. Mali ya chembe za quantum kuwa katika majimbo mengi wakati huo huo, inayoitwa usawa wa quantum, imetumika kwa mafanikio katika kompyuta ya quantum.

Kiasi kidogo cha quantum

Kiini cha msingi cha kompyuta ya quantum ni quantum bit, au, kwa kifupi, qubit(q-bit). Hii ni chembe ya quantum ambayo ina hali mbili za msingi, ambazo zimeteuliwa 0 na 1 au, kama ilivyo kawaida katika mechanics ya quantum, na. Thamani mbili za qubit zinaweza kuendana, kwa mfano, ardhini na hali ya msisimko ya atomi, mwelekeo wa juu na chini wa spin ya kiini cha atomiki, mwelekeo wa sasa katika pete ya superconducting, nafasi mbili zinazowezekana. elektroni katika semiconductor, nk.

Daftari la Quantum

Rejista ya quantum imeundwa karibu sawa na ile ya classical. Huu ni mlolongo wa biti za quantum ambapo shughuli za mantiki moja na mbili zinaweza kufanywa (sawa na matumizi ya NOT, 2I-NOT, nk. katika rejista ya classical).

Majimbo ya msingi ya rejista ya quantum iliyoundwa na L qubits ni pamoja na, kama ilivyo katika classical, mlolongo wote unaowezekana wa sufuri na wale wa urefu L. Kunaweza kuwa na mchanganyiko wa 2 L tofauti kwa jumla. Wanaweza kuzingatiwa rekodi ya nambari katika fomu ya binary kutoka 0 hadi 2 L -1 na kuashiria. Walakini, majimbo haya ya msingi hayamalizi maadili yote yanayowezekana ya rejista ya quantum (tofauti na ile ya zamani), kwani pia kuna majimbo ya juu yaliyofafanuliwa na amplitudes ngumu zinazohusiana na hali ya kuhalalisha. Analog ya classical kwa maadili mengi yanayowezekana ya rejista ya quantum (isipokuwa yale ya msingi) haipo. Majimbo ya rejista ya classical ni kivuli tu cha kusikitisha cha utajiri wote wa majimbo ya kompyuta ya quantum.

Hebu fikiria kwamba ushawishi wa nje unatumiwa kwenye rejista, kwa mfano, msukumo wa umeme hutumiwa kwenye sehemu ya nafasi au mihimili ya laser inaelekezwa. Ikiwa ni rejista ya classical, msukumo, ambao unaweza kuchukuliwa kama operesheni ya computational, itabadilisha vigezo vya L. Ikiwa hii ni rejista ya quantum, basi pigo sawa linaweza kubadilisha wakati huo huo kwa vigezo. Kwa hivyo, rejista ya quantum, kimsingi, ina uwezo wa kusindika habari mara kadhaa haraka kuliko mwenzake wa zamani. Kuanzia hapa ni wazi mara moja kuwa rejista ndogo za quantum (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.

Ni muhimu kuzingatia, hata hivyo, kwamba kuna darasa la matatizo ambayo algorithms ya quantum haitoi kuongeza kasi kubwa ikilinganishwa na wale wa classical. Mmoja wa wa kwanza kuonyesha hii alikuwa mwanahisabati wa Kirusi Yu. Ozhigov, ambaye aliunda idadi ya mifano ya algorithms ambayo, kimsingi, haiwezi kuharakishwa na mzunguko wa saa moja kwenye kompyuta ya quantum.

Walakini, hakuna shaka kwamba kompyuta zinazofanya kazi kulingana na sheria za mechanics ya quantum ni hatua mpya na ya maamuzi katika mageuzi ya mifumo ya kompyuta. Kilichobaki ni kuwajenga.

KOMPYUTA ZA QUANTUM LEO

Prototypes za kompyuta za quantum tayari zipo leo. Kweli, hadi sasa imewezekana kwa majaribio kukusanya rejista ndogo tu zinazojumuisha bits chache za quantum. Kwa hiyo, hivi karibuni kikundi kilichoongozwa na mwanafizikia wa Marekani I. Chang (IBM) kilitangaza mkusanyiko wa kompyuta ya 5-bit quantum. Bila shaka, haya ni mafanikio makubwa. Kwa bahati mbaya, mifumo iliyopo ya quantum bado haina uwezo wa kutoa mahesabu ya kuaminika, kwani inaweza kudhibitiwa vibaya au huathirika sana na kelele. Walakini, hakuna vizuizi vya mwili vya kuunda kompyuta yenye ufanisi ya quantum; ni muhimu tu kushinda shida za kiteknolojia.

Kuna maoni na mapendekezo kadhaa juu ya jinsi ya kutengeneza bits za quantum za kuaminika na zinazoweza kudhibitiwa kwa urahisi.

I. Chang anakuza wazo la kutumia mizunguko ya viini vya baadhi ya molekuli za kikaboni kama qubits.

Mtafiti wa Urusi M.V. Feigelman, anayefanya kazi katika Taasisi ya Fizikia ya Kinadharia iliyopewa jina lake. L.D. Landau RAS, inapendekeza kuunganisha rejista za quantum kutoka kwa pete ndogo za upitishaji bora. Kila pete ina jukumu la qubit, na inasema 0 na 1 inafanana na mwelekeo wa sasa wa umeme katika pete - saa na kinyume chake. Qubits vile zinaweza kubadilishwa kwa kutumia shamba la magnetic.

Katika Taasisi ya Fizikia na Teknolojia ya Chuo cha Sayansi cha Urusi, kikundi kilichoongozwa na Msomi K. A. Valiev kilipendekeza chaguzi mbili za kuweka qubits katika miundo ya semiconductor. Katika kesi ya kwanza, jukumu la qubit linachezwa na elektroni katika mfumo wa visima viwili vinavyoweza kuundwa na voltage inayotumiwa kwa mini-electrodes kwenye uso wa semiconductor. Majimbo 0 na 1 ni nafasi za elektroni katika mojawapo ya visima hivi. Qubit inabadilishwa kwa kubadilisha voltage kwenye moja ya electrodes. Katika toleo jingine, qubit ni kiini cha atomi ya fosforasi iliyoingia kwenye hatua fulani ya semiconductor. Mataifa 0 na 1 - maelekezo ya mzunguko wa nyuklia pamoja au dhidi ya uwanja wa sumaku wa nje. Udhibiti unafanywa kwa kutumia hatua ya pamoja ya mapigo ya magnetic ya mzunguko wa resonant na pulses ya voltage.

Kwa hivyo, utafiti unaendelea kikamilifu na inaweza kuzingatiwa kuwa katika siku za usoni karibu - katika miaka kumi - kompyuta yenye ufanisi itaundwa.

KUANGALIA SIKU ZIJAZO

Kwa hivyo, inawezekana kabisa kwamba katika siku zijazo, kompyuta za quantum zitatengenezwa kwa kutumia mbinu za jadi za teknolojia ya microelectronic na zina vyenye electrodes nyingi za udhibiti, kukumbusha microprocessor ya kisasa. Ili kupunguza kiwango cha kelele, ambayo ni muhimu kwa operesheni ya kawaida ya kompyuta ya quantum, mifano ya kwanza italazimika kupozwa na heliamu ya kioevu. Kuna uwezekano kwamba kompyuta za kwanza za quantum zitakuwa vifaa vingi na vya gharama kubwa ambavyo havitafaa kwenye dawati na vinasimamiwa na wafanyakazi wengi wa watengenezaji wa mifumo na warekebishaji wa vifaa katika kanzu nyeupe. Kwanza, mashirika ya serikali pekee ndiyo yataweza kuzifikia, kisha mashirika tajiri ya kibiashara. Lakini enzi ya kompyuta za kawaida ilianza kwa njia sawa.

Nini kitatokea kwa kompyuta za kawaida? Je, watakufa? Vigumu. Kompyuta zote za classical na quantum zina maeneo yao ya matumizi. Ingawa, uwezekano mkubwa, uwiano wa soko utahamia hatua kwa hatua kuelekea mwisho.

Kuanzishwa kwa kompyuta za quantum haitasababisha ufumbuzi wa matatizo ya kimsingi yasiyoweza kutatuliwa, lakini itaharakisha tu mahesabu fulani. Kwa kuongezea, mawasiliano ya quantum yatawezekana - uhamishaji wa qubits kwa umbali, ambayo itasababisha kuibuka kwa aina ya mtandao wa quantum. Mawasiliano ya quantum itafanya iwezekanavyo kutoa muunganisho salama (kwa sheria za mechanics ya quantum) ya kila mtu kwa kila mmoja kutoka kwa usikilizaji. Maelezo yako yaliyohifadhiwa katika hifadhidata za kiasi yatalindwa kwa uhakika dhidi ya kunakili kuliko ilivyo sasa. Makampuni yanayotengeneza programu za kompyuta za quantum yataweza kuzilinda dhidi ya yoyote, ikiwa ni pamoja na kunakili kinyume cha sheria.

Kwa uelewa wa kina wa mada hii, unaweza kusoma makala ya mapitio ya E. Riffel na V. Polak, "Misingi ya Kompyuta ya Quantum," iliyochapishwa katika jarida la Kirusi "Quantum Computers and Quantum Computing" (No. 1, 2000). (Kwa njia, hii ndiyo ya kwanza na hadi sasa jarida pekee duniani lililojitolea kwa kompyuta ya quantum. Maelezo ya ziada kuhusu hilo yanaweza kupatikana kwenye mtandao kwenye http://rcd.ru/qc.). Mara tu unapofahamu kazi hii, utaweza kusoma nakala za kisayansi kuhusu kompyuta ya quantum.

Kiasi fulani cha maandalizi ya awali ya hisabati yatahitajika wakati wa kusoma kitabu cha A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Mahesabu ya Kawaida na Kiasi" (Moscow: MTsNMO-CheRo, 1999).

Vipengele kadhaa vya msingi vya mechanics ya quantum, muhimu kwa kufanya mahesabu ya quantum, yanajadiliwa katika kitabu na V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev "Quantum teleportation - muujiza wa kawaida" (Izhevsk: RHD, 2000).

Shirika la uchapishaji la RCD linajitayarisha kuchapisha tafsiri ya ukaguzi wa A. Steen kwenye kompyuta za quantum kama kitabu tofauti.

Fasihi ifuatayo itakuwa muhimu sio tu kielimu, bali pia kihistoria:

1) Yu. I. Manin. Kompyuta na isiyoweza kutambulika.

M.: Sov. redio, 1980.

2) J. von Neumann. Misingi ya hisabati ya mechanics ya quantum.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Uigaji wa fizikia kwenye kompyuta // Kompyuta ya quantum na kompyuta ya quantum:

Sat. katika vitabu 2 - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, p. 96-123.

4) R. Feynman. Kompyuta za mitambo ya Quantum

// Ibid., p. 123.-156.

Tazama suala kwenye mada sawa