เริ่มจำหน่าย 2,000 ควิบิต คอมพิวเตอร์ควอนตัม D-Wave 2000Q และขายรุ่นแรกไปแล้วในราคา 15 ล้านดอลลาร์

ผู้ซื้อคือ Temporal Defense Systems ซึ่งเป็นบริษัทรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ เจมส์ เบอร์เรล ผู้อำนวยการด้านเทคนิค TDS กล่าวว่าบริษัทวางแผนที่จะใช้ D-Wave 2000Q เพื่อพัฒนาโซลูชั่นการป้องกันภัยคุกคามและการระบุตัวอาชญากรทางไซเบอร์ใหม่ๆ

ระบบของ D-Wave เก็บข้อมูลโดยใช้คิวบิต พวกเขาเข้ารหัสข้อมูลด้วยศูนย์ หนึ่ง หรือทั้งสองสถานะพร้อมกัน ไม่เหมือน ระบบแบบดั้งเดิม- ด้วยเหตุนี้ D-Wave จึงสามารถจัดการสถานะต่างๆ จำนวนมากได้ ซึ่งช่วยให้สามารถแก้ไขปัญหาบางประเภทได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

D-Wave นำเสนอคอมพิวเตอร์ควอนตัมต่อสาธารณะในเดือนกันยายนปีที่แล้ว โดยกล่าวว่าโซลูชันใหม่นี้จะมี 2,000 คิวบิต ซึ่งมากกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นก่อนหน้าอย่าง D-Wave X2 ที่เปิดตัวในเดือนสิงหาคมถึงสองเท่า

D-wave 2000Q เป็นสิ่งที่เรียกว่า คอมพิวเตอร์อะเดียแบติกโดยทำงานบนหลักการหลอมควอนตัม

นี่คือระบบควอนตัมที่ประกอบด้วยส่วนประกอบจำนวนมากและ พารามิเตอร์ควบคุม- ด้วยการทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิต่ำมาก (คอมพิวเตอร์รุ่นก่อนหน้านี้ทำงานที่อุณหภูมิ 15 มิลลิเคลวิน - ประมาณ -273 ° C) นักพัฒนาถือว่าระบบถึงพลังงานขั้นต่ำแล้วจึงค่อย ๆ เปลี่ยนแปลง พารามิเตอร์ที่ระบุให้ใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมในการแปลงระบบจาก สถานะเริ่มต้นเข้าสู่สถานะใหม่ของพลังงานขั้นต่ำอันเนื่องมาจากอุโมงค์ควอนตัม

คุณลักษณะของ D-Wave ใหม่คือความสามารถในการปรับความถี่การหลอมของแต่ละคิวบิตเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ อีกด้วย คอมพิวเตอร์เครื่องใหม่ผสมผสานอัลกอริธึมการทำงานแบบควอนตัมและแบบคลาสสิกเข้าด้วยกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกผลลัพธ์การคำนวณ

ในการให้สัมภาษณ์กับ N+1 Alexey Ustinov หัวหน้ากลุ่มวงจรควอนตัมตัวนำยิ่งยวดที่ Russian Quantum Center อธิบายว่า D-Wave สามารถใช้ทำอะไรได้บ้าง ขอบเขตการใช้งานประการหนึ่งคือการเพิ่มประสิทธิภาพฟังก์ชันต้นทุน

คุณมีพารามิเตอร์มากมาย เป้าหมายมากมาย สมมติว่าคุณต้องไปเยี่ยมลูกค้านับล้านคน สถานที่ที่แตกต่างกันพร้อมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพการเดินทาง ต้นทุน เวลา และอื่นๆ

ในการแถลงข่าว ตัวแทนของ D-Wave ตั้งข้อสังเกตว่า 2000Q สามารถแก้ปัญหาได้มากขึ้น ปัญหาที่ซับซ้อนเมื่อเทียบกับรุ่นก่อน เพิ่มเติมอีกด้วย ประสิทธิภาพสูงควรกระตุ้นการพัฒนาในด้านต่างๆ เช่น ความปลอดภัยทางไซเบอร์ การเรียนรู้ของเครื่อง,เทคโนโลยีชีวภาพ. บริษัทตั้งข้อสังเกตว่าอัลกอริธึมพิเศษสามารถดำเนินการได้เร็วกว่าเซิร์ฟเวอร์แบบคลาสสิกถึง 1,000 หรือ 10,000 เท่า

ในเวลาเดียวกัน D-Wave ไม่เพียงแต่จัดหาโซลูชั่นให้กับลูกค้าเท่านั้น แต่ยังเสนอให้เช่าพลังงานอีกด้วย เครื่องควอนตัมสำหรับการทำงานระยะไกล

ป.ล. นี่คือสิ่งอื่นที่เราเขียนเกี่ยวกับในบล็อกของเรา:

ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ L. FEDICHKIN (สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยี สถาบันการศึกษารัสเซียวิทยาศาสตร์

การใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัม สามารถสร้างพื้นฐานได้ ชนิดใหม่ คอมพิวเตอร์ซึ่งจะช่วยให้คุณสามารถแก้ไขปัญหาบางอย่างที่ไม่สามารถเข้าถึงได้แม้แต่ผู้ที่ทรงพลังที่สุดก็ตาม ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สมัยใหม่- ความเร็วของการคำนวณที่ซับซ้อนจำนวนมากจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ข้อความที่ส่งผ่านสายการสื่อสารควอนตัมจะไม่สามารถสกัดกั้นหรือคัดลอกได้ ปัจจุบัน ต้นแบบของคอมพิวเตอร์ควอนตัมแห่งอนาคตได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว

นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเชื้อสายฮังการี Johann von Neumann (1903-1957)

นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกัน Richard Phillips Feynman (1918-1988)

Peter Shor นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน ผู้เชี่ยวชาญด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัม เสนออัลกอริทึมควอนตัมสำหรับการแยกตัวประกอบอย่างรวดเร็ว จำนวนมาก.

ควอนตัมบิตหรือคิวบิต ตัวอย่างเช่น สถานะต่างๆ จะสอดคล้องกับทิศทางการหมุนของนิวเคลียสของอะตอมขึ้นหรือลง

การลงทะเบียนควอนตัมคือสายโซ่ของบิตควอนตัม ใช้ประตูควอนตัมหนึ่งหรือสองคิวบิต การดำเนินการเชิงตรรกะเกินคิวบิต

บทนำหรือเล็กน้อยเกี่ยวกับการปกป้องข้อมูล

คุณคิดว่าขายให้กับโปรแกรมใดในโลกนี้ จำนวนมากที่สุดใบอนุญาต? ฉันจะไม่เสี่ยงที่จะยืนกรานว่าฉันรู้คำตอบที่ถูกต้อง แต่ฉันรู้คำตอบที่ผิดอย่างแน่นอน: นี่ ไม่รุ่นใดก็ได้ ไมโครซอฟต์ วินโดวส์- ระบบปฏิบัติการที่พบบ่อยที่สุดนำหน้าผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กจาก RSA Data Security, Inc. - โปรแกรมที่ใช้อัลกอริธึมการเข้ารหัสด้วย กุญแจสาธารณะ RSA ตั้งชื่อตามผู้แต่ง - นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน Rivest, Shamir และ Adelman

ความจริงก็คือว่า อัลกอริทึมอาร์เอสเอสร้างขึ้นในระบบปฏิบัติการเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ รวมถึงแอปพลิเคชันอื่น ๆ อีกมากมายที่ใช้ อุปกรณ์ต่างๆ- จากสมาร์ทการ์ดไปจนถึง โทรศัพท์มือถือ- โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันยังสามารถใช้งานได้ใน Microsoft Windows อีกด้วย ซึ่งหมายความว่ามันแพร่หลายมากกว่าความนิยมนี้อย่างเห็นได้ชัด ระบบปฏิบัติการ- เพื่อตรวจจับร่องรอยของ RSA เช่น อินเทอร์เน็ตเบราว์เซอร์ Explorer (โปรแกรมสำหรับดูหน้า www บนอินเทอร์เน็ต) เพียงเปิดเมนู "ช่วยเหลือ" เข้าสู่เมนูย่อย "เกี่ยวกับ Internet Explorer" และดูรายการผลิตภัณฑ์ที่ใช้แล้วจาก บริษัท อื่น เบราว์เซอร์ทั่วไปอีกตัวหนึ่งคือ Netscape Navigator ก็ใช้อัลกอริทึม RSA เช่นกัน โดยทั่วไปแล้ว เป็นการยากที่จะหาบริษัทที่มีชื่อเสียงที่ดำเนินธุรกิจในสาขานี้ เทคโนโลยีขั้นสูงซึ่งจะไม่ซื้อลิขสิทธิ์สำหรับโปรแกรมนี้ วันนี้ RSA Data Security, Inc. มียอดขายใบอนุญาตมากกว่า 450 ล้าน (!) แล้ว

เหตุใดอัลกอริทึม RSA จึงมีความสำคัญมาก

ลองนึกภาพว่าคุณต้องส่งข้อความกับคนที่อยู่ห่างไกลอย่างรวดเร็ว ด้วยการพัฒนาอินเทอร์เน็ต การแลกเปลี่ยนดังกล่าวจึงเกิดขึ้นสำหรับคนส่วนใหญ่ในทุกวันนี้ - คุณเพียงแค่ต้องมีคอมพิวเตอร์ที่มีโมเด็มหรือ การ์ดเครือข่าย- โดยปกติแล้ว เมื่อมีการแลกเปลี่ยนข้อมูลผ่านเครือข่าย คุณจะต้องเก็บข้อความของคุณไว้เป็นความลับไม่ให้คนแปลกหน้า อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้เลยที่จะปกป้องสายการสื่อสารขนาดยาวจากการดักฟังได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าเมื่อส่งข้อความจะต้องได้รับการเข้ารหัส และเมื่อได้รับจะต้องถอดรหัส แต่คุณและคู่สนทนาของคุณจะตกลงกันได้อย่างไรว่าคุณจะใช้คีย์ใด หากคุณส่งกุญแจไปยังรหัสบนบรรทัดเดียวกัน ผู้โจมตีที่ดักฟังสามารถสกัดกั้นมันได้อย่างง่ายดาย แน่นอนคุณสามารถส่งกุญแจผ่านสายสื่อสารอื่นได้ เช่น ส่งทางโทรเลข แต่วิธีนี้มักจะไม่สะดวกและยิ่งไปกว่านั้นก็ไม่น่าเชื่อถือเสมอไป: คุณสามารถแตะบรรทัดอื่นได้เช่นกัน เป็นการดีถ้าคุณและผู้รับรู้ล่วงหน้าว่าคุณจะแลกเปลี่ยนการเข้ารหัส และมอบกุญแจให้กันล่วงหน้า แต่ถ้าหากว่าคุณต้องการส่งข้อมูลที่เป็นความลับ เป็นต้น ข้อเสนอเชิงพาณิชย์พันธมิตรทางธุรกิจที่เป็นไปได้หรือซื้อสินค้าที่คุณชอบในร้านค้าออนไลน์ใหม่โดยใช้บัตรเครดิต?

ในทศวรรษ 1970 เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ระบบการเข้ารหัสจึงถูกเสนอให้ใช้คีย์สองประเภทสำหรับข้อความเดียวกัน: สาธารณะ (ไม่จำเป็นต้องเก็บเป็นความลับ) และส่วนตัว (เป็นความลับอย่างเคร่งครัด) รหัสสาธารณะใช้เพื่อเข้ารหัสข้อความ และใช้รหัสส่วนตัวเพื่อถอดรหัส คุณส่งกุญแจสาธารณะให้ผู้ติดต่อของคุณ และเขาจะใช้มันเพื่อเข้ารหัสข้อความของเขา ผู้โจมตีทุกคนที่ดักจับคีย์สาธารณะสามารถทำได้คือเข้ารหัสอีเมลของเขาด้วยคีย์สาธารณะและส่งต่อให้ผู้อื่น แต่เขาจะไม่สามารถถอดรหัสการติดต่อได้ คุณรู้ รหัสส่วนตัว(ในตอนแรกจะถูกเก็บไว้กับคุณ) คุณสามารถอ่านข้อความที่ส่งถึงคุณได้อย่างง่ายดาย ในการเข้ารหัสข้อความตอบกลับ คุณจะต้องใช้กุญแจสาธารณะที่ผู้ติดต่อของคุณส่งมา (และเขาจะเก็บกุญแจส่วนตัวที่เกี่ยวข้องไว้สำหรับตัวเขาเอง)

นี่เป็นรูปแบบการเข้ารหัสที่ใช้ในอัลกอริทึม RSA ซึ่งเป็นวิธีการเข้ารหัสคีย์สาธารณะที่ใช้บ่อยที่สุด นอกจากนี้ ในการสร้างคู่ของคีย์สาธารณะและคีย์ส่วนตัว จะใช้สมมติฐานที่สำคัญต่อไปนี้ หากมีสองตัวใหญ่(ต้องใช้เกินร้อย) หลักทศนิยมเพื่อบันทึกของคุณเอง) เรียบง่ายตัวเลข M และ K จากนั้นการค้นหาผลิตภัณฑ์ของพวกเขา N=MK จะไม่ใช่เรื่องยาก (คุณไม่จำเป็นต้องมีคอมพิวเตอร์ด้วยซ้ำ: คนที่ระมัดระวังและอดทนพอสมควรจะสามารถคูณตัวเลขดังกล่าวด้วยปากกาและกระดาษ) แต่ต้องตัดสินใจ ปัญหาผกผันนั่นคือการรู้ จำนวนมาก N แยกย่อยมันเป็นตัวประกอบเฉพาะ M และ K (ที่เรียกว่า ปัญหาการแยกตัวประกอบ) - แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย! นี่เป็นปัญหาที่ผู้โจมตีจะพบอย่างแน่นอนหากเขาตัดสินใจที่จะ "แฮ็ก" อัลกอริธึม RSA และอ่านข้อมูลที่เข้ารหัสด้วย: เพื่อค้นหาคีย์ส่วนตัวโดยรู้รหัสสาธารณะ เขาจะต้องคำนวณ M หรือ K .

เพื่อทดสอบความถูกต้องของสมมติฐานเกี่ยวกับความซับซ้อนในทางปฏิบัติของการแยกตัวประกอบจำนวนมาก จึงมีการทดลองและยังคงดำเนินการอยู่ การแข่งขันพิเศษ- การสลายตัวของตัวเลขเพียง 155 หลัก (512 บิต) ถือเป็นบันทึก การคำนวณดำเนินการพร้อมกันบนคอมพิวเตอร์หลายเครื่องเป็นเวลาเจ็ดเดือนในปี 1999 หากงานนี้ทำในสมัยหนึ่ง คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลจะใช้เวลาคอมพิวเตอร์ประมาณ 35 ปี! การคำนวณแสดงให้เห็นว่าการใช้เวิร์กสเตชันสมัยใหม่แม้แต่นับพันเครื่องและอัลกอริธึมการคำนวณที่ดีที่สุดที่เป็นที่รู้จักในปัจจุบัน ตัวเลข 250 หลักหนึ่งตัวสามารถแยกตัวประกอบได้ในเวลาประมาณ 800,000 ปี และตัวเลข 1,000 หลักในเวลา 10-25 (!) ปี (สำหรับการเปรียบเทียบ อายุของจักรวาลคือ ~10 10 ปี)

ดังนั้นอัลกอริธึมการเข้ารหัสเช่น RSA ซึ่งทำงานบนคีย์ที่ยาวเพียงพอจึงถือว่าเชื่อถือได้อย่างยิ่งและถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันจำนวนมาก และทุกอย่างก็เรียบร้อยดีจนถึงตอนนั้น ...จนกระทั่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมปรากฏขึ้น

ปรากฎว่าการใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นไปได้ที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ซึ่งปัญหาการแยกตัวประกอบ (และอื่น ๆ อีกมากมาย!) จะไม่ใช่เรื่องยาก มีการประมาณกันว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีหน่วยความจำควอนตัมบิตเพียงประมาณ 10,000 บิตสามารถแยกตัวประกอบตัวเลข 1,000 หลักให้เป็นตัวประกอบเฉพาะได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง!

มันเริ่มต้นอย่างไร?

จนกระทั่งกลางทศวรรษ 1990 ทฤษฎีคอมพิวเตอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงได้รับการสถาปนาขึ้นเป็น พื้นที่ใหม่วิทยาศาสตร์. เช่นเดียวกับที่เกิดกับแนวคิดดีๆ บ่อยครั้ง เป็นการยากที่จะระบุถึงผู้สร้าง เห็นได้ชัดว่า J. von Neumann นักคณิตศาสตร์ชาวฮังการีเป็นคนแรกที่ดึงความสนใจไปที่ความเป็นไปได้ในการพัฒนาตรรกะควอนตัม อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้น ไม่เพียงแต่ควอนตัมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคอมพิวเตอร์คลาสสิกธรรมดาด้วย และด้วยการถือกำเนิดของสิ่งหลังความพยายามหลักของนักวิทยาศาสตร์มุ่งเป้าไปที่การค้นหาและพัฒนาองค์ประกอบใหม่สำหรับพวกเขาเป็นหลัก (ทรานซิสเตอร์แล้ว วงจรรวม) และไม่สร้างอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน

ในทศวรรษ 1960 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน R. Landauer ซึ่งทำงานที่ IBM พยายามดึงดูดความสนใจของโลกวิทยาศาสตร์ให้มาที่ความจริงที่ว่าการคำนวณนั้นเป็นกระบวนการทางกายภาพอยู่เสมอ ซึ่งหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจขีดจำกัดของความสามารถในการคำนวณของเราหากไม่มี โดยระบุว่าการดำเนินการทางกายภาพนั้นสอดคล้องกันอย่างไร น่าเสียดายที่ในเวลานั้น มุมมองที่โดดเด่นในหมู่นักวิทยาศาสตร์ก็คือการคำนวณเป็นขั้นตอนตรรกะเชิงนามธรรมที่นักคณิตศาสตร์ควรศึกษา ไม่ใช่นักฟิสิกส์

เมื่อคอมพิวเตอร์แพร่หลายมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ควอนตัมได้ข้อสรุปว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคำนวณสถานะของระบบที่กำลังพัฒนาโดยตรงซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์เพียงไม่กี่โหล เช่น โมเลกุลมีเทน (CH 4) นี่คือคำอธิบายโดยข้อเท็จจริงที่ว่าสำหรับ คำอธิบายแบบเต็ม ระบบที่ซับซ้อนมีความจำเป็นต้องจัดเก็บตัวแปรจำนวนมหาศาล (ในแง่ของจำนวนอนุภาค) ไว้ในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ซึ่งเรียกว่าแอมพลิจูดควอนตัม สถานการณ์ที่ขัดแย้งกันเกิดขึ้น: การรู้สมการวิวัฒนาการการรู้ศักยภาพของการมีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคซึ่งกันและกันและสถานะเริ่มต้นของระบบด้วยความแม่นยำเพียงพอนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคำนวณอนาคตแม้ว่าระบบจะประกอบด้วยเพียง มีอิเล็กตรอน 30 ตัวในหลุมศักย์ และมีซูเปอร์คอมพิวเตอร์ด้วย แกะจำนวนบิตซึ่งเท่ากับจำนวนอะตอมในบริเวณที่มองเห็นได้ของจักรวาล (!) และในเวลาเดียวกันเพื่อศึกษาพลวัตของระบบดังกล่าวคุณสามารถทำการทดลองกับอิเล็กตรอน 30 ตัวโดยวางไว้ในสถานะศักย์ไฟฟ้าและสถานะเริ่มต้นที่กำหนด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งนี้ถูกตั้งข้อสังเกตโดยนักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย Yu. Manin ซึ่งในปี 1980 ชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการพัฒนาทฤษฎีควอนตัม อุปกรณ์คอมพิวเตอร์- ในช่วงทศวรรษ 1980 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน P. Benev ได้ศึกษาปัญหาเดียวกันนี้ ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าระบบควอนตัมสามารถทำการคำนวณได้ เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ D. Deutsch ผู้พัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลที่เหนือกว่าในทางทฤษฎี คู่คลาสสิก

ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ R. Feynman ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีของผู้อ่านวิทยาศาสตร์และชีวิตเป็นประจำ ดึงดูดความสนใจอย่างมากต่อปัญหาของการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม ต้องขอบคุณการโทรที่เชื่อถือได้ของเขา ทำให้จำนวนผู้เชี่ยวชาญที่ให้ความสนใจกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพิ่มขึ้นหลายเท่า

แต่ยังคง เป็นเวลานานยังไม่ชัดเจนว่าพลังการประมวลผลสมมุติของคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้เพื่อเร่งการแก้ปัญหาได้หรือไม่ ปัญหาในทางปฏิบัติ- แต่ในปี 1994 P. Shor นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกันและพนักงานของ Lucent Technologies (USA) ทำให้โลกวิทยาศาสตร์ตกตะลึงด้วยการนำเสนออัลกอริธึมควอนตัมที่ช่วยให้แยกตัวประกอบจำนวนมากได้อย่างรวดเร็ว (ความสำคัญของปัญหานี้ได้ถูกกล่าวถึงแล้วในบทนำ) เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการดั้งเดิมที่ดีที่สุดที่รู้จักกันในปัจจุบัน อัลกอริธึมควอนตัมของ Shor ให้การเร่งความเร็วในการคำนวณได้หลายระดับ และยิ่งจำนวนแยกตัวประกอบนานเท่าใด ความเร็วก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อัลกอริธึมการแยกตัวประกอบที่รวดเร็วเป็นที่สนใจในทางปฏิบัติอย่างมากสำหรับหน่วยงานข่าวกรองต่างๆ ที่สะสมข้อความที่ไม่ได้เข้ารหัสไว้มากมาย

ในปี 1996 เพื่อนร่วมงานของ Shor ที่ Lucent Technologies L. Grover ได้เสนออัลกอริธึมควอนตัม ค้นหาอย่างรวดเร็วในฐานข้อมูลแบบไม่เรียงลำดับ (ตัวอย่างของฐานข้อมูลดังกล่าวคือ สมุดโทรศัพท์ซึ่งนามสกุลของสมาชิกไม่ได้จัดเรียงตามตัวอักษร แต่ในลักษณะที่กำหนดเอง) ปัญหาในการค้นหาการเลือกองค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดในตัวเลือกมากมายมักพบมากในปัญหาทางเศรษฐกิจการทหารวิศวกรรมใน เกมส์คอมพิวเตอร์- อัลกอริธึมของ Grover ไม่เพียงแต่ช่วยให้กระบวนการค้นหาเร็วขึ้นเท่านั้น แต่ยังเพิ่มจำนวนพารามิเตอร์ที่นำมาพิจารณาเป็นสองเท่าเมื่อเลือกพารามิเตอร์ที่เหมาะสมที่สุดอีกด้วย

การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างแท้จริงถูกขัดขวางโดยสิ่งเดียวเท่านั้น ปัญหาร้ายแรง- ข้อผิดพลาดหรือการรบกวน ความจริงก็คือการรบกวนในระดับเดียวกันทำให้กระบวนการคำนวณควอนตัมมีความเข้มข้นมากกว่าการคำนวณแบบคลาสสิกมาก P. Shor ได้สรุปแนวทางในการแก้ปัญหานี้ในปี 1995 โดยพัฒนารูปแบบการเขียนโค้ด รัฐควอนตัมและแก้ไขข้อผิดพลาดในสิ่งเหล่านั้น น่าเสียดายที่หัวข้อการแก้ไขข้อผิดพลาดในคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความสำคัญพอๆ กับเนื้อหาที่ซับซ้อนในบทความนี้

อุปกรณ์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ก่อนที่เราจะบอกคุณว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำงานอย่างไร ให้เรานึกถึงคุณลักษณะหลักของระบบควอนตัมก่อน (ดู “วิทยาศาสตร์และชีวิต” ฉบับที่ 8, 1998; ฉบับที่ 12, 2000 ด้วย)

เพื่อทำความเข้าใจกฎหมาย โลกควอนตัมไม่ควรพึ่งพาประสบการณ์ในชีวิตประจำวันโดยตรง ตามปกติ (ในการทำความเข้าใจในชีวิตประจำวัน) อนุภาคควอนตัมจะทำงานก็ต่อเมื่อเรา "มองดู" พวกมันอยู่ตลอดเวลา หรือพูดให้ละเอียดกว่านั้นคือวัดสถานะของพวกมันอยู่ตลอดเวลา แต่ทันทีที่เรา "หันหลังให้" (หยุดสังเกต) อนุภาคควอนตัมจะเคลื่อนจากสถานะที่เฉพาะเจาะจงมากไปเป็นรูปแบบที่แตกต่างกันหลายรูปแบบในคราวเดียว กล่าวคือ อิเล็กตรอน (หรือวัตถุควอนตัมอื่นๆ) จะอยู่ที่จุดหนึ่ง บางส่วนอยู่ที่อีกจุดหนึ่ง บางส่วนอยู่ที่จุดที่สาม ฯลฯ นี่ไม่ได้หมายความว่ามันถูกแบ่งออกเป็นชิ้นๆ เหมือนส้ม จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะแยกอิเล็กตรอนบางส่วนออกได้อย่างน่าเชื่อถือและวัดประจุหรือมวลของมัน แต่ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าหลังจากการวัดแล้ว อิเล็กตรอนจะกลายเป็น "ปลอดภัย" เสมอที่จุดเดียว แม้ว่าก่อนหน้านั้นจะจัดการไปเกือบทุกที่ในเวลาเดียวกันก็ตาม สถานะของอิเล็กตรอนนี้เมื่ออยู่ที่หลายจุดในอวกาศพร้อมกันเรียกว่า การซ้อนทับของรัฐควอนตัมและมักอธิบายโดยฟังก์ชันคลื่น ซึ่งนำมาใช้ในปี 1926 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน อี. ชโรดิงเงอร์ โมดูลัสของค่าของฟังก์ชันคลื่นที่จุดใดๆ ยกกำลังสอง จะกำหนดความน่าจะเป็นในการค้นหาอนุภาคที่จุดนั้นใน ช่วงเวลานี้- หลังจากวัดตำแหน่งของอนุภาคแล้ว ฟังก์ชันคลื่นของมันดูเหมือนจะหดตัว (ยุบ) จนถึงจุดที่ตรวจพบอนุภาค จากนั้นจึงเริ่มกระจายออกไปอีกครั้ง คุณสมบัติของอนุภาคควอนตัมที่จะอยู่ในหลายสถานะพร้อมกันเรียกว่า ความเท่าเทียมควอนตัมได้ถูกนำไปใช้ในการคำนวณควอนตัมอย่างประสบความสำเร็จ

ควอนตัมบิต

เซลล์พื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือควอนตัมบิต หรือเรียกสั้น ๆ ว่า ควิบิต(คิวบิต) นี่คืออนุภาคควอนตัมที่มีสถานะพื้นฐานสองสถานะ ซึ่งถูกกำหนดให้เป็น 0 และ 1 หรือตามธรรมเนียมในกลศาสตร์ควอนตัม และ ค่าควิบิตสองค่าสามารถสอดคล้องกับพื้นดินและสถานะตื่นเต้นของอะตอม ทิศทางขึ้นและลงของการหมุนของนิวเคลียสของอะตอม ทิศทางของกระแสในวงแหวนตัวนำยิ่งยวด สองตำแหน่งที่เป็นไปได้ของ อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ เป็นต้น

ทะเบียนควอนตัม

รีจิสเตอร์ควอนตัมมีโครงสร้างเกือบจะเหมือนกับรีจิสเตอร์คลาสสิก นี่คือชุดของบิตควอนตัมที่สามารถดำเนินการเชิงตรรกะหนึ่งและสองบิตได้ (คล้ายกับการใช้การดำเนินการ NOT, 2I-NOT ฯลฯ ในรีจิสเตอร์แบบคลาสสิก)

สถานะพื้นฐานของการลงทะเบียนควอนตัมที่สร้างโดย L qubits รวมถึงลำดับที่เป็นไปได้ทั้งหมดของศูนย์และลำดับที่มีความยาว L รวมทั้งหมดมี 2 L ได้ การรวมกันต่างๆ- ถือได้ว่าเป็นการบันทึกตัวเลขในรูปแบบไบนารี่ตั้งแต่ 0 ถึง 2 L -1 และกำหนดไว้ อย่างไรก็ตามสถานะพื้นฐานเหล่านี้ไม่ได้ใช้ค่าที่เป็นไปได้ทั้งหมดของการลงทะเบียนควอนตัม (ไม่เหมือนกับสถานะคลาสสิก) เนื่องจากยังมีสถานะการซ้อนทับที่กำหนดโดยแอมพลิจูดที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับเงื่อนไขการทำให้เป็นมาตรฐาน ไม่มีอะนาล็อกคลาสสิกสำหรับค่าที่เป็นไปได้มากที่สุดของการลงทะเบียนควอนตัม (ยกเว้นค่าพื้นฐาน) สถานะของการลงทะเบียนแบบคลาสสิกเป็นเพียงเงาที่น่าสงสารของความมั่งคั่งทั้งหมดของสถานะของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ลองนึกภาพว่ามีการใช้อิทธิพลภายนอกกับรีจิสเตอร์ เช่น แรงกระตุ้นทางไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับส่วนหนึ่งของพื้นที่หรือกำหนดทิศทาง ลำแสงเลเซอร์- ถ้าเป็นรีจิสเตอร์แบบคลาสสิก แรงกระตุ้นซึ่งถือได้ว่าเป็นการดำเนินการทางคอมพิวเตอร์ จะเปลี่ยนตัวแปร L หากนี่คือรีจิสเตอร์ควอนตัม พัลส์เดียวกันก็สามารถแปลงเป็นตัวแปรได้พร้อมกัน ดังนั้น โดยหลักการแล้วการลงทะเบียนควอนตัมจึงสามารถประมวลผลข้อมูลได้เร็วกว่ารุ่นคลาสสิกหลายเท่า จากตรงนี้จะชัดเจนทันทีว่าการลงทะเบียนควอนตัมขนาดเล็ก (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.

อย่างไรก็ตาม เป็นที่น่าสังเกตว่ามีปัญหาประเภทหนึ่งที่อัลกอริธึมควอนตัมไม่ได้ให้การเร่งความเร็วที่มีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับอัลกอริธึมแบบคลาสสิก หนึ่งในคนแรกๆ ที่แสดงให้เห็นคือ Yu นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย ผู้สร้างตัวอย่างอัลกอริธึมจำนวนหนึ่ง ซึ่งโดยหลักการแล้ว ไม่สามารถเร่งความเร็วได้ด้วยรอบสัญญาณนาฬิกาเดียวบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม

อย่างไรก็ตาม ไม่ต้องสงสัยเลยว่าคอมพิวเตอร์ที่ทำงานตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นขั้นตอนใหม่และชี้ขาดในวิวัฒนาการของระบบคอมพิวเตอร์ สิ่งที่เหลืออยู่คือการสร้างมันขึ้นมา

คอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบัน

ต้นแบบของคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีอยู่แล้วในปัจจุบัน จริงอยู่ที่ จนถึงขณะนี้ มีความเป็นไปได้ในเชิงทดลองที่จะประกอบเฉพาะรีจิสเตอร์ขนาดเล็กที่ประกอบด้วยควอนตัมบิตเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเร็ว ๆ นี้กลุ่มที่นำโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน I. Chang (IBM) ได้ประกาศการประกอบคอมพิวเตอร์ควอนตัม 5 บิต ไม่ต้องสงสัยเลยว่านี่คือความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ น่าเสียดายที่ระบบควอนตัมที่มีอยู่ยังไม่สามารถคำนวณได้อย่างน่าเชื่อถือ เนื่องจากมีการควบคุมไม่ดีหรือไวต่อสัญญาณรบกวนมาก อย่างไรก็ตาม ไม่มีข้อจำกัดทางกายภาพในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพ เพียงแต่ต้องเอาชนะปัญหาทางเทคโนโลยีเท่านั้น

มีแนวคิดและข้อเสนอหลายประการเกี่ยวกับวิธีสร้างควอนตัมบิตที่เชื่อถือได้และควบคุมได้ง่าย

I. Chang พัฒนาแนวคิดในการใช้การหมุนของนิวเคลียสของโมเลกุลอินทรีย์บางชนิดเป็นคิวบิต

นักวิจัยชาวรัสเซีย M.V. Feigelman ทำงานที่สถาบันฟิสิกส์เชิงทฤษฎีซึ่งตั้งชื่อตาม L.D. Landau RAS เสนอให้ประกอบเครื่องบันทึกควอนตัมจากวงแหวนตัวนำยิ่งยวดขนาดเล็ก วงแหวนแต่ละวงมีบทบาทเป็นควิบิต โดยระบุว่า 0 และ 1 สอดคล้องกับทิศทางของกระแสไฟฟ้าในวงแหวน - ตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา คิวบิตดังกล่าวสามารถเปลี่ยนได้โดยใช้สนามแม่เหล็ก

ที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีของ Russian Academy of Sciences กลุ่มที่นำโดยนักวิชาการ K. A. Valiev เสนอทางเลือกสองทางสำหรับการวางคิวบิตในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ ในกรณีแรก อิเล็กตรอนจะเล่นบทบาทของควิบิตในระบบของหลุมศักย์สองหลุมที่สร้างขึ้นโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดขนาดเล็กบนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ สถานะ 0 และ 1 คือตำแหน่งของอิเล็กตรอนในหลุมใดหลุมหนึ่งเหล่านี้ คิวบิตถูกสลับโดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดตัวใดตัวหนึ่ง ในอีกเวอร์ชันหนึ่ง qubit คือนิวเคลียสของอะตอมฟอสฟอรัสที่ฝังอยู่ที่จุดหนึ่งของเซมิคอนดักเตอร์ สถานะ 0 และ 1 - ทิศทางของการหมุนของนิวเคลียร์ตามแนวหรือต้านสนามแม่เหล็กภายนอก การควบคุมดำเนินการโดยใช้การกระทำร่วมกันของพัลส์แม่เหล็กของความถี่เรโซแนนซ์และพัลส์แรงดันไฟฟ้า

ดังนั้นการวิจัยจึงดำเนินไปอย่างแข็งขันและสามารถสันนิษฐานได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ - ในอีกประมาณสิบปี - คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพจะถูกสร้างขึ้น

มองไปสู่อนาคต

ดังนั้นจึงค่อนข้างเป็นไปได้ที่ในอนาคต คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถูกผลิตขึ้นโดยใช้วิธีการดั้งเดิมของเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และมีอิเล็กโทรดควบคุมจำนวนมาก ซึ่งชวนให้นึกถึงไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ เพื่อลดระดับเสียงซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานปกติของคอมพิวเตอร์ควอนตัม เห็นได้ชัดว่ารุ่นแรกจะต้องระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว มีแนวโน้มว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกๆ จะเป็นอุปกรณ์ขนาดใหญ่และมีราคาแพงซึ่งไม่สามารถวางบนโต๊ะได้ และได้รับการดูแลโดยพนักงานโปรแกรมเมอร์ระบบและผู้ปรับแต่งฮาร์ดแวร์ชุดขาวจำนวนมาก ประการแรก เฉพาะหน่วยงานของรัฐเท่านั้นที่จะสามารถเข้าถึงได้ จากนั้นจึงเข้าถึงองค์กรการค้าที่ร่ำรวย แต่ยุคของคอมพิวเตอร์ทั่วไปเริ่มต้นในลักษณะเดียวกันมาก

จะเกิดอะไรขึ้นกับคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก? พวกเขาจะตายไหม? แทบจะไม่. คอมพิวเตอร์คลาสสิกและควอนตัมต่างก็มีพื้นที่การใช้งานเป็นของตัวเอง แม้ว่าอัตราส่วนตลาดจะค่อยๆ เปลี่ยนไปในทางหลัง

การเปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะไม่นำไปสู่การแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมที่แก้ไขไม่ได้โดยพื้นฐาน แต่จะช่วยเร่งความเร็วในการคำนวณบางอย่างเท่านั้น นอกจากนี้การสื่อสารควอนตัมจะเป็นไปได้ - การถ่ายโอน qubit ในระยะไกลซึ่งจะนำไปสู่การเกิดขึ้นของอินเทอร์เน็ตควอนตัมชนิดหนึ่ง การสื่อสารควอนตัมจะทำให้ทุกคนสามารถเชื่อมต่อกันอย่างปลอดภัย (ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม) จากการดักฟัง ข้อมูลของคุณที่จัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลควอนตัมจะได้รับการปกป้องจากการคัดลอกอย่างน่าเชื่อถือมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน บริษัทที่ผลิตโปรแกรมสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถปกป้องพวกเขาจากการคัดลอกใดๆ รวมถึงการคัดลอกที่ผิดกฎหมาย

เพื่อความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในหัวข้อนี้ คุณสามารถอ่านบทความวิจารณ์โดย E. Riffel และ V. Polak เรื่อง “Fundamentals of Quantum Computing” ที่ตีพิมพ์ในวารสารรัสเซีย “Quantum Computers and Quantum Computing” (ฉบับที่ 1, 2000) (อย่างไรก็ตาม นี่เป็นวารสารฉบับแรกและฉบับเดียวในโลกที่อุทิศให้กับการคำนวณควอนตัม ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้บนอินเทอร์เน็ตที่ http://rcd.ru/qc) เมื่อคุณเชี่ยวชาญงานนี้แล้ว คุณจะสามารถอ่านบทความทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้

เมื่ออ่านหนังสือของ A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly จำเป็นต้องมีการเตรียมทางคณิตศาสตร์เบื้องต้นเพิ่มเติมอีกเล็กน้อย "การคำนวณแบบคลาสสิกและควอนตัม" (มอสโก: MTsNMO-CheRo, 1999)

มีการกล่าวถึงแง่มุมพื้นฐานหลายประการของกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งจำเป็นสำหรับการคำนวณควอนตัมในหนังสือโดย V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev “ การเคลื่อนย้ายทางไกลของควอนตัม - ปาฏิหาริย์ธรรมดา” (Izhevsk: RHD, 2000)

สำนักพิมพ์ RCD กำลังเตรียมตีพิมพ์คำแปลบทวิจารณ์เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ A. Steen เป็นหนังสือแยกต่างหาก

วรรณกรรมต่อไปนี้จะมีประโยชน์ไม่เพียงแต่ในด้านการศึกษาเท่านั้น แต่ยังมีประโยชน์ทางประวัติศาสตร์ด้วย:

1) ยู. ไอ. มานิน. คำนวณได้และคำนวณไม่ได้

อ.: สฟ. วิทยุ 2523

2) เจ. วอน นอยมันน์ รากฐานทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัม

อ.: เนากา, 2507.

3) อาร์. ไฟน์แมน การจำลองฟิสิกส์บนคอมพิวเตอร์ // คอมพิวเตอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัม:

นั่ง. ใน 2 เล่ม - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, p. 96-123.

4) อาร์. ไฟน์แมน คอมพิวเตอร์เครื่องกลควอนตัม

// อ้างแล้ว, หน้า. 123.-156.

ดูปัญหาในหัวข้อเดียวกัน

คอมพิวเตอร์ควอนตัมรับประกันความเร็วการประมวลผลข้อมูลมหาศาลของโลก แต่การพัฒนาแม้แต่อินสแตนซ์ "ที่ไม่ใช่แบบคลาสสิก" ที่ง่ายที่สุดนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิทยาศาสตร์ของ Yale ก้าวไปอีกขั้นสู่อนาคต: พวกเขาสามารถสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมโซลิดสเตตขนาด 2 คิวบิตได้ และแสดงให้เห็นว่าสามารถทำงานร่วมกับอัลกอริธึมควอนตัมที่ง่ายที่สุดได้

คุณสมบัติควอนตัมของอนุภาคสามารถให้ผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ แต่เป็นเรื่องยากที่จะสร้างอะนาล็อกควอนตัมของอุปกรณ์ซิลิคอนจากวัสดุธรรมดา

ให้ฉันอธิบาย. ในคอมพิวเตอร์คลาสสิก ข้อมูลจะถูกเข้ารหัสในรูปแบบ 0 และ 1 (ใช่/ไม่ใช่ เปิด/ปิด) หน่วยความจำแต่ละบิตสามารถรับค่าใดค่าหนึ่งในสองค่านี้ได้ การรวมกันของสองบิตสามารถรับค่าได้สี่ค่า: 00, 11, 01 หรือ 10

ในกรณีของบิตควอนตัม (qubits) เนื่องจากหลักการของการซ้อนควอนตัม เซลล์หนึ่งสามารถมีทั้ง 0 และ 1 รวมทั้งการรวมกันของพวกเขา (00, 11, 01 และ 10 ในเวลาเดียวกัน) (เราได้พูดคุยกัน เกี่ยวกับเรื่องนี้โดยละเอียด) ด้วยเหตุนี้เองที่ทำให้ระบบควอนตัมสามารถทำงานได้เร็วขึ้นและมีข้อมูลจำนวนมากขึ้น

นอกจากนี้ คิวบิตสามารถพัวพันได้: เมื่อสถานะควอนตัมของหนึ่งคิวบิตสามารถอธิบายได้โดยสัมพันธ์กับสถานะของอีกคิวบิตเท่านั้น (ในระบบโซลิดสเตต การพัวพันควอนตัมเกิดขึ้นครั้งแรกในเพชร) คุณสมบัติของระบบควอนตัมนี้ใช้สำหรับการประมวลผลข้อมูล

นักฟิสิกส์ที่นำโดย Leonardo DiCarlo จากศูนย์ควอนตัมและฟิสิกส์สารสนเทศของ Yale ประสบความสำเร็จในการสร้างโปรเซสเซอร์โซลิดสเตตควอนตัมเป็นครั้งแรก

ในที่สุด โปรเซสเซอร์ควอนตัมก็มีลักษณะคล้ายกับชิปคอมพิวเตอร์ทั่วไป (ภาพถ่ายโดย Blake Johnson/Yale University)

ก่อนหน้านี้ ในการดำเนินการกับ qubits จำเป็นต้องใช้เลเซอร์ เครื่องเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ และกับดักไอออน ผู้เขียนเขียนในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature (สามารถดูการพิมพ์ล่วงหน้าได้จากเว็บไซต์ arXiv.org)

แต่เพื่อที่จะนำการเกิดขึ้นของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่แท้จริงเข้ามาใกล้ยิ่งขึ้น จำเป็นต้องสร้างเครื่องจักรที่เรียบง่ายกว่าซึ่งมีความไวต่อความผันผวนของสภาวะภายนอกน้อยลง ซึ่งหมายความว่าขอแนะนำให้สร้างชิ้นส่วนการทำงานหลักชิ้นหนึ่ง (โปรเซสเซอร์) จากวัสดุแข็งแบบคลาสสิก

DiCarlo และเพื่อนร่วมงานของเขาทำเช่นนั้น พวกเขาสร้างอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยทรานสมอนคิวบิตสองตัว ทรานส์มอนคือชิ้นส่วนตัวนำยิ่งยวดสองชิ้นที่เชื่อมต่อกันด้วยหน้าสัมผัสของอุโมงค์

ในกรณีนี้ โปรเซสเซอร์เป็นฟิล์มของวัสดุตัวนำยิ่งยวด (ประกอบด้วยไนโอเบียม) ซึ่งวางอยู่บนพื้นผิวคอรันดัม (อลูมิเนียมออกไซด์) ร่องถูกฝังอยู่ในพื้นผิวและกระแสสามารถทะลุผ่านได้ (อีกครั้งเนื่องจากผลกระทบควอนตัม)

คิวบิตสองตัว (แทนอะตอมอะลูมิเนียมหลายพันล้านอะตอมในสถานะควอนตัมเดียวกันและทำหน้าที่เป็นหน่วยเดียว) ในชิปตัวใหม่ถูกแยกออกจากกันด้วยช่องซึ่งเป็น "ควอนตัมบัส" ชนิดหนึ่ง

“การทดลองก่อนหน้านี้ของเราแสดงให้เห็นว่าอะตอมเทียม 2 อะตอมสามารถเชื่อมต่อกันด้วยบัสเรโซแนนซ์ซึ่งเป็นเครื่องส่งไมโครเวฟ” Robert Schoelkopf หนึ่งในผู้เขียนผลงานกล่าว

สิ่งที่สำคัญมากคือนักวิทยาศาสตร์ใช้เทคโนโลยีมาตรฐานที่ใช้ในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ในการสร้างโปรเซสเซอร์

ข้อเสียอย่างเดียวของชิปใหม่คืออุณหภูมิการทำงานต่ำ เพื่อรักษาความเป็นตัวนำยิ่งยวด อุปกรณ์จะต้องได้รับการระบายความร้อน ซึ่งทำได้โดยระบบพิเศษที่จะรักษาอุณหภูมิโดยรอบให้สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (ประมาณหนึ่งในพันของเคลวิน)

แผนภาพของอุปกรณ์ขนาด 2 คิวบิตจาก Yale ซ้อนทับบนรูปถ่ายของโปรเซสเซอร์ สิ่งที่ใส่เข้าไปด้านล่างแสดงทรานสมอน (ภาพประกอบโดยธรรมชาติ)

คิวบิตเหล่านี้อาจอยู่ในสถานะพัวพันควอนตัม (ซึ่งทำได้โดยใช้ไมโครเวฟที่มีความถี่ที่แน่นอน) สถานะนี้คงอยู่นานเท่าใดจะถูกกำหนดโดยพัลส์แรงดันไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์สามารถเก็บข้อมูลได้ถึงหนึ่งไมโครวินาที (ในบางกรณีอาจถึงสามไมโครวินาที) ซึ่งยังคงเป็นขีดจำกัด แต่เมื่อสิบปีที่แล้วค่านี้ไม่เกินหนึ่งนาโนวินาทีนั่นคือน้อยกว่าพันเท่า

โปรดทราบว่ายิ่งพัวพันกันนานเท่าไร คอมพิวเตอร์ควอนตัมก็จะยิ่งดีเท่านั้น เนื่องจากคิวบิตที่ "ยาวนาน" สามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนมากขึ้นได้

ในกรณีนี้ เพื่อดำเนินการสองงานที่แตกต่างกัน โปรเซสเซอร์ใช้อัลกอริธึมควอนตัม อัลกอริธึมของ Grover และอัลกอริธึม Deutsch-Jozsa โปรเซสเซอร์ให้คำตอบที่ถูกต้องในกรณี 80% (โดยใช้อัลกอริทึมแรก) และใน 90% ของกรณี ( กับครั้งที่สอง อัลกอริทึม)

อย่างไรก็ตามการอ่านผลลัพธ์ (สถานะของ qubits) ก็เกิดขึ้นโดยใช้ไมโครเวฟเช่นกัน: หากความถี่การสั่นสอดคล้องกับความถี่ที่มีอยู่ในช่องสัญญาณก็จะผ่านเข้าไป

“ความถี่เรโซแนนซ์ของคาวิตี้ขึ้นอยู่กับสถานะของควิบิต หากการแผ่รังสีที่ส่งผ่านไปจะอยู่ในสถานะ "ถูกต้อง" DiCarlo กล่าว

งานนี้โดยนักฟิสิกส์จาก Yale (เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Waterloo และ Sherbrooke ของแคนาดา และมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเวียนนา) มีเอกลักษณ์เฉพาะอย่างไม่ต้องสงสัย แต่เทคโนโลยีการอ่านข้อมูลที่ใช้อาจล้มเหลวในระบบที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งมี qubit จำนวนมาก

DiCarlo เชื่อว่าโปรเซสเซอร์ 3-4 คิวบิต (ตามการพัฒนานี้) จะถูกสร้างขึ้นในเร็วๆ นี้ แต่เพื่อที่จะก้าวไปอีกขั้น (การเพิ่มจำนวนคิวบิตเป็น 10) จำเป็นต้องสร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญไม่แพ้กัน

“ปัจจุบันโปรเซสเซอร์ของเราสามารถดำเนินการง่ายๆ เพียงไม่กี่ขั้นตอนเท่านั้น แต่มีข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่ง นั่นคือ มันเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยสมบูรณ์และคล้ายกับไมโครโปรเซสเซอร์ทั่วไปมากกว่าการพัฒนาก่อนหน้านี้ทั้งหมด” Schölkopf กล่าวในการแถลงข่าวจากมหาวิทยาลัย

Geordie Rose ประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีของ D-Wave Systems โชว์คอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นล่าสุดที่บริษัทของเขาสร้างขึ้น (ภาพ NY Times)

ยังไม่ชัดเจนว่าความสำเร็จใหม่เกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์ของบริษัทอย่างไร

อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎีการคำนวณควอนตัมได้รับการพูดถึงมานานหลายทศวรรษ เครื่องจักรสมัยใหม่ที่ใช้กลไกที่ไม่ใช่แบบคลาสสิกในการประมวลผลข้อมูลจำนวนมหาศาลที่อาจจินตนาการได้ ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ ตามที่นักพัฒนาระบุว่าการใช้งานของพวกเขาอาจเป็นเทคโนโลยีที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา โปรเซสเซอร์ควอนตัมทำงานในระดับสสารที่มนุษยชาติเพิ่งเรียนรู้เมื่อประมาณ 100 ปีที่แล้ว ศักยภาพของคอมพิวเตอร์ดังกล่าวมีมหาศาล การใช้คุณสมบัติแปลกประหลาดของควอนตัมจะช่วยเร่งการคำนวณ ปัญหาต่างๆ มากมายที่อยู่นอกเหนือความสามารถของคอมพิวเตอร์คลาสสิกในปัจจุบันจะได้รับการแก้ไข และไม่เพียงแต่ในสาขาเคมีและวัสดุศาสตร์เท่านั้น Wall Street ก็สนใจเช่นกัน

การลงทุนในอนาคต

CME Group ได้ลงทุนใน 1QB Information Technologies Inc. ซึ่งมีสำนักงานใหญ่ในแวนคูเวอร์ ซึ่งพัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับโปรเซสเซอร์ควอนตัม นักลงทุนกล่าวว่าการประมวลผลดังกล่าวน่าจะส่งผลกระทบมากที่สุดต่ออุตสาหกรรมที่ต้องจัดการกับข้อมูลที่ไวต่อเวลาจำนวนมาก ตัวอย่างของผู้บริโภคดังกล่าวคือสถาบันการเงิน Goldman Sachs ลงทุนใน D-Wave Systems และ In-Q-Tel ได้รับทุนจาก CIA เครื่องแรกผลิตเครื่องจักรที่ทำสิ่งที่เรียกว่า "การหลอมควอนตัม" กล่าวคือ การแก้ปัญหาการปรับให้เหมาะสมในระดับต่ำโดยใช้โปรเซสเซอร์ควอนตัม Intel ยังลงทุนในเทคโนโลยีนี้แม้ว่าจะถือว่าการใช้งานเป็นเรื่องของอนาคตก็ตาม

เหตุใดจึงจำเป็น?

เหตุผลที่การประมวลผลควอนตัมน่าตื่นเต้นมากก็เนื่องมาจากการผสมผสานที่ลงตัวกับการเรียนรู้ของเครื่อง ปัจจุบันนี้เป็นแอปพลิเคชั่นหลักสำหรับการคำนวณดังกล่าว แนวคิดส่วนหนึ่งของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการใช้อุปกรณ์ทางกายภาพเพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหา บางครั้งแนวคิดนี้อธิบายได้โดยใช้ตัวอย่างของเกม Angry Birds เพื่อจำลองแรงโน้มถ่วงและปฏิสัมพันธ์ของวัตถุที่ชนกัน CPU ของแท็บเล็ตจะใช้สมการทางคณิตศาสตร์ โปรเซสเซอร์ควอนตัมหันเหแนวทางนี้ไป พวกเขา "โยน" นกสองสามตัวแล้วดูว่าเกิดอะไรขึ้น นกถูกบันทึกไว้ในไมโครชิป พวกมันถูกโยน วิถีโคจรที่เหมาะสมที่สุดคืออะไร? จากนั้นจะมีการทดสอบวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ทั้งหมดหรืออย่างน้อยก็รวมกันเป็นจำนวนมาก และคำตอบจะถูกส่งกลับ ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่มีนักคณิตศาสตร์ กฎของฟิสิกส์ทำงานแทน

มันทำงานอย่างไร?

โครงสร้างพื้นฐานของโลกของเราคือกลไกควอนตัม หากคุณดูที่โมเลกุล เหตุผลที่พวกมันก่อตัวและคงตัวก็คือปฏิกิริยาของออร์บิทัลของอิเล็กตรอน การคำนวณเชิงกลควอนตัมทั้งหมดมีอยู่ในแต่ละรายการ จำนวนของพวกมันเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามจำนวนอิเล็กตรอนจำลอง ตัวอย่างเช่น สำหรับอิเล็กตรอน 50 ตัว จะมีตัวเลือกที่เป็นไปได้คือ 2 ยกกำลัง 50 นี่เป็นเรื่องมหัศจรรย์ ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะคำนวณได้ในปัจจุบัน การเชื่อมโยงทฤษฎีสารสนเทศกับฟิสิกส์สามารถชี้หนทางในการแก้ปัญหาดังกล่าวได้ คอมพิวเตอร์ขนาด 50 คิวบิตสามารถทำได้

รุ่งอรุณแห่งยุคใหม่

Landon Downs ประธานและผู้ร่วมก่อตั้ง 1QBit กล่าวว่าโปรเซสเซอร์ควอนตัมคือความสามารถในการควบคุมพลังการประมวลผลของโลกใต้อะตอม ซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อการได้รับวัสดุใหม่หรือการสร้างยาใหม่ มีการเปลี่ยนแปลงจากกระบวนทัศน์แห่งการค้นพบไปสู่ยุคใหม่ของการออกแบบ ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้สร้างแบบจำลองตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะกำจัดคาร์บอนและไนโตรเจนออกจากชั้นบรรยากาศ และด้วยเหตุนี้จึงช่วยหยุดภาวะโลกร้อนได้

อยู่ในแนวหน้าของความก้าวหน้า

ชุมชนการพัฒนาเทคโนโลยีรู้สึกตื่นเต้นและกระตือรือร้นอย่างยิ่ง ทีมงานทั่วโลกในบริษัทสตาร์ทอัพ องค์กร มหาวิทยาลัย และห้องปฏิบัติการของรัฐบาลต่างแข่งขันกันเพื่อสร้างเครื่องจักรที่ใช้แนวทางที่แตกต่างกันในการประมวลผลข้อมูลควอนตัม ชิปคิวบิตตัวนำยิ่งยวดและคิวบิตไอออนที่ติดอยู่ถูกสร้างขึ้นโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์และสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา Microsoft กำลังพัฒนาแนวทางทอพอโลยีที่เรียกว่า Station Q ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ประโยชน์จากประจุลบที่ไม่ใช่ Abelian ซึ่งยังไม่ได้รับการพิสูจน์อย่างแน่ชัดว่ามีอยู่จริง

ปีแห่งการพัฒนาที่เป็นไปได้

และนี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้น ณ สิ้นเดือนพฤษภาคม 2017 จำนวนโปรเซสเซอร์ควอนตัมที่ทำบางสิ่งได้เร็วกว่าหรือดีกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกอย่างเห็นได้ชัดคือศูนย์ เหตุการณ์ดังกล่าวจะสร้าง "อำนาจสูงสุดของควอนตัม" แต่ยังไม่เกิดขึ้น แม้ว่ามีแนวโน้มว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นในปีนี้ก็ตาม คนวงในส่วนใหญ่กล่าวว่าทีมโปรดที่ชัดเจนคือทีม Google ที่นำโดย John Martini ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ของ UC Santa Barbara เป้าหมายคือการบรรลุความเหนือชั้นในการคำนวณโดยใช้โปรเซสเซอร์ 49 คิวบิต ภายในสิ้นเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2560 ทีมงานได้ทดสอบชิป 22 คิวบิตได้สำเร็จ ซึ่งเป็นขั้นตอนกลางในการแยกชิ้นส่วนซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก

มันเริ่มต้นที่ไหน?

แนวคิดในการใช้กลศาสตร์ควอนตัมในการประมวลผลข้อมูลมีมานานหลายทศวรรษแล้ว เหตุการณ์สำคัญอย่างหนึ่งเกิดขึ้นในปี 1981 เมื่อ IBM และ MIT ร่วมกันจัดการประชุมเกี่ยวกับฟิสิกส์ของคอมพิวเตอร์ นักฟิสิกส์ชื่อดังเสนอให้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม ตามที่เขาพูด กลศาสตร์ควอนตัมควรใช้สำหรับการสร้างแบบจำลอง และนี่เป็นงานที่ยอดเยี่ยมเพราะมันดูไม่ง่ายนัก หลักการทำงานของโปรเซสเซอร์ควอนตัมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติแปลก ๆ หลายประการของอะตอม - การซ้อนทับและการพัวพัน อนุภาคสามารถมีได้สองสถานะในเวลาเดียวกัน แต่เมื่อวัดแล้วจะปรากฏเพียงอันเดียวเท่านั้น และเป็นไปไม่ได้ที่จะคาดเดาว่าอันไหน ยกเว้นจากมุมมองของทฤษฎีความน่าจะเป็น เอฟเฟกต์นี้เป็นพื้นฐานของการทดลองทางความคิดของแมวของชโรดิงเงอร์ ซึ่งมีทั้งชีวิตและตายอยู่ในกล่องจนกระทั่งผู้สังเกตการณ์แอบย่องมาแอบมอง ไม่มีอะไรในชีวิตประจำวันที่ทำงานในลักษณะนี้ อย่างไรก็ตาม มีการทดลองประมาณ 1 ล้านครั้งตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 แสดงให้เห็นว่ามีการซ้อนทับกัน และขั้นตอนต่อไปคือการหาวิธีใช้แนวคิดนี้

โปรเซสเซอร์ควอนตัม: รายละเอียดงาน

บิตคลาสสิกสามารถรับค่า 0 หรือ 1 ได้ หากคุณส่งสตริงผ่าน "ประตูลอจิคัล" (และ, OR, ไม่ใช่ ฯลฯ) คุณสามารถคูณตัวเลข วาดภาพ ฯลฯ ได้ ควิบิตสามารถรับค่า 0 1 หรือทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน หาก 2 คิวบิตพันกัน จะทำให้พวกมันมีความสัมพันธ์กันอย่างสมบูรณ์ โปรเซสเซอร์ควอนตัมสามารถใช้ลอจิกเกตได้ ที.เอ็น. ตัวอย่างเช่น ประตู Hadamard จะวางควิบิตให้อยู่ในสถานะซ้อนทับที่สมบูรณ์แบบ เมื่อการซ้อนทับและความพัวพันถูกรวมเข้ากับประตูควอนตัมที่วางอย่างชาญฉลาด ศักยภาพของการคำนวณระดับย่อยของอะตอมก็เริ่มเผยออกมา 2 คิวบิตช่วยให้คุณสำรวจ 4 สถานะ: 00, 01, 10 และ 11 หลักการทำงานของโปรเซสเซอร์ควอนตัมเป็นเช่นนั้นการดำเนินการเชิงตรรกะทำให้สามารถทำงานกับทุกตำแหน่งได้ในคราวเดียว และจำนวนสถานะที่ใช้ได้คือ 2 ยกกำลังของจำนวนคิวบิต ดังนั้น หากคุณสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลขนาด 50 คิวบิต คุณสามารถสำรวจชุดค่าผสมทั้งหมด 1.125 พันล้านล้านในครั้งเดียวในทางทฤษฎีได้

คูดิต

โปรเซสเซอร์ควอนตัมในรัสเซียมีความแตกต่างกันบ้าง นักวิทยาศาสตร์จาก MIPT และ Russian Quantum Center ได้สร้าง "qudits" ซึ่งเป็นคิวบิต "เสมือน" หลายตัวที่มีระดับ "พลังงาน" ที่แตกต่างกัน

แอมพลิจูด

โปรเซสเซอร์ควอนตัมมีข้อได้เปรียบตรงที่กลศาสตร์ควอนตัมจะขึ้นอยู่กับแอมพลิจูด แอมพลิจูดมีความคล้ายคลึงกับความน่าจะเป็น แต่อาจเป็นจำนวนลบและจำนวนเชิงซ้อนก็ได้ ดังนั้น หากคุณต้องการคำนวณความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ คุณสามารถเพิ่มความกว้างของตัวเลือกที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับการพัฒนาเหตุการณ์เหล่านั้น แนวคิดเบื้องหลังการคำนวณควอนตัมคือการพยายามปรับแต่งเพื่อให้บางเส้นทางไปยังคำตอบที่ไม่ถูกต้องมีแอมพลิจูดเป็นบวก และบางอันมีแอมพลิจูดเป็นลบ ดังนั้นทั้งสองจึงตัดกัน และเส้นทางที่นำไปสู่คำตอบที่ถูกต้องก็จะมีแอมพลิจูดที่เฟสซึ่งกันและกัน เคล็ดลับคือการจัดระเบียบทุกอย่างโดยไม่ต้องรู้ล่วงหน้าว่าคำตอบใดถูกต้อง ดังนั้นลักษณะเอกซ์โปเนนเชียลของสถานะควอนตัม รวมกับศักยภาพของการรบกวนระหว่างแอมพลิจูดที่เป็นบวกและลบ จึงเป็นข้อได้เปรียบของการคำนวณประเภทนี้

อัลกอริทึมของชอร์

มีปัญหามากมายที่คอมพิวเตอร์ไม่สามารถแก้ไขได้ ตัวอย่างเช่น การเข้ารหัส ปัญหาคือการค้นหาตัวประกอบเฉพาะของตัวเลข 200 หลักนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย แม้ว่าแล็ปท็อปของคุณจะใช้งานซอฟต์แวร์ที่ยอดเยี่ยม แต่คุณอาจต้องรอหลายปีกว่าจะหาคำตอบได้ ความสำเร็จอีกประการหนึ่งของการคำนวณควอนตัมคืออัลกอริทึมที่ตีพิมพ์ในปี 1994 โดย Peter Shor ซึ่งปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์ที่ MIT วิธีการของเขาคือการหาตัวประกอบของจำนวนมหาศาลโดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ยังไม่มี โดยพื้นฐานแล้ว อัลกอริธึมจะดำเนินการโดยชี้ไปยังพื้นที่ที่มีคำตอบที่ถูกต้อง ในปีต่อมา Shor ได้ค้นพบวิธีการแก้ไขข้อผิดพลาดทางควอนตัม จากนั้นหลายๆ คนก็ตระหนักว่านี่เป็นอีกทางเลือกหนึ่งของการประมวลผล ซึ่งในบางกรณีอาจมีประสิทธิภาพมากกว่า จากนั้นก็มีความสนใจเพิ่มขึ้นในส่วนของนักฟิสิกส์ในการสร้างคิวบิตและลอจิกเกตระหว่างพวกเขา และตอนนี้ สองทศวรรษต่อมา มนุษยชาติจวนจะสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เต็มเปี่ยม

โลกจวนจะมีการปฏิวัติควอนตัมอีกครั้ง คอมพิวเตอร์ควอนตัมเครื่องแรกจะแก้ปัญหาได้ทันทีซึ่งอุปกรณ์สมัยใหม่ที่ทรงพลังที่สุดใช้เวลาหลายปีในการแก้ปัญหา งานเหล่านี้คืออะไร? ใครได้ประโยชน์และใครถูกคุกคามจากการใช้อัลกอริธึมควอนตัมจำนวนมหาศาล? การซ้อนทับของคิวบิตคืออะไร ผู้คนเรียนรู้ที่จะค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดโดยไม่ต้องผ่านตัวเลือกนับล้านได้อย่างไร เราตอบคำถามเหล่านี้ภายใต้หัวข้อ “Simply about the complex”

ก่อนทฤษฎีควอนตัม มีการใช้ทฤษฎีคลาสสิกของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในปี 1900 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Max Planck ซึ่งตัวเขาเองไม่เชื่อในควอนตัมและคิดว่ามันเป็นโครงสร้างที่สมมติขึ้นและเป็นเชิงทฤษฎีล้วนๆ ถูกบังคับให้ยอมรับว่าพลังงานของวัตถุที่ถูกความร้อนถูกปล่อยออกมาในส่วนต่างๆ - ควอนตัม; ดังนั้นสมมติฐานของทฤษฎีจึงสอดคล้องกับการสังเกตการทดลอง และห้าปีต่อมา Albert Einstein ผู้ยิ่งใหญ่ก็ใช้แนวทางเดียวกันในการอธิบายเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก: เมื่อถูกฉายรังสีด้วยแสงกระแสไฟฟ้าก็เกิดขึ้นในโลหะ! ไม่น่าเป็นไปได้ที่พลังค์และไอน์สไตน์จะจินตนาการได้ว่างานของพวกเขากำลังวางรากฐานของวิทยาศาสตร์ใหม่ - กลศาสตร์ควอนตัมซึ่งถูกกำหนดให้เปลี่ยนแปลงโลกของเราจนจำไม่ได้ และในศตวรรษที่ 21 นักวิทยาศาสตร์จะเข้าใกล้การสร้าง คอมพิวเตอร์ควอนตัม

ในตอนแรก กลศาสตร์ควอนตัมทำให้สามารถอธิบายโครงสร้างของอะตอมได้และช่วยให้เข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในอะตอมได้ โดยทั่วไปแล้ว ความฝันอันยาวนานของนักเล่นแร่แปรธาตุที่จะเปลี่ยนอะตอมของธาตุบางชนิดให้เป็นอะตอมของธาตุอื่น (ใช่แล้ว แม้กระทั่งเป็นทองคำด้วย) ก็เป็นจริงแล้ว และสูตรอันโด่งดังของไอน์สไตน์ E=mc2 นำไปสู่การเกิดขึ้นของพลังงานนิวเคลียร์ และผลที่ตามมาก็คือระเบิดปรมาณู

โปรเซสเซอร์ควอนตัมห้าคิวบิตจาก IBM

นอกจากนี้. ต้องขอบคุณผลงานของ Einstein และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Paul Dirac เลเซอร์จึงถูกสร้างขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดควอนตัมของแสงบริสุทธิ์พิเศษที่รวบรวมไว้ในลำแสงแคบ การวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายสิบคนได้รับรางวัลโนเบล และเลเซอร์เองก็พบการประยุกต์ใช้ในกิจกรรมของมนุษย์เกือบทุกด้าน ตั้งแต่เครื่องตัดทางอุตสาหกรรมและปืนเลเซอร์ ไปจนถึงเครื่องสแกนบาร์โค้ดและการแก้ไขการมองเห็น ในเวลาเดียวกัน ก็มีการวิจัยเชิงรุกเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย บนพื้นฐานของพวกเขาทรานซิสเตอร์ตัวแรกถูกสร้างขึ้น - ต่อมาพวกมันกลายเป็นองค์ประกอบหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่โดยที่เราไม่สามารถจินตนาการถึงชีวิตของเราอีกต่อไป

การพัฒนาคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ - คอมพิวเตอร์ - ทำให้สามารถแก้ไขปัญหาต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ และการที่ขนาดและต้นทุนลดลงทีละน้อย (เนื่องจากการผลิตจำนวนมาก) ได้ปูทางให้คอมพิวเตอร์เข้ามาในบ้านทุกหลัง ด้วยการถือกำเนิดของอินเทอร์เน็ต การพึ่งพาระบบคอมพิวเตอร์รวมถึงการสื่อสารของเราก็ยิ่งแข็งแกร่งขึ้น

ริชาร์ด ไฟน์แมน

การพึ่งพากำลังเพิ่มขึ้น พลังการประมวลผลกำลังเติบโตอย่างต่อเนื่อง แต่ถึงเวลาที่ต้องยอมรับว่า แม้จะมีความสามารถที่น่าประทับใจ แต่คอมพิวเตอร์ก็ไม่สามารถแก้ไขปัญหาทั้งหมดที่เราพร้อมที่จะเผชิญหน้าได้ Richard Feynman นักฟิสิกส์ชื่อดังเป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรก ๆ ที่พูดถึงเรื่องนี้ ย้อนกลับไปในปี 1981 ในการประชุมเขากล่าวว่าโดยพื้นฐานแล้วเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคำนวณระบบทางกายภาพจริงบนคอมพิวเตอร์ธรรมดาอย่างแม่นยำ มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับธรรมชาติของควอนตัม! ผลกระทบระดับจุลภาคสามารถอธิบายได้ง่ายด้วยกลศาสตร์ควอนตัม และอธิบายได้ไม่ดีนักด้วยกลศาสตร์คลาสสิกซึ่งเราคุ้นเคย เนื่องจากอธิบายพฤติกรรมของวัตถุขนาดใหญ่ เมื่อถึงเวลานั้นเอง ไฟน์แมนเสนอให้ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในการคำนวณระบบทางกายภาพ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร และแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ที่เราคุ้นเคยอย่างไร อยู่ที่ว่าเรานำเสนอข้อมูลอย่างไร

หากในคอมพิวเตอร์ทั่วไปบิต - ศูนย์และหนึ่ง - มีหน้าที่รับผิดชอบในฟังก์ชันนี้ ดังนั้นในคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถูกแทนที่ด้วยบิตควอนตัม (ตัวย่อว่า qubits) ตัว qubit นั้นค่อนข้างง่าย มันยังคงมีค่าพื้นฐานสองค่า (หรือสถานะตามที่กลศาสตร์ควอนตัมชอบพูด) ที่สามารถรับได้: 0 และ 1 อย่างไรก็ตาม ด้วยคุณสมบัติของวัตถุควอนตัมที่เรียกว่า "การซ้อนทับ" qubit จึงสามารถรับค่าทั้งหมดได้ ​​ที่เป็นการผสมผสานระหว่างสิ่งพื้นฐาน ยิ่งไปกว่านั้น ธรรมชาติของควอนตัมยังช่วยให้สามารถอยู่ในสถานะเหล่านี้ทั้งหมดได้ในเวลาเดียวกัน

นี่คือความเท่าเทียมของการคำนวณควอนตัมกับคิวบิต ทุกอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน - ไม่จำเป็นต้องผ่านตัวเลือกที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับสถานะของระบบอีกต่อไป และนี่คือสิ่งที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปทำ การค้นหาผ่านฐานข้อมูลขนาดใหญ่ การกำหนดเส้นทางที่เหมาะสมที่สุด การพัฒนายาใหม่ๆ เป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ ของปัญหาที่สามารถแก้ไขได้เร็วขึ้นหลายเท่าด้วยอัลกอริธึมควอนตัม งานเหล่านี้เป็นงานที่ต้องหาคำตอบที่ถูกต้องซึ่งคุณต้องผ่านตัวเลือกมากมาย

นอกจากนี้ เพื่ออธิบายสถานะที่แน่นอนของระบบ ไม่จำเป็นต้องใช้พลังการประมวลผลมหาศาลและจำนวน RAM อีกต่อไป เนื่องจากในการคำนวณระบบที่มี 100 อนุภาค 100 คิวบิตก็เพียงพอแล้ว และไม่ใช่ล้านล้านล้านล้านบิต ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อจำนวนอนุภาคเพิ่มขึ้น (เช่นเดียวกับในระบบที่ซับซ้อนจริง ๆ) ความแตกต่างนี้ก็ยิ่งมีนัยสำคัญมากขึ้น

ปัญหาการแจงนับประการหนึ่งโดดเด่นในเรื่องความไร้ประโยชน์อย่างเห็นได้ชัด โดยการแยกจำนวนจำนวนมากออกเป็นตัวประกอบเฉพาะ (นั่นคือ หารด้วยตัวมันเองและตัวเดียวเท่านั้น) สิ่งนี้เรียกว่า "การแยกตัวประกอบ" ความจริงก็คือคอมพิวเตอร์ธรรมดาสามารถคูณตัวเลขได้ค่อนข้างรวดเร็วแม้จะมีขนาดใหญ่มากก็ตาม อย่างไรก็ตาม คอมพิวเตอร์แบบเดิมรับมือได้แย่มากกับปัญหาการผกผันของการแยกย่อยตัวเลขจำนวนมากซึ่งเป็นผลมาจากการคูณจำนวนเฉพาะสองตัวเข้ากับตัวประกอบดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น หากต้องการแยกตัวเลข 256 หลักออกเป็นสองปัจจัย แม้แต่คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดก็ยังต้องใช้เวลานานกว่าสิบปี แต่อัลกอริธึมควอนตัมที่สามารถแก้ปัญหานี้ได้ในเวลาไม่กี่นาทีนั้นถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1997 โดย Peter Shor นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ

ด้วยการถือกำเนิดของอัลกอริทึมของ Shor ชุมชนวิทยาศาสตร์ประสบปัญหาร้ายแรง ย้อนกลับไปในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ตามความซับซ้อนของปัญหาการแยกตัวประกอบ นักวิทยาศาสตร์ด้านการเข้ารหัสได้สร้างอัลกอริธึมการเข้ารหัสข้อมูลที่แพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้วยความช่วยเหลือของอัลกอริธึมนี้ พวกเขาเริ่มปกป้องข้อมูลบนอินเทอร์เน็ต - รหัสผ่าน จดหมายส่วนตัว ธุรกรรมทางธนาคารและการเงิน และหลังจากใช้งานอย่างประสบความสำเร็จเป็นเวลาหลายปี จู่ๆ ข้อมูลที่เข้ารหัสด้วยวิธีนี้ก็กลายเป็นเป้าหมายที่ง่ายดายสำหรับอัลกอริทึมของ Shor ที่ทำงานบนคอมพิวเตอร์ควอนตัม การถอดรหัสด้วยความช่วยเหลือจะใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที สิ่งหนึ่งที่ดี: ยังไม่ได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถเรียกใช้อัลกอริธึมอันตรายได้

ในขณะเดียวกัน กลุ่มวิทยาศาสตร์และห้องปฏิบัติการหลายสิบแห่งทั่วโลกเริ่มมีส่วนร่วมในการศึกษาเชิงทดลองของคิวบิตและความเป็นไปได้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจากพวกเขา ท้ายที่สุดแล้ว การประดิษฐ์ qubit ในทางทฤษฎีถือเป็นเรื่องหนึ่ง และเป็นอีกเรื่องหนึ่งในการนำมันมาสู่ความเป็นจริง ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องค้นหาระบบทางกายภาพที่เหมาะสมซึ่งมีระดับควอนตัมสองระดับที่สามารถใช้เป็นสถานะพื้นฐานของควิบิต - ศูนย์และหนึ่ง ในบทความบุกเบิกของเขาเอง ไฟน์แมนเองเสนอให้ใช้โฟตอนบิดไปในทิศทางที่แตกต่างกันเพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ แต่คิวบิตที่สร้างขึ้นจากการทดลองครั้งแรกนั้นถูกไอออนจับในกับดักพิเศษในปี 1995 ไอออนตามมาด้วยการใช้งานทางกายภาพอื่นๆ อีกมากมาย: นิวเคลียสของอะตอม, อิเล็กตรอน, โฟตอน, ข้อบกพร่องในคริสตัล, วงจรตัวนำยิ่งยวด - ทั้งหมดนี้ตรงตามข้อกำหนด

ความหลากหลายนี้มีข้อดี ขับเคลื่อนด้วยการแข่งขันที่รุนแรง กลุ่มวิทยาศาสตร์ต่างๆ ได้สร้างคิวบิตที่ก้าวหน้ายิ่งขึ้น และสร้างวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้นจากพวกเขา มีพารามิเตอร์การแข่งขันหลักสองประการสำหรับ qubit: อายุการใช้งานและจำนวน qubit ที่สามารถทำงานร่วมกันได้

พนักงานห้องปฏิบัติการระบบควอนตัมประดิษฐ์

อายุการใช้งานของคิวบิตเป็นตัวกำหนดระยะเวลาที่สถานะควอนตัมที่เปราะบางจะถูกเก็บไว้ในนั้น ซึ่งในทางกลับกัน จะเป็นการกำหนดจำนวนการดำเนินการคำนวณที่สามารถทำได้บน qubit ก่อนที่มันจะ "ตาย"

เพื่อให้การทำงานของอัลกอริธึมควอนตัมมีประสิทธิภาพ ไม่จำเป็นต้องใช้หนึ่งคิวบิต แต่ต้องมีอย่างน้อยหนึ่งร้อยคิวบิต และทำงานร่วมกัน ปัญหาคือว่าคิวบิตไม่ชอบอยู่ติดกันและประท้วงโดยลดอายุการใช้งานลงอย่างมาก เพื่อหลีกเลี่ยงความไม่ลงรอยกันของคิวบิต นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้กลอุบายทุกประเภท ถึงกระนั้น จนถึงปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดการเพื่อให้ได้คิวบิตสูงสุดหนึ่งหรือสองโหลเพื่อทำงานร่วมกัน

ดังนั้น เพื่อความพึงพอใจของนักวิทยาการเข้ารหัสลับ คอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงเป็นเรื่องของอนาคต แม้ว่าจะไม่ได้ห่างไกลเท่าที่ควรเพราะทั้งบริษัทที่ใหญ่ที่สุดเช่น Intel, IBM และ Google รวมถึงรัฐแต่ละรัฐซึ่งการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมถือเป็นเรื่องสำคัญเชิงกลยุทธ์ มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการสร้างมัน

อย่าพลาดการบรรยาย: