Milloin kvanttitietokoneiden ensimmäinen teoreettinen kehitys alkoi? Vain monimutkaisista asioista: mikä kvanttitietokone on ja miksi sitä tarvitaan. Kvanttitietokone antaa ihmiskunnalle valtavia mahdollisuuksia

Maailma on uuden kvanttivallankumouksen partaalla. Ensimmäinen kvanttitietokone ratkaisee välittömästi ongelmat, joihin on tehokkain moderni laite viettää nyt vuosia. Mitä nämä tehtävät ovat? Kuka hyötyy ja ketä uhkaa kvanttialgoritmien massiivinen käyttö? Mikä on kubittien superpositio, miten ihmiset oppivat löytämään optimaalinen ratkaisu käymättä läpi biljoonia vaihtoehtoja? Vastaamme näihin kysymyksiin otsikon "Yksinkertaisesti kompleksista" alla.

Ennen kvanttiteoriaa oli käytössä klassinen teoria elektromagneettinen säteily. Vuonna 1900 saksalainen tiedemies Max Planck, joka itse ei uskonut kvantteihin ja piti niitä kuvitteellisena ja puhtaasti teoreettisena konstruktiona, joutui myöntämään, että kuumennetun kappaleen energia säteilee osissa - kvantteina; Siten teorian oletukset osuivat yhteen kokeellisten havaintojen kanssa. Ja viisi vuotta myöhemmin suuri Albert Einstein turvautui samaan lähestymistapaan selittäessään valosähköistä vaikutusta: kun sitä säteilytettiin valolla, metalleissa syntyi sähkövirta! On epätodennäköistä, että Planck ja Einstein olisivat voineet kuvitella, että he luovat työllään perustaa uudelle tieteelle - kvanttimekaniikalle, jonka on määrä muuttaa maailmamme tuntemattomaan, ja että 2000-luvulla tiedemiehet olisivat lähellä luomista. kvanttitietokone.

Aluksi kvanttimekaniikka mahdollisti atomin rakenteen selittämisen ja auttoi ymmärtämään sen sisällä tapahtuvia prosesseja. Tekijä: suurelta osin Alkemistien pitkäaikainen unelma muuttaa joidenkin alkuaineiden atomit toisten atomeiksi (kyllä, jopa kullaksi) toteutui. Ja Einsteinin kuuluisa kaava E=mc2 johti ilmestymiseen ydinenergia ja sen seurauksena atomipommi.

Viiden kubitin kvanttiprosessori IBM:ltä

Edelleen lisää. Einsteinin ja englantilaisen fyysikon Paul Diracin työn ansiosta 1900-luvun jälkipuoliskolla luotiin laser - myös kapeaan säteeseen kerätyn ultrapuhtaan valon kvanttilähde. Lasertutkimus on tuonut Nobel-palkinnon yli tusinalle tiedemiehelle, ja laserit ovat löytäneet käyttötarkoituksensa lähes kaikilla ihmisen toiminnan aloilla – teollisista leikkureista ja laseraseista viivakoodiskannereihin ja näönkorjaukseen. Suunnilleen samaan aikaan he kävelivät aktiivista tutkimusta puolijohteet - materiaalit, joilla voit helposti ohjata virtausta sähkövirta. Niiden perusteella luotiin ensimmäiset transistorit - niistä tuli myöhemmin modernin elektroniikan päärakennuselementtejä, joita ilman emme voi enää kuvitella elämäämme.

Elektronisten laskentakoneiden - tietokoneiden - kehitys on mahdollistanut monien ongelmien nopean ja tehokkaan ratkaisemisen. Ja niiden koon ja kustannusten asteittainen pienentäminen (johtuen massatuotanto) tasoitti tietä tietokoneille jokaiseen kotiin. Internetin myötä riippuvuutemme tietokonejärjestelmät, mukaan lukien viestintä, on vahvistunut entisestään.

Richard Feynman

Riippuvuus kasvaa, laskentateho kasvaa jatkuvasti, mutta on tullut aika myöntää, että vaikuttavasta kyvystään huolimatta tietokoneet eivät ole pystyneet ratkaisemaan kaikkia niitä ongelmia, joita olemme valmiita asettamaan niiden eteen. Kuuluisa fyysikko Richard Feynman oli yksi ensimmäisistä, jotka puhuivat tästä: vuonna 1981 hän totesi konferenssissa, että tavallisilla tietokoneilla on pohjimmiltaan mahdotonta laskea tarkasti todellista. fyysinen järjestelmä. Kyse on sen kvanttiluonteesta! Mikroskaalan vaikutukset selitetään helposti kvanttimekaniikalla ja erittäin huonosti klassisella mekaniikalla, johon olemme tottuneet: se kuvaa suurten esineiden käyttäytymistä. Silloin Feynman ehdotti vaihtoehtona kvanttitietokoneiden käyttöä fyysisten järjestelmien laskemiseen.

Mikä on kvanttitietokone ja miten se eroaa tietokoneista, joihin olemme tottuneet? Kaikki riippuu siitä, kuinka esitämme tiedot.

Jos tavanomaisissa tietokoneissa bitit - nollat ​​ja ykköset - ovat vastuussa tästä toiminnosta, niin kvanttitietokoneissa ne korvataan kvanttibiteillä (lyhennettynä qubits). Itse kubitti on melko yksinkertainen asia. Sillä on edelleen kaksi perusarvoa (tai tilaa, kuten kvanttimekaniikka haluaa sanoa), jotka se voi ottaa: 0 ja 1. Kuitenkin kvanttiobjektien "superpositioksi" kutsutun ominaisuuden ansiosta kubitti voi ottaa kaikki arvot jotka ovat yhdistelmä perustekijöitä. Lisäksi sen kvanttiluonteensa ansiosta se voi olla kaikissa näissä tiloissa samanaikaisesti.

Tämä on kvanttilaskennan rinnakkaisuus kubittien kanssa. Kaikki tapahtuu kerralla - ei enää tarvitse käydä läpi kaikkia mahdollisia järjestelmän tilojen vaihtoehtoja, ja juuri tämän tekee tavallinen tietokone. Hakuperuste suuria tietokantoja data, optimaalisen reitin laatiminen, uusien lääkkeiden kehittäminen ovat vain muutamia esimerkkejä ongelmista, joiden ratkaisua voidaan moninkertaisesti nopeuttaa kvanttialgoritmeilla. Nämä ovat tehtäviä, joissa oikean vastauksen löytämiseksi sinun on käytävä läpi valtava määrä vaihtoehtoja.

Lisäksi valtavia laskentatehoja ja volyymeja ei enää tarvita kuvaamaan järjestelmän tarkkaa tilaa. RAM-muisti, koska 100 hiukkasen järjestelmän laskemiseen riittää 100 kubittia, ei biljoonaa biljoonaa bittiä. Lisäksi, kun hiukkasten lukumäärä kasvaa (kuten todellisissa monimutkaisissa järjestelmissä), tämä ero tulee vieläkin merkittävämmäksi.

Yksi hakuongelmista erottui ilmeisestä hyödyttömyydestään - hajoamisesta suuret numerot alkutekijöiksi (eli jaollinen kokonaisluvulla vain itsellään ja ykkösellä). Tätä kutsutaan "faktorisoinniksi". Tosiasia on, että tavalliset tietokoneet voivat kertoa numerot melko nopeasti, jopa erittäin suuret. Kuitenkin käänteisen laajenemisongelman kanssa suuri numero, joka saadaan kertomalla kaksi alkuluvut, perinteiset tietokoneet selviävät erittäin huonosti alkuperäisten kertoimien kanssa. Esimerkiksi laskea 256 numeroa kahteen tekijään, parilliseen tehokas tietokone kestää yli tusina vuotta. Mutta kvanttialgoritmin, joka voi ratkaista tämän ongelman muutamassa minuutissa, keksi vuonna 1997 englantilainen matemaatikko Peter Shor.

Shorin algoritmin myötä tiedeyhteisö kohtasi vakava ongelma. 1970-luvun lopulla salaustutkijat loivat tekijöiden jakamisongelman monimutkaisuuden perusteella tiedon salausalgoritmin, josta on tullut laajalle levinnyt. Erityisesti tämän algoritmin avulla he alkoivat suojata Internetissä olevia tietoja - salasanoja, henkilökohtaista kirjeenvaihtoa, pankki- ja rahoitustapahtumia. Ja monen vuoden jälkeen onnistunut käyttö yhtäkkiä kävi ilmi, että tällä tavalla salatusta tiedosta tulee helppo kohde Shorin algoritmille, joka toimii kvanttitietokoneella. Salauksen purkamisesta sen avulla tulee muutama minuutti. Yksi asia oli hyvä: kvanttitietokonetta, jolla tappavaa algoritmia voitiin ajaa, ei ollut vielä luotu.

Samaan aikaan ympäri maailmaa alkoivat tutkia kymmenet tieteelliset ryhmät ja laboratoriot kokeelliset tutkimukset kubitit ja mahdollisuudet luoda niistä kvanttitietokone. Loppujen lopuksi kubitin teoreettinen keksiminen on eri asia ja sen toteuttaminen todellisuudessa. Tätä varten täytyi löytää sopiva fyysinen järjestelmä kahdella kvanttitasolla, joita voidaan käyttää kubitin perustiloina - nolla ja yksi. Feynman itse ehdotti uraauurtavassa artikkelissaan eri suuntiin kierrettyjen fotonien käyttöä näihin tarkoituksiin, mutta ensimmäiset kokeellisesti luodut kubitit olivat ioneja, jotka vangittiin erityisiin ansoihin vuonna 1995. Ionia seurasi monet muut fyysiset toteutukset: atomiytimet, elektronit, fotonit, kidevirheet, suprajohtavat piirit - ne kaikki täyttivät vaatimukset.

Tällä monimuotoisuudella oli puolensa. Kiihkeän kilpailun vetämänä eri tieteelliset ryhmät loivat yhä täydellisempiä kubitteja ja rakensivat niistä yhä enemmän. monimutkaiset piirit. Kubiteille oli kaksi tärkeintä kilpailuparametria: niiden käyttöikä ja niiden kubittien määrä, jotka voidaan saada toimimaan yhdessä.

Keinotekoisten kvanttijärjestelmien laboratorion työntekijät

Kubittien elinikä määritti, kuinka kauan hauras kvanttitila säilyi niissä. Tämä puolestaan ​​määritti, kuinka monta laskentaoperaatiota kubitille voitiin suorittaa ennen kuin se "kuoli".

varten tehokasta työtä Kvanttialgoritmit eivät tarvinneet vain yhtä kubittia, vaan vähintään sata, ja toimivat yhdessä. Ongelmana oli, että kubitit eivät todellakaan pitäneet vierekkäisyydestä ja protestoivat vähentämällä dramaattisesti elinikää. Tämän kubittien yhteensopimattomuuden kiertämiseksi tutkijoiden oli turvauduttava kaikenlaisiin temppuihin. Ja kuitenkin tähän mennessä tiedemiehet ovat onnistuneet saamaan enintään yhden tai kaksi tusinaa kubittia työskentelemään yhdessä.

Joten kryptografien iloksi kvanttitietokone on edelleen tulevaisuuden asia. Vaikka se ei ole ollenkaan niin kaukana miltä se joskus näytti, sillä niin suurimmat yhtiöt kuten Intel, IBM ja Google sekä yksittäiset osavaltiot, joille kvanttitietokoneen luominen on strategisesti tärkeä asia, ovat aktiivisesti mukana sen luomisessa.

Älä missaa luentoa:

Asiantuntijoiden mukaan hyvin pian, 10 vuoden kuluttua, tietokoneiden mikropiirit saavuttavat atomimittaukset. Tuntuu loogiselta, että on tulossa kvanttitietokoneiden aikakausi, jonka avulla nopeutta tietokonejärjestelmät voi kasvaa useita suuruusluokkia.

Ajatus kvanttitietokoneista on suhteellisen uusi: vuonna 1981 Paul Benioff kuvasi ensimmäisen kerran teoreettisesti Turingin kvanttikoneen toimintaperiaatteet.

1930-luvulla Alan Turing kuvasi ensimmäisen kerran teoreettisen laitteen, joka oli loputon nauha, joka on jaettu pieniin soluihin. Jokainen solu voi sisältää merkin 1 tai 0 tai se voi olla tyhjä.

Ohjauslaite liikkuu nauhaa pitkin lukemalla merkkejä ja kirjoittaen uusia. Tällaisten symbolien joukosta kootaan ohjelma, joka koneen on suoritettava.

Benioffin ehdottamassa Turingin kvanttikoneessa toimintaperiaatteet pysyvät samoina sillä erolla, että sekä nauha että ohjauslaite ovat kvanttitilassa.

Tämä tarkoittaa, että nauhalla olevat symbolit voivat olla 0:n ja 1:n lisäksi molempien numeroiden superpositiot, eli 0 ja 1 samanaikaisesti. Siten, jos klassinen Turingin kone pystyy suorittamaan vain yhden laskutoimituksen kerrallaan, niin kvanttikone suorittaa useita laskutoimituksia rinnakkain.

Nykypäivän tietokoneet toimivat samalla periaatteella kuin tavalliset Turingin koneet - bittien ollessa jossakin kahdessa tilassa: 0 tai 1. Kvanttitietokoneilla ei ole tällaisia ​​rajoituksia: niissä oleva tieto on salattu kvanttibitteinä (qubits), jotka voivat sisältää superpositiota. molemmista osavaltioista.

Työskentelen D-Wave-kvanttitietokoneen osassa

©D-Wave Systems

Fyysiset järjestelmät, jotka toteuttavat kubitteja, voivat olla atomeja, ioneja, fotoneja tai elektroneja, joilla on kaksi kvanttitilaa. Itse asiassa, jos teet alkuainehiukkasista tiedonvälittäjiä, voit käyttää niitä rakentamiseen tietokoneen muistiin ja uuden sukupolven prosessorit.

Kbiittien superposition ansiosta kvanttitietokoneet on alun perin suunniteltu toimimaan rinnakkaislaskenta. Tämä rinnakkaisuus fyysikko David Deutschin mukaan mahdollistaa kvanttitietokoneiden suorittaa miljoonia laskelmia samanaikaisesti, kun taas nykyaikaiset prosessorit toimivat vain yhden kanssa.

30 kubitin kvanttitietokone vastaa teholtaan 10 teraflopsin nopeudella (biljoonaa operaatiota sekunnissa) toimivaa supertietokonetta. Modernin voima pöytätietokoneet mitattuna vain gigaflopseina (miljardeja operaatioita sekunnissa).

Toinen tärkeä kvanttimekaaninen ilmiö, joka saattaa olla osallisena kvanttitietokoneissa, on nimeltään "kietoutuminen". Suurin ongelma kvanttihiukkasista tiedon lukemisessa on, että mittausprosessin aikana ne voivat muuttaa tilaansa täysin arvaamattomalla tavalla.

Itse asiassa, jos luemme tietoa kubitista superpositiotilassa, saamme vain 0 tai 1, mutta koskaan molempia lukuja samanaikaisesti. Tämä tarkoittaa, että kvanttitietokoneen sijaan olemme tekemisissä tavallisen klassisen tietokoneen kanssa.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijoiden on käytettävä mittauksia, jotka eivät tuhoa kvanttijärjestelmää. Kvanttikietoutuminen tarjoaa potentiaalisen ratkaisun.

Kvanttifysiikassa, jos kohdistat ulkoista voimaa kahteen atomiin, ne voidaan "kietoutua" yhteen siten, että yhdellä atomeista on toisen ominaisuudet. Tämä puolestaan ​​johtaa siihen, että esimerkiksi yhden atomin spiniä mitattaessa sen "kietoutunut" kaksois ottaa välittömästi vastakkaisen spinin.

Tämän kvanttihiukkasten ominaisuuden ansiosta fyysikot voivat tietää kubitin arvon mittaamatta sitä suoraan.

Eräänä päivänä kvanttitietokoneet voisivat korvata piisirut, aivan kuten transistorit korvasivat tyhjiöputket. kuitenkin nykyaikaiset tekniikat eivät vielä salli täysimittaisten kvanttitietokoneiden rakentamista.

D-Wave Two -kvanttitietokoneprosessorin kokoonpano

©D-Wave Systems

Kuitenkin joka vuosi tutkijat ilmoittavat uusista edistysaskeleista kvanttitekniikassa, ja toivo kasvaa jatkuvasti, että kvanttitietokoneet pystyvät jonakin päivänä ylittämään perinteiset tietokoneet.

1998

Massachusetts Institute of Technologyn tutkijat ovat onnistuneet ensimmäistä kertaa jakamaan yhden kubitin kolmen ydinspin välillä kussakin nestemäisen alaniinin tai trikloorieteenimolekyylin molekyylissä. Tämä jakauma teki mahdolliseksi käyttää "kietoutumista" kvanttiinformaation tuhoamattomaan analyysiin.

2000

Maaliskuussa Los Alamos National Laboratoryn tutkijat ilmoittivat 7 qubitin kvanttitietokoneen luomisesta yhdessä nestepisarassa.

2001

IBM:n ja Stanfordin yliopiston asiantuntijoiden esittämä Shor-algoritmin laskennan demonstraatio 7-kubitisella kvanttitietokoneella.

2005

Innsbruckin yliopiston kvanttioptiikan ja kvanttiinformaation instituutti loi ensimmäisenä kubitin (8 kubitin yhdistelmä) ioniloukkujen avulla.

2007

Kanadalainen yritys D-Wave on esitellyt ensimmäisen 16 qubitin kvanttitietokoneen, joka pystyy ratkaisemaan erilaisia ​​ongelmia ja arvoituksia, kuten Sudokun.

Vuodesta 2011 lähtien D-Wave on tarjonnut 11 miljoonalla dollarilla D-Wave One -kvanttitietokonetta 128 kubitin piirisarjalla, joka suorittaa vain yhden tehtävän - diskreetti optimointi.

Viime vuosikymmeninä tietokoneet ovat kehittyneet erittäin nopeasti. Itse asiassa yhden sukupolven muistissa ne ovat siirtyneet isoista lamppupohjaisista, jotka vievät valtavia huoneita, minitabletteihin. Muisti ja nopeus kasvoivat nopeasti. Mutta hetki tuli, kun ilmestyi tehtäviä, jotka eivät olleet jopa supertehokkaiden nykyaikaisten tietokoneiden hallinnassa.

Mikä on kvanttitietokone?

Uusien tehtävien ilmaantuminen perinteisten tietokoneiden kykyjen ulkopuolelle pakotti meidät etsimään uusia mahdollisuuksia. Ja vaihtoehtona perinteisille tietokoneille ilmestyi kvanttitietokoneet. Kvantti tietokone on kvanttimekaniikan elementteihin perustuva tietokonetekniikka. Kvanttimekaniikan perusperiaatteet muotoiltiin viime vuosisadan alussa. Sen ulkonäkö mahdollisti monien fysiikan ongelmien ratkaisemisen, jotka eivät löytäneet ratkaisuja klassisessa fysiikassa.

Vaikka kvanttiteoria on jo toisella vuosisadalla, se on edelleen ymmärrettävää vain kapealle asiantuntijapiirille. Mutta on myös todellisia kvanttimekaniikan tuloksia, joihin olemme jo tottuneet - lasertekniikka, tomografia. Ja viime vuosisadan lopussa kvanttilaskennan teorian kehitti Neuvostoliiton fyysikko Yu. Viisi vuotta myöhemmin David Deutsch paljasti idean kvanttikoneesta.

Onko kvanttitietokonetta olemassa?

Mutta ideoiden toteuttaminen ei osoittautunut niin yksinkertaiseksi. Ajoittain ilmestyy raportteja, että toinen kvanttitietokone on luotu. Sellaisen kehittelemässä tietokone teknologia Tietotekniikan alalla on jättiläisiä:

1. D-Wave on kanadalainen yritys, joka tuotti ensimmäisenä toimivia kvanttitietokoneita. Asiantuntijoiden keskuudessa käydään kuitenkin keskustelua siitä, kuinka kvantti nämä tietokoneet todella ovat ja mitä etuja ne tarjoavat.
2. IBM loi kvanttitietokoneen ja avasi siihen pääsyn Internetin käyttäjille kvanttialgoritmien kokeiluun. Vuoteen 2025 mennessä yritys suunnittelee luovansa mallin, joka pystyy ratkaisemaan käytännön ongelmia.
3. Google on ilmoittanut julkaisevansa tänä vuonna tietokoneen, joka pystyy todistamaan kvantin paremman tavanomaisiin tietokoneisiin verrattuna.
4. Toukokuussa 2017 kiinalaiset tiedemiehet Shanghaissa ilmoittivat luoneensa maailman tehokkaimman kvanttitietokoneen, joka ylittää analogien signaalinkäsittelytaajuuden 24 kertaa.
5. Heinäkuussa 2017 Moskovan kvanttiteknologian konferenssissa ilmoitettiin, että 51 kubitin kvanttitietokone oli luotu.

Miten kvanttitietokone eroaa perinteisestä?

Kvanttitietokoneen perustavanlaatuinen ero on sen lähestymistapa laskentaprosessiin.

1. Perinteisessä prosessorissa kaikki laskelmat perustuvat bitteihin, joilla on kaksi tilaa, 1 tai 0. Eli kaikki työ jää analyysiin suuri määrä tiedot noudattamista varten annetut ehdot. Kvanttitietokone perustuu kubitteihin (kvanttibitteihin). Niiden ominaisuus on kyky olla tilassa 1, 0 ja myös 1 ja 0 samanaikaisesti.
2. Kvanttitietokoneen ominaisuudet kasvavat merkittävästi, sillä haluttua vastausta ei tarvitse etsiä monien joukosta. Tässä tapauksessa vastaus valitaan jo saatavilla olevista vaihtoehdoista tietyllä todennäköisyydellä.

Mihin kvanttitietokonetta käytetään?

Kvanttitietokoneen periaate, joka perustuu ratkaisun valintaan riittävällä todennäköisyydellä ja kykyyn löytää sellainen ratkaisu monta kertaa nopeammin kuin nykyaikaiset tietokoneet, määrittää sen käyttötarkoitukset. Ensinnäkin tämän tyyppisen laskentatekniikan ilmaantuminen huolestuttaa kryptografeja. Tämä johtuu kvanttitietokoneen kyvystä laskea salasanoja helposti. Näin ollen tehokkain venäläis-amerikkalaisten tutkijoiden luoma kvanttitietokone pystyy hankkimaan avaimet olemassa oleviin järjestelmiin salaus.

Kvanttitietokoneille löytyy myös hyödyllisempiä sovellettavia ongelmia, jotka liittyvät alkuainehiukkasten käyttäytymiseen, genetiikkaan, terveydenhuoltoon, rahoitusmarkkinoihin, verkkojen suojaamiseen viruksilta, tekoäly ja monet muut, joita tavalliset tietokoneet eivät vielä pysty ratkaisemaan.

Miten kvanttitietokone toimii?

Kvanttitietokoneen suunnittelu perustuu kubittien käyttöön. Seuraavia käytetään tällä hetkellä kubittien fyysisinä suorituksina:

• suprajohtimista valmistetut renkaat, joissa on hyppyjohtimet, monisuuntaisella virralla;
• yksittäiset atomit alttiina lasersäteille;
• ionit;
• fotonit;
• Puolijohteen nanokiteiden käyttövaihtoehtoja kehitetään.

Kvanttitietokone - toimintaperiaate

Jos on varmuus siitä, miten klassinen tietokone toimii, niin kysymykseen kvanttitietokoneen toiminnasta ei ole helppo vastata. Kvanttitietokoneen toiminnan kuvaus perustuu kahteen useimmille epäselvään lauseeseen:

• superpositioperiaate– puhumme kubiteista, jotka voivat olla samanaikaisesti paikoissa 1 ja 0. Näin voit suorittaa useita laskelmia samanaikaisesti vaihtoehtojen lajittelun sijaan, mikä antaa suuren ajanhyödyn;
• kvanttikettuminen- A. Einsteinin mainitsema ilmiö, joka koostuu kahden hiukkasen keskinäisestä suhteesta. Puhuminen yksinkertaisilla sanoilla, jos yhdellä hiukkasista on positiivinen helicity, niin toinen saa välittömästi positiivisen. Tämä suhde syntyy etäisyydestä riippumatta.

Kuka keksi kvanttitietokoneen?

Kvanttimekaniikan perusta hahmoteltiin hypoteesina aivan viime vuosisadan alussa. Sen kehitys liittyy sellaisiin loistaviin fyysikoihin kuin Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. Vuonna 1980 Yu Antonov ehdotti ajatusta kvanttilaskennan mahdollisuudesta. Vuotta myöhemmin Richard Feineman mallinsi teoreettisesti ensimmäisen kvanttitietokoneen.

Nyt kvanttitietokoneiden luominen on kehitysvaiheessa ja on vaikea edes kuvitella, mihin kvanttitietokone pystyy. Mutta on täysin selvää, että tämän suunnan hallitseminen tuo ihmisille monia uusia löytöjä kaikilla tieteen aloilla, antaa heille mahdollisuuden tarkastella mikro- ja makromaailmaa ja oppia lisää mielen luonteesta ja genetiikasta.

Kvanttilaskennasta, mukaan vähintään teoriassa he ovat sanoneet tätä useita vuosikymmeniä. Nykyaikaiset tyypit koneet, jotka käyttävät ei-klassista mekaniikkaa käsittelemään mahdollisesti käsittämättömiä tietomääriä, ovat olleet suuri läpimurto. Kehittäjien mukaan niiden toteutus osoittautui ehkä monimutkaisimmaksi koskaan luoduksi teknologiaksi. Kvanttiprosessorit toimivat aineen tasoilla, jotka ihmiskunta oppi vasta noin 100 vuotta sitten. Tällaisen laskennan potentiaali on valtava. Kvanttien omituisten ominaisuuksien käyttäminen nopeuttaa laskelmia, joten monet ongelmat, jotka eivät tällä hetkellä ylitä klassisten tietokoneiden kykyjä, ratkaistaan. Eikä vain kemian ja materiaalitieteen alalla. Wall Street on myös kiinnostunut.

Sijoittaminen tulevaisuuteen

CME Group on sijoittanut vancouverilaisyritykseen 1QB Information Technologies Inc., joka kehittää ohjelmisto prosessoreille kvanttityyppi. Tällaisella tietojenkäsittelyllä on todennäköisesti suurin vaikutus toimialoihin, jotka käsittelevät suuria määriä aikaherkkää dataa, sijoittajat sanovat. Esimerkki tällaisista kuluttajista ovat rahoituslaitokset. Goldman Sachs sijoitti D-Wave Systemsiin, ja In-Q-Tel on CIA:n rahoittama. Ensimmäinen tuottaa koneita, jotka tekevät niin sanotun "kvanttihehkutuksen" eli ratkaisevat matalan tason optimointiongelmia kvanttiprosessorin avulla. Intel investoi myös tätä tekniikkaa, vaikka hän pitää sen täytäntöönpanoa tulevaisuuden asiana.

Miksi tämä on välttämätöntä?

Syy siihen, miksi kvanttilaskenta on niin jännittävää, johtuu siitä täydellinen yhdistelmä koneoppimisen kanssa. Tällä hetkellä tämä on tällaisten laskelmien pääsovellus. Osa kvanttitietokoneen ideaa on fyysisen laitteen käyttäminen ratkaisujen löytämiseen. Joskus tämä käsite selitetään Angry Birds -pelin esimerkillä. Tabletin CPU käyttää matemaattisia yhtälöitä painovoiman ja törmäävien esineiden vuorovaikutuksen simuloimiseksi. Kvanttiprosessorit kääntävät tämän lähestymistavan päälaelleen. He "heittävät" muutaman linnun ja katsovat mitä tapahtuu. Linnut tallennetaan mikrosirulle, ne heitetään, mikä on optimaalinen lentorata? Sitten kaikki tarkistetaan mahdolliset ratkaisut tai ainakin hyvin laaja yhdistelmä niitä, ja vastaus on annettu. Kvanttitietokoneessa ei ole matemaatikkoa, vaan fysiikan lait toimivat.

Kuinka se toimii?

Perus rakennuspalikoita maailmamme - kvanttimekaaninen. Jos tarkastellaan molekyylejä, syy niiden muodostumiseen ja pysymiseen vakaina on niiden elektroniradan vuorovaikutus. Kaikki kvanttimekaaniset laskelmat sisältyvät jokaiseen niistä. Niiden määrä kasvaa eksponentiaalisesti simuloitujen elektronien määrän myötä. Esimerkiksi 50 elektronille on 2-50 potenssia mahdollisia vaihtoehtoja. Tämä on ilmiömäistä, joten sitä on mahdotonta laskea tänään. Tietoteorian yhdistäminen fysiikkaan voi osoittaa tien tällaisten ongelmien ratkaisemiseen. 50 kubitin tietokone pystyy tähän.

Uuden aikakauden aamunkoitto

1QBitin puheenjohtajan ja perustajan Landon Downsin mukaan kvanttiprosessori on kyky valjastaa subatomisen maailman laskentatehoa, millä on valtavia vaikutuksia uusien materiaalien hankkimiseen tai uusien lääkkeiden luomiseen. Löytämisen paradigmasta ollaan siirtymässä uudelle suunnittelun aikakaudelle. Kvanttilaskennan avulla voidaan esimerkiksi mallintaa katalyyttejä, jotka poistavat hiiltä ja typpeä ilmakehästä ja auttavat siten pysäyttämään ilmaston lämpenemisen.

Edistyksen eturintamassa

Teknologian kehitysyhteisö on erittäin innostunut ja aktiivinen. Startup-yritysten, yritysten, yliopistojen ja valtion laboratorioiden tiimit ympäri maailmaa kilpailevat rakentaakseen koneita, jotka käyttävät erilaisia ​​lähestymistapoja kvanttitietojen käsittelyyn. Marylandin yliopiston ja Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin tutkijat ovat luoneet suprajohtavia kubittisiruja ja loukkuun jääneitä ionikubitteja. Microsoft kehittää topologista lähestymistapaa nimeltä Station Q, jonka tarkoituksena on hyödyntää ei-Abelin anionia, jonka olemassaoloa ei ole vielä lopullisesti todistettu.

Mahdollisen läpimurron vuosi

Ja tämä on vasta alkua. Toukokuun 2017 lopussa sellaisten kvanttiprosessorien määrä, jotka selvästi tekevät jotain nopeammin tai paremmin kuin klassinen tietokone, on nolla. Tällainen tapahtuma vahvistaisi "kvanttiylivallan", mutta sitä ei ole vielä tapahtunut. Vaikka on todennäköistä, että tämä tapahtuu tänä vuonna. Useimmat sisäpiiriläiset sanovat, että selkeä suosikki on UC Santa Barbaran fysiikan professori John Martinin johtama Google-tiimi. Sen tavoitteena on saavuttaa laskennallinen ylivoima käyttämällä 49 qubit prosessoria. Toukokuun 2017 loppuun mennessä tiimi oli onnistuneesti testannut 22 kubitin sirua välivaiheena kohti klassisen supertietokoneen purkamista.

Mistä kaikki alkoi?

Ajatus kvanttimekaniikan käytöstä tiedon käsittelyyn on ollut olemassa vuosikymmeniä. Yksi tärkeimmistä tapahtumista tapahtui vuonna 1981, jolloin IBM ja MIT järjestivät yhdessä konferenssin tietojenkäsittelyn fysiikasta. Kuuluisa fyysikko ehdotti kvanttitietokoneen rakentamista. Hänen mukaansa mallintamiseen tulisi käyttää kvanttimekaniikkaa. Ja tämä on hieno tehtävä, koska se ei näytä niin helpolta. Kvanttiprosessorin toimintaperiaate perustuu useisiin outoihin atomien ominaisuuksiin - superpositioon ja takertumiseen. Hiukkanen voi olla kahdessa tilassa samanaikaisesti. Kuitenkin mitattuna se näkyy vain yhdessä niistä. Ja on mahdotonta ennustaa kumpi, paitsi todennäköisyysteorian näkökulmasta. Tämä vaikutus on perusta Schrödingerin kissan ajatuskokeilulle, joka on sekä elossa että kuolleena laatikossa, kunnes tarkkailija kurkistaa. Ei sisällä mitään Jokapäiväinen elämä ei toimi noin. Kuitenkin noin miljoona koetta, jotka on tehty 1900-luvun alun jälkeen, osoittavat, että superpositiota on olemassa. JA seuraava askel aikoo selvittää, kuinka tätä konseptia käytetään.

Kvanttiprosessori: työn kuvaus

Klassiset bitit voivat saada arvon 0 tai 1. Jos kuljetat niiden merkkijonon "loogisten porttien" läpi (AND, OR, NOT jne.), voit kertoa numeroita, piirtää kuvia jne. Kubitti voi saada arvoja 0, 1 tai molemmat samaan aikaan. Jos esimerkiksi 2 kubittia on sotkeutunut, se tekee niistä täydellisen korrelaation. Kvanttiprosessori voi käyttää logiikkaportteja. T.n. Esimerkiksi Hadamardin portti asettaa kubitin täydellisen superpositioon. Kun superpositio ja kietoutuminen yhdistetään taitavasti sijoitettuihin kvanttiportteihin, subatomisen laskennan potentiaali alkaa avautua. 2 kubitin avulla voit tutkia 4 tilaa: 00, 01, 10 ja 11. Kvanttiprosessorin toimintaperiaate on sellainen, että suoritus looginen toiminta mahdollistaa työskentelyn kaikissa asennoissa kerralla. Ja käytettävissä olevien tilojen määrä on 2 kubittien lukumäärän potenssilla. Joten jos tekisit 50 kubitin yleisen kvanttitietokoneen, voisit teoriassa tutkia kaikkia 1 125 kvadriljoonaa yhdistelmää kerralla.

Kudits

Venäjän kvanttiprosessori nähdään hieman eri tavalla. MIPT:n ja Venäjän kvanttikeskuksen tutkijat ovat luoneet "quditteja", jotka ovat useita "virtuaalisia" kubitteja, joilla on eri "energiatasot".

Amplitudit

Kvanttiprosessorilla on se etu, että kvanttimekaniikka perustuu amplitudeihin. Amplitudit ovat samanlaisia ​​kuin todennäköisyydet, mutta ne voivat olla myös negatiivisia ja kompleksilukuja. Joten jos sinun on laskettava tapahtuman todennäköisyys, voit laskea yhteen kaikkien mahdollisten vaihtoehtojen amplitudit niiden kehittämiseksi. Kvanttilaskennan ideana on yrittää virittää se niin, että joillakin poluilla vääriin vastauksiin on positiivinen amplitudi ja toisilla negatiivinen amplitudi, joten ne kumoavat toisensa. Ja oikeaan vastaukseen johtavilla poluilla olisi amplitudit, jotka ovat samassa vaiheessa keskenään. Temppu on järjestää kaikki tietämättä etukäteen, mikä vastaus on oikea. Joten kvanttitilojen eksponentiaalinen luonne yhdistettynä mahdollisiin häiriöihin positiivisten ja negatiivisten amplitudien välillä on tämän tyyppisen laskennan etu.

Shorin algoritmi

On monia ongelmia, joita tietokone ei pysty ratkaisemaan. Esimerkiksi salaus. Ongelmana on, että 200-numeroisen luvun alkutekijöiden löytäminen ei ole helppoa. Vaikka kannettavassa tietokoneessa olisi loistava ohjelmisto, saatat joutua odottamaan vuosia löytääksesi vastauksen. Joten toinen virstanpylväs kvanttilaskennassa oli algoritmi, jonka Peter Shore, nykyään MIT:n matematiikan professori, julkaisi vuonna 1994. Hänen menetelmänsä on löytää suuren luvun tekijät kvanttitietokoneella, jota ei vielä ollut olemassa. Pohjimmiltaan algoritmi suorittaa operaatioita, jotka osoittavat alueille, joilla on oikea vastaus. Seuraavana vuonna Shor keksi menetelmän kvanttivirheen korjaamiseksi. Sitten monet ymmärsivät, että se oli vaihtoehtoinen tapa tietojenkäsittelyä, joka voi joissain tapauksissa olla tehokkaampi. Sitten fyysikot kiinnostuivat kubittien ja logiikkaporttien luomisesta niiden välille. Ja nyt, kaksi vuosikymmentä myöhemmin, ihmiskunta on luomassa täysimittaista kvanttitietokonetta.

Ihmiskunta, kuten 60 vuotta sitten, on jälleen suuren läpimurron partaalla tietojenkäsittelytekniikan alalla. Hyvin pian kvanttitietokoneet korvaavat nykyiset laskentakoneet.

Kuinka pitkälle on edistytty?

Vuonna 1965 Gordon Moore sanoi, että piimikropiirille mahtuvien transistorien määrä kaksinkertaistuu vuodessa. Tämä kehitysvauhti Viime aikoina on hidastunut, ja kaksinkertaistuminen tapahtuu harvemmin - kerran kahdessa vuodessa. Jopa tämä tahti antaa transistoreille mahdollisuuden saavuttaa atomin koon lähitulevaisuudessa. Seuraava on viiva, jota ei voi ylittää. Transistorin fyysisen rakenteen kannalta se ei voi millään tavalla olla pienempi kuin atomisuureet. Sirun koon kasvattaminen ei ratkaise ongelmaa. Transistorien toimintaan liittyy lämpöenergian vapautuminen, ja prosessorit tarvitsevat laatujärjestelmä jäähdytys. Moniytiminen arkkitehtuuri ei myöskään ratkaise lisäkasvua. Teknologian kehityksen huippu saavuttaa nykyaikaiset prosessorit tapahtuu pian.
Kehittäjät ymmärsivät tämän ongelman aikana, jolloin käyttäjät olivat vasta alkaneet hankkia henkilökohtaisia ​​tietokoneita. Vuonna 1980 yksi kvanttitietotieteen perustajista, Neuvostoliiton professori Juri Manin, muotoili idean kvanttilaskennasta. Vuotta myöhemmin Richard Feyman ehdotti ensimmäistä tietokonemallia kvanttiprosessori. Teoreettinen perusta Paul Benioff muotoili, miltä kvanttitietokoneiden pitäisi näyttää.

Kuinka kvanttitietokone toimii

Ymmärtääksesi kuinka se toimii uusi prosessori, sinulla on oltava vähintään pinnallinen tieto kvanttimekaniikan periaatteista. Tässä ei ole mitään järkeä antaa matemaattisia asetteluja ja kaavoja. Keskivertoihmiselle riittää, että hän tutustuu kvanttimekaniikan kolmeen ominaispiirteeseen:

• Hiukkasen tila tai sijainti määritetään vain tietyllä todennäköisyydellä.
• Jos hiukkasella voi olla useita tiloja, niin se on kaikissa mahdollisissa tiloissa kerralla. Tämä on superposition periaate.
• Hiukkasen tilan mittausprosessi johtaa superposition katoamiseen. On ominaista, että mittauksella saatu tieto hiukkasen tilasta poikkeaa hiukkasen todellisesta tilasta ennen mittauksia.

Terveen järjen näkökulmasta - täyttä hölynpölyä. Tavallisessa maailmassamme nämä periaatteet voidaan esittää seuraavasti: huoneen ovi on kiinni ja samalla auki. Suljettu ja auki samaan aikaan.

Tämä on laskelmien silmiinpistävä ero. Perinteinen prosessori toimii toimissaan binäärikoodi. Tietokonebitit voivat olla vain yhdessä tilassa - niiden looginen arvo on 0 tai 1. Kvanttitietokoneet toimivat kubiteilla, joiden looginen arvo voi olla 0, 1, 0 ja 1 kerralla. Tiettyjen ongelmien ratkaisemisessa niillä on monen miljoonan dollarin etu perinteisiin laskentakoneisiin verrattuna. Nykyään työalgoritmeista on jo kymmeniä kuvauksia. Ohjelmoijat luovat erityisen ohjelmakoodi, joka voi toimia uusien laskentaperiaatteiden mukaan.

Missä uutta tietokonetta käytetään?

Uusi lähestymistapa laskentaprosessiin antaa sinun työskennellä valtavien tietomäärien kanssa ja suorittaa välittömiä laskentatoimintoja. Kun ensimmäiset tietokoneet syntyivät, jotkut ihmiset, mukaan lukien valtion virkamiehet, suhtautuivat erittäin skeptisesti niiden käyttöön kansantaloudessa. Vielä nykyäänkin on ihmisiä, jotka epäilevät täysin uuden sukupolven tietokoneiden merkitystä. Erittäin pitkä aika Tekniset lehdet kieltäytyivät julkaisemasta kvanttilaskentaa koskevia artikkeleita, koska he pitivät alaa pelkkänä huijauksena sijoittajien huijaamiseksi.

Uusi laskentamenetelmä luo edellytykset suurenmoisille tieteellisille löydöksille kaikilla toimialoilla. Lääketiede ratkaisee monia ongelmallisia asioita, joista viime aikoina on kertynyt melko paljon. Syöpä on mahdollista diagnosoida sairauden aikaisemmassa vaiheessa kuin nyt. Kemianteollisuus pystyy syntetisoimaan tuotteita, joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet.

Läpimurto astronautiikassa ei kestä kauan. Lennoista muille planeetoille tulee yhtä yleisiä kuin päivittäisistä matkoista ympäri kaupunkia. Kvanttilaskennan potentiaali muuttaa planeettamme varmasti tuntemattomaksi.

Toinen kvanttitietokoneiden erottuva ominaisuus on kvanttilaskennan kyky löytää nopeasti vaadittu koodi tai salaus. Tavallinen tietokone suorittaa matemaattisen optimointiratkaisun peräkkäin, käyden läpi yhden vaihtoehdon toisensa jälkeen. Kvanttikilpailija työskentelee koko datajoukon kanssa kerralla ja valitsee eniten sopivia vaihtoehtoja ennennäkemättömälle lyhyt aika. Pankkitoiminta salaus puretaan silmänräpäyksessä, mikä ei ole nykyaikaisten tietokoneiden käytettävissä.

Pankkisektorin ei kuitenkaan tarvitse huolestua - sen salaisuus pelastuu kvanttisalausmenetelmällä mittausparadoksilla. Kun yrität avata koodia, lähetetty signaali vääristyy. Saaduissa tiedoissa ei ole mitään järkeä. Salaiset palvelut, joille vakoilu on yleinen käytäntö, ovat kiinnostuneita kvanttilaskennan mahdollisuuksista.

Suunnittelun vaikeudet

Vaikeus piilee sellaisten olosuhteiden luomisessa, joissa kvanttibitti voi pysyä superpositiotilassa loputtomiin.

Jokainen kubitti on mikroprosessori, joka toimii suprajohtavuuden periaatteilla ja kvanttimekaniikan laeilla.

Logiikkakoneen mikroskooppisten elementtien ympärille luodaan useita ainutlaatuisia ympäristöolosuhteita:

• lämpötila 0,02 Kelvin-astetta (-269,98 Celsius);
• suojajärjestelmä magneettista ja sähköistä säteilyä vastaan ​​(vähentää näiden tekijöiden vaikutusta 50 tuhatta kertaa);
• lämmönpoisto- ja tärinänvaimennusjärjestelmä;
• ilman harvinaisuus on 100 miljardia kertaa pienempi kuin ilmanpaine.

Pieni poikkeama ympäristössä aiheuttaa sen, että kubitit menettävät välittömästi superpositiotilansa, mikä johtaa toimintahäiriöön.

Ennen muuta planeettaa

Kaiken edellä mainitun voitaisiin katsoa johtuvan scifi-tarinoiden kirjoittajan kuumeisen mielen luovuudesta, jos Google yritys Yhdessä NASAn kanssa se ei ostanut viime vuonna kanadalaiselta tutkimusyhtiöltä D-Wave-kvanttitietokonetta, jonka prosessori sisältää 512 kubittia.

Sen avulla markkinajohtaja tietokone teknologia ratkaisee ongelmat koneoppiminen suurten tietojoukkojen lajittelussa ja analysoinnissa.

Yhdysvalloista lähtenyt Snowden teki myös tärkeän paljastavan lausunnon - NSA suunnittelee myös oman kvanttitietokoneen kehittämistä.

2014 - D-Wave-järjestelmien aikakauden alku

Menestyvä kanadalainen urheilija Geordie Rose alkoi Googlen ja NASA:n kanssa tehdyn sopimuksen jälkeen rakentaa 1000 qubit prosessoria. Tuleva malli ylittää ensimmäisen kaupallisen prototyypin vähintään 300 000 kertaa nopeuden ja laskelmien määrän suhteen. Kvanttitietokone, jonka kuva sijaitsee alla, on periaatteessa maailman ensimmäinen kaupallinen versio uusi teknologia laskelmat.

Hänet innosti ryhtymään tieteelliseen kehittämiseen, kun hän tutustui yliopistossa Colin Williamsin kvanttilaskentaa koskeviin töihin. Täytyy sanoa, että Williams työskentelee nykyään Rosen konsernissa liiketoimintaprojektipäällikkönä.

Läpimurto tai tieteellinen huijaus

Rose itse ei täysin tiedä mitä kvanttitietokoneet ovat. Kymmenessä vuodessa hänen tiiminsä on kehittynyt 2-kubitisen prosessorin luomisesta tämän päivän ensimmäiseksi kaupalliseksi ideaksi.

Tutkimuksensa alusta lähtien Rose pyrki luomaan prosessorin, jonka kubittien vähimmäismäärä on tuhat. Ja hänellä oli ehdottomasti oltava kaupallinen vaihtoehto - voidakseen myydä ja ansaita rahaa.

Monet, tietäen Rosen pakkomielteen ja kaupallisen taidon, yrittävät syyttää häntä väärennyksestä. Väitetään, että tavallisin prosessori välitetään kvantiksi. Tätä helpottaa myös se, että ilmiömäinen suorituskyky uusi teknologia ilmenee suoritettaessa tietyntyyppiset laskelmat. Muuten se käyttäytyy kuin täysin tavallinen tietokone, vain erittäin kallis.

Milloin ne ilmestyvät

Ei ole kauaa odotettavaa. Prototyypin yhteisostajien järjestämä tutkimusryhmä raportoi D-Wave-tutkimuksen tuloksista lähitulevaisuudessa.
Ehkä tulee pian aika, jolloin kvanttitietokoneet mullistavat ymmärryksemme ympäröivästä maailmasta. Ja koko ihmiskunta tällä hetkellä saavuttaa enemmän korkeatasoinen sen evoluutio.