L. Fedichkin, kandidat for fysiske og matematiske vitenskaper (Institutet for fysikk og teknologi Det russiske akademiet vitenskaper.
Ved å bruke kvantemekanikkens lover kan du skape grunnleggende ny type datamaskiner, som vil tillate å løse noen av oppgavene som er utilgjengelige selv for de kraftigste moderne superdatamaskinene. Hastigheten til mange komplekse beregninger vil skyte i været; meldinger som sendes over kvantekommunikasjonslinjene kan verken fanges opp eller kopieres. Prototyper av disse fremtidens kvantedatamaskiner er allerede laget.
Amerikansk matematiker og fysiker av ungarsk opprinnelse Johann von Neumann (1903-1957).
Den amerikanske teoretiske fysikeren Richard Phillips Feynman (1918-1988).
Den amerikanske matematikeren Peter Shore, en ekspert innen kvanteberegning. Foreslo en kvanterask faktoriseringsalgoritme store tall.
Kvantebit, eller qubit. Tilstandene og tilsvarer for eksempel retningen til atomkjernens spinn opp eller ned.
Et kvanteregister er en streng av kvantebiter. En- eller to-qubit kvanteporter implementerer logiske operasjoner over qubitene.
INTRODUKSJON, ELLER LITT OM BESKYTTELSE AV INFORMASJON
Hvilket program tror du selges i verden det største antallet lisenser? Jeg vil ikke tørre å insistere på at jeg vet det riktige svaret, men jeg vet definitivt en feil: det er det ikke noen av Microsoft-versjoner Windows. Det vanligste operativsystemet overgås av et beskjedent produkt fra RSA Data Security, Inc. - et program som implementerer en krypteringsalgoritme med offentlig nøkkel RSA, oppkalt etter forfatterne - amerikanske matematikere Rivest, Shamir og Adelman.
Faktum er det RSA-algoritme innebygd i de fleste operativsystemene som selges, så vel som mange andre applikasjoner som brukes i forskjellige enheter- fra smartkort til mobil... Spesielt er det også til stede i Microsoft Windows, som betyr at det er kjent for å være bredere enn dette populære operativsystem... For å oppdage spor av RSA, for eksempel i en nettleser Internet Explorer(et program for å se www-sider på Internett), bare åpne Hjelp-menyen, gå inn i undermenyen Om Internet Explorer og se en liste over tredjepartsprodukter som brukes. En annen vanlig nettleser, Netscape Navigator, bruker også RSA-algoritmen. Vanligvis vanskelig å finne velkjent selskap arbeider i felten høyteknologisk som ikke vil kjøpe en lisens for dette programmet. I dag har RSA Data Security, Inc. har allerede solgt over 450 millioner (!) lisenser.
Hvorfor er RSA-algoritmen så viktig?
Tenk deg at du raskt må utveksle en melding med en person langt unna. Takket være utviklingen av Internett har en slik sentral i dag blitt tilgjengelig for de fleste - du trenger bare å ha en datamaskin med modem eller nettverkskort... Når du utveksler informasjon over nettverket, vil du naturligvis holde meldingene dine hemmelige for fremmede. Det er imidlertid umulig å fullstendig beskytte en utvidet kommunikasjonslinje mot avlytting. Dette betyr at ved sending av meldinger må de krypteres, og ved mottak må de dekrypteres. Men hvordan kan du og samtalepartneren din bli enige om hvilken nøkkel dere skal bruke? Hvis du sender nøkkelen til chifferen over samme linje, kan en avlyttingsangriper enkelt avskjære den. Du kan selvfølgelig overføre nøkkelen via en annen kommunikasjonslinje, for eksempel sende den via telegram. Men denne metoden er vanligvis upraktisk og dessuten ikke alltid pålitelig: en annen linje kan også trykkes. Det er fint om du og din adressat på forhånd visste at dere ville utveksle krypteringer, og derfor overførte nøklene til hverandre på forhånd. Og hva du skal gjøre, for eksempel hvis du ønsker å sende konfidensielt by på en mulig forretningspartner eller kjøpe et produkt du liker med kredittkort i en ny nettbutikk?
På 1970-tallet ble krypteringssystemer foreslått for å løse dette problemet, ved å bruke to typer nøkler for samme melding: åpen (krever ikke hemmelighold) og lukket (svært hemmelig). Den offentlige nøkkelen brukes til å kryptere meldingen, og den private nøkkelen brukes til å dekryptere den. Du sender din korrespondent en offentlig nøkkel, og han krypterer meldingen sin med den. Alt en angriper som avskjærer en offentlig nøkkel kan gjøre er å kryptere brevet sitt og videresende det til noen. Men han vil ikke være i stand til å tyde korrespondansen. Du vet privat nøkkel(den er i utgangspunktet lagret hos deg), kan du enkelt lese meldingen adressert til deg. For å kryptere svarmeldinger, vil du bruke den offentlige nøkkelen sendt av korrespondenten din (og han beholder den tilsvarende private nøkkelen for seg selv).
Dette er den kryptografiske metoden som brukes i RSA, den mest brukte krypteringsmetoden for offentlig nøkkel. Dessuten, for å lage et par offentlige og private nøkler, brukes følgende viktige hypotese. Hvis det er to store (krever mer enn hundre desimalsifre for min skyld) enkel tallene M og K, så vil det ikke være vanskelig å finne produktet N = MK (for dette er det ikke engang nødvendig å ha en datamaskin: en tilstrekkelig ryddig og tålmodig person kan multiplisere slike tall med penn og papir). Men for å løse det omvendte problemet, det vil si å vite stort antall N, utvide det til primære faktorer M og K (såkalt faktoriseringsproblem) - nesten umulig! Det er med dette problemet en angriper som bestemmer seg for å "knekke" RSA-algoritmen og lese informasjonen kryptert med den vil møte: for å finne ut den private nøkkelen, og kjenne den offentlige, må du beregne M eller K.
For å teste gyldigheten av hypotesen om den praktiske kompleksiteten ved å faktorisere store tall, har det vært og blir fortsatt avholdt spesielle konkurranser. Dekomponeringen av bare et 155-sifret (512-bit) tall regnes som en post. Beregningene ble utført parallelt på mange datamaskiner i syv måneder i 1999. Hvis denne oppgaven ble utført på en moderne personlig datamaskin, ville det ta omtrent 35 år med maskintid! Beregninger viser at selv ved å bruke tusenvis av moderne arbeidsstasjoner og de beste beregningsalgoritmene som er kjent i dag, kan ett 250-sifret tall faktoriseres i omtrent 800 tusen år, og et 1000-sifret tall - om 10 25 (!) år. (Til sammenligning er universets alder ~ 10 10 år.)
Derfor ble kryptografiske algoritmer som RSA, som opererer på tilstrekkelig lange nøkler, ansett som fullstendig pålitelige og ble brukt i mange applikasjoner. Og alt var bra til da ... helt til kvantedatamaskiner kom.
Det viser seg at ved å bruke kvantemekanikkens lover er det mulig å bygge datamaskiner der faktoriseringsproblemet (og mange andre!) ikke vil være vanskelig. Det er anslått at en kvantedatamaskin med bare rundt 10 000 kvantebiter med minne er i stand til å faktorisere et 1000-sifret tall til primfaktorer på bare noen få timer!
HVORDAN DET HELE BEGYNTE?
Først på midten av 1990-tallet etablerte teorien om kvantedatamaskiner og kvanteberegning seg som nytt område vitenskap. Som ofte er tilfellet med gode ideer, er det vanskelig å plukke ut en oppdager. Tilsynelatende var den ungarske matematikeren I. von Neumann den første som gjorde oppmerksom på muligheten for å utvikle kvantelogikk. På den tiden hadde imidlertid ikke bare kvante, men også vanlige, klassiske datamaskiner ennå ikke blitt opprettet. Og med fremkomsten av sistnevnte viste det seg at forskernes hovedinnsats først og fremst var rettet mot å finne og utvikle nye elementer for dem (transistorer, og deretter integrerte kretser), og ikke om å lage fundamentalt forskjellige dataenheter.
På 1960-tallet forsøkte den amerikanske fysikeren R. Landauer, som jobbet ved IBM-konsernet, å trekke oppmerksomheten til den vitenskapelige verden på det faktum at beregning alltid er en viss sikkerhet. fysisk prosess, som betyr at det er umulig å forstå grensene for våre beregningsevner uten å spesifisere hvilken fysisk implementering de tilsvarer. Dessverre, på den tiden, blant forskere, var det dominerende synet på beregning som en slags abstrakt logisk prosedyre, som burde studeres av matematikere, ikke fysikere.
Etter hvert som datamaskiner spredte seg, kom kvanteforskere til den konklusjon at det var praktisk talt umulig å direkte beregne tilstanden til et utviklende system bestående av bare noen få dusin interagerende partikler, for eksempel et metanmolekyl (CH 4). Dette forklares med at for full beskrivelse komplekst system det er nødvendig å ha i datamaskinens minne et eksponentielt stort (i form av antall partikler) antall variabler, de såkalte kvanteamplitudene. En paradoksal situasjon oppsto: å kjenne evolusjonsligningen, kjenne med tilstrekkelig nøyaktighet alle potensialene for interaksjon av partikler med hverandre og den opprinnelige tilstanden til systemet, det er praktisk talt umulig å beregne fremtiden, selv om systemet består av bare 30 elektroner i en potensiell brønn, og en superdatamaskin med RAM, hvorav antall biter er lik antall atomer i det synlige området av universet (!). Og samtidig, for å studere dynamikken til et slikt system, kan du ganske enkelt sette opp et eksperiment med 30 elektroner, plassere dem i et gitt potensial og starttilstand. Spesielt dette ble påpekt av den russiske matematikeren Yu. I. Manin, som i 1980 påpekte behovet for å utvikle en teori om kvanteberegningsenheter. På 1980-tallet ble det samme problemet studert av den amerikanske fysikeren P. Benev, som tydelig viste at et kvantesystem kan utføre beregninger, samt den engelske vitenskapsmannen D. Deutsch, som teoretisk utviklet en universell kvantedatamaskin som er overlegen den klassiske analogen. .
Nobelprisvinneren i fysikk R. Feynman, som er godt kjent for vanlige lesere av Science and Life, har tiltrukket seg mye oppmerksomhet rundt problemet med å utvikle kvantedatamaskiner. Takket være hans autoritative appell har antallet spesialister som tok hensyn til kvanteberegning økt mange ganger.
Men fortsatt lang tid det var uklart om den hypotetiske datakraften kunne utnyttes kvantedatamaskin for å fremskynde løsningen av praktiske problemer. Men i 1994 forbløffet P. Shor, en amerikansk matematiker og ansatt i Lucent Technologies (USA), den vitenskapelige verden ved å foreslå en kvantealgoritme som tillater rask faktorisering av store tall (viktigheten av dette problemet ble allerede diskutert i innledningen). Sammenlignet med de beste av de klassiske metodene som er kjent til dags dato, gir Shors kvantealgoritme en multippel akselerasjon av beregninger, og jo lengre det faktoriserte tallet er, desto større blir hastigheten. Den raske faktoriseringsalgoritmen er av stor praktisk interesse for ulike spesialtjenester som har akkumulert banker av ukrypterte meldinger.
I 1996 foreslo Shors kollega ved Lucent Technologies L. Grover en kvantealgoritme raskt søk i en uordnet database. (Et eksempel på en slik database er telefonbok, der navnene på abonnentene ikke er ordnet alfabetisk, men på en vilkårlig måte.) Oppgaven med å søke, velge det optimale elementet blant en rekke alternativer er svært ofte påtruffet i økonomiske, militære, ingeniøroppgaver, v dataspill... Grovers algoritme tillater ikke bare å fremskynde søkeprosessen, men også å omtrent doble antallet parametere som tas i betraktning når du velger det optimale.
Den virkelige etableringen av kvantedatamaskiner ble hemmet av i hovedsak det eneste alvorlige problemet - feil eller interferens. Faktum er at det samme nivået av interferens ødelegger prosessen med kvanteberegning mye mer intensivt enn klassisk beregning. Måtene å løse dette problemet på ble skissert i 1995 av P. Shor, som utviklet et opplegg for å kode kvantetilstander og korrigere feil i dem. Dessverre er temaet feilretting i kvantedatamaskiner like viktig som det er vanskelig å dekke i denne artikkelen.
ENHET TIL EN KVANTEDATAMASKIN
Før vi forteller hvordan en kvantedatamaskin fungerer, la oss huske hovedtrekkene til kvantesystemer (se også "Science and Life" nr. 8, 1998; nr. 12, 2000).
For å forstå lovene kvanteverden ikke stol direkte på hverdagserfaring. På vanlig måte(i hverdagslig forstand) oppfører kvantepartikler seg bare hvis vi hele tiden "kikker" bak dem, eller strengere talt konstant måler hvilken tilstand de er i. Men så snart vi "vender oss bort" (slutter å observere), går kvantepartikler umiddelbart fra en helt bestemt tilstand til flere forskjellige hypostaser. Det vil si at et elektron (eller et hvilket som helst annet kvanteobjekt) vil være delvis lokalisert på ett punkt, delvis på et annet, delvis på et tredje osv. Dette betyr ikke at det er delt i skiver, som en appelsin. Da kunne man pålitelig isolere en del av elektronet og måle ladningen eller massen. Men erfaring viser at elektronet etter måling alltid viser seg å være "sikkert og sunt" på ett enkelt punkt, til tross for at han før det klarte å besøke nesten overalt samtidig. En slik tilstand av et elektron, når det befinner seg på flere punkter i rommet samtidig, kalles superposisjon av kvantetilstander og er vanligvis beskrevet av bølgefunksjonen introdusert i 1926 av den tyske fysikeren E. Schrödinger. Størrelsen på verdien av bølgefunksjonen ved et hvilket som helst punkt, opphøyd i annen, bestemmer sannsynligheten for å finne en partikkel på dette punktet ved dette øyeblikket... Etter å ha målt posisjonen til partikkelen, trekker dens bølgefunksjon seg så å si sammen (kollapser) til det punktet hvor partikkelen ble oppdaget, og deretter igjen begynner å spre seg ut. Egenskapen til kvantepartikler å være samtidig i mange tilstander, kalt kvanteparallellisme, har blitt brukt i kvanteberegning.
Kvantebit
Hovedcellen til en kvantedatamaskin er en kvantebit, eller kort sagt, qubit(q-bit). Det er en kvantepartikkel som har to grunnleggende tilstander, som er betegnet 0 og 1, eller, som det er vanlig i kvantemekanikk, og. To verdier av en qubit kan tilsvare, for eksempel atomets grunntilstand og eksiterte tilstander, retningene opp og ned til atomkjernens spinn, retningen til strømmen i den superledende ringen, to mulige posisjoner til atomkjernen. elektron i halvlederen, etc.
Kvanteregister
Kvanteregisteret fungerer omtrent på samme måte som det klassiske. Dette er en streng av kvantebiter, som en- og to-biters logiske operasjoner kan utføres over (ligner bruken av NOT, 2AND-NOT, etc., i et klassisk register).
Grunntilstandene til kvanteregisteret som dannes av L qubits inkluderer, som i den klassiske, alle mulige sekvenser av nuller og enere med lengde L. Det kan være 2 L forskjellige kombinasjoner totalt. De kan betraktes som å skrive tall i binær form fra 0 til 2 L -1 og betegnes. Disse grunnleggende tilstandene uttømmer imidlertid ikke alle mulige verdier av kvanteregisteret (i motsetning til den klassiske), siden det også er superposisjonstilstander spesifisert av komplekse amplituder assosiert med normaliseringstilstanden. De fleste av de mulige verdiene til kvanteregisteret (med unntak av de grunnleggende) har ganske enkelt ikke en klassisk analog. Statene i det klassiske registeret er bare en ynkelig skygge av hele rikdommen av tilstander til en kvantedatamaskin.
Tenk deg at registeret er utført ytre påvirkning for eksempel påføres elektriske impulser til en del av rommet eller laserstråler rettes. Hvis det er et klassisk register, vil en impuls, som kan sees på som en beregningsoperasjon, endre L-variabler. Hvis det er et kvanteregister, kan den samme pulsen samtidig transformeres til variabler. Dermed er et kvanteregister i prinsippet i stand til å behandle informasjon én gang raskere enn dets klassiske motstykke. Fra dette er det umiddelbart klart at de små kvanteregistrene (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.
Det bør imidlertid bemerkes at det er en klasse av problemer som kvantealgoritmer ikke gir betydelig akselerasjon sammenlignet med klassiske. En av de første som viste dette var den russiske matematikeren Yu. Ozhigov, som konstruerte en rekke eksempler på algoritmer som ikke kan akselereres av en enkelt klokke på en kvantedatamaskin.
Og likevel er det ingen tvil om at datamaskiner som opererer i henhold til kvantemekanikkens lover er et nytt og avgjørende stadium i utviklingen av datasystemer. Det gjenstår bare å bygge dem.
KVANTEDATAMASKINER I DAG
Prototyper av kvantedatamaskiner finnes i dag. Riktignok har det så langt eksperimentelt vært mulig å samle bare små registre bestående av bare noen få kvantebiter. For eksempel annonserte nylig en gruppe ledet av den amerikanske fysikeren I. Chang (IBM) monteringen av en 5-bits kvantedatamaskin. Dette er utvilsomt en stor suksess. Dessverre er de eksisterende kvantesystemene ennå ikke i stand til å gi pålitelige beregninger, siden de enten er utilstrekkelig kontrollerbare eller svært følsomme for støy. Imidlertid er det ingen fysiske begrensninger på konstruksjonen av en effektiv kvantedatamaskin, det er bare nødvendig å overvinne teknologiske vanskeligheter.
Det er flere ideer og forslag til hvordan man kan lage pålitelige og lett kontrollerbare kvantebiter.
I. Chang utvikler ideen om å bruke spinnene til kjernene til noen organiske molekyler som qubits.
Russisk forsker M.V. Feigelman, arbeider ved Institutt for teoretisk fysikk. LD Landau RAS, foreslår å samle kvanteregistre fra superledende miniatyrringer. Hver ring spiller rollen som en qubit, og tilstandene 0 og 1 tilsvarer retningen til den elektriske strømmen i ringen - med klokken og mot klokken. Slike qubits kan byttes ved hjelp av et magnetfelt.
Ved Physics and Technology Institute of Russian Academy of Sciences foreslo en gruppe ledet av akademiker K. A. Valiev to alternativer for å plassere qubits i halvlederstrukturer. I det første tilfellet spilles rollen til en qubit av et elektron i et system av to potensielle brønner skapt av en spenning påført minielektroder på halvlederoverflaten. Tilstandene 0 og 1 er posisjonene til et elektron i en av disse brønnene. Qubiten byttes ved å endre spenningen på en av elektrodene. I en annen versjon er qubiten kjernen til et fosforatom innebygd på et spesifikt punkt i halvlederen. Tilstandene 0 og 1 er retningene til kjernespinnet langs eller mot det eksterne magnetfeltet. Kontrollen utføres ved å bruke den kombinerte virkningen av magnetiske pulser av resonansfrekvensen og spenningspulser.
Det forskes altså aktivt og det kan antas at det i en meget nær fremtid – om ti år – vil bli skapt en effektiv kvantedatamaskin.
ET BLIK INN I FREMTIDEN
Dermed er det ganske mulig at kvantedatamaskiner i fremtiden vil bli produsert ved hjelp av tradisjonelle metoder for mikroelektronisk teknologi og inneholde mange kontrollelektroder, som ligner en moderne mikroprosessor. For å redusere støynivået, som er kritisk for normal drift av en kvantedatamaskin, må de første modellene mest sannsynlig kjøles med flytende helium. De første kvantedatamaskinene vil sannsynligvis være store og dyre enheter som ikke fikk plass på et skrivebord og ble vedlikeholdt av en stor stab av systemprogrammerere og maskinvarejusteringer i hvite frakker. Først vil bare offentlige etater få tilgang til dem, deretter rike kommersielle organisasjoner. Men æraen med konvensjonelle datamaskiner begynte på omtrent samme måte.
Og hva blir det av klassiske datamaskiner? Vil de dø? Usannsynlig. Både klassiske og kvantedatamaskiner har sine egne bruksområder. Selv om forholdet på markedet etter all sannsynlighet fortsatt vil gradvis skifte mot sistnevnte.
Innføringen av kvantedatamaskiner vil ikke føre til løsning av grunnleggende uløselige klassiske problemer, men vil bare fremskynde enkelte beregninger. I tillegg vil kvantekommunikasjon bli mulig - overføring av qubits over en avstand, noe som vil føre til fremveksten av et slags kvanteinternett. Kvantekommunikasjon vil gi en beskyttet (av kvantemekanikkens lover) fra avlyttingsforbindelse mellom alle og hverandre. Informasjonen din lagret i kvantedatabaser vil være sikrere mot kopiering enn den er nå. Bedrifter som produserer programmer for kvantedatamaskiner vil være i stand til å beskytte dem mot enhver, inkludert ulovlig, kopiering.
For en dypere forståelse av dette emnet kan du lese oversiktsartikkelen til E. Riffel, V. Polak "Fundamentals of Quantum Computing" publisert i tidsskriftet "Quantum Computers and Quantum Computing" publisert i Russland (nr. 1, 2000). (Dette er forresten det første og så langt eneste tidsskriftet i verden som er viet til kvanteberegning. Ytterligere informasjon om det finnes på Internett på http://rcd.ru/qc.). Etter å ha mestret dette arbeidet, vil du kunne lese vitenskapelige artikler om kvanteberegning.
Litt mer foreløpig matematisk trening vil være nødvendig når du leser boken av A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Classical and Quantum Computing" (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999).
En rekke grunnleggende aspekter ved kvantemekanikk som er essensielle for kvanteberegning er analysert i boken av V.V.Belokurov, O.D. Timofeevskaya, O.A. Khrustalev "Quantum teleportation is an ordinary miracle" (Izhevsk: RKhD, 2000).
RKhD Forlag forbereder seg på å publisere i form av en egen bok oversettelsen av A. Steens anmeldelse viet kvantedatamaskiner.
Følgende litteratur vil være nyttig ikke bare kognitivt, men også historisk:
1) Yu. I. Manin. Beregnbar og ikke-beregnbar.
M .: Sov. radio, 1980.
2) I. von Neumann. Matematisk grunnlag for kvantemekanikk.
Moskva: Nauka, 1964.
3) R. Feynman. Simulering av fysikk på datamaskiner // Kvantedatamaskin og kvanteberegning:
Lør. i 2 bind - Izhevsk: RKhD, 1999.Vol. 2, s. 96-123.
4) R. Feynman. Kvantemekaniske datamaskiner
// Ibid, s. 123.-156.
Se saken om samme tema
Nok en hei til alle lesere av bloggen min! I går gled et par historier om en "kvante"-datamaskin gjennom nyhetene nok en gang. Vi vet fra skolefysikkkurset at et kvante er en viss identisk del av energi, det er også uttrykket "kvantesprang", det vil si en øyeblikkelig overgang fra et visst energinivå til et enda høyere nivå.. La oss finne ut sammen hva en kvantedatamaskin er og hva vi alle forventes når denne mirakelmaskinen dukker opp
Jeg ble først interessert i dette emnet mens jeg så filmer om Edward Snowden. Som du vet, samlet denne amerikanske statsborgeren flere terabyte med konfidensiell informasjon (kompromitterende bevis) om aktivitetene til de amerikanske spesialtjenestene, krypterte den godt og la den ut på Internett. "Hvis, sa han, noe skjer med meg, vil informasjonen bli dekryptert og dermed gjort tilgjengelig for alle."
Regnestykket var at denne «hotte» informasjonen ville være relevant i ti år til. Og det kan dechiffreres med moderne datakraft på samme måte ikke mindre enn ti eller flere år senere. En kvantedatamaskin, som forventet av utviklere, vil takle denne oppgaven på tjuefem minutter .. Kryptografer er i panikk. Her er et "kvantesprang" foran oss, venner.
Hvordan en kvantedatamaskin fungerer for dummies
Siden vi allerede har begynt å snakke om kvantefysikk, la oss snakke litt om det. Jeg vil ikke fordype meg i jungelen venner. Jeg er en tekanne, ikke en kvantefysiker. Einstein publiserte sin relativitetsteori for hundre år siden. Alle smarte mennesker på den tiden ble overrasket over hvor mange paradokser og utrolige ting det finnes. Så alle Einsteins parodokser som beskriver lovene i vår verden er bare uskyldig babling fra et fem år gammelt barn sammenlignet med det som skjer på nivået av atomer og molekyler.
"Kvantefysikerne" selv, som beskriver fenomenene som oppstår på nivået av elektroner og molekyler, sier noe sånt som dette: "Dette er utrolig. Det kan ikke være det. Men det er slik. Ikke spør oss hvordan det hele fungerer. Vi vet ikke hvordan eller hvorfor. Vi bare ser på. Men det fungerer. Dette har blitt bevist eksperimentelt. Her er formlene, avhengighetene og eksperimentnotatene."
Så hva er forskjellen mellom en konvensjonell og en kvantedatamaskin? Tross alt går en vanlig datamaskin også på elektrisitet, og elektrisitet er en haug med veldig små partikler - elektroner?
Våre datamaskiner samarbeider med deg på grunnlag av enten "Ja" eller "Nei". Hvis det er strøm i ledningen, er det "Ja" eller "En". Hvis strømmen i ledningen er "Nei", så er den "Null". En variant av verdien "1" og "0" er en enhet for informasjonslagring kalt "Bit" .. En byte er 8 biter og så videre og så videre ...
Tenk deg nå prosessoren din, som har 800 millioner av disse "ledningene" på hver av dem som en slik "null" eller "en" vises og forsvinner på et sekund. Og du kan mentalt forestille deg hvordan han behandler informasjon. Du leser nå teksten, men faktisk er det en samling av nuller og enere.
Ved å søke og beregne, behandler datamaskinen forespørslene dine i Yandex, søker etter de nødvendige til den løser problemet og, ved å eliminere, kommer til bunnen av den du trenger. Viser fonter, bilder på skjermen i en lesbar form for oss ... Så langt håper jeg ingenting komplisert? Og bildet er også nuller og enere.
Forestill deg nå venner for et sekund en modell av solsystemet vårt. Solen er i sentrum, jorden flyr rundt den. Vi vet at den i et bestemt øyeblikk alltid er på et bestemt punkt i rommet, og om et sekund vil den allerede fly tretti kilometer lenger.
Så modellen til atomet er den samme planetariske, hvor atomet også dreier seg rundt kjernen. Men det bevises, venner, av smarte gutter med briller at atomet, i motsetning til Jorden, er samtidig og alltid på alle steder.. Overalt og ingen steder på samme tid. Og de kalte dette bemerkelsesverdige fenomenet «superposisjon». For å få vite mer om andre fenomener innen kvantefysikk, foreslår jeg å se en populærvitenskapelig film, som forteller på enkelt språk om det komplekse og i en ganske original form.
La oss fortsette. Og nå kommer et kvanteslag for å erstatte "vår" bit. Det kalles også "Qubit". Han har det samme, bare to starttilstander "null" og "en". Men siden dens natur er "kvante", kan den SAMTIDIG ta på seg alle mulige mellomverdier. Og samtidig være i dem. Nå trenger ikke verdiene å bli konsekvent beregnet, iterert over .., langt søk i databasen. De er allerede kjent på forhånd, umiddelbart. Beregningene utføres parallelt.
De første "kvante"-algoritmene for matematiske beregninger ble oppfunnet av en matematiker fra England Peter Shor i 1997. Da han viste dem til verden, spente all løsepengevare seg opp, ettersom de eksisterende chifferene "knekkes" av denne algoritmen på noen få minutter.. Men det var ingen datamaskiner som fungerte i henhold til kvantealgoritmen da.
Siden den gang har det på den ene siden pågått arbeid med å lage et fysisk system der en kvantebit ville fungere. Det vil si "jern". På den annen side kommer de allerede med beskyttelse mot kvantehacking og datadekryptering.
Hva nå? Og slik ser en kvanteprosessor ut under et 9-qubit mikroskop fra Google.
Overtok de oss? 9 qubits eller 15 bits etter "gamle" måten, dette er ikke så mye ennå. Pluss de høye kostnadene, mange tekniske problemer og en kort "levetid" på kvanter. Men husk at først var det 8-bits prosessorer, så dukket det opp 16-bits prosessorer ... Så det blir med disse ...
Kvantedatamaskin i Russland - myte eller virkelighet?
Og hva er vi? Og vi ble ikke født bak ovnen. Her er et bilde av den første russiske Qubit under et mikroskop. Her er han egentlig alene. 
Det ser også ut som en slags "løkke" der noe skjer for oss som ennå ikke er kjent. Det er gledelig å tenke på om våre, med støtte fra staten, utvikler sine egne. Så innenlandsk utvikling er ikke lenger en myte. Dette er vår fremtid. Hva det blir, får vi se.
Siste nytt om Russlands 51-qubit kvantedatamaskin
Her er nyhetene i sommer. Våre onkler (ære og pris til dem!) Har utviklet verdens kraftigste (!) Quantum (!) Computer 51 qubits (!) T. Det mest interessante er at Google før det annonserte sin 49-qubit-datamaskin. Og ifølge deres estimater skulle de ha gjort det ferdig om en måned eller så. Og vår bestemte oss for å vise en ferdiglaget, deres egen kvanteprosessor for 51 qubits .. Bravo! Dette er løpet som pågår. Vi bør i det minste følge med. Fordi det forventes et stort gjennombrudd i vitenskapen når disse systemene fungerer. Her er et bilde av en person som representerte vår utvikling på det internasjonale "quantum"-forumet.
Etternavnet til denne forskeren er Mikhail Lukin. I dag er navnet hans i søkelyset. Det er umulig å lage et slikt prosjekt alene, det forstår vi. Han og teamet hans har laget den kraftigste kvantedatamaskinen eller prosessoren i verden (!). Her er hva kompetente personer har å si om dette:
« En fungerende kvantedatamaskin er mye mer forferdelig enn en atombombe, "bemerker medgründeren av det russiske kvantesenteret Sergei Belousov. – Han (Mikhail Lukin) laget et system med flest qubits. For sikkerhets skyld. På dette tidspunktet tror jeg det er mer enn dobbelt så mange qubits som noen andre. Og han laget 51 qubits med vilje, ikke 49. Fordi Google sa hele tiden at de ville tjene 49.»
Lukin selv og lederen av kvantelaboratoriet ved Google John Martinez anser seg imidlertid ikke som konkurrenter eller rivaler. Forskere er overbevist om at naturen er deres viktigste rival, og hovedmålet er utviklingen av teknologier og implementeringen av dem for å fremme menneskeheten til et nytt utviklingsstadium.
"Det er feil å tenke på det som et løp," sier John Martinez. – Vi har et skikkelig kappløp med naturen. For det er veldig vanskelig å bygge en kvantedatamaskin. Og det er bare spennende at noen klarte å lage et system med så mange qubits. Så langt er 22 qubits det maksimale vi kunne gjøre. Selv om vi brukte all vår magi og profesjonalitet."
Ja, alt dette er veldig interessant. Hvis vi husker analogien, da transistoren ble oppfunnet, kunne ingen ha visst at datamaskiner ville fungere på denne teknologien om 70 år. I en moderne prosessor alene når antallet 700 millioner ... Den første datamaskinen veide mange tonn og okkuperte store områder. Men personlige datamaskiner dukket opp uansett - mye senere ...
Jeg tror at vi i nær fremtid ikke bør vente på at enheter av denne klassen skal vises i butikkene våre. Mange venter på dem. Spesielt kryptovaluta-gruvearbeidere krangler mye om dette. Forskere ser på ham med håp, og militæret ser på ham med stor oppmerksomhet. Potensialet til denne utviklingen, slik vi forstår det, er ikke helt klart.
Det er bare klart at når det hele fungerer, vil det trekke hele den vitenskapsintensive industrien fremover. Gradvis vil nye teknologier, nye industrier, ny programvare dukke opp.. Tiden vil vise. Hvis bare folk ikke ville svikte sin egen kvantedatamaskin, gitt til oss ved fødselen - dette er hodet vårt. Så ikke hastverk med å kaste dingsene dine i søpla ennå. De vil tjene deg i lang tid. Skriv om artikkelen var interessant. Kom tilbake oftere. Ha det!
Kvantedatamaskiner lover verden enorm databehandlingshastighet, men det er ikke så lett å utvikle selv den enkleste "ikke-klassiske" kopien. Forskere ved Yale tok et nytt skritt mot fremtiden: de klarte å lage en to-qubit solid-state kvanteprosessor og vise at den er i stand til å jobbe med de enkleste kvantealgoritmene.
Kvanteegenskapene til partikler gjør det mulig å oppnå imponerende resultater, men det er vanskelig å lage en kvanteanalog av silisiumenheter fra konvensjonelle materialer.
La oss forklare. I klassiske datamaskiner er informasjon kryptert som 0 og 1 (ja/nei, på/av). Hver minnebit kan være en av disse to verdiene. En kombinasjon av to biter kan ha fire verdier 00, 11, 01 eller 10.
Når det gjelder kvantebiter (qubits), på grunn av prinsippet om kvantesuperposisjon, kan både 0 og 1 være plassert i en celle, så vel som deres kombinasjon (00, 11, 01 og 10 samtidig) (vi snakket om dette mer detaljert og). Det er av denne grunn at kvantesystemer kan operere raskere og med store mengder informasjon.
I tillegg kan qubits være sammenfiltret: når kvantetilstanden til en qubit bare kan beskrives i forhold til tilstanden til en annen (i faststoffsystemer ble kvantesammenfiltring først realisert i diamant). Denne egenskapen til kvantesystemer brukes til å behandle informasjon.
Fysikere ledet av Leonardo DiCarlo fra Yale Center for Quantum and Information Physics har laget en kvante-solid-state prosessor for første gang.
Til slutt begynte kvanteprosessorer å se ut som vanlige databrikker (foto av Blake Johnson / Yale University).
Tidligere, for å utføre operasjoner med qubits, var det nødvendig å bruke lasere, kjernemagnetisk resonans og ionefeller, skriver forfatterne i sin artikkel publisert i tidsskriftet Nature (fortrykket kan også finnes på arXiv.org).
Men for å bringe utseendet til en ekte kvantedatamaskin nærmere, er det nødvendig å lage en enklere og mindre følsom maskin for svingninger i ytre forhold. Dette betyr at det er ønskelig å lage en av de viktigste arbeidsdelene (prosessor) fra klassiske solide materialer.
Dicarlo og kollegene hans har gjort nettopp det. De bygde en enhet som opererer med to transmon-qubits. Transmon er to fragmenter av en superleder forbundet med tunnelkontakter.
I dette tilfellet er prosessoren en film av superledende materiale (den inneholder niob) avsatt på et korund (aluminiumoksid) substrat. Riller er etset på overflaten, strøm kan tunnelere gjennom dem (igjen på grunn av kvanteeffekter).
To slike qubits (som representerer milliarder av aluminiumatomer i samme kvantetilstand og fungerer som en helhet) i den nye brikken er atskilt med et hulrom, som er en slags "kvantebuss".
"Våre tidligere eksperimenter viste at to kunstige atomer kan kobles sammen med en resonansbuss, som er en mikrobølgesender," sier medforfatter Robert Schoelkopf.
Det som er veldig viktig - for å lage en prosessor, brukte forskere en standardteknologi som brukes i moderne industri.
Den eneste ulempen med den nye brikken er dens lave driftstemperatur. Enheten må avkjøles for å opprettholde superledning. Dette gjøres av et spesielt system som holder temperaturen rundt seg litt over det absolutte nullpunktet (i størrelsesorden noen få tusendeler av en Kelvin).
Diagram av en to-qubit-enhet fra Yale, lagt over et bilde av prosessoren. Sidefeltene nedenfor viser transmon (illustrasjon Nature).
Disse qubitene kan være i en tilstand av kvantesammenfiltring (som oppnås ved bruk av mikrobølger med en viss frekvens). Hvor lenge denne tilstanden vedvarer bestemmes av spenningspulsen.
Forskere har oppnådd en bevaringsvarighet på ett mikrosekund (i noen tilfeller til og med tre mikrosekunder), som fortsatt er grensen. Men for bare ti år siden oversteg ikke denne verdien et nanosekund, det vil si at den var tusen ganger mindre.
Merk at jo lenger sammenfiltring varer, jo bedre for en kvantedatamaskin, siden "langsiktige" qubits kan løse mer komplekse problemer.
I dette tilfellet brukte prosessoren Grover-algoritmen og Deutsch-Jozsa-algoritmen for å utføre to forskjellige oppgaver. Prosessoren ga riktig svar 80 % av tiden (ved å bruke den første algoritmen) og 90 % av tiden (med andre algoritme).
Forresten, avlesningen av resultatet (tilstanden til qubitene) skjer også ved hjelp av mikrobølger: hvis oscillasjonsfrekvensen tilsvarer den som er tilstede i hulrommet, passerer signalet gjennom det.
"Resonansfrekvensen til hulrommet avhenger av tilstanden til qubiten. Hvis den overførte strålingen går gjennom, er den i "riktig" tilstand, sier Dicarlo.
Dette arbeidet til fysikere fra Yale (samt forskere fra de kanadiske universitetene i Waterloo og Sherbrooke og det tekniske universitetet i Wien) er utvilsomt unikt, men den brukte avlesningsteknologien kan pumpe opp i mer komplekse systemer med et stort antall qubits.
Dicarlo tror at en 3-4-qubit-prosessor (basert på denne utviklingen) vil bli opprettet i nær fremtid, men for å ta neste steg (å bringe antall qubits til 10), er det nødvendig å lage en like betydelig gjennombrudd.
"Prosessoren vår kan bare utføre noen få enkle operasjoner så langt. Men den har en viktig fordel - den er helt elektronisk og mye mer som en konvensjonell mikroprosessor enn alle tidligere utviklinger, heter det i en pressemelding fra University of Schölkopf.
Geordie Rose, sjef for teknologi hos D-Wave Systems, viser frem den siste kvantedatamaskinen bygget i selskapet hans (NY Times-bilde).
Det er ikke klart bare hvordan den nye prestasjonen forholder seg til selskapets produkter.
En kvantedatamaskin er ikke bare en neste generasjons datamaskin, den er mye mer. Ikke bare fra synspunktet om bruken av de nyeste teknologiene, men også fra dets ubegrensede, utrolige, fantastiske muligheter, som ikke bare kan endre den menneskelige verden, men til og med ... skape en annen virkelighet.
Som du vet bruker moderne datamaskiner minne representert i binær kode: 0 og 1. Akkurat som i morsekode - punktum og bildetekst. Ved hjelp av to tegn kan du kryptere all informasjon ved å variere kombinasjonene deres.
Det er milliarder av disse bitene i minnet til en moderne datamaskin. Men hver av dem kan være i én av to tilstander – enten null eller én. Som en lyspære: enten på eller av.
En kvantebit (qubit) er det minste elementet av informasjonslagring i en datamaskin i fremtiden. En informasjonsenhet i en kvantedatamaskin kan nå ikke bare være null eller én, men begge samtidig.
En celle utfører to handlinger, to til fire, fire til seksten osv. Derfor kan kvantesystemer fungere dobbelt så raskt og med store mengder informasjon enn moderne.
For første gang ble en qubit (Q-bit) "målt" av forskere fra Russian Quantum Center (RQC) og Laboratory of Superconducting Meta Materials.
På den tekniske siden er en qubit en metallring med kutt, flere mikron i diameter, avsatt på en halvleder. Ringen avkjøles til ultralave temperaturer for at den skal bli en superleder. Vi antar at strømmen som går gjennom ringen går med klokken - dette er 1. Mot - 0. Det vil si at det er to normaltilstander.
Mikrobølgestråling ble ført gjennom ringen. Ved utgangen fra ringen til denne strålingen ble faseforskyvningen til strømmen målt. Det viste seg at hele dette systemet kan være i to hovedsystemer, og blandet tilstand: begge på samme tid !!! I vitenskapen kalles dette superposisjonsprinsippet.
Et eksperiment av russiske forskere (et lignende ble utført av forskere fra andre land) beviste at en qubit har rett til liv. Opprettelsen av en qubit førte til ideen og brakte forskere nærmere drømmen om å lage en optisk kvantedatamaskin. Det gjenstår bare å designe og lage det. Men ikke alt er så enkelt...
Vanskeligheter, problemer med å lage en kvantedatamaskin
Hvis det for eksempel kreves å beregne en milliard varianter i en moderne datamaskin, må den "scrolle" en milliard slike sykluser. Det er en grunnleggende forskjell på en kvantedatamaskin, den kan beregne alle disse alternativene samtidig.
Et av hovedprinsippene som en kvantedatamaskin vil fungere etter er superposisjonsprinsippet, og det kan ikke kalles annet enn magi!
Det betyr at samme person kan være på forskjellige steder samtidig. Fysikere spøker: "Hvis du ikke er sjokkert over kvanteteorien, så har du ikke forstått den."
Utseendet til kvantedatamaskinene som lages nå er slående forskjellig fra de klassiske. De ser ut som ... et måneskinn fortsatt:
Et slikt design, som består av kobber- og gulldeler, kjølespoler og andre karakteristiske detaljer, passer selvfølgelig ikke skaperne. En av hovedoppgavene til forskerne er å gjøre den kompakt og billig. For at dette skal skje, må flere problemer løses.
Problem én - ustabilitet av superposisjoner
Alle disse kvantesuperposisjonene er veldig delikate. Så snart du begynner å se på dem, så snart de begynner å samhandle med andre gjenstander, blir de umiddelbart ødelagt. De blir liksom klassiske. Dette er et av de viktigste problemene ved å bygge en kvantedatamaskin.
Det andre problemet - sterk kjøling er nødvendig
Den andre hindringen er å oppnå stabil drift av en kvantedatamaskin. i den formen vi har i dag trenger den sterk nedkjøling. Sterk er etableringen av utstyr der temperaturen holdes nær absolutt null - minus 273 grader Celsius! Derfor ser nå prototyper av slike datamaskiner, med deres kryogene-vakuuminstallasjoner, veldig tungvinte ut:
Forskere er imidlertid sikre på at snart vil alle tekniske problemer være løst og en dag vil kvantedatamaskiner med enorm datakraft erstatte moderne.
Noen tekniske løsninger for å løse problemer
Nå har forskere funnet en rekke viktige løsninger på problemene ovenfor. Disse teknologiske oppdagelsene, resultatet av komplekst og noen ganger langvarig, hardt arbeid fra forskere, fortjener all respekt.
Den beste måten å perfeksjonere en qubit ... diamanter
Alt er veldig likt den berømte sangen om jenter og diamanter. Det viktigste forskerne jobber med nå er å heve livstid qubit, samt "få" en kvantedatamaskin til å fungere ved normale temperaturer... Ja, diamanter trengs for kommunikasjon mellom kvantedatamaskiner! For alt dette var det nødvendig å lage og bruke kunstige diamanter med super høy gjennomsiktighet. Med deres hjelp var de i stand til å forlenge levetiden til en qubit opp til to sekunder. Disse beskjedne prestasjonene - to sekunder av en qubits liv og en datamaskin som kjører ved romtemperatur - er faktisk en revolusjon innen vitenskapen.
Essensen av eksperimentet til den franske forskeren Serge Aroche er basert på det faktum at han var i stand til å vise hele verden at lys (en kvantestrøm av fotoner) som passerer mellom to spesiallagde speil, ikke mister sin kvantetilstand.
Ved å tvinge lyset til å reise 40 000 km mellom disse speilene, bestemte han at alt skjer uten å miste en kvantetilstand. Lys består av fotoner og til nå har ingen kunne finne ut om de mister kvantetilstanden når de reiser en viss avstand. Nobelprisvinner Serge Arosh: « Ett foton er på flere steder samtidig, vi klarte å fikse det." Faktisk dette er superposisjonsprinsippet... «I vår store verden er dette umulig. Og i mikroverdenen er det forskjellige lover. ”, sier Arosh.
Inne i resonatoren var det klassiske atomer som kunne måles. Fra atferden til atomer har fysikeren lært å identifisere og måle unnvikende kvantepartikler. Før Arosh sine eksperimenter, ble det antatt at observasjon av kvanter var umulig. Etter eksperimentet begynte de å snakke om erobringen av fotoner, altså om tilnærmingen til kvantedatamaskinens æra.
Hvorfor venter mange mennesker spent på etableringen av en fullverdig kvantegenerator, mens andre er redde for det
En kvantedatamaskin vil gi menneskeheten store muligheter
En kvantedatamaskin vil åpne grenseløse muligheter for menneskeheten. For eksempel vil det bidra til å skape et kunstig sinn, som science fiction-forfattere har freset om så lenge. Eller simuler universet. Fullstendig. I følge de mest konservative prognosene vil det tillate å se forbi det mulige. La oss forestille oss en verden der du kan modellere absolutt hva du vil: designe et molekyl, et ultrasterkt metall, raskt nedbrytende plast, komme opp med en kur mot uhelbredelige sykdommer. Maskinen vil simulere hele vår verden, som helhet, til det siste atomet. Du kan til og med simulere en annen verden, til og med en virtuell.
Kvantedatamaskinen kan bli instrumentet til Apokalypsen
Mange mennesker, etter å ha forstått essensen av kvanteteknologi, er redde for det av forskjellige grunner. Allerede nå skremmer databehandling og all nesten-datateknologi den gjennomsnittlige person. Det er nok å huske skandalene om hvordan spesielle tjenester, ved å bruke innebygde programmer i PC-er og til og med husholdningsapparater, organiserer overvåking og innsamling av data om forbrukerne. I mange land har for eksempel de velkjente brillene blitt forbudt - de er tross alt et ideelt middel for skjult skyting og sporing. Allerede nå er sikkert hver innbygger i ethvert land, og enda mer en bruker på Internett, lagt inn i en database. Dessuten, og ganske realistisk, kan visse tjenester beregne enhver handling på Internett.
Men det vil ikke være hemmeligheter for kvantedatamaskiner! Ingen i det hele tatt. All datasikkerhet er basert på svært lange passordnumre. Det ville tatt en vanlig datamaskin en million år å finne nøkkelen til koden. Men ved hjelp av en kvante, kan hvem som helst gjøre det umiddelbart. Det viser seg at verden vil bli helt utrygg: tross alt i den moderne verden er alt kontrollert av datamaskiner: bankoverføringer, flyreiser, børser, atomraketter! Og slik viser det seg: den som eier informasjonen eier verden. Hvem som er den første er den ene og guden. Kvantedatamaskinen vil bli sterkere enn noe kompleks av våpen... På jorden kan et nytt våpenkappløp begynne (eller har allerede begynt), bare nå, ikke kjernefysisk, men datamaskin.
Må Gud la oss komme trygt ut av det...
Kvantedatabehandling, i det minste i teorien, har blitt snakket om i flere tiår. Moderne maskintyper som bruker ikke-klassisk mekanikk for å behandle potensielt utenkelige mengder data er store gjennombrudd. I følge utviklerne viste implementeringen seg å være den kanskje mest komplekse teknologien som noen gang er laget. Kvanteprosessorer opererer på nivåer av materie som menneskeheten bare kjente for rundt 100 år siden. Potensialet for slike beregninger er enormt. Å bruke de bisarre egenskapene til quanta vil fremskynde beregningene, så mange problemer som for øyeblikket er utenfor kraften til klassiske datamaskiner vil bli løst. Og ikke bare innen kjemi og materialvitenskap. Wall Street viser også interesse.
Investering i fremtiden
CME Group har investert i Vancouver-baserte 1QB Information Technologies Inc., som utvikler programvare for kvanteprosessorer. Ifølge investorer vil slike beregninger sannsynligvis ha størst innvirkning på bransjer som håndterer store mengder tidssensitive data. Finansinstitusjoner er et eksempel på slike forbrukere. Goldman Sachs har investert i D-Wave Systems, og In-Q-Tel er finansiert av CIA. Førstnevnte produserer maskiner som gjør det som kalles «quantum annealing», det vil si at de løser optimaliseringsproblemer på lavt nivå ved hjelp av en kvanteprosessor. Intel investerer også i denne teknologien, selv om de anser implementeringen som et spørsmål om fremtiden.
Hvorfor er dette nødvendig?
Grunnen til at kvantedatabehandling er så spennende ligger i den perfekte kombinasjonen med maskinlæring. Det er for tiden hovedapplikasjonen for slike beregninger. En del av selve ideen med en kvantedatamaskin er bruken av en fysisk enhet for å finne løsninger. Noen ganger er dette konseptet forklart med eksemplet med spillet Angry Birds. Nettbrettets CPU bruker matematiske ligninger for å simulere tyngdekraften og samspillet mellom objekter som kolliderer. Kvanteprosessorer snur denne tilnærmingen opp ned. De slipper noen fugler og ser på hva som skjer. Fugler registreres i mikrobrikken, de kastes, hva er den optimale banen? Da blir alle mulige løsninger sjekket, eller i det minste en veldig stor kombinasjon av dem, og svaret er gitt. I en kvantedatamaskin, ikke en matematiker, fungerer fysikkens lover i stedet.
Hvordan virker det?
De grunnleggende byggesteinene i vår verden er kvantemekaniske. Hvis du ser på molekyler, er grunnen til at de dannes og forblir stabile samspillet mellom deres elektroniske orbitaler. Alle kvantemekaniske beregninger er inkludert i hver av dem. Antallet deres vokser eksponentielt med antallet simulerte elektroner. For eksempel, for 50 elektroner, er det 2 muligheter til 50. potens. Dette er fenomenalt, så det kan ikke beregnes i dag. Å koble informasjonsteori til fysikk kan vise vei til å løse slike problemer. En 50-qubit datamaskin kan gjøre det.
Daggry av en ny æra
I følge Landon Downs, president og medgründer av 1QBit, er en kvanteprosessor evnen til å utnytte datakraften til den subatomære verdenen, som er avgjørende for å lage nye materialer eller lage nye medisiner. En overgang fra et oppdagelsesparadigme til en ny designæra finner sted. For eksempel kan kvanteberegning brukes til å modellere katalysatorer som trekker ut karbon og nitrogen fra atmosfæren og dermed bidrar til å stoppe global oppvarming.
I forkant av fremgangen
Teknologimiljøet er ekstremt begeistret og travelt. Team rundt om i verden ved startups, selskaper, universiteter og offentlige laboratorier kappløper for å bygge maskiner som tar forskjellige tilnærminger til å behandle kvanteinformasjon. Det er laget superledende qubit-brikker og fangede ion-qubits, som studeres av forskere fra University of Maryland og US National Institute of Standards and Technology. Microsoft utvikler en topologisk tilnærming kalt Station Q, som tar sikte på å bruke en ikke-abelsk anion som ennå ikke er endelig bevist å eksistere.
Året med sannsynlig gjennombrudd
Og dette er bare begynnelsen. Per slutten av mai 2017 er antallet kvanteprosessorer som definitivt kan gjøre noe raskere eller bedre enn en klassisk datamaskin null. En slik hendelse ville etablere "kvanteoverherredømme", men det har ennå ikke skjedd. Selv om det er sannsynlig at dette kan skje i år. De fleste innsidere sier at den klare favoritten er Google-gruppen ledet av UC Santa Barbara fysikkprofessor John Martini. Målet er å oppnå beregningsmessig overlegenhet med en 49-qubit-prosessor. I slutten av mai 2017 hadde teamet vellykket testet 22-qubit-brikken som et midlertidig skritt mot å demontere en klassisk superdatamaskin.
Hvordan startet det hele?
Ideen om å bruke kvantemekanikk for informasjonsbehandling har eksistert i flere tiår. En av de viktigste hendelsene skjedde i 1981 da IBM og MIT var vertskap for en konferanse om fysikk i databehandling. Den berømte fysikeren foreslo å bygge en kvantedatamaskin. For modellering bør man ifølge ham bruke kvantemekanikkens midler. Og dette er en flott oppgave da det ikke virker så lett. I en kvanteprosessor er operasjonsprinsippet basert på flere merkelige egenskaper til atomer - superposisjon og sammenfiltring. En partikkel kan være i to tilstander samtidig. Men når den måles, vil den vises i bare én av dem. Og det er umulig å forutsi hvilken, bortsett fra sannsynlighetsteoriens ståsted. Denne effekten er kjernen i tankeeksperimentet med Schrödingers katt, som samtidig er levende og død i en boks til observatøren sniker seg inn der. Ingenting i hverdagen fungerer slik. Likevel viser rundt 1 million eksperimenter utført siden begynnelsen av det 20. århundre at superposisjon eksisterer. Og neste trinn er å finne ut hvordan du bruker dette konseptet.
Kvanteprosessor: stillingsbeskrivelse
Klassiske biter kan ta verdien 0 eller 1. Hvis du sender strengen deres gjennom de "logiske portene" (AND, OR, NOT, etc.), så kan du multiplisere tall, tegne bilder osv. En qubit kan ta på seg verdiene 0, 1 eller begge samtidig. Hvis for eksempel 2 qubits er sammenfiltret, gjør dette dem perfekt korrelert. En kvanteprosessor kan bruke logiske porter. T.n. en Hadamard-port, for eksempel, setter en qubit i en tilstand av perfekt superposisjon. Når superposisjon og sammenfiltring kombineres med smart plasserte kvanteporter, begynner potensialet for subatomær beregning å utfolde seg. 2 qubits lar deg utforske 4 tilstander: 00, 01, 10 og 11. Driftsprinsippet til en kvanteprosessor er slik at å utføre en logisk operasjon gjør det mulig å jobbe med alle posisjoner samtidig. Og antall tilgjengelige tilstander er 2 i potensen av antall qubits. Så hvis du lager en 50-qubit universell kvantedatamaskin, så kan du teoretisk utforske alle 1.125 kvadrillioner kombinasjoner samtidig.
Kudits
En kvanteprosessor i Russland blir sett på litt annerledes. Forskere fra Moskva-instituttet for fysikk og teknologi og det russiske kvantesenteret har laget "kudits", som er flere "virtuelle" qubits med forskjellige "energi"-nivåer.
Amplituder
En kvanteprosessor har den fordelen at kvantemekanikk er basert på amplituder. Amplituder ligner på sannsynligheter, men de kan også være negative og komplekse tall. Så hvis det er nødvendig å beregne sannsynligheten for en hendelse, kan du legge til amplitudene til alle mulige varianter av utviklingen deres. Tanken bak kvanteberegning er å prøve å stille inn på en slik måte at noen veier til feil svar har positive amplituder og noen negative, slik at de kansellerer hverandre. Og banene som fører til det riktige svaret vil ha amplituder som er i fase med hverandre. Trikset er at du må organisere alt uten å vite på forhånd hvilket svar som er riktig. Så eksponentialiteten til kvantetilstander, kombinert med potensialet for interferens mellom positive og negative amplituder, er en fordel med denne typen beregninger.
Shors algoritme
Det er mange oppgaver som datamaskinen ikke kan løse. For eksempel kryptering. Problemet er at det ikke er lett å finne primfaktorene til et 200-sifret tall. Selv om den bærbare datamaskinen kjører god programvare, kan det ta år å finne svaret. Så en annen milepæl innen kvanteberegning var en algoritme publisert i 1994 av Peter Shor, nå professor i matematikk ved MIT. Metoden hans er å finne faktorene til et stort antall ved hjelp av en kvantedatamaskin som ennå ikke eksisterte. I hovedsak utfører algoritmen operasjoner som indikerer områder med riktig svar. Det neste året oppdaget Shore en metode for kvantefeilkorreksjon. Da skjønte mange at dette er en alternativ måte å regne på, som i noen tilfeller kan være kraftigere. Så var det en bølge av interesse fra fysikernes side for å lage qubits og logiske porter mellom dem. Og nå, to tiår senere, er menneskeheten på nippet til å skape en fullverdig kvantedatamaskin.
