O kvantových výpočtoch sa, aspoň teoreticky, hovorí už desaťročia. Moderné typy strojov, využívajúce neklasickú mechaniku na spracovanie potenciálne nepredstaviteľného množstva dát, boli veľkým prelomom. Podľa vývojárov sa ich implementácia ukázala byť azda najkomplexnejšou technológiou, aká bola kedy vytvorená. Kvantové procesory fungujú na úrovniach hmoty, ktoré sa ľudstvo naučilo len pred 100 rokmi. Potenciál takejto výpočtovej techniky je obrovský. Využitie bizarných vlastností kvánt urýchli výpočty, takže sa vyrieši veľa problémov, ktoré sú v súčasnosti nad možnosti klasických počítačov. A to nielen v oblasti chémie a materiálovej vedy. Záujem má aj Wall Street.

Investovanie do budúcnosti

CME Group investovala do spoločnosti 1QB Information Technologies Inc. so sídlom vo Vancouveri, ktorá vyvíja softvér pre kvantové procesory. Takéto výpočty budú mať pravdepodobne najväčší vplyv na odvetvia, ktoré sa zaoberajú veľkými objemami časovo citlivých údajov, hovoria investori. Príkladom takýchto spotrebiteľov sú finančné inštitúcie. Goldman Sachs investoval do D-Wave Systems a In-Q-Tel je financovaný CIA. Prvý vyrába stroje, ktoré robia to, čo sa nazýva „kvantové žíhanie“, t. j. riešia nízkoúrovňové optimalizačné problémy pomocou kvantového procesora. Do tejto technológie investuje aj Intel, hoci jej implementáciu považuje za záležitosť budúcnosti.

Prečo je to potrebné?

Dôvodom, prečo sú kvantové výpočty také vzrušujúce, je ich dokonalá kombinácia so strojovým učením. Toto je v súčasnosti hlavná aplikácia pre takéto výpočty. Súčasťou myšlienky kvantového počítača je použitie fyzického zariadenia na nájdenie riešení. Niekedy je tento koncept vysvetlený na príklade hry Angry Birds. Na simuláciu gravitácie a interakcie kolidujúcich objektov používa CPU tabletu matematické rovnice. Kvantové procesory stavajú tento prístup na hlavu. "Nahodia" pár vtákov a uvidia, čo sa stane. Vtáky sa zaznamenávajú na mikročip, hádžu sa, aká je optimálna trajektória? Potom sa otestujú všetky možné riešenia alebo aspoň ich veľmi veľká kombinácia a vráti sa odpoveď. V kvantovom počítači neexistuje matematik, namiesto toho fungujú fyzikálne zákony.

Ako to funguje?

Základné stavebné kamene nášho sveta sú kvantová mechanika. Ak sa pozriete na molekuly, dôvod, prečo sa tvoria a zostávajú stabilné, je interakcia ich elektrónových orbitálov. Všetky kvantovomechanické výpočty sú obsiahnuté v každom z nich. Ich počet rastie exponenciálne s počtom simulovaných elektrónov. Napríklad pre 50 elektrónov existujú 2 až 50 možnosti výkonu. To je fenomenálne, takže sa to dnes nedá vypočítať. Prepojenie teórie informácie s fyzikou môže ukázať cestu k riešeniu takýchto problémov. Dokáže to 50-qubitový počítač.

Úsvit novej éry

Podľa Landona Downsa, prezidenta a spoluzakladateľa 1QBit, je kvantový procesor schopnosťou využiť výpočtovú silu subatomárneho sveta, čo má obrovské dôsledky na získavanie nových materiálov alebo vytváranie nových liekov. Nastáva posun od paradigmy objavovania k novej ére dizajnu. Napríklad kvantové výpočty možno použiť na modelovanie katalyzátorov, ktoré odstraňujú uhlík a dusík z atmosféry, a tým pomáhajú zastaviť globálne otepľovanie.

Na čele pokroku

Komunita vývoja technológií je mimoriadne nadšená a aktívna. Tímy po celom svete v startupoch, korporáciách, univerzitách a vládnych laboratóriách sa pretekajú v zostavovaní strojov, ktoré využívajú rôzne prístupy k spracovaniu kvantových informácií. Supravodivé qubitové čipy a zachytené iónové qubity vytvorili výskumníci z University of Maryland a amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie. Microsoft vyvíja topologický prístup s názvom Station Q, ktorého cieľom je využiť neabelovský anión, ktorého existencia ešte nebola presvedčivo dokázaná.

Rok možného prelomu

A toto je len začiatok. Ku koncu mája 2017 je počet kvantových procesorov, ktoré jednoznačne robia niečo rýchlejšie alebo lepšie ako klasický počítač, nulový. Takáto udalosť by vytvorila „kvantovú nadvládu“, ale zatiaľ sa tak nestalo. Aj keď je pravdepodobné, že by sa tak mohlo stať ešte tento rok. Väčšina zasvätených hovorí, že jasným favoritom je tím Google vedený profesorom fyziky v Santa Barbare Johnom Martinim. Jeho cieľom je dosiahnuť výpočtovú prevahu pomocou 49-qubitového procesora. Do konca mája 2017 tím úspešne otestoval 22-qubitový čip ako medzikrok smerom k rozobratiu klasického superpočítača.

Kde sa to všetko začalo?

Myšlienka využitia kvantovej mechaniky na spracovanie informácií existuje už desaťročia. Jedna z kľúčových udalostí sa udiala v roku 1981, keď IBM a MIT spoločne zorganizovali konferenciu o fyzike výpočtovej techniky. Slávny fyzik navrhol postaviť kvantový počítač. Na modelovanie by sa podľa neho mala využívať kvantová mechanika. A to je skvelá úloha, pretože to nevyzerá tak ľahko. Princíp činnosti kvantového procesora je založený na niekoľkých zvláštnych vlastnostiach atómov – superpozícii a prepletení. Častica môže byť súčasne v dvoch stavoch. Pri meraní sa však objaví len v jednom z nich. A je nemožné predpovedať, ktorý z nich, okrem z pohľadu teórie pravdepodobnosti. Tento efekt je základom myšlienkového experimentu Schrödingerovej mačky, ktorá je živá aj mŕtva v krabici, kým ju pozorovateľ nenakukne. Nič v bežnom živote takto nefunguje. Avšak asi 1 milión experimentov uskutočnených od začiatku 20. storočia ukazuje, že superpozícia skutočne existuje. A ďalším krokom je zistiť, ako tento koncept použiť.

Quantum procesor: popis práce

Klasické bity môžu mať hodnotu 0 alebo 1. Ak ich reťazec prejdete cez „logické brány“ (AND, OR, NOT atď.), môžete násobiť čísla, kresliť obrázky atď. Qubit môže nadobúdať hodnoty 0, 1 alebo obe súčasne. Ak sú, povedzme, zapletené 2 qubity, potom sú dokonale korelované. Kvantový procesor môže používať logické brány. T.n. Hadamardova brána napríklad umiestňuje qubit do stavu dokonalej superpozície. Keď sa superpozícia a zapletenie skombinujú s šikovne umiestnenými kvantovými bránami, začne sa rozvíjať potenciál subatomárnych výpočtov. 2 qubity umožňujú preskúmať 4 stavy: 00, 01, 10 a 11. Princíp činnosti kvantového procesora je taký, že vykonaním logickej operácie je možné pracovať so všetkými pozíciami naraz. A počet dostupných stavov je 2 na mocninu počtu qubitov. Ak by ste teda vytvorili 50-qubitový univerzálny kvantový počítač, teoreticky by ste mohli preskúmať všetkých 1,125 kvadriliónov kombinácií naraz.

Kudits

Na kvantový procesor v Rusku sa pozerá trochu inak. Vedci z MIPT a Ruského kvantového centra vytvorili „qudits“, čo je niekoľko „virtuálnych“ qubitov s rôznymi „energetickými“ úrovňami.

Amplitúdy

Kvantový procesor má tú výhodu, že kvantová mechanika je založená na amplitúdach. Amplitúdy sú podobné pravdepodobnosti, ale môžu to byť aj záporné a komplexné čísla. Ak teda potrebujete vypočítať pravdepodobnosť udalosti, môžete sčítať amplitúdy všetkých možných možností ich vývoja. Myšlienkou kvantového počítania je pokúsiť sa ho vyladiť tak, aby niektoré cesty k nesprávnym odpovediam mali kladnú amplitúdu a niektoré zápornú amplitúdu, takže sa navzájom rušia. A cesty vedúce k správnej odpovedi by mali amplitúdy, ktoré sú navzájom vo fáze. Trik je v tom, aby ste si všetko zorganizovali bez toho, aby ste vopred vedeli, ktorá odpoveď je správna. Takže exponenciálna povaha kvantových stavov v kombinácii s potenciálom interferencie medzi kladnými a zápornými amplitúdami je výhodou tohto typu výpočtu.

Shorov algoritmus

Existuje veľa problémov, ktoré počítač nedokáže vyriešiť. Napríklad šifrovanie. Problém je v tom, že nájsť prvočíslo 200-miestneho čísla nie je také ľahké. Aj keď váš laptop používa skvelý softvér, možno budete musieť čakať roky, kým nájdete odpoveď. Takže ďalším míľnikom v kvantových výpočtoch bol algoritmus publikovaný v roku 1994 Petrom Shoreom, teraz profesorom matematiky na MIT. Jeho metódou je nájsť faktory veľkého počtu pomocou kvantového počítača, ktorý ešte neexistoval. Algoritmus v podstate vykonáva operácie, ktoré poukazujú na oblasti so správnou odpoveďou. Nasledujúci rok Shor objavil metódu kvantovej korekcie chýb. Potom si mnohí uvedomili, že ide o alternatívny spôsob výpočtovej techniky, ktorý by v niektorých prípadoch mohol byť výkonnejší. Potom nastal prudký nárast záujmu zo strany fyzikov o vytváranie qubitov a logických brán medzi nimi. A teraz, o dve desaťročia neskôr, je ľudstvo na pokraji vytvorenia plnohodnotného kvantového počítača.

Minulý týždeň sa objavili správy, že Google urobil prelom vo vývoji kvantového počítača -
spoločnosť pochopila, ako si takýto počítač poradí
s vlastnými chybami. O kvantových počítačoch sa hovorí už niekoľko rokov: bolo to napríklad na titulke magazínu Time. Ak sa takéto počítače objavia, bude to prelom podobný vzhľadu klasických počítačov – alebo ešte vážnejší. Look At Me vysvetľuje, prečo sú kvantové počítače skvelé a čo presne Google urobil.

Čo je kvantový počítač?

Kvantový počítač je mechanizmus na priesečníku informatiky a kvantovej fyziky, najkomplexnejšieho odvetvia teoretickej fyziky. Richard Feynman, jeden z najväčších fyzikov 20. storočia, raz povedal: „Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej fyzike, potom jej nerozumiete. Preto si uvedomte, že nasledujúce vysvetlenia sú neuveriteľne zjednodušené. Ľudia trávia mnoho rokov snahou porozumieť kvantovej fyzike.

Kvantová fyzika sa zaoberá elementárnymi časticami menšími ako atóm. Spôsob, akým sú tieto častice štruktúrované a ako sa správajú, je v rozpore s mnohými našimi predstavami o vesmíre. Kvantová častica môže byť na viacerých miestach súčasne – a v niekoľkých stavoch súčasne. Predstavte si, že ste si hodili mincou: kým je vo vzduchu, nemôžete povedať, či vyletí hlavou alebo chvostom; Táto minca je ako hlavy a chvosty zároveň. Zhruba takto sa správajú kvantové častice. Toto sa nazýva princíp superpozície.

Kvantový počítač je stále hypotetické zariadenie, ktoré bude využívať princíp superpozície (a ďalšie kvantové vlastnosti)
pre výpočty. Bežný počítač pracuje s tranzistormi,
ktorí akékoľvek informácie vnímajú ako nuly a jednotky. Binárny kód môže opísať celý svet - a vyriešiť akékoľvek problémy v ňom. Kvantový analóg klasického bitu sa nazýva cubit. (qubit, qu - od slova kvantový, kvantový). Pomocou princípu superpozície môže byť lakeť súčasne
v stave 0 a 1 - a to nielen výrazne zvýši výkon v porovnaní s tradičnými počítačmi, ale tiež vám umožní vyriešiť neočakávané problémy,
ktorých bežné počítače nie sú schopné.

Princíp superpozície je jediná vec
Na čom budú založené kvantové počítače?

Nie Vzhľadom na to, že kvantové počítače existujú len teoreticky, vedci zatiaľ len špekulujú, ako presne budú fungovať. Napríklad sa verí, že kvantové počítače budú využívať aj kvantové zapletenie.
Toto je fenomén, ktorý Albert Einstein nazval „neskutočným“ ( bol všeobecne proti kvantovej teórii, pretože sa nezhoduje s jeho teóriou relativity). Zmyslom tohto javu je, že dve častice vo vesmíre môžu byť prepojené a naopak: povedzme, ak helicita
(existuje taká charakteristika stavu elementárnych častíc, nebudeme zachádzať do detailov) prvá častica je kladná, potom bude helicita druhej vždy záporná a naopak. Tento jav sa nazýva „strašidelný“ z dvoch dôvodov. Po prvé, toto spojenie funguje okamžite, rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Po druhé, zapletené častice môžu byť umiestnené v akejkoľvek vzdialenosti od seba.
od seba navzájom: napríklad na rôznych koncoch Mliečnej dráhy.

Ako sa dá použiť kvantový počítač?

Vedci hľadajú aplikácie pre kvantové počítače a zároveň vymýšľajú, ako ich postaviť. Hlavná vec je, že kvantový počítač bude schopný veľmi rýchlo optimalizovať informácie a vo všeobecnosti pracovať s veľkými údajmi, ktoré hromadíme, ale ešte nerozumieme, ako ich používať.

Predstavme si túto možnosť (samozrejme veľmi zjednodušené): Chystáte sa strieľať z luku na cieľ a musíte si vypočítať, ako vysoko zamieriť, aby ste zasiahli. Povedzme, že potrebujete vypočítať výšku od 0 do 100 cm Bežný počítač vypočíta každú dráhu postupne: najprv 0 cm, potom 1 cm, potom 2 cm atď. Kvantový počítač vypočíta všetky možnosti súčasne – a okamžite vytvorí tú, ktorá vám umožní zasiahnuť cieľ. Týmto spôsobom môžete optimalizovať mnohé procesy:
z medicíny (povedzme, diagnostikovať rakovinu skôr) pred letectvom (napríklad vytvorte zložitejších autopilotov).

Existuje aj verzia, že takýto počítač bude vedieť riešiť problémy, ktorých bežný počítač jednoducho nie je schopný – alebo by to zabralo tisíce rokov výpočtov. Kvantový počítač bude schopný pracovať s najkomplexnejšími simuláciami: napríklad vypočítať, či sú vo vesmíre iné inteligentné bytosti ako ľudia. Je možné, že povedie vytvorenie kvantových počítačov
k vzniku umelej inteligencie. Predstavte si, čo s naším svetom urobil príchod konvenčných počítačov – kvantové počítače by mohli byť približne rovnakým prielomom.

Kto vyvíja kvantové počítače?

Všetky. Vlády, armáda, technologické spoločnosti. Vytvorenie kvantového počítača bude prospešné takmer pre každého. Napríklad medzi dokumentmi, ktoré zverejnil Edward Snowden, bola informácia, že NSA má projekt s názvom „Infiltrácia komplexných cieľov“, ktorý zahŕňa vytvorenie kvantového počítača na šifrovanie informácií. Microsoft sa kvantovým počítačom vážne venuje – svoj prvý výskum v tejto oblasti začali už v roku 2007. IBM sa vyvíja a pred niekoľkými rokmi oznámilo, že vytvorilo čip s tromi qubitmi. Nakoniec Google a NASA spolupracujú
so spoločnosťou D-Wave, ktorá hovorí, že už vyrába
"prvý komerčný kvantový procesor" (alebo skôr ten druhý, teraz sa ich model volá D-Wave Two), ale zatiaľ to nefunguje ako kvantové -
Pripomeňme, že neexistujú.

Ako blízko sme k tvoreniu
kvantový počítač?

Nikto nemôže s istotou povedať. Správy o technologických prelomoch (ako najnovšie správy o Google) sa objavujú neustále, ale môžeme byť veľmi ďaleko
z plnohodnotného kvantového počítača a veľmi blízko k nemu. Povedzme, že existujú štúdie, ktoré ukazujú, že stačí vytvoriť počítač
s niekoľkými stovkami lakťov tak, aby fungoval ako plnohodnotný kvantový počítač. D-Wave tvrdí, že vytvoril 84-qubitový procesor -
ale kritici, ktorí analyzovali ich procesor, tvrdia, že funguje,
ako klasický počítač, nie ako kvantový. Google spolupracuje
s D-Wave veria, že ich procesor je jednoducho vo veľmi ranom štádiu vývoja a nakoniec bude fungovať ako kvantový. Každopádne, teraz
Kvantové počítače majú jeden hlavný problém – chyby. Každý počítač robí chyby, ale klasické sa s nimi ľahko vyrovnajú – ale kvantové počítače ešte nie. Keď výskumníci zistia chyby, príchod kvantového počítača bude vzdialený len niekoľko rokov.

Čo sťažuje opravu chýb?
v kvantových počítačoch?

Pre zjednodušenie možno chyby v kvantových počítačoch rozdeliť do dvoch úrovní. Prvým sú chyby, ktoré robí každý počítač, vrátane klasických. V pamäti počítača sa môže objaviť chyba, keď sa 0 nedobrovoľne zmení na 1 v dôsledku vonkajšieho šumu – napríklad kozmického žiarenia alebo žiarenia. Tieto chyby sa dajú ľahko vyriešiť, všetky údaje sú kontrolované na takéto zmeny. A Google len nedávno riešil tento problém v kvantových počítačoch: stabilizovali reťazec deviatich qubitov
a zachránil ju pred chybami. Existuje však jedna výhrada k tomuto prelomu: Google sa vysporiadal s klasickými chybami v klasickej výpočtovej technike. V kvantových počítačoch existuje druhá úroveň chýb a je oveľa ťažšie ju pochopiť a vysvetliť.

Lajčatá sú extrémne nestabilné, podliehajú kvantovej dekoherencii – ide o narušenie komunikácie v rámci kvantového systému pod vplyvom prostredia. Kvantový procesor musí byť čo najviac izolovaný od okolitých vplyvov (hoci k dekoherencii niekedy dochádza v dôsledku vnútorných procesov) aby sa chyby obmedzili na minimum. Kvantové chyby sa zároveň nedajú úplne eliminovať, ale ak sú dostatočne zriedkavé, kvantový počítač môže fungovať. Niektorí vedci sa zároveň domnievajú, že 99 % výkonu takéhoto počítača bude smerovať
na odstránenie chýb, ale zvyšné 1 % stačí na vyriešenie prípadných problémov.
Podľa fyzika Scotta Aaronsona možno úspech Googlu považovať za tretí
s polovicou zo siedmich krokov potrebných na vytvorenie kvantového počítača – inými slovami, sme na polceste.

Kvantové počítače sľubujú skutočnú revolúciu nielen vo výpočtovej technike, ale aj v reálnom živote. Médiá sú plné titulkov o tom, ako kvantové počítače zničia modernú kryptografiu a sila umelej inteligencie vďaka nim vzrastie rádovo.

Za posledných 10 rokov prešli kvantové počítače od čistej teórie k prvým funkčným príkladom. Pravda, do sľubovanej revolúcie je ešte dlhá cesta a jej vplyv v konečnom dôsledku nemusí byť taký komplexný, ako sa teraz zdá.

Ako funguje kvantový počítač?

Kvantový počítač je zariadenie, ktoré využíva javy kvantovej superpozície a kvantového zapletenia. Hlavným prvkom takýchto výpočtov je qubit alebo kvantový bit. Za všetkými týmito slovami sa skrýva pomerne zložitá matematika a fyzika, no ak ich čo najviac zjednodušíte, dostanete niečo takéto.

V bežných počítačoch sa zaoberáme bitmi. Bit je jednotka merania informácie v binárnom systéme. Môže mať hodnotu 0 a 1, čo je veľmi výhodné nielen pre matematické operácie, ale aj pre logické operácie, pretože nula môže byť spojená s hodnotou „false“ a jedna s hodnotou „true“.

Moderné procesory sú postavené na báze tranzistorov, polovodičových prvkov, ktoré môžu alebo nemôžu prechádzať elektrickým prúdom. Inými slovami, vytvára dve hodnoty, 0 a 1. Podobne vo flash pamäti môže tranzistor s plávajúcim hradlom uchovávať náboj. Ak je prítomný, dostaneme jednotku, ak tam nie je, dostaneme nulu. Magnetický digitálny záznam funguje podobne, len nosičom informácie je tam magnetická častica, či už s nábojom alebo bez neho.

Pri výpočtoch načítame z pamäte hodnotu bitu (0 alebo 1) a potom prepustíme prúd cez tranzistor a podľa toho, či ho prejde alebo nie, dostaneme na výstupe nový bit, prípadne s inou hodnotou.

Čo sú qubity pre kvantové počítače? V kvantovom počítači je hlavným prvkom qubit – kvantový bit. Na rozdiel od bežného bitu je v stave kvantovej superpozície, to znamená, že má hodnotu 0 aj 1 a kedykoľvek ich ľubovoľnú kombináciu. Ak je v systéme niekoľko qubitov, potom zmena jedného znamená aj zmenu všetkých ostatných qubitov.

To vám umožní súčasne vypočítať všetky možné možnosti. Bežný procesor so svojimi binárnymi výpočtami v skutočnosti počíta možnosti postupne. Najprv jeden scenár, potom ďalší, potom tretí atď. Aby to urýchlili, začali používať multithreading, paralelné spúšťanie výpočtov, predbežné načítanie, aby predpovedali možné možnosti vetvenia a vopred ich vypočítali. V kvantovom počítači sa to všetko robí paralelne.

Princíp výpočtu je tiež odlišný. V istom zmysle už kvantový počítač obsahuje všetky možné možnosti riešenia problému, našou úlohou je iba prečítať stav qubitov a... vybrať z nich správnu možnosť. A tu začínajú ťažkosti. Toto je princíp fungovania kvantového počítača.

Vytvorenie kvantového počítača

Aká bude fyzikálna podstata kvantového počítača? Kvantový stav možno dosiahnuť iba v časticiach. Qubit nemožno postaviť z niekoľkých atómov, ako napríklad tranzistor. Doteraz tento problém nebol úplne vyriešený. Možností je viacero. Využívajú sa stavy náboja atómov, napríklad prítomnosť alebo neprítomnosť elektrónu v obyčajnom bode, supravodivé prvky, fotóny atď.

Takéto „jemné záležitosti“ ukladajú obmedzenia na meranie stavu qubitov. Energie sú extrémne nízke, na čítanie údajov sú potrebné zosilňovače. Zosilňovače však môžu kvantový systém ovplyvniť a zmeniť jeho stavy, avšak nielen ony, ale aj samotná skutočnosť pozorovania môže mať význam.

Kvantové výpočty zahŕňajú postupnosť operácií, ktoré sa vykonávajú na jednom alebo viacerých qubitoch. Tie následne vedú k zmenám v celom systéme. Úlohou je vybrať z jeho stavov ten správny, ktorý dáva výsledok výpočtov. V tomto prípade môže existovať ľubovoľný počet stavov, ktoré sú k tomu čo najbližšie. Presnosť takýchto výpočtov sa teda bude takmer vždy líšiť od jednoty.

Plnohodnotný kvantový počítač teda vyžaduje značné pokroky vo fyzike. Okrem toho sa programovanie pre kvantový počítač bude líšiť od toho, čo existuje teraz. Napokon, kvantové počítače nebudú schopné riešiť problémy, ktoré sa nedajú vyriešiť konvenčnými, ale môžu urýchliť riešenia tých, ktoré zvládnu. Pravda, opäť nie všetky.

Počítanie qubitov, kvantový počítač qubit

Postupne sa odstraňujú problémy na ceste ku kvantovému počítaču. Prvé qubity boli postavené na začiatku storočia. Proces sa zrýchlil začiatkom desaťročia. Dnes už vývojári dokážu vyrobiť procesory s desiatkami qubitov.

Posledným prelomom bolo vytvorenie procesora Bristlecone v útrobách Google. V marci 2018 spoločnosť oznámila, že je schopná postaviť 72-qubitový procesor. Google neuvádza, na akých fyzikálnych princípoch je Bristlecone postavený. Verí sa však, že 49 qubitov stačí na dosiahnutie „kvantovej nadvlády“, keď kvantový počítač začne prekonávať konvenčný počítač. Túto podmienku sa Googlu podarilo splniť, no chybovosť 0,6 % je stále vyššia ako požadovaných 0,5 %.

Na jeseň 2017 IBM oznámilo vytvorenie prototypu 50-qubitového kvantového procesora. Je testovaný. V roku 2017 však IBM sprístupnila svoj 20-qubitový procesor cloud computingu. V marci 2018 bola uvedená na trh menšia verzia IBM Q. Experimenty na takomto počítači môže spúšťať každý. Na základe ich výsledkov bolo publikovaných už 35 vedeckých prác.

Začiatkom 10. výročia sa na trhu objavila švédska spoločnosť D-Wave, ktorá svoje počítače umiestnila ako kvantá. Vyvolalo to veľa kontroverzií, pretože oznámilo vytvorenie 1000-qubitových strojov, zatiaľ čo uznávaní lídri sa „pohrali“ len s niekoľkými qubitmi. Počítače od švédskych vývojárov sa predávali za 10-15 miliónov dolárov, takže ich testovanie nebolo také jednoduché.

Počítače D-Wave nie sú kvantové v pravom slova zmysle, ale využívajú niektoré kvantové efekty, ktoré možno použiť na riešenie niektorých optimalizačných problémov. Inými slovami, nie všetky algoritmy, ktoré je možné vykonať na kvantovom počítači, dostávajú kvantové zrýchlenie na D-Wave. Google získal jeden zo systémov Švédov. Výsledkom bolo, že jeho výskumníci uznali počítače ako „obmedzene kvantové“. Ukázalo sa, že qubity sú zoskupené do zhlukov po ôsmich, to znamená, že ich skutočný počet je výrazne menší ako deklarovaný.

Kvantový počítač v Rusku

Tradične silná škola fyziky umožňuje výrazne prispieť k riešeniu fyzikálnych problémov na vytvorenie kvantového počítača. V januári 2018 Rusi vytvorili zosilňovač signálu pre kvantový počítač. Vzhľadom na to, že samotný zosilňovač je schopný svojou činnosťou ovplyvňovať stav qubitov, úroveň hluku, ktorý vytvára, by sa mala len málo líšiť od „vákua“. To sa podarilo ruským vedcom z laboratória „Supervodivých metamateriálov“ NUST MISIS a dvoch ústavov Ruskej akadémie vied. Na vytvorenie zosilňovača boli použité supravodiče.

V Rusku bolo vytvorené aj kvantové centrum. Ide o mimovládnu výskumnú organizáciu zaoberajúcu sa výskumom v oblasti kvantovej fyziky. Tiež sa zaoberá problémom vytvárania qubitov. Za centrom sú podnikateľ Sergej Belousov a profesor Harvardskej univerzity Michail Lukin. Pod jeho vedením už na Harvarde vznikol 51-qubitový procesor, ktorý bol nejaký čas pred ohlásením Bristleconu najvýkonnejším kvantovým počítačovým zariadením na svete.

Vývoj kvantovej výpočtovej techniky sa stal súčasťou štátneho programu Digitálna ekonomika. V rokoch 2018-20 bude na práce v tejto oblasti pridelená štátna podpora. Akčný plán počíta s vytvorením kvantového simulátora s použitím ôsmich supravodivých qubitov. Potom sa rozhodne o otázke ďalšieho škálovania tejto technológie.

Okrem toho pred rokom 2020 Rusko plánuje otestovať ďalšiu kvantovú technológiu: skonštruovanie qubitov na neutrálnych atómoch a nabitých iónoch v pasciach.

Jedným z cieľov programu je vytvoriť kvantovú kryptografiu a kvantové komunikačné zariadenia. Vzniknú distribučné centrá pre kvantové kľúče, ktoré ich budú distribuovať spotrebiteľom – bankám, dátovým centrám a priemyselným podnikom. Verí sa, že plnohodnotný kvantový počítač dokáže prelomiť akýkoľvek moderný šifrovací algoritmus v priebehu niekoľkých minút.

Nakoniec

Takže kvantové počítače sú stále experimentálne. Je nepravdepodobné, že by sa plnohodnotný kvantový počítač schopný skutočne vysokého výpočtového výkonu objavil skôr ako v nasledujúcom desaťročí. Výroba qubitov a stavba stabilných systémov z nich má ešte ďaleko k dokonalosti.

Súdiac podľa toho, že na fyzickej úrovni majú kvantové počítače viacero riešení, ktoré sa líšia technológiou a pravdepodobne aj cenou, nebudú unifikované až o 10 rokov Proces štandardizácie môže trvať dlho.

Okrem toho je už teraz jasné, že kvantové počítače zostanú s najväčšou pravdepodobnosťou v nasledujúcom desaťročí „po kusoch“ a veľmi drahé zariadenia. Je nepravdepodobné, že skončia vo vrecku bežného používateľa, no ich výskyt na zozname superpočítačov môžete očakávať.

Je pravdepodobné, že kvantové počítače budú ponúkané v „cloudovom“ modeli, kde ich zdroje môžu využívať zainteresovaní výskumníci a organizácie.

Ľudstvo, podobne ako pred 60 rokmi, je opäť na prahu zásadného prelomu v oblasti výpočtovej techniky. Veľmi skoro budú dnešné počítacie stroje nahradené kvantovými počítačmi.

Ako ďaleko dosiahol pokrok?

V roku 1965 Gordon Moore povedal, že za rok sa počet tranzistorov, ktoré sa zmestia na kremíkový mikročip, zdvojnásobí. Toto tempo pokroku sa v poslednom čase spomalilo a zdvojnásobenie sa vyskytuje menej často – raz za dva roky. Aj toto tempo umožní tranzistorom dosiahnuť v blízkej budúcnosti veľkosť atómu. Ďalej je čiara, ktorú nemožno prekročiť. Z hľadiska fyzickej štruktúry tranzistora nemôže byť v žiadnom prípade menšia ako atómové veličiny. Zväčšenie veľkosti čipu problém nevyrieši. Prevádzka tranzistorov je spojená s uvoľňovaním tepelnej energie a procesory potrebujú kvalitný chladiaci systém. Viacjadrová architektúra tiež nerieši otázku ďalšieho rastu. Dosiahnutie vrcholu vo vývoji moderných procesorových technológií sa uskutoční čoskoro.
Vývojári tento problém pochopili v čase, keď používatelia ešte len začínali mať osobné počítače. V roku 1980 jeden zo zakladateľov kvantovej informačnej vedy, sovietsky profesor Jurij Manin, sformuloval myšlienku kvantových počítačov. O rok neskôr Richard Feyman navrhol prvý model počítača s kvantovým procesorom. Teoretický základ toho, ako by mali kvantové počítače vyzerať, sformuloval Paul Benioff.

Ako funguje kvantový počítač

Aby ste pochopili, ako nový procesor funguje, musíte mať aspoň povrchné znalosti o princípoch kvantovej mechaniky. Nemá zmysel uvádzať tu matematické rozloženia a vzorce. Bežnému človeku stačí, aby sa oboznámil s tromi charakteristickými črtami kvantovej mechaniky:

• Stav alebo poloha častice je určená len s určitým stupňom pravdepodobnosti.
• Ak častica môže mať niekoľko stavov, potom je vo všetkých možných stavoch naraz. Toto je princíp superpozície.
• Proces merania stavu častice vedie k vymiznutiu superpozície. Je charakteristické, že poznatky o stave častice získané meraním sa líšia od skutočného stavu častice pred meraniami.

Z pohľadu zdravého rozumu - úplný nezmysel. V našom bežnom svete možno tieto princípy znázorniť takto: dvere do miestnosti sú zatvorené a zároveň otvorené. Zatvorené a otvorené zároveň.

Toto je markantný rozdiel medzi výpočtami. Bežný procesor pracuje v binárnom kóde. Počítačové bity môžu byť len v jednom stave – mať logickú hodnotu 0 alebo 1. Kvantové počítače pracujú s qubitmi, ktoré môžu mať logickú hodnotu 0, 1, 0 a 1 naraz. Pri riešení určitých problémov budú mať oproti tradičným počítačom mnohomiliónovú výhodu. Dnes už existujú desiatky popisov pracovných algoritmov. Programátori vytvárajú špeciálny programový kód, ktorý môže pracovať podľa nových princípov výpočtu.

Kde sa bude nový počítač používať?

Nový prístup k výpočtovému procesu vám umožňuje pracovať s obrovským množstvom údajov a vykonávať okamžité výpočtové operácie. S príchodom prvých počítačov mali niektorí ľudia, vrátane vládnych predstaviteľov, veľkú skepsu ohľadom ich využitia v národnom hospodárstve. Aj dnes existujú ľudia, ktorí sú plní pochybností o význame počítačov zásadne novej generácie. Technické časopisy veľmi dlho odmietali publikovať články o kvantovej výpočtovej technike, pretože túto oblasť považovali za bežný podvodný trik na oklamanie investorov.

Nová metóda výpočtovej techniky vytvorí predpoklady pre grandiózne vedecké objavy vo všetkých odvetviach. Medicína vyrieši mnohé problematické otázky, ktorých sa v poslednom čase nahromadilo pomerne veľa. Rakovinu bude možné diagnostikovať v skoršom štádiu ochorenia ako teraz. Chemický priemysel bude schopný syntetizovať produkty s jedinečnými vlastnosťami.

Prelom v astronautike na seba nenechá dlho čakať. Lety na iné planéty sa stanú rovnakou samozrejmosťou ako každodenné výlety po meste. Potenciál spojený s kvantovými počítačmi určite zmení našu planétu na nepoznanie.

Ďalšou charakteristickou črtou, ktorú majú kvantové počítače, je schopnosť kvantových počítačov rýchlo nájsť požadovaný kód alebo šifru. Bežný počítač vykonáva matematické optimalizačné riešenie postupne, pričom skúša jednu možnosť za druhou. Kvantový konkurent pracuje s celým radom údajov naraz, pričom bleskovou rýchlosťou vyberá najvhodnejšie možnosti v bezprecedentne krátkom čase. Bankové transakcie budú dešifrované mihnutím oka, čo je pre moderné počítače nedostupné.

Bankový sektor sa však báť nemusí – jeho tajomstvo zachráni metóda kvantového šifrovania s paradoxom merania. Pri pokuse o otvorenie kódu bude prenášaný signál skreslený. Získané informácie nebudú dávať žiadny zmysel. O možnosti kvantových výpočtov sa zaujímajú tajné služby, pre ktoré je špionáž bežnou praxou.

Ťažkosti s dizajnom

Problém spočíva vo vytvorení podmienok, za ktorých môže kvantový bit zostať v stave superpozície na neurčito.

Každý qubit je mikroprocesor, ktorý funguje na princípoch supravodivosti a zákonoch kvantovej mechaniky.

Okolo mikroskopických prvkov logického stroja sa vytvára množstvo jedinečných podmienok prostredia:

• teplota 0,02 stupňa Kelvina (-269,98 Celzia);
• ochranný systém proti magnetickému a elektrickému žiareniu (znižuje vplyv týchto faktorov o 50 tisíc krát);
• systém odvodu tepla a tlmenia vibrácií;
• riedkosť vzduchu je 100 miliárd krát nižšia ako atmosférický tlak.

Mierna odchýlka v prostredí spôsobí, že qubity okamžite stratia svoj stav superpozície, čo vedie k poruche.

Pred zvyškom planéty

Všetko vyššie uvedené by sa dalo pripísať kreativite horúčkovitej mysle spisovateľa sci-fi príbehov, keby Google spolu s NASA minulý rok nezakúpili kvantový počítač D-Wave od kanadskej výskumnej korporácie, ktorého procesor obsahuje 512 qubitov.

S jej pomocou bude líder na trhu výpočtovej techniky riešiť problémy so strojovým učením pri triedení a analýze veľkého množstva dát.

Snowden, ktorý opustil Spojené štáty, tiež urobil dôležité odhaľujúce vyhlásenie - NSA tiež plánuje vyvinúť vlastný kvantový počítač.

2014 - začiatok éry D-Wave systémov

Úspešný kanadský atlét Geordie Rose po dohode s Google a NASA začal stavať 1000-qubitový procesor. Budúci model prekoná prvý komerčný prototyp v rýchlosti a objeme výpočtov najmenej 300-tisíckrát. Kvantový počítač na obrázku nižšie je prvou komerčnou verziou zásadne novej výpočtovej technológie na svete.

Zapojiť sa do vedeckého rozvoja ho podnietilo jeho zoznámenie sa s prácami Colina Williamsa o kvantových výpočtoch na univerzite. Treba povedať, že Williams dnes pracuje v korporácii Rose ako manažér biznis projektov.

Prelomový alebo vedecký podvod

Rose sám úplne nevie, čo sú kvantové počítače. Za desať rokov prešiel jeho tím od vytvorenia 2-qubitového procesora k dnešnému prvému komerčnému nápadu.

Od samého začiatku svojho výskumu sa Rose snažil vytvoriť procesor s minimálnym počtom qubitov 1 tisíc. A rozhodne musel mať komerčnú možnosť – aby predal a zarobil.

Mnohí, ktorí poznajú Roseinu posadnutosť a obchodný talent, sa ho snažia obviniť z falšovania. Údajne sa najobyčajnejší procesor vydáva za kvantový. Tomu napomáha aj skutočnosť, že nová technológia vykazuje fenomenálny výkon pri vykonávaní určitých typov výpočtov. Inak sa správa ako úplne obyčajný počítač, len veľmi drahý.

Kedy sa objavia

Nie je potrebné dlho čakať. Výskumná skupina organizovaná spoločnými nákupcami prototypu podá správu o výsledkoch výskumu na D-Wave v blízkej budúcnosti.
Možno čoskoro príde čas, keď kvantové počítače prinesú revolúciu v našom chápaní sveta okolo nás. A celé ľudstvo v tejto chvíli dosiahne vyššiu úroveň svojho vývoja.

Kandidát fyzikálnych a matematických vied L. FEDICHKIN (Fyzikálny a technologický inštitút Ruskej akadémie vied).

Pomocou zákonov kvantovej mechaniky je možné vytvoriť zásadne nový typ počítača, ktorý umožní riešiť niektoré problémy, ktoré sú nedostupné ani tým najvýkonnejším moderným superpočítačom. Rýchlosť mnohých zložitých výpočtov sa prudko zvýši; správy odoslané cez kvantové komunikačné linky nebude možné zachytiť ani skopírovať. Dnes už boli vytvorené prototypy týchto kvantových počítačov budúcnosti.

Americký matematik a fyzik maďarského pôvodu Johann von Neumann (1903-1957).

Americký teoretický fyzik Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Americký matematik Peter Shor, špecialista v oblasti kvantových výpočtov. Navrhol kvantový algoritmus na rýchlu faktorizáciu veľkých čísel.

Kvantový bit alebo qubit. Stavy zodpovedajú napríklad smeru rotácie atómového jadra nahor alebo nadol.

Kvantový register je reťazec kvantových bitov. Jedno- alebo dvoj-qubitové kvantové brány vykonávajú logické operácie na qubitoch.

ÚVOD, ALEBO TROCHU O OCHRANE INFORMÁCIÍ

Aký program podľa vás predal najviac licencií na svete? Nebudem riskovať, že budem trvať na tom, že poznám správnu odpoveď, ale určite poznám jednu nesprávnu: toto nie akúkoľvek verziu systému Microsoft Windows. Najbežnejší operačný systém predbieha skromný produkt od RSA Data Security, Inc. - program, ktorý implementuje šifrovací algoritmus verejného kľúča RSA, pomenovaný podľa jeho autorov - amerických matematikov Rivesta, Shamira a Adelmana.

Faktom je, že algoritmus RSA je zabudovaný do väčšiny komerčných operačných systémov, ako aj do mnohých ďalších aplikácií používaných v rôznych zariadeniach – od smart kariet až po mobilné telefóny. Konkrétne je k dispozícii aj v systéme Microsoft Windows, čo znamená, že je určite rozšírenejší ako tento populárny operačný systém. Ak chcete zistiť stopy RSA napríklad v prehliadači Internet Explorer (program na prezeranie www stránok na internete), stačí otvoriť ponuku „Pomocník“, vstúpiť do podponuky „O programe Internet Explorer“ a zobraziť zoznam použitých produktov z iné spoločnosti. Ďalší bežný prehliadač, Netscape Navigator, tiež používa algoritmus RSA. Vo všeobecnosti je ťažké nájsť známu spoločnosť pôsobiacu v oblasti špičkových technológií, ktorá by si nekúpila licenciu na tento program. Dnes RSA Data Security, Inc. predala už viac ako 450 miliónov(!) licencií.

Prečo bol algoritmus RSA taký dôležitý?

Predstavte si, že si potrebujete rýchlo vymeniť správu s osobou, ktorá je ďaleko. Vďaka rozvoju internetu sa dnes takáto výmena stala dostupnou pre väčšinu ľudí – stačí mať počítač s modemom alebo sieťovou kartou. Prirodzene, pri výmene informácií cez sieť by ste chceli svoje správy pred cudzími ľuďmi utajiť. Úplne ochrániť dlhú komunikačnú linku pred odpočúvaním je však nemožné. To znamená, že keď sú správy odoslané, musia byť zašifrované a po prijatí musia byť dešifrované. Ako sa však môžete vy a váš partner dohodnúť na tom, ktorý kľúč budete používať? Ak po tej istej linke pošlete kľúč k šifre, odpočúvajúci útočník ho môže ľahko zachytiť. Kľúč môžete samozrejme preniesť aj cez inú komunikačnú linku, napríklad poslať telegramom. Táto metóda je však zvyčajne nepohodlná a navyše nie vždy spoľahlivá: je možné odklepnúť aj druhú linku. Je dobré, ak ste vy a váš príjemca vopred vedeli, že si vymeníte šifrovanie, a preto ste si vopred dali kľúče. Čo však v prípade, ak chcete napríklad zaslať dôvernú obchodnú ponuku možnému obchodnému partnerovi alebo si kúpiť produkt, ktorý sa vám páči, v novom internetovom obchode pomocou kreditnej karty?

V sedemdesiatych rokoch minulého storočia boli na vyriešenie tohto problému navrhnuté šifrovacie systémy, ktoré používajú dva typy kľúčov pre tú istú správu: verejný (nevyžaduje utajenie) a súkromný (prísne tajný). Verejný kľúč sa používa na zašifrovanie správy a súkromný kľúč na jej dešifrovanie. Pošlete svojmu korešpondentovi verejný kľúč a on ho použije na zašifrovanie svojej správy. Jediné, čo môže útočník, ktorý zachytil verejný kľúč, je zašifrovať ním svoj e-mail a poslať ho niekomu ďalej. Korešpondenciu sa mu ale nepodarí rozlúštiť. Vy, keď poznáte súkromný kľúč (je pôvodne uložený u vás), môžete ľahko prečítať správu adresovanú vám. Na zašifrovanie správ s odpoveďou použijete verejný kľúč zaslaný vaším korešpondentom (a príslušný súkromný kľúč si ponechá pre seba).

Toto je presne kryptografická schéma používaná v algoritme RSA, najbežnejšej metóde šifrovania verejného kľúča. Okrem toho sa na vytvorenie páru verejných a súkromných kľúčov používa nasledujúca dôležitá hypotéza. Ak sú dve veľké (vyžaduje napísanie viac ako sto desatinných číslic) jednoduchéčísla M a K, potom nebude ťažké nájsť ich súčin N=MK (netreba na to mať ani počítač: pomerne opatrný a trpezlivý človek takéto čísla vynásobí perom a papierom). Ale na vyriešenie inverznej úlohy, teda pri poznaní veľkého počtu N, ho rozložte na prvočiniteľa M a K (tzv. problém faktorizácie) - takmer nemožné! To je presne ten problém, s ktorým sa útočník stretne, ak sa rozhodne „hacknúť“ algoritmus RSA a prečítať si ním zašifrované informácie: aby zistil súkromný kľúč a poznal verejný kľúč, bude musieť vypočítať M alebo K .

Na overenie platnosti hypotézy o praktickej zložitosti faktorizácie veľkých čísel sa konali a stále konajú špeciálne súťaže. Za rekord sa považuje rozklad len 155-miestneho (512-bitového) čísla. Výpočty sa v roku 1999 uskutočňovali paralelne na mnohých počítačoch počas siedmich mesiacov. Ak by sa táto úloha vykonávala na jedinom modernom osobnom počítači, vyžadovalo by si to približne 35 rokov počítačového času! Výpočty ukazujú, že pri použití tisícky moderných pracovných staníc a najlepšieho výpočtového algoritmu, aký dnes poznáme, možno jedno 250-miestne číslo rozložiť za približne 800 tisíc rokov a 1000-miestne číslo za 10-25 (!) rokov. (Pre porovnanie, vek vesmíru je ~ 10 10 rokov.)

Preto sa kryptografické algoritmy ako RSA, fungujúce na dostatočne dlhých kľúčoch, považovali za absolútne spoľahlivé a používali sa v mnohých aplikáciách. A dovtedy bolo všetko v poriadku ...kým sa neobjavili kvantové počítače.

Ukazuje sa, že pomocou zákonov kvantovej mechaniky je možné postaviť počítače, pre ktoré problém faktorizácie (a mnohé ďalšie!) nebude zložitý. Odhaduje sa, že kvantový počítač s iba asi 10 000 kvantovými bitmi pamäte dokáže rozložiť 1000-miestne číslo do prvočísel len za pár hodín!

AKO TO VŠETKO ZAČALO?

Až v polovici 90. rokov sa teória kvantových počítačov a kvantových výpočtov etablovala ako nová oblasť vedy. Ako to už pri skvelých nápadoch býva, je ťažké určiť ich pôvodcu. Ako prvý na možnosť rozvoja kvantovej logiky upozornil zrejme maďarský matematik J. von Neumann. V tom čase však ešte nevznikli nielen kvantové, ale ani bežné, klasické počítače. A s príchodom druhého z nich sa hlavné úsilie vedcov zameralo predovšetkým na hľadanie a vývoj nových prvkov pre nich (tranzistory a potom integrované obvody), a nie na vytváranie zásadne odlišných výpočtových zariadení.

Americký fyzik R. Landauer, ktorý pracoval v IBM, sa v 60. rokoch minulého storočia snažil upriamiť pozornosť vedeckého sveta na skutočnosť, že výpočty sú vždy nejaký fyzikálny proces, čo znamená, že nie je možné pochopiť hranice našich výpočtových možností bez s uvedením, o akú fyzickú implementáciu ide. Žiaľ, v tom čase medzi vedcami prevládal názor, že výpočet je akýmsi abstraktným logickým postupom, ktorý by mali študovať matematici, nie fyzici.

Keď sa počítače rozšírili, kvantoví vedci prišli k záveru, že je prakticky nemožné priamo vypočítať stav vyvíjajúceho sa systému pozostávajúceho len z niekoľkých desiatok interagujúcich častíc, ako je napríklad molekula metánu (CH 4). Vysvetľuje sa to tým, že na úplný opis zložitého systému je potrebné uchovávať v pamäti počítača exponenciálne veľký (v zmysle počtu častíc) počet premenných, takzvaných kvantových amplitúd. Nastala paradoxná situácia: keď poznáme evolučnú rovnicu, poznáme s dostatočnou presnosťou všetky potenciály vzájomného pôsobenia častíc a počiatočný stav systému, je takmer nemožné vypočítať jeho budúcnosť, aj keď systém pozostáva iba z 30 elektrónov v potenciálnej studni a k ​​dispozícii je superpočítač s RAM, ktorého počet bitov sa rovná počtu atómov vo viditeľnej oblasti vesmíru (!). A zároveň, aby ste študovali dynamiku takéhoto systému, môžete jednoducho vykonať experiment s 30 elektrónmi a umiestniť ich do daného potenciálneho a počiatočného stavu. To si všimol najmä ruský matematik Yu.I. Manin, ktorý v roku 1980 poukázal na potrebu vyvinúť teóriu kvantových výpočtových zariadení. V 80. rokoch sa rovnakým problémom zaoberal americký fyzik P. Benev, ktorý jasne ukázal, že kvantový systém dokáže vykonávať výpočty, ako aj anglický vedec D. Deutsch, ktorý teoreticky vyvinul univerzálny kvantový počítač, ktorý je nadradený jeho klasický náprotivok.

Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku R. Feynman, dobre známy pravidelným čitateľom Vedy a života, pritiahol veľkú pozornosť na problém vývoja kvantových počítačov. Vďaka jeho smerodajnej výzve sa mnohonásobne zvýšil počet špecialistov, ktorí venovali pozornosť kvantovým výpočtom.

Dlho však nebolo jasné, či by sa hypotetická výpočtová sila kvantového počítača dala využiť na urýchlenie riešenia praktických problémov. Ale v roku 1994 americký matematik a zamestnanec Lucent Technologies (USA) P. Shor ohromil vedecký svet návrhom kvantového algoritmu, ktorý umožňuje rýchlu faktorizáciu veľkých čísel (o dôležitosti tohto problému sme hovorili už v úvode). V porovnaní s najlepšou klasickou metódou, ktorá je dnes známa, Shorov kvantový algoritmus poskytuje viacnásobné zrýchlenie výpočtov a čím dlhšie je faktorizované číslo, tým väčšie je zvýšenie rýchlosti. Rýchly faktorizačný algoritmus je veľmi praktický pre rôzne spravodajské agentúry, ktoré nahromadili banky nedešifrovaných správ.

V roku 1996 Shoreov kolega z Lucent Technologies L. Grover navrhol kvantový algoritmus na rýchle vyhľadávanie v neusporiadanej databáze. (Príkladom takejto databázy je telefónny zoznam, v ktorom nie sú mená účastníkov usporiadané abecedne, ale ľubovoľne.) S úlohou hľadania, výberu optimálneho prvku spomedzi mnohých možností sa veľmi často stretávame v ekonomických, vojenských, inžinierske problémy av počítačových hrách. Algoritmus Grover umožňuje nielen urýchliť proces vyhľadávania, ale aj približne zdvojnásobiť počet parametrov, ktoré sa berú do úvahy pri výbere optima.

Skutočný vznik kvantových počítačov brzdil v podstate jediný vážny problém – chyby, čiže rušenie. Faktom je, že rovnaká úroveň rušenia kazí proces kvantového počítania oveľa intenzívnejšie ako klasické výpočty. P. Shor v roku 1995 načrtol spôsoby riešenia tohto problému, pričom vyvinul schému na kódovanie kvantových stavov a opravu chýb v nich. Bohužiaľ, téma opravy chýb v kvantových počítačoch je taká dôležitá, ako je zložité pokryť ju v tomto článku.

ZARIADENIE KVANTOVÉHO POČÍTAČA

Skôr než vám povieme, ako funguje kvantový počítač, pripomeňme si hlavné črty kvantových systémov (pozri tiež „Veda a život“ č. 8, 1998; č. 12, 2000).

Aby sme pochopili zákony kvantového sveta, nemali by sme sa spoliehať priamo na každodennú skúsenosť. Zvyčajným spôsobom (v každodennom chápaní) sa kvantové častice správajú iba vtedy, ak na ne neustále „nakukujeme“, alebo, prísnejšie povedané, neustále meriame stav, v ktorom sa nachádzajú. Ale akonáhle sa „odvrátime“ (prestaneme pozorovať), kvantové častice sa okamžite presunú z veľmi špecifického stavu do niekoľkých rôznych foriem naraz. To znamená, že elektrón (alebo akýkoľvek iný kvantový objekt) bude čiastočne umiestnený v jednom bode, čiastočne v inom, čiastočne v treťom atď. To neznamená, že je rozdelený na plátky ako pomaranč. Potom by bolo možné spoľahlivo izolovať niektorú časť elektrónu a zmerať jeho náboj alebo hmotnosť. Skúsenosti však ukazujú, že po meraní sa elektrón vždy ukáže ako „bezpečný a zdravý“ v jednom jedinom bode, napriek tomu, že predtým dokázal byť takmer všade súčasne. Tento stav elektrónu, keď sa nachádza vo viacerých bodoch priestoru naraz, sa nazýva superpozícia kvantových stavov a zvyčajne sú opísané vlnovou funkciou, ktorú v roku 1926 zaviedol nemecký fyzik E. Schrödinger. Modul hodnoty vlnovej funkcie v akomkoľvek bode, na druhú, určuje pravdepodobnosť nájdenia častice v danom bode v danom okamihu. Po zmeraní polohy častice sa zdá, že sa jej vlnová funkcia scvrkne (zrúti) do bodu, v ktorom bola častica detegovaná, a potom sa začne opäť šíriť. Vlastnosť kvantových častíc byť v mnohých stavoch súčasne, tzv kvantový paralelizmus, bol úspešne použitý v kvantových výpočtoch.

Kvantový bit

Základnou bunkou kvantového počítača je kvantový bit, alebo v skratke qubit(q-bit). Ide o kvantovú časticu, ktorá má dva základné stavy, ktoré sú označené 0 a 1 alebo, ako je v kvantovej mechanike zvykom, a. Dve hodnoty qubit môžu zodpovedať napríklad základným a excitovaným stavom atómu, smeru rotácie atómového jadra hore a dole, smeru prúdu v supravodivom kruhu, dvom možným polohám elektrón v polovodiči atď.

Kvantový register

Kvantový register je štruktúrovaný takmer rovnako ako klasický. Ide o reťazec kvantových bitov, na ktorých možno vykonávať jedno- a dvojbitové logické operácie (podobne ako pri použití operácií NOT, 2I-NOT atď. v klasickom registri).

Medzi základné stavy kvantového registra tvoreného L qubitmi patria, rovnako ako v klasickom, všetky možné postupnosti núl a jednotiek dĺžky L. Celkovo môže ísť o 2 L rôznych kombinácií. Možno ich považovať za záznam čísel v binárnom tvare od 0 do 2 L -1 a označené. Tieto základné stavy však nevyčerpávajú všetky možné hodnoty kvantového registra (na rozdiel od klasického), keďže existujú aj superpozičné stavy definované komplexnými amplitúdami súvisiacimi s normalizačnou podmienkou. Klasický analóg pre väčšinu možných hodnôt kvantového registra (okrem základných) jednoducho neexistuje. Stavy klasického registra sú len žalostným tieňom celého bohatstva stavov kvantového počítača.

Predstavte si, že na register pôsobí vonkajší vplyv, napríklad sa na časť priestoru privedú elektrické impulzy alebo sa nasmerujú laserové lúče. Ak ide o klasický register, impulz, ktorý možno považovať za výpočtovú operáciu, zmení L premenných. Ak ide o kvantový register, potom sa ten istý impulz môže súčasne konvertovať na premenné. Kvantový register je teda v princípe schopný spracovať informácie niekoľkonásobne rýchlejšie ako jeho klasický náprotivok. Odtiaľ je okamžite jasné, že malé kvantové registre (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.

Stojí však za zmienku, že existuje trieda problémov, pre ktoré kvantové algoritmy neposkytujú výrazné zrýchlenie v porovnaní s klasickými. Jedným z prvých, ktorí to dokázali, bol ruský matematik Yu.Ozhigov, ktorý skonštruoval množstvo príkladov algoritmov, ktoré v princípe nemožno urýchliť jedným hodinovým cyklom na kvantovom počítači.

Napriek tomu niet pochýb o tom, že počítače fungujúce podľa zákonov kvantovej mechaniky sú novou a rozhodujúcou etapou vo vývoji výpočtových systémov. Zostáva ich už len postaviť.

KVANTOVÉ POČÍTAČE DNES

Prototypy kvantových počítačov už dnes existujú. Pravda, doteraz bolo experimentálne možné zostaviť len malé registre pozostávajúce len z niekoľkých kvantových bitov. Tak nedávno skupina vedená americkým fyzikom I. Changom (IBM) oznámila zostavenie 5-bitového kvantového počítača. Nepochybne ide o veľký úspech. Bohužiaľ, existujúce kvantové systémy ešte nie sú schopné poskytovať spoľahlivé výpočty, pretože sú buď zle kontrolované, alebo veľmi náchylné na šum. Neexistujú však žiadne fyzické obmedzenia na zostavenie efektívneho kvantového počítača, je potrebné iba prekonať technologické ťažkosti.

Existuje niekoľko nápadov a návrhov, ako vyrobiť spoľahlivé a ľahko ovládateľné kvantové bity.

I. Chang rozvíja myšlienku použitia spinov jadier niektorých organických molekúl ako qubitov.

Ruský výskumník M.V. Feigelman, pracujúci v Ústave teoretickej fyziky pomenovanom po. L.D. Landau RAS, navrhuje zostaviť kvantové registre z miniatúrnych supravodivých krúžkov. Každý krúžok hrá úlohu qubitu a stavy 0 a 1 zodpovedajú smeru elektrického prúdu v krúžku – v smere a proti smeru hodinových ručičiek. Takéto qubity je možné prepínať pomocou magnetického poľa.

Vo Fyzikálnom a technologickom ústave Ruskej akadémie vied navrhla skupina vedená akademik K. A. Valijevom dve možnosti umiestnenia qubitov do polovodičových štruktúr. V prvom prípade úlohu qubitu zohráva elektrón v systéme dvoch potenciálových jamiek vytvorených napätím aplikovaným na minielektródy na povrchu polovodiča. Stavy 0 a 1 sú polohy elektrónu v jednej z týchto jamiek. Qubit sa spína zmenou napätia na jednej z elektród. V inej verzii je qubit jadrom atómu fosforu uloženého v určitom bode polovodiča. Stavy 0 a 1 - smery jadrovej rotácie pozdĺž alebo proti vonkajšiemu magnetickému poľu. Riadenie sa vykonáva pomocou kombinovaného pôsobenia magnetických impulzov rezonančnej frekvencie a napäťových impulzov.

Výskum teda aktívne prebieha a dá sa predpokladať, že vo veľmi blízkej budúcnosti – približne o desať rokov – vznikne efektívny kvantový počítač.

POHĽAD DO BUDÚCNOSTI

Je teda dosť možné, že v budúcnosti sa budú kvantové počítače vyrábať tradičnými metódami mikroelektronickej technológie a obsahovať veľa riadiacich elektród, pripomínajúcich moderný mikroprocesor. Aby sa znížila hladina hluku, ktorá je kritická pre normálnu prevádzku kvantového počítača, prvé modely budú zrejme musieť byť chladené tekutým héliom. Je pravdepodobné, že prvé kvantové počítače budú objemné a drahé zariadenia, ktoré sa nezmestia na stôl a sú udržiavané veľkým štábom systémových programátorov a nastavovačov hardvéru v bielych plášťoch. Najprv k nim budú mať prístup len vládne agentúry, potom bohaté komerčné organizácie. Éra konvenčných počítačov však začala približne rovnako.

Čo sa stane s klasickými počítačmi? Vymrú? Sotva. Klasické aj kvantové počítače majú svoje vlastné oblasti použitia. Aj keď s najväčšou pravdepodobnosťou sa trhový pomer postupne posunie smerom k druhému.

Zavedenie kvantových počítačov nepovedie k riešeniu zásadne neriešiteľných klasických problémov, ale len urýchli niektoré výpočty. Okrem toho bude možná kvantová komunikácia – prenos qubitov na diaľku, čo povedie k vzniku akéhosi kvantového internetu. Kvantová komunikácia umožní zabezpečiť bezpečné (podľa zákonov kvantovej mechaniky) spojenie každého medzi sebou pred odpočúvaním. Vaše informácie uložené v kvantových databázach budú spoľahlivejšie chránené pred kopírovaním ako teraz. Firmy vyrábajúce programy pre kvantové počítače ich budú môcť chrániť pred akýmkoľvek, vrátane nelegálneho kopírovania.

Pre hlbšie pochopenie tejto témy si môžete prečítať prehľadový článok E. Riffela a V. Polaka „Fundamentals of Quantum Computing“, publikovaný v ruskom časopise „Quantum Computers and Quantum Computing“ (č. 1, 2000). (Mimochodom, ide o prvý a zatiaľ jediný časopis na svete venovaný kvantovej výpočtovej technike. Ďalšie informácie o ňom možno nájsť na internete na adrese http://rcd.ru/qc.). Po zvládnutí tejto práce budete môcť čítať vedecké články o kvantovej výpočtovej technike.

O niečo viac predbežnej matematickej prípravy si bude vyžadovať čítanie knihy A. Kitaeva, A. Shena, M. Vyalya „Classical and Quantum Computations“ (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999).

O mnohých základných aspektoch kvantovej mechaniky, ktoré sú nevyhnutné na vykonávanie kvantových výpočtov, sa hovorí v knihe V. V. Belokurova, O. D. Timofeevskaja, O. A. Khrustaleva „Kvantová teleportácia – obyčajný zázrak“ (Iževsk: RHD, 2000).

Vydavateľstvo RCD pripravuje vydanie prekladu recenzie A. Steena o kvantových počítačoch ako samostatnú knihu.

Nasledujúca literatúra bude užitočná nielen výchovne, ale aj historicky:

1) Yu.I. Manin. Vyčísliteľné a nevyčísliteľné.

M.: Sov. rádio, 1980.

2) J. von Neumann. Matematické základy kvantovej mechaniky.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulácia fyziky na počítačoch // Kvantový počítač a kvantové výpočty:

So. v 2 zväzkoch - Iževsk: RHD, 1999. T. 2, s. 96-123.

4) R. Feynman. Kvantovo mechanické počítače

// Tamže, s. 123.-156.

Pozrite si problém na rovnakú tému