Kvantberäkning, åtminstone i teorin, har talats om i decennier. Moderna typer av maskiner, som använder icke-klassisk mekanik för att bearbeta potentiellt oanade mängder data, har varit ett stort genombrott. Enligt utvecklarna visade sig deras implementering vara den kanske mest komplexa tekniken som någonsin skapats. Kvantprocessorer arbetar på nivåer av materia som mänskligheten bara lärde sig för cirka 100 år sedan. Potentialen med sådan beräkning är enorm. Att använda kvantornas bisarra egenskaper kommer att påskynda beräkningarna, så många problem som för närvarande ligger utanför klassiska datorers kapacitet kommer att lösas. Och inte bara inom området kemi och materialvetenskap. Wall Street är också intresserad.

Investera i framtiden

CME Group har investerat i Vancouver-baserade 1QB Information Technologies Inc., som utvecklar mjukvara för kvantprocessorer. Sådan datoranvändning kommer sannolikt att ha den största inverkan på industrier som hanterar stora volymer tidskänslig data, säger investerare. Ett exempel på sådana konsumenter är finansinstitut. Goldman Sachs investerade i D-Wave Systems och In-Q-Tel finansieras av CIA. Den första producerar maskiner som gör vad som kallas "kvantglödgning", det vill säga löser optimeringsproblem på låg nivå med hjälp av en kvantprocessor. Intel investerar också i denna teknik, även om de anser att implementeringen är en fråga om framtiden.

Varför är detta nödvändigt?

Anledningen till att kvantberäkning är så spännande är på grund av dess perfekta kombination med maskininlärning. Detta är för närvarande huvudapplikationen för sådana beräkningar. En del av idén med en kvantdator är att använda en fysisk enhet för att hitta lösningar. Ibland förklaras detta koncept med hjälp av exemplet med spelet Angry Birds. För att simulera tyngdkraften och samspelet mellan kolliderande föremål använder surfplattans CPU matematiska ekvationer. Kvantprocessorer vänder på detta tillvägagångssätt. De "kastar" några fåglar och ser vad som händer. Fåglarna registreras i mikrochippet, de kastas, vad är den optimala banan? Sedan testas alla möjliga lösningar, eller åtminstone en mycket stor kombination av dem, och ett svar returneras. I en kvantdator finns ingen matematiker, fysikens lagar fungerar istället.

Hur fungerar det?

De grundläggande byggstenarna i vår värld är kvantmekaniska. Om du tittar på molekyler är anledningen till att de bildas och förblir stabila samspelet mellan deras elektronorbitaler. Alla kvantmekaniska beräkningar ingår i var och en av dem. Deras antal växer exponentiellt med antalet simulerade elektroner. Till exempel, för 50 elektroner finns 2 till 50:e potens möjliga alternativ. Detta är fenomenalt, så det är omöjligt att beräkna det idag. Att koppla informationsteori till fysik kan visa vägen för att lösa sådana problem. En 50-qubit-dator kan göra detta.

Gryningen av en ny era

Enligt Landon Downs, president och medgrundare av 1QBit, är en kvantprocessor förmågan att utnyttja den subatomära världens datorkraft, vilket har enorma konsekvenser för att skaffa nya material eller skapa nya läkemedel. Det sker en övergång från upptäcktens paradigm till en ny era av design. Till exempel kan kvantberäkning användas för att modellera katalysatorer som tar bort kol och kväve från atmosfären och därigenom hjälper till att stoppa den globala uppvärmningen.

I framkant av utvecklingen

Teknikutvecklingssamhället är extremt upphetsat och aktivt. Team runt om i världen i startups, företag, universitet och statliga laboratorier tävlar om att bygga maskiner som använder olika metoder för att bearbeta kvantinformation. Supraledande qubit-chips och fångade jon-qubits har skapats av forskare från University of Maryland och US National Institute of Standards and Technology. Microsoft utvecklar ett topologiskt tillvägagångssätt som kallas Station Q, som syftar till att utnyttja en icke-abelisk anjon som ännu inte definitivt bevisats existera.

Året för ett möjligt genombrott

Och det här är bara början. I slutet av maj 2017 är antalet kvantprocessorer som helt klart gör något snabbare eller bättre än en klassisk dator noll. En sådan händelse skulle etablera "kvantöverhöghet", men den har ännu inte inträffat. Även om det är troligt att detta kan hända i år. De flesta insiders säger att den klara favoriten är Google-teamet som leds av fysikprofessorn John Martini vid UC Santa Barbara. Dess mål är att uppnå beräkningsöverlägsenhet med en 49-qubit-processor. I slutet av maj 2017 hade teamet framgångsrikt testat ett 22-qubit-chip som ett mellansteg mot att demontera en klassisk superdator.

Var började det hela?

Idén att använda kvantmekanik för att bearbeta information har funnits i decennier. En av de viktigaste händelserna inträffade 1981, när IBM och MIT gemensamt organiserade en konferens om datorns fysik. Den berömda fysikern föreslog att man skulle bygga en kvantdator. Enligt honom ska kvantmekanik användas för modellering. Och det här är en fantastisk uppgift eftersom det inte ser så lätt ut. Kvantprocessorns funktionsprincip är baserad på flera märkliga egenskaper hos atomer - överlagring och intrassling. En partikel kan vara i två tillstånd samtidigt. Men när den mäts visas den endast i en av dem. Och det är omöjligt att förutsäga vilken, förutom ur sannolikhetsteorin. Denna effekt är grunden för tankeexperimentet av Schrödingers katt, som är både levande och död i en låda tills en observatör smyger en titt. Ingenting i vardagen fungerar så här. Men cirka 1 miljon experiment utförda sedan början av 1900-talet visar att superposition faktiskt existerar. Och nästa steg är att ta reda på hur man använder detta koncept.

Quantum processor: arbetsbeskrivning

Klassiska bitar kan ta värdet 0 eller 1. Om du skickar deras sträng genom "logiska grindar" (AND, OR, NOT, etc.), kan du multiplicera tal, rita bilder etc. En qubit kan ta värdena 0, 1 eller båda samtidigt. Om, säg, 2 qubits är intrasslade, gör detta dem perfekt korrelerade. En kvantprocessor kan använda logiska grindar. T.n. Hadamard-porten, till exempel, placerar qubiten i ett tillstånd av perfekt superposition. När superposition och intrassling kombineras med smart placerade kvantportar, börjar potentialen för subatomär beräkning att utvecklas. 2 qubits låter dig utforska 4 tillstånd: 00, 01, 10 och 11. Funktionsprincipen för en kvantprocessor är sådan att en logisk operation gör det möjligt att arbeta med alla positioner samtidigt. Och antalet tillgängliga tillstånd är 2 i potensen av antalet qubits. Så, om du gjorde en 50-qubit universell kvantdator, kan du teoretiskt utforska alla 1,125 kvadrilljoner kombinationer på en gång.

Kudits

Kvantprocessorn i Ryssland ses något annorlunda. Forskare från MIPT och Russian Quantum Center har skapat "qudits", som är flera "virtuella" qubits med olika "energi"-nivåer.

Amplituder

En kvantprocessor har fördelen att kvantmekaniken är baserad på amplituder. Amplituder liknar sannolikhet, men de kan också vara negativa och komplexa tal. Så om du behöver beräkna sannolikheten för en händelse kan du lägga till amplituderna för alla möjliga alternativ för deras utveckling. Tanken bakom kvantberäkning är att försöka ställa in den så att vissa vägar till felaktiga svar har en positiv amplitud och några har en negativ amplitud, så att de tar bort varandra. Och vägarna som leder till det korrekta svaret skulle ha amplituder som är i fas med varandra. Tricket är att organisera allt utan att i förväg veta vilket svar som är rätt. Så den exponentiella karaktären hos kvanttillstånd, i kombination med potentialen för interferens mellan positiva och negativa amplituder, är en fördel med denna typ av beräkning.

Shors algoritm

Det finns många problem som en dator inte kan lösa. Till exempel kryptering. Problemet är att det inte är så lätt att hitta primtalsfaktorer för ett 200-siffrigt tal. Även om din bärbara dator kör bra programvara kan du behöva vänta flera år för att hitta svaret. Så en annan milstolpe inom kvantberäkning var en algoritm som publicerades 1994 av Peter Shore, nu professor i matematik vid MIT. Hans metod är att hitta faktorerna för ett stort antal med hjälp av en kvantdator som ännu inte existerade. I huvudsak utför algoritmen operationer som pekar på områden med rätt svar. Följande år upptäckte Shor en metod för kvantfelskorrigering. Då insåg många att detta var ett alternativt sätt att beräkna, som i vissa fall kunde vara mer kraftfullt. Sedan blev det ett ökat intresse från fysikers sida för skapandet av qubits och logiska grindar mellan dem. Och nu, två decennier senare, är mänskligheten på väg att skapa en fullfjädrad kvantdator.

Förra veckan kom nyheten att Google hade gjort ett genombrott i utvecklingen av en kvantdator -
företaget förstod hur en sådan dator skulle klara sig
med dina egna misstag. Det har pratats om kvantdatorer i flera år: det stod till exempel på omslaget till tidningen Time. Om sådana datorer dyker upp blir det ett genombrott som liknar utseendet på klassiska datorer – eller till och med allvarligare. Look At Me förklarar varför kvantdatorer är fantastiska och exakt vad Google har gjort.

Vad är en kvantdator?

En kvantdator är en mekanism i skärningspunkten mellan datavetenskap och kvantfysik, den mest komplexa grenen av teoretisk fysik. Richard Feynman, en av 1900-talets största fysiker, sa en gång: "Om du tror att du förstår kvantfysik, då förstår du det inte." Observera därför att följande förklaringar är otroligt förenklade. Människor tillbringar många år med att försöka förstå kvantfysik.

Kvantfysik handlar om elementarpartiklar som är mindre än en atom. Hur dessa partiklar är uppbyggda och hur de beter sig motsäger många av våra idéer om universum. En kvantpartikel kan finnas på flera ställen samtidigt – och i flera tillstånd samtidigt. Föreställ dig att du kastade ett mynt: medan det är i luften kan du inte säga om det kommer upp i huvudet eller svansen; Detta mynt är som huvud och svans på samma gång. Ungefär så beter sig kvantpartiklar. Detta kallas superpositionsprincipen.

En kvantdator är fortfarande en hypotetisk anordning som kommer att använda principen om superposition (och andra kvantegenskaper)
för beräkningar. En vanlig dator arbetar med transistorer,
som uppfattar all information som nollor och ettor. Binär kod kan beskriva hela världen - och lösa eventuella problem inom den. Kvantanalogen av en klassisk bit kallas en aln. (qubit, qu - från ordet kvant, kvant). Med hjälp av principen om överlagring kan en aln samtidigt vara
i tillstånd 0 och 1 - och detta kommer inte bara att öka effekten avsevärt jämfört med traditionella datorer, utan kommer också att tillåta dig att lösa oväntade problem,
som konventionella datorer inte klarar av.

Superpositionsprincipen är det enda
Vad kommer kvantdatorer att baseras på?

Nej. På grund av det faktum att kvantdatorer endast existerar i teorin, spekulerar forskare fortfarande bara om hur exakt de kommer att fungera. Till exempel tror man att kvantdatorer också kommer att använda kvantentanglement.
Detta är ett fenomen som Albert Einstein kallade "det kusliga" ( han var generellt emot kvantteorin, eftersom den inte stämmer överens med hans relativitetsteori). Innebörden av fenomenet är att två partiklar i universum kan kopplas samman, och vice versa: säg, om heliciteten
(det finns en sådan egenskap hos elementarpartiklarnas tillstånd, vi kommer inte att gå in på detaljer) den första partikeln är positiv, då kommer den andras helicitet alltid att vara negativ, och vice versa. Detta fenomen kallas "läskigt" av två skäl. För det första fungerar denna anslutning omedelbart, snabbare än ljusets hastighet. För det andra kan intrasslade partiklar placeras på valfritt avstånd från varandra.
från varandra: till exempel i olika ändar av Vintergatan.

Hur kan en kvantdator användas?

Forskare letar efter applikationer för kvantdatorer och funderar samtidigt på hur man bygger dem. Huvudsaken är att en kvantdator mycket snabbt kommer att kunna optimera information och i allmänhet arbeta med stor data som vi samlar på oss, men som ännu inte förstår hur vi ska använda.

Låt oss föreställa oss detta alternativ (mycket förenklat förstås): Du är på väg att skjuta en pilbåge mot ett mål och du måste beräkna hur högt du ska sikta för att träffa. Låt oss säga att du behöver beräkna höjden från 0 till 100 cm En konventionell dator kommer att beräkna varje bana i tur och ordning: först 0 cm, sedan 1 cm, sedan 2 cm och så vidare. Kvantdatorn kommer att beräkna alla alternativ samtidigt - och omedelbart producera den som gör att du kan träffa målet. På så sätt kan du optimera många processer:
från medicin (säg att diagnostisera cancer tidigare) före flyget (till exempel göra mer komplexa autopiloter).

Det finns också en version som en sådan dator kommer att kunna lösa problem som en vanlig dator helt enkelt inte klarar av – eller som skulle ta tusentals år av beräkningar. En kvantdator kommer att kunna arbeta med de mest komplexa simuleringarna: beräkna till exempel om det finns andra intelligenta varelser i universum än människor. Det är möjligt att skapandet av kvantdatorer kommer att leda
till framväxten av artificiell intelligens. Föreställ dig vad tillkomsten av konventionella datorer gjorde med vår värld - kvantdatorer kan vara ungefär samma genombrott.

Vem utvecklar kvantdatorer?

Allt. Regeringar, militärer, teknikföretag. Att skapa en kvantdator kommer att vara fördelaktigt för nästan alla. Till exempel, bland dokumenten som släppts av Edward Snowden, fanns det information om att NSA har ett projekt som heter "Infiltration of Complex Targets", som inkluderar skapandet av en kvantdator för att kryptera information. Microsoft är seriöst involverat i kvantdatorer - de började sin första forskning inom detta område redan 2007. IBM utvecklar och meddelade för flera år sedan att de skapat ett chip med tre qubits. Äntligen samarbetar Google och NASA
med företaget D-Wave, som säger att det redan producerar
"den första kommersiella kvantprocessorn" (eller snarare den andra, nu heter deras modell D-Wave Two), men det fungerar inte som en kvant än -
Låt oss påminna dig om att de inte finns.

Hur nära är vi att skapa
kvantdator?

Ingen kan säga säkert. Nyheter om teknikgenombrott (som de senaste nyheterna om Google) dyker upp hela tiden, men vi kan vara väldigt långt borta
från en fullfjädrad kvantdator, och mycket nära den. Låt oss säga att det finns studier som visar att det räcker med att skapa en dator
med flera hundra alnar så att den fungerar som en fullfjädrad kvantdator. D-Wave påstår sig ha skapat en 84-qubit-processor -
men kritiker som har analyserat sin processor säger att den fungerar,
som en klassisk dator, inte som en kvantdator. Google samarbetar
med D-Wave tror de att deras processor helt enkelt är i de mycket tidiga utvecklingsstadierna och så småningom kommer att fungera som en kvant. Hur som helst, nu
Kvantdatorer har ett huvudproblem - fel. Vilken dator som helst gör misstag, men klassiska kan lätt klara av dem - men det gör inte kvantdatorer än. När forskarna väl tar reda på buggarna kommer tillkomsten av en kvantdator att vara bara några år bort.

Vad gör det svårt att rätta till fel?
i kvantdatorer?

För att förenkla kan fel i kvantdatorer delas in i två nivåer. Det första är de misstag som alla datorer gör, inklusive klassiska. Ett fel kan uppstå i datorns minne när 0 ofrivilligt ändras till 1 på grund av externt brus - till exempel kosmisk strålning eller strålning. Dessa fel är lätta att lösa. All data kontrolleras för sådana ändringar. Och Google tog nyligen upp detta problem i kvantdatorer: de stabiliserade en kedja av nio qubits
och räddade henne från misstag. Det finns dock en varning för detta genombrott: Google har hanterat klassiska fel i klassisk datoranvändning. Det finns en andra felnivå i kvantdatorer, och den är mycket svårare att förstå och förklara.

Alnar är extremt instabila, de är föremål för kvantdekoherens - detta är en störning av kommunikationen inom ett kvantsystem under påverkan av miljön. Kvantprocessorn måste isoleras så mycket som möjligt från miljöpåverkan (även om dekoherens ibland uppstår som ett resultat av interna processer) för att hålla felen till ett minimum. Samtidigt kan kvantfel inte helt elimineras, men om de görs tillräckligt sällsynta kan en kvantdator fungera. Samtidigt tror vissa forskare att 99% av kraften hos en sådan dator kommer att styras
för att eliminera fel, men de återstående 1% räcker för att lösa eventuella problem.
Enligt fysikern Scott Aaronson kan Googles prestation betraktas som den tredje
med hälften av de sju steg som behövs för att skapa en kvantdator – vi är med andra ord halvvägs.

Kvantdatorer lovar en verklig revolution, inte bara inom datoranvändning, utan också i verkligheten. Media är fulla av rubriker om hur kvantdatorer kommer att förstöra modern kryptografi, och kraften hos artificiell intelligens, tack vare dem, kommer att öka i storleksordningar.

Under de senaste 10 åren har kvantdatorer gått från ren teori till de första fungerande exemplen. Det är sant att det fortfarande är långt kvar till den utlovade revolutionen, och dess inflytande i slutändan kanske inte är så omfattande som det verkar nu.

Hur fungerar en kvantdator?

En kvantdator är en enhet som använder fenomenen kvantsuperposition och kvantintrassling. Huvudelementet i sådana beräkningar är qubit, eller kvantbit. Bakom alla dessa ord döljer sig ganska komplex matematik och fysik, men om man förenklar dem så mycket som möjligt får man något sånt här.

I vanliga datorer sysslar vi med bitar. En bit är en måttenhet för information i det binära systemet. Det kan ta värdet 0 och 1, vilket är mycket praktiskt inte bara för matematiska operationer, utan också för logiska, eftersom noll kan associeras med värdet "falskt" och en med "sant".

Moderna processorer är byggda på basis av transistorer, halvledarelement som kan eller inte kan passera elektrisk ström. Med andra ord producerar den två värden, 0 och 1. På liknande sätt kan en flytande grindtransistor lagra laddning i flashminne. Om den finns får vi en, finns den inte där får vi noll. Magnetisk digital inspelning fungerar på liknande sätt, bara informationsbäraren där är en magnetisk partikel, antingen med eller utan laddning.

I beräkningar läser vi av värdet på en bit (0 eller 1) från minnet och för sedan ström genom transistorn och beroende på om den passerar den eller inte får vi en ny bit vid utgången, eventuellt med ett annat värde.

Vad är qubits för kvantdatorer? I en kvantdator är huvudelementet en qubit - en kvantbit. Till skillnad från en vanlig bit är den i ett tillstånd av kvantöverlagring, det vill säga den har värdet av både 0 och 1, och vilken kombination som helst av dem när som helst. Om det finns flera qubits i systemet, innebär att ändra en också att alla andra qubits ändras.

Detta gör att du kan beräkna alla möjliga alternativ samtidigt. En konventionell processor, med sina binära beräkningar, beräknar faktiskt alternativen sekventiellt. Först ett scenario, sedan ett annat, sedan ett tredje osv. För att påskynda saker och ting började de använda multithreading, köra beräkningar parallellt, förhämtning, för att förutsäga möjliga förgreningsalternativ och beräkna dem i förväg. I en kvantdator görs allt detta parallellt.

Beräkningsprincipen är också en annan. På sätt och vis innehåller en kvantdator redan alla möjliga alternativ för att lösa problemet vår uppgift är bara att läsa av qubitarnas tillstånd och... välja rätt alternativ från dem. Och det är här som svårigheterna börjar. Detta är principen för driften av en kvantdator.

Skapande av en kvantdator

Vad blir den fysiska karaktären hos en kvantdator? Ett kvanttillstånd kan endast uppnås i partiklar. En qubit kan inte byggas av flera atomer, som en transistor. Hittills har detta problem inte helt lösts. Det finns flera alternativ. Atomers laddningstillstånd används, till exempel närvaro eller frånvaro av en elektron vid en vanlig punkt, supraledande element, fotoner, etc.

Sådana "subtila frågor" innebär restriktioner för att mäta tillståndet för qubits. Energierna är extremt låga, förstärkare behövs för att läsa data. Men förstärkare kan påverka ett kvantsystem och ändra dess tillstånd, men inte bara de, utan även själva observationen kan ha betydelse.

Kvantberäkning involverar en sekvens av operationer som utförs på en eller flera qubits. De leder i sin tur till förändringar i hela systemet. Uppgiften är att välja den rätta från dess tillstånd, vilket ger resultatet av beräkningarna. I det här fallet kan det finnas hur många stater som helst som är så nära detta som möjligt. Följaktligen kommer noggrannheten i sådana beräkningar nästan alltid att skilja sig från enhet.

En fullfjädrad kvantdator kräver alltså betydande framsteg inom fysiken. Dessutom kommer programmering för en kvantdator att vara annorlunda än vad som finns nu. Slutligen kommer kvantdatorer inte att kunna lösa problem som inte kan lösas av konventionella, men de kan snabba på lösningarna för dem som de kan hantera. Sant, återigen, inte alla.

Qubit räkning, qubit kvantdator

Successivt tas problemen på vägen till en kvantdator bort. De första qubitarna byggdes i början av seklet. Processen accelererade i början av decenniet. Idag kan utvecklare redan producera processorer med tiotals qubits.

Det senaste genombrottet var skapandet av Bristlecone-processorn i Googles inre. I mars 2018 meddelade företaget att det kunde bygga en 72-qubit-processor. Google säger inte på vilka fysiska principer Bristlecone är byggd. Man tror dock att 49 qubits är tillräckligt för att uppnå "kvantöverlägsenhet", när en kvantdator börjar överträffa en konventionell. Google lyckades uppfylla detta villkor, men felfrekvensen på 0,6 % är fortfarande högre än de 0,5 % som krävs.

Hösten 2017 tillkännagav IBM skapandet av en prototyp av en 50-qubit kvantprocessor. Han testas. Men 2017 öppnade IBM upp sin 20-qubit-processor för molnberäkning. I mars 2018 lanserades en mindre version av IBM Q Vem som helst kan köra experiment på en sådan dator. Baserat på deras resultat har 35 vetenskapliga artiklar redan publicerats.

I början av 10-årsjubileet dök det svenska företaget D-Wave upp på marknaden som positionerade sina datorer som kvant. Det genererade mycket kontrovers, eftersom det tillkännagav skapandet av 1000-qubit-maskiner, medan de erkända ledarna "pysslade" med bara ett par qubits. Datorer från svenska utvecklare såldes för 10-15 miljoner dollar, så det var inte så lätt att kontrollera dem.

D-Wave-datorer är inte kvanta i ordets rätta bemärkelse, men de använder vissa kvanteffekter som kan användas för att lösa vissa optimeringsproblem. Med andra ord, inte alla algoritmer som kan exekveras på en kvantdator tar emot kvantacceleration på D-Wave. Google skaffade ett av svenskarnas system. Som ett resultat erkände dess forskare datorer som "begränsat kvantum". Det visade sig att qubits är grupperade i kluster om åtta, det vill säga deras reella antal är märkbart mindre än det deklarerade.

Kvantdator i Ryssland

En traditionellt stark fysikskola tillåter en att göra betydande bidrag till att lösa fysiska problem för att skapa en kvantdator. I januari 2018 skapade ryssarna en signalförstärkare för en kvantdator. Med tanke på att förstärkaren själv kan påverka qubitarnas tillstånd genom sin funktion, bör brusnivån som den genererar skilja sig lite från "vakuum". Detta är vad ryska forskare från "Superconducting Metamaterials"-laboratoriet i NUST MISIS och två institut vid den ryska vetenskapsakademin lyckades göra. Supraledare användes för att skapa förstärkaren.

Ett kvantcenter har också skapats i Ryssland. Det är en icke-statlig forskningsorganisation som är engagerad i forskning inom kvantfysikområdet. Hon arbetar också med problemet med att skapa qubits. Bakom centret står affärsmannen Sergei Belousov och professorn Mikhail Lukin vid Harvard University. Under hans ledning hade en 51-qubit-processor redan skapats vid Harvard, som under en tid innan tillkännagivandet av Bristlecon var den mest kraftfulla kvantdatorenheten i världen.

Utvecklingen av quantum computing har blivit en del av Digital Economy state-programmet. Under 2018-20 kommer statligt stöd att anvisas för arbete inom området. Handlingsplanen tillhandahåller skapandet av en kvantsimulator som använder åtta supraledande kvantbitar. Efter detta kommer frågan om ytterligare skalning av denna teknik att avgöras.

Dessutom, före 2020, planerar Ryssland att testa en annan kvantteknologi: att konstruera qubits på neutrala atomer och laddade joner i fällor.

Ett av målen med programmet är att skapa kvantkryptografi och kvantkommunikationsenheter. Distributionscenter för kvantnycklar kommer att skapas, som kommer att distribuera dem till konsumenter - banker, datacenter och industriföretag. Man tror att en fullfjädrad kvantdator kan bryta vilken modern krypteringsalgoritm som helst på några minuter.

Så småningom

Så kvantdatorer är fortfarande experimentella. Det är osannolikt att en fullfjädrad kvantdator som kan ha riktigt hög datorkraft kommer att dyka upp före nästa decennium. Produktionen av qubits och konstruktionen av stabila system från dem är fortfarande långt ifrån perfekt.

Att döma av det faktum att kvantdatorer på den fysiska nivån har flera lösningar som skiljer sig åt i teknik och förmodligen i kostnad, kommer de inte att förenas förrän om 10 år. Standardiseringsprocessen kan ta lång tid.

Dessutom är det redan klart att kvantdatorer med största sannolikhet kommer att förbli "bitar" och mycket dyra enheter under det kommande decenniet. Det är osannolikt att de hamnar i fickan på en vanlig användare, men du kan förvänta dig att de hamnar på listan över superdatorer.

Det är troligt att kvantdatorer kommer att erbjudas i en "molnmodell", där deras resurser kan användas av intresserade forskare och organisationer.

Mänskligheten står, precis som för 60 år sedan, återigen på gränsen till ett stort genombrott inom datateknik. Mycket snart kommer kvantdatorer att ersätta dagens datormaskiner.

Hur långt har framstegen kommit?

Redan 1965 sa Gordon Moore att på ett år fördubblas antalet transistorer som passar på ett mikrochip av kisel. Denna framstegstakt har avtagit nyligen, och fördubbling sker mer sällan - en gång vartannat år. Även denna takt kommer att tillåta transistorer att nå storleken på en atom inom en snar framtid. Nästa är en linje som inte kan passeras. Ur transistorns fysiska struktur kan den inte på något sätt vara mindre än atommängder. Att öka chipstorleken löser inte problemet. Driften av transistorer är förknippad med frigörandet av termisk energi, och processorer behöver ett högkvalitativt kylsystem. Flerkärnig arkitektur löser inte heller frågan om ytterligare tillväxt. Att nå toppen i utvecklingen av modern processorteknik kommer snart att ske.
Utvecklare kom att förstå detta problem vid en tidpunkt då användare precis började ha persondatorer. 1980 formulerade en av grundarna av kvantinformationsvetenskap, den sovjetiske professorn Yuri Manin, idén om kvantberäkning. Ett år senare föreslog Richard Feyman den första modellen av en dator med en kvantprocessor. Den teoretiska grunden för hur kvantdatorer ska se ut formulerades av Paul Benioff.

Hur en kvantdator fungerar

För att förstå hur den nya processorn fungerar måste du ha åtminstone en ytlig kunskap om kvantmekanikens principer. Det är ingen idé att ge matematiska layouter och formler här. Det räcker för den genomsnittliga personen att bli bekant med kvantmekanikens tre särdrag:

• Tillståndet eller positionen för en partikel bestäms endast med en viss grad av sannolikhet.
• Om en partikel kan ha flera tillstånd, så är den i alla möjliga tillstånd samtidigt. Detta är principen för superposition.
• Processen att mäta en partikels tillstånd leder till att superposition försvinner. Det är karakteristiskt att kunskapen om partikelns tillstånd som erhålls genom mätningen skiljer sig från partikelns faktiska tillstånd före mätningarna.

Ur sunt förnufts synvinkel - fullständigt nonsens. I vår vanliga värld kan dessa principer representeras enligt följande: dörren till rummet är stängd och samtidigt öppen. Stängt och öppet samtidigt.

Detta är den slående skillnaden mellan beräkningarna. En konventionell processor arbetar i binär kod. Datorbitar kan bara vara i ett tillstånd - har ett logiskt värde på 0 eller 1. Kvantdatorer arbetar med qubits, som kan ha ett logiskt värde på 0, 1, 0 och 1 på en gång. För att lösa vissa problem kommer de att ha en fördel på flera miljoner dollar jämfört med traditionella datorer. Idag finns det redan dussintals beskrivningar av arbetsalgoritmer. Programmerare skapar speciell programkod som kan fungera enligt nya beräkningsprinciper.

Var ska den nya datorn användas?

En ny metod för beräkningsprocessen gör att du kan arbeta med enorma mängder data och utföra omedelbara beräkningsoperationer. Med tillkomsten av de första datorerna hade vissa människor, inklusive regeringstjänstemän, stor skepsis angående deras användning i den nationella ekonomin. Det finns fortfarande människor idag som är fulla av tvivel om vikten av datorer av en i grunden ny generation. Under mycket lång tid vägrade tekniska tidskrifter att publicera artiklar om kvantberäkning, eftersom detta område ansågs vara ett vanligt bedrägligt knep för att lura investerare.

En ny beräkningsmetod kommer att skapa förutsättningar för storslagna vetenskapliga upptäckter inom alla branscher. Medicin kommer att lösa många problematiska frågor, av vilka en hel del har samlats på senare tid. Det blir möjligt att diagnostisera cancer i ett tidigare skede av sjukdomen än nu. Den kemiska industrin kommer att kunna syntetisera produkter med unika egenskaper.

Ett genombrott inom astronautiken kommer inte att vänta på sig. Flyg till andra planeter kommer att bli lika vanliga som dagliga resor runt staden. Potentialen som ligger i kvantberäkning kommer säkerligen att förvandla vår planet till oigenkännlighet.

En annan utmärkande egenskap som kvantdatorer har är kvantberäkningens förmåga att snabbt hitta önskad kod eller chiffer. En vanlig dator utför en matematisk optimeringslösning sekventiellt och provar det ena alternativet efter det andra. Kvantkonkurrenten arbetar med hela mängden data på en gång och väljer de mest lämpliga alternativen blixtsnabbt på en aldrig tidigare skådad tid. Banktransaktioner kommer att dekrypteras på ett ögonblick, vilket är otillgängligt för moderna datorer.

Banksektorn behöver dock inte oroa sig - dess hemlighet kommer att räddas av kvantkrypteringsmetoden med en mätparadox. När du försöker öppna koden kommer den sända signalen att förvrängas. Informationen som mottas kommer inte att vara meningsfull. Hemliga tjänster, för vilka spionage är vanligt förekommande, är intresserade av kvantdatorns möjligheter.

Designsvårigheter

Svårigheten ligger i att skapa förhållanden under vilka en kvantbit kan förbli i ett tillstånd av superposition på obestämd tid.

Varje qubit är en mikroprocessor som arbetar enligt principerna för supraledning och kvantmekanikens lagar.

Ett antal unika miljöförhållanden skapas runt de mikroskopiska elementen i en logikmaskin:

• temperatur 0,02 grader Kelvin (-269,98 Celsius);
• skyddssystem mot magnetisk och elektrisk strålning (minskar effekten av dessa faktorer med 50 tusen gånger);
• värmeavlägsnande och vibrationsdämpningssystem;
• luftförsämring är 100 miljarder gånger lägre än atmosfärstrycket.

En liten avvikelse i miljön gör att qubitarna omedelbart förlorar sitt överlagringstillstånd, vilket resulterar i funktionsfel.

Före resten av planeten

Allt ovanstående skulle kunna tillskrivas kreativiteten hos det febriga sinnet hos en författare av science fiction-berättelser om Google, tillsammans med NASA, inte hade köpt en D-Wave kvantdator förra året från ett kanadensiskt forskningsföretag, vars processor innehåller 512 qubits.

Med dess hjälp kommer ledaren på datorteknikmarknaden att lösa problem med maskininlärning i att sortera och analysera stora mängder data.

Snowden, som lämnade USA, gjorde också ett viktigt avslöjande uttalande – NSA planerar också att utveckla sin egen kvantdator.

2014 - början på eran av D-Wave-system

Den framgångsrika kanadensiska idrottaren Geordie Rose började efter en affär med Google och NASA bygga en 1000-qubit-processor. Den framtida modellen kommer att överstiga den första kommersiella prototypen med minst 300 tusen gånger i hastighet och volym av beräkningar. Kvantdatorn, på bilden nedan, är världens första kommersiella version av en i grunden ny datorteknik.

Han uppmanades att engagera sig i vetenskaplig utveckling av sin bekantskap vid universitetet med Colin Williams verk om kvantberäkning. Det ska sägas att Williams idag arbetar på Roses bolag som affärsprojektledare.

Genombrott eller vetenskaplig bluff

Rose själv vet inte helt vad kvantdatorer är. På tio år har hans team gått från att skapa en 2-qubit-processor till dagens första kommersiella idé.

Redan från början av sin forskning försökte Rose skapa en processor med ett minsta antal qubits på 1 tusen. Och han var definitivt tvungen att ha ett kommersiellt alternativ - för att sälja och tjäna pengar.

Många, som känner till Roses besatthet och kommersiella skarpsinne, försöker anklaga honom för förfalskning. Det påstås att den vanligaste processorn framställs som kvant. Detta underlättas också av att den nya tekniken uppvisar fenomenala prestanda vid vissa typer av beräkningar. Annars beter den sig som en helt vanlig dator, bara väldigt dyr.

När kommer de att dyka upp

Det är inte länge att vänta. En forskargrupp organiserad av de gemensamma köparna av prototypen kommer att rapportera om resultaten av forskningen om D-Wave inom en snar framtid.
Kanske kommer tiden snart då kvantdatorer kommer att revolutionera vår förståelse av världen omkring oss. Och hela mänskligheten kommer i detta ögonblick att nå en högre nivå av sin utveckling.

Kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper L. FEDICHKIN (Ryska vetenskapsakademins fysikaliska och tekniska institut.

Med hjälp av kvantmekanikens lagar är det möjligt att skapa en helt ny typ av dator som gör det möjligt att lösa vissa problem som är otillgängliga för ens de mest kraftfulla moderna superdatorerna. Hastigheten på många komplexa beräkningar kommer att öka kraftigt; meddelanden som skickas över kvantkommunikationslinjer kommer att vara omöjliga att fånga upp eller kopiera. Idag har prototyper av dessa framtidens kvantdatorer redan skapats.

Amerikansk matematiker och fysiker av ungerskt ursprung Johann von Neumann (1903-1957).

Den amerikanske teoretiske fysikern Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Den amerikanske matematikern Peter Shor, en specialist inom området kvantberäkning. Han föreslog en kvantalgoritm för snabb faktorisering av stora tal.

Kvantbit, eller qubit. Tillstånd motsvarar till exempel riktningen för atomkärnans spinn uppåt eller nedåt.

Ett kvantregister är en kedja av kvantbitar. En- eller två-qubits kvantgrindar utför logiska operationer på kvantbitar.

INTRODUKTION ELLER LITE OM INFORMATIONSSKYDD

Vilket program tror du har sålt flest licenser i världen? Jag riskerar inte att insistera på att jag vet det rätta svaret, men jag vet definitivt ett fel: det här Inte valfri version av Microsoft Windows. Det vanligaste operativsystemet ligger före en blygsam produkt från RSA Data Security, Inc. - ett program som implementerar RSA public key-krypteringsalgoritmen, uppkallad efter dess författare - de amerikanska matematikerna Rivest, Shamir och Adelman.

Faktum är att RSA-algoritmen är inbyggd i de flesta kommersiella operativsystem, såväl som många andra applikationer som används i olika enheter - från smarta kort till mobiltelefoner. Framför allt är det också tillgängligt i Microsoft Windows, vilket betyder att det säkert är mer utbrett än detta populära operativsystem. För att upptäcka spår av RSA, till exempel i webbläsaren Internet Explorer (ett program för att visa www-sidor på Internet), öppnar du bara menyn "Hjälp", går in i undermenyn "Om Internet Explorer" och visar listan över använda produkter från andra företag. En annan vanlig webbläsare, Netscape Navigator, använder också RSA-algoritmen. I allmänhet är det svårt att hitta ett välkänt företag som arbetar inom högteknologi som inte skulle köpa en licens för detta program. Idag har RSA Data Security, Inc. har redan sålt mer än 450 miljoner(!) licenser.

Varför var RSA-algoritmen så viktig?

Föreställ dig att du snabbt behöver byta meddelande med en person som är långt borta. Tack vare utvecklingen av Internet har ett sådant utbyte blivit tillgängligt för de flesta idag - du behöver bara ha en dator med modem eller nätverkskort. När du utbyter information över nätverket vill du naturligtvis hålla dina meddelanden hemliga för främlingar. Det är dock omöjligt att helt skydda en lång kommunikationslinje från avlyssning. Det betyder att när meddelanden skickas måste de krypteras och när de tas emot måste de dekrypteras. Men hur kan du och din samtalspartner komma överens om vilken nyckel ni ska använda? Om du skickar nyckeln till chifferet över samma linje kan en avlyssnande angripare enkelt fånga upp det. Du kan naturligtvis överföra nyckeln via någon annan kommunikationslinje, till exempel skicka den med telegram. Men denna metod är vanligtvis obekväm och dessutom inte alltid tillförlitlig: den andra linjen kan också avlyssnas. Det är bra om du och din mottagare visste i förväg att ni skulle byta kryptering och därför gav varandra nycklarna i förväg. Men vad händer om du till exempel vill skicka ett konfidentiellt kommersiellt erbjudande till en möjlig affärspartner eller köpa en produkt du gillar i en ny webbutik med kreditkort?

På 1970-talet, för att lösa detta problem, föreslogs krypteringssystem som använder två typer av nycklar för samma meddelande: offentliga (krävs inte att hållas hemliga) och privata (strängt hemliga). Den offentliga nyckeln används för att kryptera meddelandet, och den privata nyckeln används för att dekryptera det. Du skickar en offentlig nyckel till din korrespondent och han använder den för att kryptera sitt meddelande. Allt en angripare som har snappat upp en offentlig nyckel kan göra är att kryptera sin e-post med den och vidarebefordra den till någon. Men han kommer inte att kunna tyda korrespondensen. Du, genom att känna till den privata nyckeln (den är från början lagrad hos dig), kan enkelt läsa meddelandet som är adresserat till dig. För att kryptera svarsmeddelanden kommer du att använda den offentliga nyckel som skickas av din korrespondent (och han kommer att behålla motsvarande privata nyckel för sig själv).

Detta är exakt det kryptografiska schemat som används i RSA-algoritmen, den vanligaste krypteringsmetoden för offentliga nyckel. Dessutom, för att skapa ett par offentliga och privata nycklar, används följande viktiga hypotes. Om det finns två stora (kräver mer än hundra decimaler för att skrivas) enkel siffrorna M och K, då kommer det inte att vara svårt att hitta sin produkt N=MK (du behöver inte ens ha en dator för detta: en ganska försiktig och tålmodig person kommer att kunna multiplicera sådana siffror med en penna och papper). Men för att lösa det omvända problemet, det vill säga att känna till ett stort antal N, bryt ner det i primfaktorerna M och K (den s.k. faktoriseringsproblem) - nästan omöjligt! Detta är exakt problemet som en angripare kommer att stöta på om han bestämmer sig för att "hacka" RSA-algoritmen och läsa informationen krypterad med den: för att ta reda på den privata nyckeln, med kunskap om den offentliga nyckeln, måste han beräkna M eller K .

För att testa giltigheten av hypotesen om den praktiska komplexiteten i att faktorisera stora siffror har särskilda tävlingar hållits och hålls fortfarande. Nedbrytningen av bara ett 155-siffrigt (512-bitars) nummer anses vara en post. Beräkningarna gjordes parallellt på många datorer under sju månader 1999. Om denna uppgift utfördes på en enda modern persondator skulle det kräva ungefär 35 års datortid! Beräkningar visar att med hjälp av till och med tusen moderna arbetsstationer och den bästa beräkningsalgoritmen som är känd idag, kan ett 250-siffrigt tal faktoriseras på cirka 800 tusen år och ett 1000-siffrigt tal om 10-25 (!) år. (Som jämförelse är universums ålder ~10 10 år.)

Därför ansågs kryptografiska algoritmer som RSA, som arbetar på tillräckligt långa nycklar, vara absolut tillförlitliga och användes i många applikationer. Och allt var bra tills dess ...tills kvantdatorer dök upp.

Det visar sig att med hjälp av kvantmekanikens lagar är det möjligt att bygga datorer för vilka problemet med faktorisering (och många andra!) inte kommer att vara svårt. Det uppskattas att en kvantdator med bara cirka 10 tusen kvantbitar av minne kan faktorisera ett 1000-siffrigt tal till primfaktorer på bara några timmar!

HUR ALLT BÖRJADE?

Det var inte förrän i mitten av 1990-talet som teorin om kvantdatorer och kvantberäkning etablerades som ett nytt vetenskapsområde. Som ofta är fallet med bra idéer är det svårt att peka ut upphovsmannen. Tydligen var den ungerske matematikern J. von Neumann den förste som uppmärksammade möjligheten att utveckla kvantlogik. Men vid den tiden hade inte bara kvantdatorer, utan även vanliga, klassiska datorer ännu inte skapats. Och med tillkomsten av det senare var forskarnas huvudsakliga ansträngningar främst inriktade på att hitta och utveckla nya element för dem (transistorer och sedan integrerade kretsar), och inte på att skapa fundamentalt olika datorenheter.

På 1960-talet försökte den amerikanske fysikern R. Landauer, som arbetade på IBM, uppmärksamma den vetenskapliga världen på det faktum att beräkningar alltid är någon fysisk process, vilket innebär att det är omöjligt att förstå gränserna för vår beräkningsförmåga utan ange vilken fysisk implementering de motsvarar. Tyvärr, på den tiden, var den dominerande uppfattningen bland forskare att beräkning var en sorts abstrakt logisk procedur som borde studeras av matematiker, inte fysiker.

När datorer blev mer utbredda, kom kvantforskare till slutsatsen att det var praktiskt taget omöjligt att direkt beräkna tillståndet för ett utvecklande system bestående av bara några dussin interagerande partiklar, såsom en metanmolekyl (CH 4). Detta förklaras av det faktum att för att fullständigt kunna beskriva ett komplext system är det nödvändigt att i datorminnet ha ett exponentiellt stort (i termer av antalet partiklar) antal variabler, de så kallade kvantamplituderna. En paradoxal situation har uppstått: att känna till utvecklingsekvationen, att med tillräcklig noggrannhet känna till alla potentialer för interaktion mellan partiklar och systemets initiala tillstånd, det är nästan omöjligt att beräkna dess framtid, även om systemet endast består av 30 elektroner i en potentiell brunn, och en superdator med RAM är tillgänglig, vars antal bitar är lika med antalet atomer i det synliga området av universum (!). Och samtidigt, för att studera dynamiken i ett sådant system, kan du helt enkelt utföra ett experiment med 30 elektroner och placera dem i en given potential och initialt tillstånd. Detta noterades särskilt av den ryske matematikern Yu I. Manin, som 1980 påpekade behovet av att utveckla en teori om kvantberäkningsenheter. På 1980-talet studerades samma problem av den amerikanske fysikern P. Benev, som tydligt visade att ett kvantsystem kan utföra beräkningar, samt den engelske vetenskapsmannen D. Deutsch, som teoretiskt utvecklade en universell kvantdator som är överlägsen dess klassisk motsvarighet.

Nobelpristagaren i fysik R. Feynman, välkänd för vanliga läsare av Science and Life, väckte stor uppmärksamhet kring problemet med att utveckla kvantdatorer. Tack vare hans auktoritativa uppmaning ökade antalet specialister som uppmärksammade kvantberäkning många gånger om.

Ändå förblev det under lång tid oklart om den hypotetiska beräkningskraften hos en kvantdator kunde användas för att påskynda lösningen av praktiska problem. Men 1994 häpnade en amerikansk matematiker och anställd av Lucent Technologies (USA) P. Shor den vetenskapliga världen genom att föreslå en kvantalgoritm som möjliggör snabb faktorisering av stora tal (vikten av detta problem diskuterades redan i inledningen). Jämfört med den bästa klassiska metoden som är känd idag, ger Shors kvantalgoritm en multipel acceleration av beräkningar, och ju längre det faktoriserade talet är, desto större blir hastighetsvinsten. Algoritmen för snabb faktorisering är av stort praktiskt intresse för olika underrättelsetjänster som har samlat på sig banker av odekrypterade meddelanden.

1996 föreslog Shores kollega på Lucent Technologies L. Grover en kvantalgoritm för snabb sökning i en oordnad databas. (Ett exempel på en sådan databas är en telefonbok där namnen på abonnenter inte är ordnade i alfabetisk ordning, utan på ett godtyckligt sätt.) Uppgiften att söka, välja det optimala elementet bland många alternativ påträffas mycket ofta inom ekonomiska, militära, tekniska problem och i datorspel. Grovers algoritm tillåter inte bara att påskynda sökprocessen, utan också att ungefär fördubbla antalet parametrar som tas med i beräkningen när man väljer den optimala.

Det verkliga skapandet av kvantdatorer hämmades av i huvudsak det enda allvarliga problemet - fel eller störningar. Faktum är att samma nivå av störningar förstör processen med kvantberäkning mycket mer intensivt än klassisk beräkning. P. Shor beskrev sätt att lösa detta problem 1995, och utvecklade ett schema för att koda kvanttillstånd och korrigera fel i dem. Tyvärr är ämnet felkorrigering i kvantdatorer lika viktigt som det är komplicerat att ta upp i den här artikeln.

ENHET I EN KVANTDATOR

Innan vi berättar hur en kvantdator fungerar, låt oss påminna om huvuddragen i kvantsystem (se även "Science and Life" nr 8, 1998; nr 12, 2000).

För att förstå kvantvärldens lagar bör man inte förlita sig direkt på vardagliga erfarenheter. På vanligt sätt (i den dagliga förståelsen) beter sig kvantpartiklar endast om vi ständigt "kikar" på dem, eller, striktare, ständigt mäter i vilket tillstånd de befinner sig. Men så fort vi "vänder oss bort" (slutar observera) flyttar kvantpartiklar omedelbart från ett mycket specifikt tillstånd till flera olika former samtidigt. Det vill säga, en elektron (eller något annat kvantobjekt) kommer att vara delvis lokaliserat vid en punkt, delvis vid en annan, delvis vid en tredje, etc. Det betyder inte att den är uppdelad i skivor, som en apelsin. Då skulle det vara möjligt att på ett tillförlitligt sätt isolera någon del av elektronen och mäta dess laddning eller massa. Men erfarenheten visar att efter mätning visar sig elektronen alltid vara "säker och sund" vid en enda punkt, trots att den innan dess lyckades vara nästan överallt samtidigt. Detta tillstånd för en elektron, när den befinner sig på flera punkter i rymden samtidigt, kallas superposition av kvanttillstånd och beskrivs vanligtvis av vågfunktionen, som introducerades 1926 av den tyske fysikern E. Schrödinger. Modulen för värdet på vågfunktionen vid vilken punkt som helst, i kvadrat, bestämmer sannolikheten för att hitta en partikel vid den punkten vid ett givet ögonblick. Efter att ha mätt positionen för en partikel verkar dess vågfunktion krympa (kollaps) till den punkt där partikeln upptäcktes och börjar sedan spridas ut igen. Kvantpartiklarnas egenskap att vara i många tillstånd samtidigt kallas kvantparallellism, har framgångsrikt använts i kvantberäkning.

Kvantbit

Grundcellen i en kvantdator är en kvantbit, eller kort sagt, qubit(q-bit). Detta är en kvantpartikel som har två grundtillstånd, som betecknas 0 och 1 eller, som är brukligt inom kvantmekaniken, och. Två värden på qubiten kan till exempel motsvara atomens marktillstånd och exciterade tillstånd, riktningarna uppåt och nedåt för atomkärnan, strömriktningen i den supraledande ringen, två möjliga positioner av atomkärnan. elektronen i halvledaren osv.

Kvantregister

Kvantregistret är uppbyggt nästan likadant som det klassiska. Detta är en kedja av kvantbitar på vilka en- och tvåbitars logiska operationer kan utföras (liknande användningen av NOT, 2I-NOT, etc. operationer i ett klassiskt register).

Grundtillstånden i ett kvantregister bildat av L qubits inkluderar, som i det klassiska, alla möjliga sekvenser av nollor och ettor med längden L. Det kan vara 2 L olika kombinationer totalt. De kan betraktas som ett register över tal i binär form från 0 till 2 L -1 och betecknas. Dessa grundtillstånd tömmer dock inte ut alla möjliga värden i kvantregistret (till skillnad från det klassiska), eftersom det också finns superpositionstillstånd definierade av komplexa amplituder relaterade till normaliseringsvillkoret. En klassisk analog för de flesta möjliga värden i ett kvantregister (förutom de grundläggande) finns helt enkelt inte. Tillstånden i ett klassiskt register är bara en ynklig skugga av hela rikedomen av tillstånd i en kvantdator.

Föreställ dig att en yttre påverkan appliceras på registret, till exempel appliceras elektriska impulser på en del av utrymmet eller laserstrålar riktas. Om det är ett klassiskt register kommer en impuls, som kan betraktas som en beräkningsoperation, att ändra L variabler. Om detta är ett kvantregister kan samma puls samtidigt omvandlas till variabler. Således är ett kvantregister i princip kapabelt att behandla information flera gånger snabbare än sin klassiska motsvarighet. Härifrån är det omedelbart klart att små kvantregister (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 är dock värt att notera att det finns en klass av problem för vilka kvantalgoritmer inte ger signifikant acceleration jämfört med klassiska. En av de första som visade detta var den ryske matematikern Yu Ozhigov, som konstruerade ett antal exempel på algoritmer som i princip inte kan accelereras av en enda klockcykel på en kvantdator.

Ändå råder det ingen tvekan om att datorer som arbetar enligt kvantmekanikens lagar är ett nytt och avgörande steg i utvecklingen av datorsystem. Allt som återstår är att bygga dem.

KVANTDATORER IDAG

Prototyper av kvantdatorer finns redan idag. Visserligen har det hittills varit experimentellt möjligt att endast sätta ihop små register som består av endast några få kvantbitar. Således tillkännagav nyligen en grupp ledd av den amerikanske fysikern I. Chang (IBM) monteringen av en 5-bitars kvantdator. Utan tvekan är detta en stor framgång. Tyvärr är befintliga kvantsystem ännu inte kapabla att ge tillförlitliga beräkningar, eftersom de antingen är dåligt kontrollerade eller mycket känsliga för brus. Det finns dock inga fysiska begränsningar för att bygga en effektiv kvantdator, det är bara nödvändigt att övervinna tekniska svårigheter.

Det finns flera idéer och förslag på hur man gör pålitliga och lätt kontrollerbara kvantbitar.

I. Chang utvecklar idén om att använda spinn av kärnorna i vissa organiska molekyler som qubits.

Den ryska forskaren M.V. Feigelman, som arbetar vid Institutet för teoretisk fysik uppkallad efter. L.D. Landau RAS, föreslår att sätta ihop kvantregister från supraledande ringar i miniatyr. Varje ring spelar rollen som en qubit, och tillstånden 0 och 1 motsvarar riktningen för den elektriska strömmen i ringen - medurs och moturs. Sådana qubits kan växlas med hjälp av ett magnetfält.

Vid Institutet för fysik och teknik vid den ryska vetenskapsakademin föreslog en grupp ledd av akademikern K. A. Valiev två alternativ för att placera qubits i halvledarstrukturer. I det första fallet spelas rollen som en qubit av en elektron i ett system med två potentiella brunnar skapade av en spänning som appliceras på minielektroder på halvledarens yta. Tillstånden 0 och 1 är positionerna för elektronen i en av dessa brunnar. Qubiten växlas genom att ändra spänningen på en av elektroderna. I en annan version är qubit kärnan av en fosforatom inbäddad vid en viss punkt av halvledaren. Tillstånd 0 och 1 - riktningar för kärnspinn längs eller mot det externa magnetfältet. Styrningen utförs med hjälp av den kombinerade verkan av magnetiska pulser med resonansfrekvens och spänningspulser.

Därmed pågår forskning aktivt och man kan anta att inom en mycket snar framtid – om cirka tio år – kommer en effektiv kvantdator att skapas.

EN BLIK I FRAMTIDEN

Det är således mycket möjligt att kvantdatorer i framtiden kommer att tillverkas med traditionella metoder för mikroelektronisk teknik och innehålla många styrelektroder, som påminner om en modern mikroprocessor. För att minska ljudnivån, som är avgörande för normal drift av en kvantdator, måste de första modellerna tydligen kylas med flytande helium. Det är troligt att de första kvantdatorerna kommer att vara skrymmande och dyra enheter som inte får plats på ett skrivbord och som underhålls av en stor stab av systemprogrammerare och hårdvarujusterare i vita rockar. Först kommer bara statliga myndigheter att ha tillgång till dem, sedan rika kommersiella organisationer. Men eran med konventionella datorer började på ungefär samma sätt.

Vad kommer att hända med klassiska datorer? Kommer de att dö av? Knappast. Både klassiska och kvantdatorer har sina egna användningsområden. Även om förhållandet på marknaden troligtvis gradvis kommer att skifta mot det senare.

Införandet av kvantdatorer kommer inte att leda till lösningen av i grunden olösliga klassiska problem, utan kommer bara att påskynda vissa beräkningar. Dessutom kommer kvantkommunikation att bli möjlig - överföring av qubits över ett avstånd, vilket kommer att leda till uppkomsten av ett slags kvantinternet. Kvantkommunikation kommer att göra det möjligt att tillhandahålla en säker (genom kvantmekanikens lagar) förbindelse för alla med varandra från avlyssning. Din information som lagras i kvantdatabaser kommer att vara mer tillförlitligt skyddad från kopiering än vad den är nu. Företag som producerar program för kvantdatorer kommer att kunna skydda dem från all, inklusive illegal, kopiering.

För en djupare förståelse av detta ämne kan du läsa översiktsartikeln av E. Riffel och V. Polak, "Fundamentals of Quantum Computing", publicerad i den ryska tidskriften "Quantum Computers and Quantum Computing" (nr 1, 2000). (Förresten, detta är den första och hittills den enda tidskriften i världen som är dedikerad till kvantberäkning. Ytterligare information om det finns på Internet på http://rcd.ru/qc.). När du har bemästrat detta arbete kommer du att kunna läsa vetenskapliga artiklar om kvantberäkning.

Något mer preliminär matematisk förberedelse kommer att krävas när man läser boken av A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Classical and Quantum Computations" (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999).

Ett antal grundläggande aspekter av kvantmekaniken, väsentliga för att utföra kvantberäkningar, diskuteras i boken av V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev "Quantum teleportation - an ordinary mirakel" (Izhevsk: RHD, 2000).

RCD-förlaget förbereder att publicera en översättning av A. Steens recension om kvantdatorer som en separat bok.

Följande litteratur kommer att vara användbar inte bara pedagogiskt utan också historiskt:

1) Yu. I. Manin. Beräkningsbar och oberäkningsbar.

M.: Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Kvantmekanikens matematiska grunder.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulering av fysik på datorer // Kvantdator och kvantberäkning:

lö. i 2 volymer - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, sid. 96-123.

4) R. Feynman. Kvantmekaniska datorer

// Ibid., sid. 123.-156.

Se frågan om samma ämne