Komputer kwantowy to nie tylko komputer nowej generacji, to coś znacznie więcej. Nie tylko z punktu widzenia zastosowania najnowszych technologii, ale także z punktu widzenia jego nieograniczonych, niesamowitych, fantastycznych możliwości, które mogą nie tylko zmieniać świat ludzi, ale nawet… kreować inną rzeczywistość.

Jak wiadomo, współczesne komputery wykorzystują pamięć reprezentowaną w kodzie binarnym: 0 i 1. Podobnie jak w kodzie Morse'a - kropka i podpis. Za pomocą dwóch znaków możesz zaszyfrować dowolne informacje, zmieniając ich kombinacje.

W pamięci współczesnego komputera znajdują się miliardy tych bitów. Ale każdy z nich może znajdować się w jednym z dwóch stanów - zero lub jeden. Jak żarówka: włączona lub wyłączona.

Bit kwantowy (kubit) to najmniejszy element przechowywania informacji w komputerze przyszłości. Jednostką informacji w komputerze kwantowym może być teraz nie tylko zero lub jeden, ale oba na raz.

Jedna komórka wykonuje dwie czynności, dwie – cztery, cztery – szesnaście itd. Dlatego systemy kwantowe mogą działać dwa razy szybciej i z dużą ilością informacji niż współczesne.

Po raz pierwszy naukowcy z Rosyjskiego Centrum Kwantowego (RQC) i Laboratorium Metamateriałów Nadprzewodzących „zmierzyli” kubit (Q-bit).

Od strony technicznej kubit to metalowy pierścień z nacięciami o średnicy kilku mikronów, osadzony na półprzewodniku. Pierścień jest chłodzony do bardzo niskich temperatur, aby stać się nadprzewodnikiem. Zakładamy, że prąd płynący przez pierścień idzie zgodnie z ruchem wskazówek zegara - to jest 1. Przeciw - 0. To znaczy dwa zwykłe stany.

Przez pierścień przepuszczano promieniowanie mikrofalowe. Na wyjściu z pierścienia tego promieniowania mierzono przesunięcie fazowe prądu. Okazało się, że cały ten system można zlokalizować zarówno w dwóch głównych, jak i stan mieszany: oba jednocześnie!!! W nauce nazywa się to zasadą superpozycji.

Eksperyment rosyjskich naukowców (podobnie przeprowadzony przez naukowców z innych krajów) dowiódł, że kubit ma prawo do życia. Stworzenie kubitu doprowadziło do powstania pomysłu i przybliżyło naukowcom marzenie o stworzeniu optycznego komputera kwantowego. Pozostaje tylko zaprojektować i stworzyć. Ale nie wszystko jest takie proste...

Trudności, problemy w tworzeniu komputera kwantowego

Jeśli wymagane jest na przykład obliczenie miliarda opcji w nowoczesnym komputerze, to musi „przewinąć” miliard takich cykli. Istnieje zasadnicza różnica w komputerze kwantowym, może on obliczyć wszystkie te opcje jednocześnie.
Jedna z głównych zasad, na których będzie działać komputer kwantowy, jest zasadą superpozycji i nie można tego nazwać inaczej niż magicznym!
Oznacza to, że ta sama osoba może jednocześnie znajdować się w różnych miejscach. Fizycy żartują: „Jeśli nie szokuje cię teoria kwantów, to znaczy, że jej nie zrozumiałeś”.

Wygląd powstających obecnie komputerów kwantowych jest uderzająco odmienny od klasycznych. Wyglądają jak... wciąż bimber:

Taka konstrukcja, składająca się z miedzianych i złotych części, wężownic chłodzących i innych charakterystycznych detali, oczywiście nie odpowiada jej twórcom. Jednym z głównych zadań naukowców jest uczynienie go kompaktowym i tanim. Aby tak się stało, należy rozwiązać kilka kwestii.

Pierwszym problemem jest niestabilność superpozycji

Wszystkie te superpozycje kwantowe są bardzo „delikatne”. Gdy tylko zaczniesz na nie patrzeć, gdy tylko zaczną wchodzić w interakcje z innymi obiektami, natychmiast się zapadają. Stają się klasyczne. To jeden z najważniejszych problemów w budowie komputera kwantowego.

Drugi problem - wymagane jest mocne chłodzenie

Drugą przeszkodą jest osiągnięcie stabilna praca komputer kwantowy. w formie, którą mamy dzisiaj, wymaga mocnego chłodzenia. Mocne, to kreacja sprzętu, w którym temperatura utrzymywana jest w pobliżu zera bezwzględnego - minus 273 stopnie Celsjusza! Dlatego teraz prototypy takich komputerów, z ich instalacjami kriogeniczno-próżniowymi, wyglądają bardzo nieporęcznie:

Naukowcy są jednak przekonani, że już niedługo wszystkie problemy techniczne zostaną rozwiązane i pewnego dnia komputery kwantowe o ogromnej mocy obliczeniowej zastąpią współczesne.

Niektóre rozwiązania techniczne w rozwiązywaniu problemów

Do tej pory naukowcy znaleźli szereg znaczących rozwiązań powyższych problemów. Te odkrycia technologiczne, będące wynikiem złożonej, a czasem długiej, ciężkiej pracy naukowców, zasługują na wszelki szacunek.

Najlepszy sposób na poprawę działania kubitu… diamenty

Wszystko jest bardzo podobne do słynnej piosenki o dziewczynach i diamentach. Najważniejszą rzeczą, nad którą teraz pracują naukowcy, jest podniesienie dożywotni kubit, a także „sprawić” pracę komputera kwantowego w zwykłych temperaturach. Tak, komunikacja między komputerami kwantowymi wymaga diamentów! Do tego wszystkiego konieczne było stworzenie i wykorzystanie sztucznych diamentów o super wysokiej przezroczystości. Z ich pomocą udało im się przedłużyć żywotność kubita do dwóch sekund. Te skromne osiągnięcia, dwie sekundy życia kubita i działanie komputera w temperaturze pokojowej, to w istocie rewolucja w nauce.

Istota eksperymentu francuskiego naukowca Serge'a Haroche polega na tym, że był on w stanie pokazać całemu światu, że światło (kwantowy strumień fotonów) przechodzące między dwoma specjalnie przez niego stworzonymi lustrami nie traci swojego stanu kwantowego.

Dzięki temu, że światło przemierza 40 000 km między tymi lustrami, ustalił, że wszystko dzieje się bez utraty stanu kwantowego. Światło składa się z fotonów i jak dotąd nikomu nie udało się ustalić, czy tracą swój stan kwantowy po przebyciu pewnej odległości. Laureat Nagrody Nobla Serge Haroche: Jeden foton jest w kilku miejscach jednocześnie, udało nam się go uchwycić.” Tak właściwie to jest zasada superpozycji. „W naszym wielkim świecie jest to niemożliwe. A w mikroświecie obowiązują inne prawa” – mówi Arosh.

Wewnątrz rezonatora znajdowały się klasyczne atomy, które można było zmierzyć. Na podstawie zachowania atomów fizyk nauczył się identyfikować i mierzyć nieuchwytne cząstki kwantowe. Przed eksperymentami Haroche'a uważano, że obserwacja kwantów jest niemożliwa. Po eksperymencie zaczęli mówić o podbijaniu fotonów, czyli o zbliżaniu się ery komputerów kwantowych.

Dlaczego wielu nie może się doczekać stworzenia pełnoprawnego generatora kwantowego, podczas gdy inni się tego boją?

Komputer kwantowy da ludzkości ogromne możliwości

Komputer kwantowy otworzy przed ludzkością nieograniczone możliwości. Pomoże na przykład stworzyć sztuczny umysł, o którym od tak dawna zachwycają się pisarze science fiction. Lub symuluj wszechświat. Cały. Według najskromniejszych prognoz pozwoli spojrzeć poza granice tego, co możliwe. Wyobraźmy sobie świat, w którym możesz symulować absolutnie wszystko, co chcesz: zaprojektować cząsteczkę, supermocny metal, szybko rozkładający się plastik, wymyślić lekarstwa na nieuleczalne choroby. Maszyna zamodeluje cały nasz świat, aż do ostatniego atomu. Możesz nawet symulować inny świat, nawet wirtualny.

Komputer kwantowy może być bronią Apokalipsy

Wiele osób, które zagłębiło się w istotę technologii kwantowej, boi się jej z różnych powodów. Już teraz komputeryzacja i wszelkie związane z nią technologie przerażają laika. Wystarczy przypomnieć skandale o tym, jak usługi specjalne za pomocą programów wbudowanych w komputery PC, a nawet Urządzenia organizować nadzór i gromadzenie danych o swoich konsumentach. Na przykład w wielu krajach zakazane zostały znane okulary – w końcu są idealnym narzędziem do tajnego strzelania i inwigilacji. Już teraz na pewno każdy mieszkaniec dowolnego kraju, a tym bardziej użytkownik sieci, znajduje się w jakiejś bazie danych. Co więcej, całkiem realistycznie, niektóre serwisy potrafią obliczyć każde jego działanie w Internecie.

Ale nie będzie tajemnic dla komputerów kwantowych! Wcale. Całe bezpieczeństwo komputera opiera się na bardzo długich numerach haseł. Normalny komputer potrzebowałby miliona lat, aby uzyskać klucz do kodu. Ale z pomocą kwantu każdy może to zrobić natychmiast. Okazuje się, że świat stanie się całkowicie niebezpieczny: przecież we współczesnym świecie wszystko sterują komputery: przelewy bankowe, loty samolotami, giełdy, pociski nuklearne! Okazuje się więc: kto jest właścicielem informacji, ten jest właścicielem Świata. Kto jest pierwszy, jest Bogiem. Komputer kwantowy stanie się silniejszy niż jakikolwiek system uzbrojenia. Na Ziemi może rozpocząć się (lub już się rozpoczął) nowy wyścig zbrojeń, ale już nie nuklearny, ale komputerowy.

Niech Bóg nam błogosławi, żebyśmy się z tego bezpiecznie wydostali...

Ludzkość, podobnie jak 60 lat temu, po raz kolejny znajduje się u progu wielkiego przełomu w dziedzinie technologii komputerowych. Komputery kwantowe wkrótce zastąpią dzisiejsze komputery.

Ile poczyniono postępów

W 1965 roku Gordon Moore powiedział, że w ciągu roku podwaja się liczba tranzystorów mieszczących się w krzemowym mikroukładzie. To tempo postępu ostatnio zwolniło, a podwojenie występuje rzadziej – raz na dwa lata. Nawet w tym tempie, w niedalekiej przyszłości, tranzystory osiągną wielkość atomu. Jest też granica, której nie można przekroczyć. Z punktu widzenia budowy fizycznej tranzystora nie może być ona mniejsza niż wielkości atomowe. Zwiększenie rozmiaru chipa nie rozwiązuje problemu. Działanie tranzystorów wiąże się z wydzielaniem energii cieplnej, a procesory potrzebują wysokiej jakości układu chłodzenia. Architektura wielordzeniowa również nie rozwiązuje kwestii dalszego rozwoju. Szczyt rozwoju nowoczesnej technologii procesorowej nastąpi już wkrótce.
Programiści zrozumieli ten problem w czasie, gdy komputery osobiste dopiero zaczynały być dostępne dla użytkowników. W 1980 roku jeden z twórców informatyki kwantowej, sowiecki profesor Jurij Manin, sformułował ideę obliczeń kwantowych. Rok później Richard Feiman zaproponował pierwszy model komputera z procesorem kwantowym. Teoretyczne podstawy tego, jak powinny wyglądać komputery kwantowe, sformułował Paul Benioff.

Zasada działania komputera kwantowego

Aby zrozumieć, jak to działa nowy procesor, konieczna jest przynajmniej powierzchowna znajomość zasad mechaniki kwantowej. Nie ma sensu podawać tutaj matematycznych układów i wyprowadzać formuł. Wystarczy, aby laik zapoznał się z trzema charakterystycznymi cechami mechaniki kwantowej:

• Stan lub położenie cząstki określa się tylko z pewnym prawdopodobieństwem.
• Jeśli cząstka może mieć kilka stanów, to znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie. To jest zasada superpozycji.
• Proces pomiaru stanu cząstki prowadzi do zaniku superpozycji. Co charakterystyczne, wiedza o stanie cząstki uzyskana w wyniku pomiaru różni się od rzeczywistego stanu cząstki przed pomiarami.

Z punktu widzenia zdrowego rozsądku – kompletna bzdura. W naszym zwykłym świecie zasady te można przedstawić w następujący sposób: drzwi do pokoju są zamknięte, a jednocześnie otwarte. Zamknięte i otwarte jednocześnie.

To uderzająca różnica między obliczeniami. Konwencjonalny procesor działa w swoich działaniach z kodem binarnym. Bity komputera mogą być tylko w jednym stanie - mieć wartość logiczną 0 lub 1. Komputery kwantowe operują na kubitach, które mogą mieć jednocześnie wartość logiczną 0, 1, 0 i 1. W przypadku niektórych zadań będą miały wielomilionową przewagę nad tradycyjnymi komputerami. Dziś istnieją już dziesiątki opisów algorytmów pracy. Programiści tworzą specjalny kod programowania, który może pracować na nowych zasadach informatyki.

Gdzie będzie używany nowy komputer?

Nowe podejście do procesu obliczeniowego pozwala pracować z ogromnymi ilościami danych i wykonywać natychmiastowe operacje obliczeniowe. Wraz z pojawieniem się pierwszych komputerów niektórzy ludzie, w tym mężowie stanu, mieli wielki sceptycyzm co do ich wykorzystania w gospodarce narodowej. Wciąż są ludzie, którzy są pełni wątpliwości co do znaczenia komputerów zasadniczo nowej generacji. Przez bardzo długi czas czasopisma techniczne odmawiały publikowania artykułów o obliczeniach kwantowych, uznając ten obszar za powszechną oszukańczą sztuczkę mającą na celu oszukanie inwestorów.

Nowy sposób obliczania stworzy warunki wstępne dla wielkich odkryć naukowych we wszystkich gałęziach przemysłu. Medycyna rozwiąże wiele problematycznych zagadnień, których narosło ostatnio całkiem sporo. Nowotwór będzie można zdiagnozować na wcześniejszym etapie choroby niż obecnie. Przemysł chemiczny będzie mógł syntetyzować produkty o unikalnych właściwościach.

Przełom w astronautyce nie każe Ci czekać. Loty na inne planety staną się tak powszechne, jak codzienne wycieczki po mieście. Potencjał tkwiący w obliczeniach kwantowych z pewnością zmieni naszą planetę nie do poznania.

Inną charakterystyczną cechą komputerów kwantowych jest zdolność obliczeń kwantowych do szybkiego znalezienia odpowiedniego kodu lub szyfru. Zwykły komputer wykonuje matematyczne rozwiązanie optymalizacyjne sekwencyjnie, przechodząc przez jedną opcję po drugiej. Konkurent kwantowy pracuje z całą macierzą danych na raz, wybierając najbardziej odpowiednie opcje w błyskawicznym tempie w niespotykanie krótkim czasie. Transakcje bankowe zostaną odszyfrowane w mgnieniu oka, co nie jest dostępne dla nowoczesnych komputerów.

Sektor bankowy może się jednak nie martwić – jego tajemnicę uratuje metoda szyfrowania kwantowego z paradoksem pomiaru. Jeśli spróbujesz otworzyć kod, transmitowany sygnał będzie zniekształcony. Otrzymane informacje nie będą miały sensu. Możliwościami komputerów kwantowych interesują się tajne służby, dla których szpiegostwo jest na porządku dziennym.

Trudności projektowe

Trudność polega na stworzeniu warunków, w których bit kwantowy może znajdować się w stanie superpozycji przez nieskończenie długi czas.

Każdy kubit to mikroprocesor, który działa zgodnie z zasadami nadprzewodnictwa i prawami mechaniki kwantowej.

Wokół mikroskopijnych elementów silnika logicznego powstaje szereg unikalnych warunków środowiskowych:

• temperatura 0,02 stopnia Kelvina (-269,98 Celsjusza);
• system ochrony przed promieniowaniem magnetycznym i elektrycznym (zmniejsza oddziaływanie tych czynników 50 tys. razy);
• system odprowadzania ciepła i tłumienia drgań;
• rozrzedzenie powietrza poniżej ciśnienia atmosferycznego o 100 miliardów razy.

Niewielkie odchylenie środowiskowe powoduje, że kubity chwilowo tracą stan superpozycji, co powoduje awarię.

Przed planetą

Wszystko to można by przypisać kreatywności zapalonego umysłu pisarza science fiction, gdyby Google wraz z NASA nie kupił w zeszłym roku komputera kwantowego D-Wave od kanadyjskiej korporacji badawczej, którego procesor zawiera 512 kubity.

Z jego pomocą lider rynku technologii komputerowych rozwiąże problemy uczenia maszynowego w sortowaniu i analizowaniu dużych macierzy danych.

Ważne odkrywcze oświadczenie wygłosił Snowden, który wyjechał ze Stanów Zjednoczonych – NSA planuje również opracowanie własnego komputera kwantowego.

2014 - początek ery systemów D-Wave

Odnoszący sukcesy kanadyjski sportowiec Geordie Rose, po porozumieniu z Google i NASA, zaczął budować procesor 1000 kubitów. Przyszły model pod względem szybkości i objętości obliczeń przewyższy pierwszy prototyp komercyjny co najmniej 300 000 razy. Komputer kwantowy, którego zdjęcie znajduje się poniżej, jest pierwszą na świecie komercyjną wersją całkowicie nowej technologii obliczeniowej.

Do zaangażowania się w rozwój naukowy skłoniła go znajomość na uniwersytecie z pracami Colina Williamsa na temat obliczeń kwantowych. Muszę powiedzieć, że Williams pracuje dziś w Rose Corporation jako kierownik projektów biznesowych.

Przełom lub oszustwo naukowe

Sam Rose nie do końca wie, czym są komputery kwantowe. W ciągu dziesięciu lat jego zespół przeszedł od stworzenia 2-kubitowego procesora do dzisiejszego pierwszego komercyjnego potomka.

Od samego początku swoich badań Rose dążył do stworzenia procesora o minimalnej liczbie kubitów wynoszącej 1000. I musiał mieć komercyjną opcję - sprzedawać i zarabiać.

Wielu, znając obsesję i przedsiębiorczość Rose'a, próbuje oskarżyć go o fałszerstwo. Podobno najzwyklejszy procesor jest wydawany na kwant. Ułatwia to fakt, że fenomenalna szybkość nowej techniki pokazuje podczas wykonywania niektórych rodzajów obliczeń. W przeciwnym razie zachowuje się jak zupełnie zwykły komputer, tylko bardzo drogi.

Kiedy się pojawią?

Nie trzeba długo czekać. Grupa badawcza, zorganizowana przez wspólnych nabywców prototypów, wkrótce przedstawi wyniki badań nad D-Wave.
Być może wkrótce nadejdzie czas, w którym komputery kwantowe zmienią nasze rozumienie otaczającego nas świata. I cała ludzkość w tym momencie osiągnie wyższy poziom swojej ewolucji.

O komputerach kwantowych, przynajmniej w teorii, mówi się od dziesięcioleci. Dużym przełomem były nowoczesne typy maszyn, które wykorzystują nieklasyczną mechanikę do przetwarzania potencjalnie niewyobrażalnych ilości danych. Według twórców ich implementacja okazała się być może najbardziej złożoną technologią, jaką kiedykolwiek stworzono. Procesory kwantowe działają na poziomach materii, o których ludzkość dowiedziała się zaledwie 100 lat temu. Potencjał takich obliczeń jest ogromny. Wykorzystanie dziwacznych właściwości kwantów przyspieszy obliczenia, dzięki czemu rozwiązanych zostanie wiele problemów, które są obecnie poza zasięgiem klasycznych komputerów. I to nie tylko w dziedzinie chemii i materiałoznawstwa. Wall Street również wykazuje zainteresowanie.

Inwestycja w przyszłość

CME Group zainwestowała w firmę 1QB Information Technologies Inc. z siedzibą w Vancouver, która tworzy oprogramowanie dla procesorów kwantowych. Według inwestorów takie obliczenia będą prawdopodobnie miały największy wpływ na branże, które pracują z dużymi ilościami danych wrażliwych na czas. Przykładem takich konsumentów są instytucje finansowe. Goldman Sachs zainwestował w D-Wave Systems, a In-Q-Tel jest finansowany przez CIA. Pierwsza z nich produkuje maszyny, które wykonują tak zwane „wyżarzanie kwantowe”, to znaczy rozwiązują problemy optymalizacji niskiego poziomu za pomocą procesora kwantowego. Intel inwestuje również w ta technologia, choć jego wdrożenie uważa za sprawę przyszłości.

Dlaczego jest to potrzebne?

Powodem, dla którego obliczenia kwantowe są tak ekscytujące, jest ich doskonałe połączenie z uczeniem maszynowym. Obecnie jest to główna aplikacja do takich obliczeń. Częścią samej idei komputera kwantowego jest wykorzystanie fizycznego urządzenia do znalezienia rozwiązań. Czasami tę koncepcję wyjaśnia się na przykładzie gry Angry Birds. Procesor tabletu wykorzystuje równania matematyczne do symulacji grawitacji i interakcji zderzających się obiektów. Procesory kwantowe stawiają to podejście na głowie. „Rzucają” kilka ptaków i widzą, co się stanie. Ptaki są rejestrowane na mikroczipie, są rzucane, jaka jest optymalna trajektoria? Następnie wszystkie są sprawdzane możliwe rozwiązania lub przynajmniej bardzo dużą ich kombinację i zwracana jest odpowiedź. W komputerze kwantowym nie ma matematyka, zamiast tego działają prawa fizyki.

Jak to działa?

Podstawowe elementy budulcowe naszego świata to mechanika kwantowa. Jeśli spojrzysz na cząsteczki, powodem, dla którego tworzą się i pozostają stabilne, jest interakcja ich orbitali elektronowych. Wszystkie obliczenia mechaniki kwantowej są zawarte w każdym z nich. Ich liczba rośnie wykładniczo wraz z liczbą symulowanych elektronów. Na przykład dla 50 elektronów jest 2 do 50 potęgi opcje. To jest fenomenalne, dlatego dziś nie da się tego obliczyć. Połączenie teorii informacji z fizyką może wskazać drogę do rozwiązania takich problemów. Może to zrobić komputer z 50 kubitami.

Świt nowej ery

Według Landona Downesa, prezesa i współzałożyciela 1QBit, procesor kwantowy to możliwość korzystania moc obliczeniowaświat subatomowy, co ma ogromne znaczenie dla pozyskiwania nowych materiałów czy tworzenia nowych leków. Następuje przejście od paradygmatu odkrywania do nowej ery projektowania. Na przykład obliczenia kwantowe można wykorzystać do modelowania katalizatorów, które umożliwiają usuwanie węgla i azotu z atmosfery, a tym samym pomagają zatrzymać globalne ocieplenie.

Na czele postępu

Społeczność deweloperów tej technologii jest bardzo podekscytowana i zajęta. Zespoły start-upów, korporacji, uniwersytetów i rządowych laboratoriów na całym świecie ścigają się, aby zbudować maszyny wykorzystujące różne podejścia do przetwarzania informacji kwantowych. Nadprzewodzące chipy kubitowe i kubity z uwięzionymi jonami zostały stworzone przez naukowców z University of Maryland i amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii. Microsoft opracowuje topologiczne podejście zwane Station Q, które ma na celu wykorzystanie nieabelowego anionu, którego istnienie nie zostało jeszcze jednoznacznie udowodnione.

Prawdopodobny przełomowy rok

A to dopiero początek. Według stanu na koniec maja 2017 r. liczba procesorów typu kwantowego, które jednoznacznie robią coś szybciej lub lepiej niż klasyczny komputer, wynosi zero. Takie zdarzenie ustanowiłoby „wyższość kwantową”, ale jak dotąd tak się nie stało. Chociaż jest prawdopodobne, że może się to zdarzyć w tym roku. Większość wtajemniczonych twierdzi, że zdecydowanym faworytem jest grupa Google, kierowana przez profesora fizyki UC Santa Barbara, Johna Martiniego. Jego celem jest osiągnięcie wyższości obliczeniowej dzięki 49-kubitowemu procesorowi. Do końca maja 2017 r. zespół pomyślnie przetestował układ 22-kubitowy jako pośredni krok w kierunku demontażu klasycznego superkomputera.

Jak to wszystko się zaczęło?

Pomysł wykorzystania mechaniki kwantowej do przetwarzania informacji ma już dziesiątki lat. Jedno z kluczowych wydarzeń miało miejsce w 1981 roku, kiedy IBM i MIT wspólnie zorganizowały konferencję na temat fizyki komputerów. Słynny fizyk zaproponował zbudowanie komputera kwantowego. Według niego do modelowania należy używać środków mechaniki kwantowej. A to jest świetne zadanie, bo nie wygląda to na takie proste. Zasada działania procesora kwantowego opiera się na kilku dziwnych właściwościach atomów - superpozycji i splątaniu. Cząstka może znajdować się jednocześnie w dwóch stanach. Jednak po zmierzeniu będzie to tylko w jednym z nich. I nie da się przewidzieć w którym, chyba że z punktu widzenia teorii prawdopodobieństwa. Ten efekt leży u podstaw eksperymentu myślowego z kotem Schrödingera, który jest zarówno żywy, jak i martwy w pudełku, dopóki obserwator nie zajrzy do niego. Nic w Życie codzienne tak nie działa. Jednak około 1 miliona eksperymentów przeprowadzonych od początku XX wieku pokazuje, że istnieje superpozycja. Następnym krokiem jest wymyślenie, jak wykorzystać tę koncepcję.

Procesor kwantowy: opis pracy

Klasyczne bity mogą przyjmować wartość 0 lub 1. Jeśli przekażesz ich ciąg przez „bramki logiczne” (AND, OR, NOT itp.), możesz mnożyć liczby, rysować obrazki itp. Kubit może przyjmować wartości 0 , 1 lub oba jednocześnie. Jeśli, powiedzmy, 2 kubity są splątane, oznacza to, że są one idealnie skorelowane. Procesor typu kwantowego może używać bramek logicznych. T. rz. na przykład brama Hadamarda wprowadza kubit w stan doskonałej superpozycji. Kiedy superpozycja i splątanie zostaną połączone ze sprytnie umieszczonymi bramkami kwantowymi, potencjał obliczeń subatomowych zaczyna się rozwijać. 2 kubity pozwalają eksplorować 4 stany: 00, 01, 10 i 11. Zasada działania procesora kwantowego jest taka, że ​​wykonanie operacji logicznej umożliwia pracę ze wszystkimi pozycjami jednocześnie. A liczba dostępnych stanów wynosi 2 do potęgi liczby kubitów. Tak więc, jeśli stworzysz 50-kubitowy uniwersalny komputer kwantowy, to teoretycznie możesz jednocześnie zbadać wszystkie kombinacje 1,125 biliarda.

Kudity

Procesor kwantowy w Rosji jest postrzegany nieco inaczej. Naukowcy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii oraz Rosyjskiego Centrum Kwantowego stworzyli „kudits”, czyli kilka „wirtualnych” kubitów o różnych poziomach „energii”.

Amplitudy

Procesor typu kwantowego ma tę zaletę, że mechanika kwantowa opiera się na amplitudach. Amplitudy są jak prawdopodobieństwa, ale mogą być również liczbami ujemnymi i zespolonymi. Tak więc, jeśli chcesz obliczyć prawdopodobieństwo zdarzenia, możesz dodać amplitudy wszystkich możliwych opcji ich rozwoju. Ideą komputerów kwantowych jest próba dostrojenia się w taki sposób, aby niektóre ścieżki prowadzące do błędnych odpowiedzi miały amplitudę dodatnią, a niektóre ujemną, tak aby wzajemnie się znosiły. A ścieżki prowadzące do prawidłowej odpowiedzi miałyby amplitudy, które są ze sobą w fazie. Sztuką jest zorganizować wszystko bez wcześniejszej wiedzy, która odpowiedź jest prawidłowa. Zaletą tego typu obliczeń jest więc wykładnicza potęga stanów kwantowych w połączeniu z możliwością interferencji pomiędzy dodatnimi i ujemnymi amplitudami.

Algorytm Shora

Jest wiele problemów, których komputer nie może rozwiązać. Na przykład szyfrowanie. Problem polega na tym, że nie jest łatwo znaleźć czynniki pierwsze 200-cyfrowej liczby. Nawet jeśli na laptopie działa świetne oprogramowanie, znalezienie odpowiedzi może zająć lata. Kolejnym kamieniem milowym w obliczeniach kwantowych był algorytm opublikowany w 1994 roku przez Petera Shora, obecnie profesora matematyki na MIT. Jego metoda polega na wyszukiwaniu czynników o dużej liczbie za pomocą komputera kwantowego, którego jeszcze nie było. Zasadniczo algorytm wykonuje operacje, które wskazują regiony z poprawną odpowiedzią. W następnym roku Shor odkrył sposób na korekcję błędów kwantowych. Wtedy wielu zdało sobie sprawę, że to jest - alternatywny sposób obliczenia, które w niektórych przypadkach mogą być bardziej wydajne. Potem nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania ze strony fizyków tworzeniem kubitów i bramek logicznych między nimi. A teraz, dwie dekady później, ludzkość jest na skraju stworzenia pełnoprawnego komputera kwantowego.