Kvantový počítač. Princip činnosti kvantového počítače. Vytvoření kvantového počítače

Takové stroje jsou nyní prostě nezbytné v jakékoli oblasti: lékařství, letectví, vesmírný průzkum. V současné době jsou počítače vyvíjeny na základě kvantové fyziky a výpočetních technologií. Základy fungování takového výpočetního zařízení zatím nejsou běžným uživatelům dostupné a jsou přijímány jako něco nepochopitelného. Koneckonců, ne každý je obeznámen s fotonickými vlastnostmi elementárních částic a atomů. Abyste alespoň trochu pochopili, jak tento počítač funguje, musíte znát a rozumět základním principům kvantové mechaniky. Z velké části je tento koherentní počítač vyvíjen pro NASA.

Konvenční stroj provádí operace pomocí klasických bitů, které mohou nabývat hodnot 0 nebo 1. Na druhou stranu fotonický výpočetní stroj používá koherentní bity nebo qubity. Mohou nabývat hodnot 1 a 0 současně. To je to, co dává takové výpočetní technologii její vynikající výpočetní výkon. Existuje několik typů výpočetních objektů, které lze použít jako qubity.

1. Jádro atomu.
2. Elektron.

Všechny elektrony mají magnetické pole, zpravidla vypadají jako malé magnety a tato vlastnost se nazývá spin. Pokud je umístíte do magnetického pole, přizpůsobí se mu stejným způsobem jako střelka kompasu. Toto je nejnižší energetická pozice, takže ji můžeme nazvat nulovou nebo nízkou rotací. Je však možné přesměrovat elektron do stavu „jeden“ nebo do horního spinu. To ale vyžaduje energii. Pokud sundáte sklo z kompasu, můžete přesměrovat šipku jiným směrem, ale to vyžaduje sílu.

K dispozici jsou dva doplňky: spodní a horní spin, které odpovídají klasické 1 a 0, resp. Jde ale o to, že fotonické objekty mohou být ve dvou polohách současně. Když se měří rotace, bude to buď nahoru nebo dolů. Ale před měřením bude elektron existovat v takzvané kvantové superpozici, ve které tyto koeficienty indikují relativní pravděpodobnost, že elektron bude v tom či onom stavu.

Je docela těžké si představit, jak to dává koherenčním strojům jejich neuvěřitelnou výpočetní sílu, aniž bychom vzali v úvahu interakci dvou qubitů. Nyní existují čtyři možné stavy těchto elektronů. V typickém dvoubitovém příkladu jsou potřeba pouze dva bity informace. Dva qubity tedy obsahují čtyři typy informací. To znamená, že potřebujete znát čtyři čísla, abyste poznali polohu systému. A pokud provedete tři zatočení, získáte osm různých pozic a v typické verzi budete potřebovat tři bity. Ukazuje se, že množství informací obsažených v N qubitech se rovná 2N standardním bitům. Exponenciální funkce říká, že pokud je například 300 qubitů, tak budete muset vytvořit šíleně komplikované superpozice, kde bude všech 300 qubitů propojeno. Pak dostaneme 2300 klasických bitů, což se rovná počtu částic v celém vesmíru. Z toho vyplývá, že je nutné vytvořit logickou posloupnost, která umožní získat výsledek výpočtu, který lze měřit. Tedy skládající se pouze ze standardního příslušenství. Ukazuje se, že koherentní stroj není náhradou konvenčních. Rychlejší jsou pouze ve výpočtech, kde je možné využít všechny dostupné superpozice. A pokud se chcete jen dívat na kvalitní video, chatovat na internetu nebo psát pracovní článek, fotonový počítač vám žádné priority nedá.

Toto video popisuje proces kvantového počítače.

Zjednodušeně řečeno, koherentní systém není navržen na rychlost výpočtu, ale na požadovanou veličinu pro dosažení výsledků, které nastanou za minimální jednotku času.

Činnost klasického počítače je založena na zpracování informace pomocí křemíkových čipů a tranzistorů. Používají binární kód, který se zase skládá z jedniček a nul. Koherentní stroj funguje na základě superpozice. Místo bitů se používají qubity. To vám umožní nejen rychle, ale také provádět výpočty co nejpřesněji.

Jaký bude nejvýkonnější fotonový výpočetní systém? Pokud má například fotonický počítač třicetiqubitový systém, pak jeho výkon bude 10 bilionů výpočetních operací za sekundu. Aktuálně nejvýkonnější dvoubitový počítač počítá miliardu operací za vteřinu.

Velká skupina vědců z různých zemí vypracovala plán, podle kterého se rozměry fotonického aparátu budou blížit rozměrům fotbalového hřiště. Bude nejmocnější na světě. Půjde o jakousi konstrukci z modulů, která je umístěna ve vakuu. Uvnitř každého modulu jsou ionizovaná elektrická pole. S jejich pomocí se vytvoří určité části obvodu, které budou provádět jednoduché logické akce. Příklad takové fotonické výpočetní technologie je vyvíjen na University of Sussex v Anglii. Odhadované náklady jsou v současné době více než 130 milionů dolarů.

Před deseti lety představil D-Wave první koherentní počítač na světě, který se skládá ze 16 qubitů. Každý qubit se skládá z niobového krystalu, který je umístěn v induktoru. Elektrický proud přiváděný do cívky vytváří magnetické pole. Dále změní členství, ve kterém se qubit nachází. Pomocí takového stroje můžete snadno zjistit, jak syntetická léčiva interagují s krevními bílkovinami.
Nebo bude možné identifikovat onemocnění, jako je rakovina, v dřívější fázi.

Toto video obsahuje diskuse na téma „Proč svět potřebuje kvantový počítač“. Nezapomeňte zanechat své komentáře, dotazy a jen tak

Kvantový počítač je výpočetní zařízení, které využívá jevů kvantové superpozice a kvantového zapletení k přenosu a zpracování dat. Plnohodnotný univerzální kvantový počítač je stále hypotetickým zařízením, jehož samotná možnost stavby je spojena se seriózním rozvojem kvantové teorie v oblasti mnoha částic a složitých experimentů; vývoj v této oblasti je spojen s nejnovějšími objevy a úspěchy moderní fyziky. K dnešnímu dni bylo prakticky implementováno pouze několik experimentálních systémů, které provádějí pevný algoritmus nízké složitosti.

Vědci z Moskevského fyzikálně-technologického institutu spolu s kolegy ze Švýcarska provedli experimenty, při nichž úspěšně donutili kvantový počítač k návratu do stavu minulosti. Stručné závěry studie, které popisují možnost tohoto efektu, jsou uvedeny v tiskové zprávě zveřejněné na webu Phys.org. Podrobnosti o studii mezinárodního týmu fyziků v časopise Scientific Reports.

Mnoho odborníků je přesvědčeno, že s příchodem plnohodnotných kvantových počítačů éra kryptoměn a blockchainu logicky skončí – kryptografické systémy, na kterých jsou kryptoměny založeny, budou okamžitě hacknuty a samotné kryptoměny budou znehodnocovat, protože První věc, kterou majitel kvantového počítače udělá, je vytěžit zbývající bitcoiny, ethery a další oblíbené „mince“. Přesně to si myslí Alex Beat, kanadský fyzik, který předpověděl pochmurnou budoucnost kryptoměn v kvantové éře.

Podle odborníků velmi brzy, za 10 let, dosáhnou mikroobvody v počítačích atomových měření. Zdá se logické, že přichází éra kvantových počítačů, s jejichž pomocí se rychlost výpočetních systémů může zvýšit o několik řádů.

Myšlenka kvantových počítačů je relativně nová: v roce 1981 Paul Benioff poprvé teoreticky popsal principy fungování kvantového Turingova stroje.

Ve 30. letech 20. století Alan Turing poprvé popsal teoretické zařízení, které bylo nekonečná páska rozdělená do malých buněk. Každá buňka může obsahovat znak 1 nebo 0, nebo zůstane prázdná.

Ovládací zařízení se pohybuje po pásce, čte znaky a zapisuje nové. Ze sady takových symbolů je zkompilován program, který musí stroj spustit.

V kvantovém Turingově stroji navrženém Benioffem zůstávají provozní principy stejné, s tím rozdílem, že páska i ovládací zařízení jsou v kvantovém stavu.

To znamená, že symboly na pásce mohou být nejen 0 a 1, ale také superpozice obou čísel, tedy 0 a 1 současně. Pokud je tedy klasický Turingův stroj schopen provádět pouze jeden výpočet najednou, pak kvantový provádí několik výpočtů paralelně.

Dnešní počítače pracují na stejném principu jako normální Turingovy stroje – s bity, které jsou v jednom ze dvou stavů: 0 nebo 1. Kvantové počítače nemají žádná taková omezení: informace v nich jsou šifrovány v kvantových bitech (qubitech), které mohou obsahovat superpozici obou států.

Práce na části kvantového počítače D-Wave

©D-Wave Systems

Fyzikální systémy, které implementují qubity, mohou být atomy, ionty, fotony nebo elektrony, které mají dva kvantové stavy. Ve skutečnosti, pokud vytvoříte elementární částice jako nosiče informací, můžete je použít k sestavení paměti počítače a procesorů nové generace.

Díky superpozici qubitů jsou kvantové počítače ze své podstaty navrženy k provádění paralelních výpočtů. Tento paralelismus podle fyzika Davida Deutsche umožňuje kvantovým počítačům provádět miliony výpočtů současně, zatímco moderní procesory pracují pouze s jedním.

30-qubitový kvantový počítač se bude výkonem rovnat superpočítači, který pracuje rychlostí 10 teraflopů (bilion operací za sekundu). Výkon moderních stolních počítačů se měří v pouhých gigaflopech (miliarda operací za sekundu).

Další důležitý kvantově mechanický jev, který může být součástí kvantových počítačů, se nazývá „zapletení“. Hlavním problémem čtení informací z kvantových částic je, že během procesu měření mohou zcela nepředvídatelným způsobem změnit svůj stav.

Ve skutečnosti, pokud čteme informace z qubitu ve stavu superpozice, dostaneme pouze 0 nebo 1, ale nikdy obě čísla současně. To znamená, že místo kvantového se budeme zabývat normálním klasickým počítačem.

K vyřešení tohoto problému musí vědci použít měření, která nezničí kvantový systém. Kvantové provázání poskytuje potenciální řešení.

V kvantové fyzice platí, že pokud na dva atomy působíte vnější silou, mohou se do sebe „zamotat“ takovým způsobem, že jeden z atomů má vlastnosti druhého. To zase povede k tomu, že například při měření rotace jednoho atomu jeho „zapletené“ dvojče okamžitě nabere rotaci opačnou.

Tato vlastnost kvantových částic umožňuje fyzikům znát hodnotu qubitu, aniž by ji přímo měřili.

Jednoho dne by kvantové počítače mohly nahradit křemíkové čipy, stejně jako tranzistory nahradily elektronky. Moderní technologie však zatím neumožňují stavbu plnohodnotných kvantových počítačů.

Sestavení procesoru kvantového počítače D-Wave Two

©D-Wave Systems

Každý rok však výzkumníci oznamují nové pokroky v kvantové technologii a stále roste naděje, že kvantové počítače budou jednoho dne schopny překonat ty konvenční.

1998

Vědcům z Massachusetts Institute of Technology se poprvé podařilo rozdělit jeden qubit mezi tři jaderné spiny v každé molekule kapalného alaninu nebo trichlorethylenu. Toto rozdělení umožnilo použít „entanglement“ pro nedestruktivní analýzu kvantové informace.

2000

V březnu vědci z Los Alamos National Laboratory oznámili vytvoření 7-qubitového kvantového počítače v jediné kapce kapaliny.

2001

Ukázka výpočtu Shorova algoritmu specialisty z IBM a Stanford University na 7-qubitovém kvantovém počítači.

2005

Institut kvantové optiky a kvantových informací na Univerzitě v Innsbrucku jako první vytvořil qubit (kombinaci 8 qubitů) pomocí iontových pastí.

2007

Kanadská společnost D-Wave předvedla první 16-qubitový kvantový počítač schopný řešit řadu problémů a hádanek, jako je sudoku.

Od roku 2011 nabízí D-Wave za 11 milionů dolarů kvantový počítač D-Wave One se 128-qubitovou čipovou sadou, který plní pouze jeden úkol – diskrétní optimalizace.

Svět je na pokraji další kvantové revoluce. První kvantový počítač okamžitě vyřeší problémy, jejichž řešení nejvýkonnějšímu modernímu zařízení v současnosti trvá roky. Jaké jsou tyto úkoly? Komu prospívá a kdo je ohrožen masivním používáním kvantových algoritmů? Co je to superpozice qubitů, jak se lidé naučili najít optimální řešení, aniž by procházeli biliony možností? Na tyto otázky odpovídáme pod nadpisem „Jednoduše o komplexu“.

Před kvantovou teorií se používala klasická teorie elektromagnetického záření. V roce 1900 byl německý vědec Max Planck, který sám na kvanta nevěřil a považoval je za fiktivní a čistě teoretický konstrukt, nucen připustit, že energie zahřátého tělesa je vyzařována po částech – kvantech; Předpoklady teorie se tedy shodovaly s experimentálními pozorováními. A o pět let později se velký Albert Einstein při vysvětlování fotoelektrického jevu uchýlil ke stejnému přístupu: při ozáření světlem vznikl v kovech elektrický proud! Je nepravděpodobné, že by si Planck a Einstein dokázali představit, že by svou prací položili základy nové vědy – kvantové mechaniky, která by byla předurčena k tomu, aby proměnila náš svět k nepoznání, a že by se vědci v 21. století přiblížili k vytvoření kvantový počítač.

Kvantová mechanika nejprve umožnila vysvětlit strukturu atomu a pomohla pochopit procesy, které se v něm odehrávají. Celkově vzato se splnil dlouholetý sen alchymistů přeměnit atomy některých prvků na atomy jiných (ano, dokonce i na zlato). A Einsteinův slavný vzorec E=mc2 vedl ke vzniku jaderné energie a v důsledku toho k atomové bombě.

Pěti-qubitový kvantový procesor od IBM

Dále - více. Díky práci Einsteina a anglického fyzika Paula Diraca vznikl v druhé polovině 20. století laser – rovněž kvantový zdroj ultračistého světla, shromážděného do úzkého paprsku. Laserový výzkum přinesl Nobelovu cenu více než desítce vědců a samotné lasery našly své uplatnění téměř ve všech oblastech lidské činnosti – od průmyslových řezaček a laserových pistolí až po snímače čárových kódů a korekci zraku. Přibližně ve stejné době probíhal aktivní výzkum polovodičů – materiálů, pomocí kterých lze snadno řídit tok elektrického proudu. Na jejich základě vznikly první tranzistory – později se staly hlavními stavebními prvky moderní elektroniky, bez kterých si již nedovedeme představit svůj život.

Vývoj elektronických počítacích strojů – počítačů – umožnil rychle a efektivně vyřešit mnoho problémů. A postupné zmenšování jejich velikosti a nákladů (kvůli masové výrobě) vydláždilo cestu počítačům do každé domácnosti. S příchodem internetu se naše závislost na počítačových systémech, včetně komunikace, ještě více prohloubila.

Richard Feynman

Závislost roste, výpočetní výkon neustále roste, ale nastal čas přiznat, že navzdory svým působivým schopnostem počítače nebyly schopny vyřešit všechny problémy, které jsme jim připraveni postavit. Jako jeden z prvních o tom mluvil slavný fyzik Richard Feynman: ještě v roce 1981 na konferenci prohlásil, že je v zásadě nemožné přesně vypočítat skutečný fyzikální systém na běžných počítačích. Je to všechno o jeho kvantové povaze! Efekty v mikroměřítku jsou snadno vysvětlitelné kvantovou mechanikou a velmi špatně vysvětlovány klasickou mechanikou, která je nám známá: popisuje chování velkých objektů. Tehdy Feynman jako alternativu navrhl použití kvantových počítačů k výpočtu fyzických systémů.

Co je to kvantový počítač a jak se liší od počítačů, na které jsme zvyklí? Vše je o tom, jak informace prezentujeme.

Jestliže v konvenčních počítačích jsou bity - nuly a jedničky - zodpovědné za tuto funkci, pak v kvantových počítačích jsou nahrazeny kvantovými bity (zkráceně qubits). Samotný qubit je poměrně jednoduchá věc. Stále má dvě základní hodnoty (nebo stavy, jak říká kvantová mechanika), které může nabývat: 0 a 1. Díky vlastnosti kvantových objektů nazývané „superpozice“ však může qubit nabývat všech hodnot. které jsou kombinací těch základních. Navíc jeho kvantová povaha mu umožňuje být ve všech těchto stavech současně.

Toto je paralelismus kvantového počítání s qubity. Vše se děje najednou – již není potřeba procházet všechny možné možnosti stavů systému a přesně to dělá běžný počítač. Prohledávání velkých databází, navrhování optimální trasy, vývoj nových léků je jen několik příkladů problémů, které lze kvantovými algoritmy vyřešit mnohonásobně rychleji. To jsou ty úkoly, kde k nalezení správné odpovědi musíte projít obrovským množstvím možností.

Navíc k popisu přesného stavu systému už není potřeba obrovský výpočetní výkon a množství RAM, protože pro výpočet systému 100 částic stačí 100 qubitů a ne biliony bilionů bitů. Navíc s rostoucím počtem částic (jako ve skutečných komplexních systémech) se tento rozdíl stává ještě významnějším.

Jeden z výčtových problémů vynikal svou zdánlivou zbytečností – rozkladem velkých čísel na prvočinitele (tedy dělitelné pouze jimi samými a jednou). Tomu se říká „faktorizace“. Faktem je, že běžné počítače dokážou poměrně rychle násobit čísla, a to i velmi velká. Konvenční počítače se však velmi špatně vyrovnávají s inverzním problémem rozkladu velkého čísla vyplývajícího z vynásobení dvou prvočísel na jejich původní faktory. Například k rozdělení počtu 256 číslic do dvou faktorů bude i ten nejvýkonnější počítač potřebovat desítky let. Ale kvantový algoritmus, který dokáže tento problém vyřešit za pár minut, vynalezl v roce 1997 anglický matematik Peter Shor.

S příchodem Shorova algoritmu čelila vědecká komunita vážnému problému. Na konci sedmdesátých let vytvořili vědci v oblasti kryptografie na základě složitosti problému faktorizace algoritmus šifrování dat, který se rozšířil. Zejména s pomocí tohoto algoritmu začali chránit data na internetu - hesla, osobní korespondenci, bankovní a finanční transakce. A po mnoha letech úspěšného používání se najednou ukázalo, že takto zašifrované informace se stávají snadným cílem pro Shorův algoritmus běžící na kvantovém počítači. Dešifrování s jeho pomocí se stává otázkou několika minut. Jedna věc byla dobrá: kvantový počítač, na kterém by bylo možné spustit smrtící algoritmus, ještě nebyl vytvořen.

Mezitím se po celém světě desítky vědeckých skupin a laboratoří začaly zabývat experimentálním studiem qubitů a možností vytvořit z nich kvantový počítač. Koneckonců jedna věc je teoreticky vymyslet qubit a úplně jiná je uvést jej do reality. K tomu bylo nutné najít vhodný fyzikální systém se dvěma kvantovými úrovněmi, které lze použít jako základní stavy qubitu – nula a jedna. Sám Feynman ve svém průkopnickém článku navrhl pro tyto účely použít fotony zkroucené různými směry, ale první experimentálně vytvořené qubity byly ionty zachycené ve speciálních pastích v roce 1995. Po iontech následovalo mnoho dalších fyzikálních implementací: atomová jádra, elektrony, fotony, defekty v krystalech, supravodivé obvody – všechny splňovaly požadavky.

Tato rozmanitost měla své opodstatnění. Různé vědecké skupiny, poháněné intenzivní konkurencí, vytvářely stále pokročilejší qubity a stavěly z nich stále složitější obvody. Pro qubity existovaly dva hlavní konkurenční parametry: jejich životnost a počet qubitů, které by mohly spolupracovat.

Zaměstnanci Laboratoře umělých kvantových systémů

Životnost qubitů určovala, jak dlouho v nich byl křehký kvantový stav uložen. To zase určilo, kolik výpočetních operací bylo možné provést s qubitem, než „zemře“.

Pro efektivní fungování kvantových algoritmů nebyl potřeba jeden qubit, ale alespoň sto, a to společně. Problém byl v tom, že qubitové neměli rádi být vedle sebe a protestovali tím, že dramaticky zkrátili jejich životnost. Aby vědci tuto nekompatibilitu qubitů obešli, museli se uchýlit k nejrůznějším trikům. A přesto se vědcům do dnešního dne podařilo získat pro spolupráci maximálně jeden nebo dva tucty qubitů.

K radosti kryptografů je tedy kvantový počítač stále věcí budoucnosti. I když to není vůbec tak daleko, jak by se kdysi mohlo zdát, protože jak největší korporace jako Intel, IBM a Google, tak jednotlivé státy, pro které je vytvoření kvantového počítače strategicky důležité, jsou se aktivně podílí na jeho tvorbě.

Nenechte si ujít přednášku: