Co je kvantový počítač. Kvantový počítač: jak to funguje

Takové stroje jsou nyní prostě nezbytné v jakékoli oblasti: lékařství, letectví, vesmírný průzkum. V současné době je vývoj počítačů založený na kvantová fyzika a výpočetních technologií. Základy takového výpočetního zařízení nejsou zatím běžným uživatelům dostupné a jsou přijímány jako něco nepochopitelného. Koneckonců, ne každý je obeznámen s fotonovými 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.

Běžný stroj provádí operace pomocí klasických bitů, které mohou nabývat hodnot 0 nebo 1. Naproti tomu fotonický výpočetní stroj používá koherentní bity nebo qubity. Mohou nabývat hodnot 1 a 0 současně. To dává takové výpočetní technologii jejich vynikající výpočetní výkon. Existuje několik typů enumerativních objektů, které lze použít jako qubity.

Jádro atomu.
Elektron.

Všechny elektrony mají magnetické pole, jsou obvykle jako malé magnety a tato vlastnost se nazývá spin. Pokud jsou umístěny v magnetickém poli, přizpůsobí se mu stejným způsobem jako střelka kompasu. Toto je nejnižší energetická pozice, takže ji můžeme nazvat nulovou nebo nízkou rotací. Ale můžete 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.

Existují dvě příslušnosti: spodní a horní spin, které odpovídají klasické 1 a 0, resp. Faktem ale je, že fotonické objekty mohou být ve dvou polohách současně. Když se změří rotace, bude to buď nahoru nebo dolů. Ale před měřením bude elektron existovat v takzvané kvantové superpozici, ve které tyto koeficienty udávají relativní pravděpodobnost nalezení elektronu v tom či onom stavu.

Je poměrně obtížné si představit, jak to dává koherentním strojům jejich neuvěřitelnou výpočetní sílu, aniž bychom vzali v úvahu interakci dvou qubitů. Nyní existují čtyři možné stavy těchto elektronů. V typickém příkladu dvou bitů jsou potřeba pouze dva bity informace. Dva qubity tedy obsahují čtyři druhy informací. Takže potřebujete znát čtyři čísla, abyste poznali polohu systému. A pokud provedete tři roztočení, získáte osm různých pozic a v typickém případě budou potřeba tři bity. Ukazuje se, že množství informací obsažených v N qubitech se rovná 2N typickým bitům. Exponenciální funkce říká, že pokud je například 300 qubitů, tak musíte vytvořit šíleně složité superpozice, kde se všech 300 qubitů spojí. Pak se ukáže 2300 klasických bitů a to se rovná počtu částic v celém vesmíru. Z toho vyplývá, že je třeba vytvořit logickou posloupnost, která umožní získat takový výsledek výpočtů, 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, fotonický počítač vám žádné priority nedá.

Toto video popisuje, jak funguje kvantový počítač.

Pokud mluvit jednoduše řečeno, pak je koherentní systém navržen ne na rychlost výpočtu, ale na požadované množství pro dosažení výsledků, které nastanou za minimální jednotku času.

Práce klasického počítače je založena na zpracování informací pomocí křemíkových čipů a tranzistorů. Používají binární kód, který se zase skládá z jedniček a nul. Koherentní stroj funguje na bázi superpozice. Místo bitů se používají qubity. To umožňuje nejen rychlé, ale také nejpřesnější výpočty.

Jaký bude nejvýkonnější fotonický 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 rozdílné země vypracoval plán, podle kterého by se rozměry fotonického aparátu blížily rozměrům fotbalového hřiště. Bude nejmocnější na světě. Půjde o jakousi konstrukci modulů, která je umístěna ve vakuu. Vnitřek každého modulu je ionizován elektrická pole. S jejich pomocí se vytvoří určité části obvodu, které budou provádět jednoduché logické akce. Příklad takové fotonické výpočetní techniky se vyvíjí na University of Sussex v Anglii. Odhadované náklady v tuto chvíli přesahují 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, který je aplikován na cívku, vytváří magnetické pole. Dále změní vlastnictví, ve kterém je qubit. S pomocí takového stroje lze snadno zjistit, jak syntetická léčiva interagují s krevními bílkovinami.
Nebo bude možné identifikovat onemocnění, jako je rakovina, v dřívější fázi.

V tomto videu je prezentována úvaha na téma „Proč svět potřebuje kvantový počítač“. Nezapomeňte zanechat své komentáře, dotazy a prostě

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 sestavení je spojena se seriózním rozvojem kvantové teorie v oblasti mnoha částic a složitých experimentů; s vývojem v této oblasti souvisí nejnovější objevy a výdobytky moderní fyziky. Na v současné době pouze několik experimentálních systémů bylo prakticky implementováno, provádějících pevný algoritmus s nízkou složitostí.

Podle redaktorů Science Alert dokázala skupina specialistů z Vídeňské univerzity vyvinout první kvantový router v historii a dokonce provedla první testy nového zařízení. Jde o první zařízení, které dokáže zapletené fotony nejen přijímat, ale i vysílat. Okruh použitý v routeru se navíc může stát základem pro vytvoření kvantového internetu.

O kvantovém počítání, alespoň teoreticky, se mluví už desítky let. Moderní typy strojů, které využívají neklasickou mechaniku ke zpracování potenciálně nepředstavitelného množství dat, byly velkým průlomem. Podle vývojářů se jejich implementace ukázala jako možná nejsložitější technologie, která kdy byla vytvořena. Kvantové procesory pracují na úrovních hmoty, o kterých se lidstvo dozvědělo teprve před 100 lety. Potenciál takových výpočtů je obrovský. Využití bizarních vlastností kvant urychlí výpočty, takže bude vyřešeno mnoho problémů, které jsou v současnosti nad síly klasických počítačů. A to nejen v oblasti chemie a materiálových věd. Zájem projevuje i Wall Street.

Investice do budoucna

CME Group investovala do společnosti 1QB Information Technologies Inc. se sídlem ve Vancouveru, která se vyvíjí software pro kvantové procesory. Podle investorů budou mít takové výpočty pravděpodobně největší dopad na odvětví, která pracují s velkými objemy časově citlivých dat. Příkladem takových spotřebitelů jsou finanční instituce. Goldman Sachs investovala do D-Wave Systems a In-Q-Tel je financována CIA. První vyrábí stroje, které dělají to, čemu se říká „kvantové žíhání“, tedy řeší nízkoúrovňové optimalizační problémy pomocí kvantového procesoru. Do této technologie investuje i Intel, i když její implementaci považuje za záležitost budoucnosti.

Proč je to potřeba?

Důvodem, proč je kvantové počítání tak vzrušující, je jeho perfektní kombinace se strojovým učením. V současné době je to hlavní aplikace pro takové výpočty. Součástí samotné myšlenky kvantového počítače je použití fyzického zařízení k nalezení řešení. Někdy tento koncept vysvětlit na příkladu hry Angry Birds. CPU tabletu používá k simulaci gravitace a interakce kolidujících objektů matematické rovnice. Kvantové procesory staví tento přístup na hlavu. "Hodí" pár ptáků a uvidí, co se stane. Ptáci se zaznamenávají na mikročip, jsou vrženi, jaká je optimální dráha? Poté se otestují všechna možná řešení nebo alespoň jejich velmi velká kombinace a vrátí se odpověď. V kvantovém počítači neexistuje žádný matematik, místo toho fungují fyzikální zákony.

Jak to funguje?

Základní stavební kameny našeho světa jsou kvantově mechanické. Pokud se podíváte na molekuly, důvodem, proč se tvoří a zůstávají stabilní, je interakce jejich elektronových orbitalů. Všechny kvantově mechanické výpočty jsou obsaženy v každém z nich. Jejich počet roste exponenciálně s počtem simulovaných elektronů. Například pro 50 elektronů existují 2 možnosti na mocninu 50. To je fenomenální, proto to dnes nelze spočítat. Propojení teorie informace s fyzikou může ukázat cestu k řešení takových problémů. Zvládne to 50-qubitový počítač.

Úsvit nové éry

Podle Landona Downese, prezidenta a spoluzakladatele 1QBit, je kvantový procesor schopnost využívat výpočetní sílu subatomárního světa, která má velký význam pro získávání nových materiálů nebo vytváření nových léků. Dochází k posunu od paradigmatu objevování k nová éra design. Například kvantové výpočty lze použít k modelování katalyzátorů, které umožňují odstranění uhlíku a dusíku z atmosféry, a tím pomáhají zastavit globální oteplování.

V čele pokroku

Komunita vývojářů pro tuto technologii je nesmírně nadšená a zaneprázdněná. Týmy po celém světě ze start-upů, korporací, univerzit a vládních laboratoří se předhánějí ve výrobě strojů, které používají různé přístupy ke zpracování kvantových informací. Supravodivé qubitové čipy a zachycené iontové qubity byly vytvořeny výzkumníky z University of Maryland a amerického Národního institutu pro standardy a technologie. Microsoft vyvíjí topologický přístup nazvaný Station Q, jehož cílem je využít neabelovský anion, jehož existence dosud nebyla přesvědčivě prokázána.

Pravděpodobný průlomový rok

A to je jen začátek. Ke konci května 2017 je počet procesorů kvantového typu, které jednoznačně dělají něco rychleji nebo lépe než klasický počítač, nulový. Taková událost by nastolila „kvantovou nadvládu“, ale zatím se tak nestalo. I když je pravděpodobné, že se tak může stát ještě letos. Většina zasvěcených říká, že jasným favoritem je skupina Google, kterou vede profesor fyziky UC Santa Barbara John Martini. Jeho cílem je dosáhnout výpočetní převahy s 49-qubitovým procesorem. Do konce května 2017 tým úspěšně otestoval 22-qubitový čip jako mezikrok k rozebrání klasického superpočítače.

Jak to všechno začalo?

Myšlenka využití kvantové mechaniky ke zpracování informací je stará desítky let. Jedna z klíčových událostí se stala v roce 1981, kdy IBM a MIT společně zorganizovaly konferenci o fyzice výpočetní techniky. Slavný fyzik navrhl sestrojit kvantový počítač. Pro modelování by se podle něj měly používat prostředky kvantové mechaniky. A to je skvělý úkol, protože to nevypadá tak jednoduše. Princip fungování kvantového procesoru je založen na několika podivných vlastnostech atomů - superpozici a provázání. Částice může být ve dvou stavech současně. Při měření však bude pouze v jednom z nich. A je nemožné předvídat, ve kterém, kromě z hlediska teorie pravděpodobnosti. Tento efekt je základem myšlenkového experimentu se Schrödingerovou kočkou, která je v krabici živá i mrtvá, dokud do ní nenakoukne pozorovatel. Nic v běžném životě takhle nefunguje. Avšak asi 1 milion experimentů provedených od začátku 20. století ukazuje, že superpozice skutečně existuje. A dalším krokem je přijít na to, jak tento koncept využít.

Quantum procesor: popis práce

Klasické bity mohou nabývat hodnoty 0 nebo 1. Pokud jejich řetězec propustíte „logickými hradly“ (AND, OR, NOT atd.), můžete násobit čísla, kreslit obrázky atd. Qubit může nabývat hodnot 0, 1 nebo obojí současně. Pokud jsou, řekněme, 2 qubity zapletené, pak je to dokonale koreluje. Procesor kvantového typu může používat logická hradla. T. n. například brána Hadamard uvádí qubit do stavu dokonalé superpozice. Když se superpozice a zapletení zkombinují s chytře umístěnými kvantovými hradly, začne se rozvíjet potenciál subatomárního počítání. 2 qubity umožňují prozkoumat 4 stavy: 00, 01, 10 a 11. Princip fungování kvantového procesoru je takový, že provedení logická operace umožňuje pracovat se všemi pozicemi najednou. A počet dostupných stavů je 2 na mocninu počtu qubitů. Pokud tedy vyrobíte 50qubitový univerzální kvantový počítač, teoreticky můžete prozkoumat všech 1,125 kvadrilionů kombinací současně.

Kudity

Kvantový procesor v Rusku je vnímán poněkud jinak. Vědci z Moskevského institutu fyziky a technologie a Ruského kvantového centra vytvořili „kudits“, což je několik „virtuálních“ qubitů s různými „energetickými“ úrovněmi.

Amplitudy

Procesor kvantového typu má tu výhodu, že kvantová mechanika je založena na amplitudách. Amplitudy jsou jako pravděpodobnosti, ale mohou to být také záporná a komplexní čísla. Pokud tedy potřebujete vypočítat pravděpodobnost události, můžete sečíst amplitudy všech možných možností jejich vývoje. Myšlenkou kvantového počítání je pokusit se vyladit tak, aby některé cesty k nesprávným odpovědím měly kladnou amplitudu a některé zápornou amplitudu, takže se navzájem ruší. A cesty vedoucí ke správné odpovědi by měly amplitudy, které jsou ve fázi navzájem. Trik spočívá v tom, vše uspořádat, aniž byste předem věděli, která odpověď je správná. Takže exponencialita kvantových stavů v kombinaci s potenciálem interference mezi kladnými a zápornými amplitudami je výhodou tohoto typu počítání.

Shorův algoritmus

Existuje mnoho problémů, které počítač nedokáže vyřešit. Například šifrování. Problém je v tom, že není snadné najít prvočinitele 200místného čísla. I když na notebooku běží skvělý software, může trvat roky, než najdete odpověď. Dalším milníkem v kvantovém počítání byl tedy algoritmus publikovaný v roce 1994 Peterem Shorem, nyní profesorem matematiky na MIT. Jeho metodou je hledání faktorů velkého počtu pomocí kvantového počítače, který ještě neexistoval. Algoritmus v podstatě provádí operace, které ukazují na oblasti se správnou odpovědí. Následující rok Shor objevil způsob kvantové opravy chyb. Pak si mnozí uvědomili, že se jedná o alternativní způsob počítání, který může být v některých případech výkonnější. Poté následoval prudký nárůst zájmu ze strany fyziků o vytvoření qubity a logických hradel mezi nimi. A nyní, o dvě desetiletí později, je lidstvo na pokraji vytvoření plnohodnotného kvantového počítače.

Svět je na pokraji další kvantové revoluce. První kvantový počítač okamžitě vyřeší problémy, na které je ten nejvýkonnější moderní zařízení nyní to 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 se používala klasická teorie elektromagnetického záření. V roce 1900 byl německý vědec Max Planck, který sám na kvanta nevěřil, považoval je za smyšlenou a čistě teoretickou konstrukci, 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 se v kovech objevil elektrický proud! Je nepravděpodobné, že by si Planck a Einstein dokázali představit, že svou prací pokládají základy nové vědy – kvantové mechaniky, která bude předurčena k tomu, aby přetvořila náš svět k nepoznání, a že by se vědci v 21. století přiblížili vytvoření kvantového počítače.

Kvantová mechanika nejprve umožnila vysvětlit strukturu atomu a pomohla pochopit procesy, které se v něm odehrávají. Z velké části se splnil dávný sen alchymistů o přeměně atomů 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.

Kvantový procesor na pěti qubitech 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 v úzkém 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 skenery 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 kameny moderní elektroniky, bez kterých si dnes neumíme představit svůj život.

Vývoj elektroniky počítače- počítače. A postupné snižování jejich velikosti a nákladů (kvůli masové výrobě) otevřelo cestu počítačům v každé domácnosti. S příchodem internetu se naše závislost na počítačové systémy, včetně komunikace, se stala ještě silnější.

Richard Feynman

Závislost roste, výpočetní výkon neustále roste, ale je načase uznat, že navzdory svým působivým schopnostem nebyly počítače schopny vyřešit všechny problémy, které jsme jim připraveni postavit. Jako jeden z prvních o tom hovořil slavný fyzik Richard Feynman: ještě v roce 1981 na konferenci prohlásil, že na běžných počítačích je v zásadě nemožné přesně vypočítat skutečný fyzikální systém. Je to všechno o jeho kvantové povaze! Efekty v mikroměřítku jsou snadno vysvětlitelné kvantovou mechanikou a velmi špatně - nám známou klasickou mechanikou: popisuje chování velkých objektů. Poté 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 si informace předkládáme.

Pokud jsou v běžných počítačích za tuto funkci zodpovědné bity - nuly a jedničky, pak jsou v kvantových počítačích nahrazeny kvantovými bity (zkráceně qubity). Samotný qubit je poměrně jednoduchá věc. Stále má dvě základní hodnoty (nebo stavy, jak se rádi říká v kvantové mechanice), které může nabývat: 0 a 1. Díky vlastnosti kvantových objektů zvané „superpozice“ však může qubit nabývat všech hodnot, které jsou kombinací těch základních. Jeho kvantová povaha mu zároveň umožňuje být ve všech těchto stavech současně.

Toto je paralelismus kvantového počítání s qubity. Vše se děje najednou – není třeba vše třídit možné možnosti stavy systému, což je přesně to, co běžný počítač dělá. Vyhledávání ve velkých databázích, kompilace optimální trasa Vývoj nových léků je jen několik příkladů problémů, které mohou kvantové algoritmy mnohonásobně urychlit. To jsou úkoly, kde je pro nalezení správné odpovědi potřeba projít obrovské množství možností.

Navíc k popisu přesného stavu systému již není potřeba obrovský výpočetní výkon a objemy. paměť s náhodným přístupem, 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.

Jedna z výčtových úloh vynikala zdánlivou zbytečností – rozkladem velká čísla na prvočinitele (tedy dělitelné pouze sebou samými a jedním). Tomu se říká „faktorizace“. Faktem je, že běžné počítače dokážou čísla násobit poměrně rychle, i když jsou velmi velké. Ovšem s inverzním problémem rozkladu velkého čísla vyplývajícího z násobení dvěma prvočísla, běžné počítače se velmi špatně vyrovnávají s počátečními multiplikátory. Například rozložit číslo 256 číslic na dva faktory, sudé výkonný počítač bude to trvat více než tucet let. Ale kvantový algoritmus, který dokáže tento problém vyřešit za pár minut, vynalezl v roce 1997 anglický matematik Peter Shor.

S příchodem algoritmu Shor čelila vědecká komunita vážnému problému. Na konci 70. let vytvořili kryptografové na základě složitosti problému faktorizace algoritmus pro šifrování dat, který se rozšířil. Zejména 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 ním se stává otázkou několika minut. Jedna věc byla dobrá: kvantový počítač, který by mohl provozovat smrtící algoritmus, ještě nebyl vytvořen.

Mezitím se po celém světě desítky vědeckých skupin a laboratoří začaly zabývat experimentálními studiemi qubitů a možností vytvořit z nich kvantový počítač. Koneckonců jedna věc je teoreticky vymyslet qubit a úplně jiná je převést ho do reality. K tomu bylo potřeba 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 použití twisted různé strany fotony, ale prvními experimentálně vytvořenými qubity byly ionty zachycené ve speciálních pastích v roce 1995. Po iontech následovalo mnoho dalších fyzikálních realizací: jádra atomů, elektrony, fotony, defekty v krystalech, supravodivé obvody – všechny splňovaly požadavky.

Tato rozmanitost měla své opodstatnění. Různé vědecké skupiny, poháněné nelítostnou konkurencí, vytvářely stále pokročilejší qubity a stavěly další a další složitá schémata. Qubity měly 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 na qubitu provést, než „umřel“.

Pro efektivní fungování kvantových algoritmů nebyl potřeba jeden qubit, ale minimálně sto, navíc spolupracujících. Problém byl v tom, že qubitové neměli moc rádi být vedle sebe a protestovali tím, že dramaticky zkrátili jejich životnost. Aby vědci tuto hádavost qubitů obešli, museli jít na nejrůznější triky. A přesto se vědcům do dnešního dne podařilo získat pro spolupráci maximálně jeden nebo dva tucty qubitů.

Takže k radosti kryptografů je kvantový počítač stále věcí budoucnosti. I když to není vůbec tak daleko, jak se kdysi zdálo, protože na jeho vzniku se aktivně podílejí jak největší korporace jako Intel, IBM a Google, tak i jednotlivé státy, pro které má vznik kvantového počítače strategický význam.

Nenechte si ujít přednášku: