کامپیوتر کوانتومی چیست؟ کامپیوتر کوانتومی: چگونه کار می کند

چنین ماشین هایی اکنون در هر زمینه ای ضروری هستند: پزشکی، هوانوردی، اکتشاف فضا. در حال حاضر توسعه کامپیوترها بر اساس فیزیک کوانتومو فناوری های محاسباتی اصول اولیه چنین دستگاه محاسباتی هنوز در دسترس کاربران عادی نیست و به عنوان چیزی غیرقابل درک پذیرفته می شود. از این گذشته، همه با خواص فوتون ذرات و اتم های بنیادی آشنا نیستند. برای اینکه حداقل کمی بفهمید این کامپیوتر چگونه کار می کند، باید اصول اولیه مکانیک کوانتومی را بدانید و درک کنید. در بیشتر موارد، این کامپیوتر منسجم برای ناسا در حال توسعه است.

یک ماشین معمولی عملیات را با استفاده از بیت‌های کلاسیک انجام می‌دهد که می‌توانند مقادیر 0 یا 1 را به خود بگیرند. از طرف دیگر، یک ماشین محاسباتی فوتونیکی از بیت‌ها یا کیوبیت‌های منسجم استفاده می‌کند. آنها می توانند مقادیر 1 و 0 را همزمان دریافت کنند. این همان چیزی است که به چنین فناوری محاسباتی قدرت محاسباتی برتر آنها را می دهد. انواع مختلفی از اشیاء شمارشی وجود دارد که می توان از آنها به عنوان کیوبیت استفاده کرد.

هسته یک اتم.
الکترون.

همه الکترون ها میدان مغناطیسی دارند، معمولاً مانند آهنرباهای کوچک هستند و به این خاصیت اسپین می گویند. اگر آنها در یک میدان مغناطیسی قرار گیرند، مانند سوزن قطب نما با آن تنظیم می شوند. این پایین ترین موقعیت انرژی است، بنابراین می توانیم آن را صفر یا کم اسپین بنامیم. اما می توانید الکترون را به حالت "یک" یا به اسپین بالایی هدایت کنید. اما این نیاز به انرژی دارد. اگر شیشه را از قطب نما بردارید، می توانید فلش را در جهت دیگری هدایت کنید، اما این به نیرو نیاز دارد.

دو متعلق وجود دارد: چرخش پایین و بالا که به ترتیب با 1 و 0 کلاسیک مطابقت دارند. اما واقعیت این است که اجرام فوتونی می توانند همزمان در دو موقعیت قرار گیرند. هنگامی که چرخش اندازه گیری می شود، یا به سمت بالا یا پایین خواهد بود. اما قبل از اندازه گیری، الکترون در به اصطلاح برهم نهی کوانتومی وجود خواهد داشت که در آن این ضرایب نشان دهنده احتمال نسبی یافتن الکترون در یک حالت یا حالت دیگر است.

تصور اینکه چگونه این امر به ماشین های همدوس قدرت محاسباتی باورنکردنی آنها را بدون در نظر گرفتن تعامل دو کیوبیت می دهد، بسیار دشوار است. اکنون چهار حالت ممکن برای این الکترون ها وجود دارد. در یک مثال معمولی از دو بیت، تنها دو بیت اطلاعات مورد نیاز است. بنابراین دو کیوبیت شامل چهار نوع اطلاعات است. بنابراین، برای دانستن موقعیت سیستم باید چهار عدد را بدانید. و اگر سه چرخش انجام دهید، هشت موقعیت مختلف بدست می آورید و در یک حالت معمولی، سه بیت مورد نیاز خواهد بود. معلوم می شود که مقدار اطلاعات موجود در N کیوبیت برابر با 2N بیت معمولی است. تابع نمایی می‌گوید که اگر مثلاً 300 کیوبیت وجود دارد، باید برهم‌نهی‌های پیچیده دیوانه‌وار ایجاد کنید، جایی که تمام 300 کیوبیت به هم متصل می‌شوند. سپس 2300 بیت کلاسیک به دست می آید و این برابر با تعداد ذرات در کل جهان است. از این نتیجه می شود که لازم است یک دنباله منطقی ایجاد شود که امکان بدست آوردن چنین نتیجه ای از محاسبات قابل اندازه گیری را فراهم می کند. یعنی فقط از لوازم جانبی استاندارد تشکیل شده است. معلوم می شود که یک ماشین منسجم جایگزینی برای ماشین های معمولی نیست. آنها فقط در محاسباتی که امکان استفاده از همه برهم نهی های موجود وجود دارد سریعتر هستند. و اگر فقط می خواهید یک ویدیو با کیفیت بالا تماشا کنید، در اینترنت چت کنید یا مقاله ای برای کار بنویسید، یک کامپیوتر فوتونیک هیچ اولویتی به شما نمی دهد.

این ویدئو نحوه کار یک کامپیوتر کوانتومی را شرح می دهد.

اگر صحبت کنیم به زبان ساده، سپس سیستم منسجم نه برای سرعت محاسبه، بلکه برای مقدار مورد نیاز برای دستیابی به نتایج طراحی شده است که در حداقل واحد زمان رخ خواهد داد.

کار یک کامپیوتر کلاسیک مبتنی بر پردازش اطلاعات با استفاده از تراشه های سیلیکونی و ترانزیستورها است. آنها از یک کد باینری استفاده می کنند که به نوبه خود از یک و صفر تشکیل شده است. ماشین منسجم بر اساس برهم نهی کار می کند. به جای بیت ها از کیوبیت ها استفاده می شود. این نه تنها سریع، بلکه دقیق ترین محاسبات را نیز امکان پذیر می کند.

قدرتمندترین سیستم محاسباتی فوتونیک کدام خواهد بود؟ به عنوان مثال، اگر یک کامپیوتر فوتونیک دارای سیستم سی کیوبیتی باشد، آنگاه قدرت آن 10 تریلیون عملیات محاسباتی در ثانیه خواهد بود. در حال حاضر، قوی ترین کامپیوتر دو بیتی یک میلیارد عملیات در ثانیه شمارش می کند.

گروه بزرگی از دانشمندان از کشورهای مختلفطرحی را طراحی کرد که بر اساس آن ابعاد دستگاه فوتونی نزدیک به ابعاد یک زمین فوتبال باشد. او قدرتمندترین در جهان خواهد بود. این یک نوع ساخت ماژول خواهد بود که در خلاء قرار می گیرد. فضای داخلی هر ماژول یونیزه شده است میدان های الکتریکی. با کمک آنها است که قسمت های خاصی از مدار تشکیل می شود که اقدامات منطقی ساده ای را انجام می دهد. نمونه ای از چنین روش محاسباتی فوتونیکی در دانشگاه ساسکس انگلستان در حال توسعه است. هزینه تخمینی در حال حاضر بیش از 130 میلیون دلار است.

ده سال پیش، D-Wave اولین کامپیوتر منسجم جهان را معرفی کرد که از 16 کیوبیت تشکیل شده است. هر کیوبیت به نوبه خود از یک کریستال نیوبیم تشکیل شده است که در یک سلف قرار می گیرد. جریان الکتریکی که به سیم پیچ اعمال می شود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. سپس، مالکیت کیوبیت را تغییر می‌دهد. با کمک چنین ماشینی می توان به راحتی متوجه شد که چگونه داروهای مصنوعی با پروتئین های خون تعامل دارند.
یا تشخیص بیماری مانند سرطان در مراحل اولیه امکان پذیر خواهد بود.

در این ویدئو استدلال با موضوع "چرا جهان به کامپیوتر کوانتومی نیاز دارد" ارائه شده است. فراموش نکنید که نظرات، سوالات و فقط خود را بنویسید

کامپیوتر کوانتومی یک دستگاه محاسباتی است که از پدیده های برهم نهی کوانتومی و درهم تنیدگی کوانتومی برای انتقال و پردازش داده ها استفاده می کند. یک کامپیوتر کوانتومی جهانی تمام عیار هنوز یک دستگاه فرضی است که امکان ساخت آن با توسعه جدی نظریه کوانتومی در زمینه بسیاری از ذرات و آزمایش‌های پیچیده مرتبط است. تحولات در این زمینه مرتبط است آخرین اکتشافاتو دستاوردهای فیزیک مدرن بر در حال حاضرتنها چند سیستم آزمایشی عملاً پیاده‌سازی شده‌اند و یک الگوریتم ثابت با پیچیدگی کم را اجرا می‌کنند.

به گفته ویراستاران Science Alert، گروهی از متخصصان دانشگاه وین توانستند اولین روتر کوانتومی تاریخ را توسعه دهند و حتی اولین آزمایشات یک دستگاه جدید را انجام دادند. این اولین وسیله ای است که نه تنها می تواند فوتون های درهم تنیده را دریافت کند، بلکه آنها را نیز منتقل می کند. علاوه بر این، مدار مورد استفاده در روتر می تواند مبنایی برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی باشد.

محاسبات کوانتومی، حداقل در تئوری، دهه‌هاست که درباره آن صحبت می‌شود. انواع مدرن ماشین‌هایی که از مکانیک غیرکلاسیک برای پردازش مقادیر بالقوه غیرقابل تصور داده استفاده می‌کنند، پیشرفت بزرگی بوده‌اند. به گفته توسعه دهندگان، اجرای آنها شاید پیچیده ترین فناوری ایجاد شده باشد. پردازنده‌های کوانتومی در سطوحی از ماده کار می‌کنند که بشر تنها 100 سال پیش درباره آن‌ها آموخته است. پتانسیل چنین محاسباتی بسیار زیاد است. استفاده از خواص عجیب کوانتوم ها باعث افزایش سرعت محاسبات می شود، بنابراین بسیاری از مشکلاتی که در حال حاضر از توان کامپیوترهای کلاسیک خارج است، حل خواهند شد. و نه تنها در زمینه شیمی و علم مواد. وال استریت نیز علاقه نشان می دهد.

سرمایه گذاری در آینده

گروه CME در شرکت فناوری اطلاعات 1QB مستقر در ونکوور سرمایه گذاری کرده است که توسعه می دهد. نرم افزاربرای پردازنده های کوانتومی به گفته سرمایه گذاران، چنین محاسباتی احتمالاً بیشترین تأثیر را بر صنایعی خواهد داشت که با حجم زیادی از داده های حساس به زمان کار می کنند. مؤسسات مالی نمونه ای از این گونه مصرف کنندگان هستند. گلدمن ساکس در سیستم های D-Wave سرمایه گذاری کرده است و In-Q-Tel توسط سازمان سیا تامین مالی می شود. اولی ماشین‌هایی تولید می‌کند که کاری را انجام می‌دهند که به آن "آنیل کوانتومی" می‌گویند، یعنی مشکلات بهینه‌سازی سطح پایین را با استفاده از یک پردازنده کوانتومی حل می‌کنند. اینتل نیز در حال سرمایه گذاری بر روی این فناوری است، اگرچه اجرای آن را موضوعی آینده می داند.

چرا این مورد نیاز است؟

دلیل اینکه محاسبات کوانتومی بسیار هیجان انگیز است، ترکیب کامل آن با یادگیری ماشین است. در حال حاضر، این برنامه اصلی برای چنین محاسباتی است. بخشی از ایده یک کامپیوتر کوانتومی استفاده از یک دستگاه فیزیکی برای یافتن راه حل است. گاهی این مفهومدر مثال بازی پرندگان خشمگین توضیح دهید. برای شبیه سازی گرانش و تعامل اجسام در حال برخورد، CPU تبلت استفاده می کند معادلات ریاضی. پردازنده‌های کوانتومی این رویکرد را تغییر می‌دهند. آنها چند پرنده را "پرتاب" می کنند و می بینند چه می شود. پرندگان روی ریزتراشه ثبت می شوند، پرتاب می شوند، مسیر بهینه چیست؟ سپس تمام راه حل های ممکن یا حداقل ترکیب بسیار بزرگی از آنها تست شده و پاسخ برگردانده می شود. در یک کامپیوتر کوانتومی، ریاضیدانی وجود ندارد، در عوض، قوانین فیزیک کار می کنند.

چگونه عمل می کند؟

بلوک های ساختمانی اساسی جهان ما مکانیک کوانتومی است. اگر به مولکول ها نگاه کنید، دلیل تشکیل و پایدار ماندن آنها به دلیل برهمکنش اوربیتال های الکترونی آنهاست. تمام محاسبات مکانیک کوانتومی در هر یک از آنها وجود دارد. تعداد آنها به صورت تصاعدی با تعداد الکترون های شبیه سازی شده افزایش می یابد. مثلا برای 50 الکترون 2 احتمال به توان 50 وجود دارد. این فوق العاده است، بنابراین امروز نمی توان آن را محاسبه کرد. اتصال نظریه اطلاعات به فیزیک می تواند راه حل چنین مسائلی را نشان دهد. یک کامپیوتر 50 کیوبیتی می تواند این کار را انجام دهد.

طلوع یک دوره جدید

به گفته لاندون داونز، رئیس و یکی از بنیانگذاران 1QBit، یک پردازنده کوانتومی توانایی استفاده از قدرت محاسباتی دنیای زیراتمی است که برای به دست آوردن مواد جدید یا ایجاد داروهای جدید اهمیت زیادی دارد. یک تغییر از پارادایم کشف به عصر جدیدطرح. برای مثال، محاسبات کوانتومی می‌تواند برای مدل‌سازی کاتالیزورهایی استفاده شود که اجازه می‌دهند کربن و نیتروژن از جو حذف شوند و در نتیجه به توقف گرمایش جهانی کمک کنند.

در خط مقدم پیشرفت

جامعه توسعه دهندگان این فناوری بسیار هیجان زده و شلوغ است. تیم‌هایی در سرتاسر جهان در استارت‌آپ‌ها، شرکت‌ها، دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های دولتی در حال رقابت برای ساخت ماشین‌هایی هستند که از روش‌های متفاوتی برای پردازش اطلاعات کوانتومی استفاده می‌کنند. تراشه های کیوبیت ابررسانا و کیوبیت های یونی به دام افتاده توسط محققان دانشگاه مریلند و موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده ساخته شده اند. مایکروسافت در حال توسعه یک رویکرد توپولوژیکی به نام Station Q است که هدف آن بهره برداری از یک آنیون غیر آبلی است که وجود آن هنوز به طور قطعی اثبات نشده است.

سال موفقیت احتمالی

و این تازه اولشه. تا پایان ماه مه 2017، تعداد پردازنده‌های کوانتومی که به طور واضح کاری را سریع‌تر یا بهتر از یک کامپیوتر کلاسیک انجام می‌دهند، صفر است. چنین رویدادی «برتری کوانتومی» را ایجاد می‌کند، اما تاکنون این اتفاق نیفتاده است. اگرچه این احتمال وجود دارد که امسال این اتفاق بیفتد. اکثر خودی ها می گویند که گروه محبوب گوگل است که توسط پروفسور فیزیک دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، جان مارتینی رهبری می شود. هدف آن دستیابی به برتری محاسباتی با پردازنده 49 کیوبیتی است. تا پایان ماه مه 2017، این تیم با موفقیت یک تراشه 22 کیوبیتی را به عنوان گامی میانی برای جداسازی یک ابر رایانه کلاسیک آزمایش کرد.

چگونه همه چیز شروع شد؟

ایده استفاده از مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات ده ها سال قدمت دارد. یکی از رویدادهای کلیدی در سال 1981 رخ داد، زمانی که IBM و MIT به طور مشترک کنفرانسی را در مورد فیزیک محاسبات ترتیب دادند. فیزیکدان معروف پیشنهاد ساخت یک کامپیوتر کوانتومی را داد. به گفته وی، برای مدل سازی باید از ابزار مکانیک کوانتومی استفاده کرد. و این یک کار عالی است، زیرا به نظر ساده نیست. اصل عملکرد یک پردازنده کوانتومی بر اساس چندین ویژگی عجیب اتم ها است - برهم نهی و درهم تنیدگی. یک ذره می تواند همزمان در دو حالت باشد. با این حال، هنگامی که اندازه گیری می شود، تنها در یکی از آنها خواهد بود. و نمی توان پیش بینی کرد که در کدام به جز از دیدگاه نظریه احتمالات. این تأثیر زیربنای آزمایش فکری با گربه شرودینگر است، که هم زنده و هم مرده در یک جعبه است تا زمانی که یک ناظر پنهانی نگاهی به آن بیندازد. هیچ چیز در زندگی روزمره اینطور کار نمی کند. با این حال، حدود 1 میلیون آزمایش انجام شده از آغاز قرن 20 نشان می دهد که برهم نهی وجود دارد. و مرحله بعدی نحوه استفاده از این مفهوم است.

پردازنده کوانتومی: شرح وظایف

بیت های کلاسیک می توانند مقدار 0 یا 1 را بگیرند. اگر رشته آنها را از "دروازه های منطقی" (AND، OR، NOT و غیره) عبور دهید، سپس می توانید اعداد را ضرب کنید، تصاویر را ترسیم کنید، و غیره. یک کیوبیت می تواند مقادیر 0 را بگیرد. ، 1 یا هر دو به طور همزمان. اگر مثلاً 2 کیوبیت درهم تنیده باشند، این باعث می شود که آنها کاملاً همبستگی داشته باشند. یک پردازنده از نوع کوانتومی می تواند از گیت های منطقی استفاده کند. T. n. برای مثال دروازه هادامارد کیوبیت را در حالت برهم نهی کامل قرار می دهد. هنگامی که برهم نهی و درهم تنیدگی با دروازه های کوانتومی هوشمندانه ای ترکیب می شوند، پتانسیل محاسبات زیراتمی شروع به آشکار شدن می کند. 2 کیوبیت به شما امکان کاوش در 4 حالت 00، 01، 10 و 11 را می دهد. اصل عملکرد یک پردازنده کوانتومی به گونه ای است که اجرا عملیات منطقیکار با تمام موقعیت ها را به طور همزمان امکان پذیر می کند. و تعداد حالت های موجود 2 به توان تعداد کیوبیت ها می باشد. بنابراین، اگر یک کامپیوتر کوانتومی جهانی 50 کیوبیتی بسازید، از نظر تئوری می‌توانید تمام ترکیب‌های 1.125 کوادریلیون را همزمان کاوش کنید.

احسنت

یک پردازنده کوانتومی در روسیه تا حدودی متفاوت دیده می شود. دانشمندان مؤسسه فیزیک و فناوری مسکو و مرکز کوانتومی روسیه "kudits" را ایجاد کرده اند که چندین کیوبیت "مجازی" با سطوح مختلف "انرژی" هستند.

دامنه ها

پردازنده کوانتومی این مزیت را دارد که مکانیک کوانتومی مبتنی بر دامنه است. دامنه ها مانند احتمالات هستند، اما می توانند اعداد منفی و مختلط نیز باشند. بنابراین، اگر شما نیاز به محاسبه احتمال یک رویداد دارید، می توانید دامنه همه گزینه های ممکن را برای توسعه آنها اضافه کنید. ایده محاسبات کوانتومی این است که سعی کنیم به گونه ای تنظیم کنیم که برخی از مسیرهای پاسخ های اشتباه دامنه مثبت و برخی دارای دامنه منفی باشند تا یکدیگر را خنثی کنند. و مسیرهای منتهی به پاسخ صحیح دارای دامنه هایی هستند که با یکدیگر هم فاز هستند. ترفند این است که همه چیز را سازماندهی کنید بدون اینکه از قبل بدانید کدام پاسخ صحیح است. بنابراین نمایی حالات کوانتومی، همراه با پتانسیل تداخل بین دامنه های مثبت و منفی، مزیت این نوع محاسبات است.

الگوریتم شور

مشکلات زیادی وجود دارد که کامپیوتر نمی تواند آنها را حل کند. به عنوان مثال، رمزگذاری. مشکل اینجاست که یافتن ضرایب اول یک عدد 200 رقمی آسان نیست. حتی اگر لپ‌تاپ نرم‌افزاری عالی اجرا کند، یافتن پاسخ ممکن است سال‌ها طول بکشد. بنابراین نقطه عطف دیگر در محاسبات کوانتومی، الگوریتمی بود که در سال 1994 توسط پیتر شور، که اکنون استاد ریاضیات در MIT است، منتشر شد. روش او این است که با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی که هنوز وجود نداشت، عواملی با تعداد زیاد را جستجو کند. اساساً، الگوریتم عملیاتی را انجام می دهد که به مناطقی با پاسخ صحیح اشاره می کند. سال بعد، شور راهی برای تصحیح خطای کوانتومی کشف کرد. سپس بسیاری متوجه شدند که این یک روش جایگزین برای محاسبه است که در برخی موارد می تواند قدرتمندتر باشد. سپس علاقه فیزیکدانان به ایجاد کیوبیت ها و گیت های منطقی بین آنها افزایش یافت. و اکنون، دو دهه بعد، بشریت در آستانه ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار است.

جهان در آستانه یک انقلاب کوانتومی دیگر است. اولین کامپیوتر کوانتومی فورا مشکلاتی را حل می کند که قدرتمندترین آنها هستند دستگاه مدرناکنون سال ها طول می کشد این وظایف چیست؟ استفاده گسترده از الگوریتم های کوانتومی به نفع چه کسانی است و چه کسانی را تهدید می کند؟ برهم نهی کیوبیت ها چیست، چگونه مردم یاد گرفتند که راه حل بهینه را بدون عبور از تریلیون ها گزینه پیدا کنند؟ به این سؤالات با عنوان «به سادگی درباره مجموعه» پاسخ می دهیم.

قبل از کوانتومی، نظریه کلاسیک تابش الکترومغناطیسی در حال استفاده بود. در سال 1900، دانشمند آلمانی ماکس پلانک، که خود به کوانتوم اعتقادی نداشت، آنها را ساختگی تئوری و تخیلی می دانست، مجبور شد اعتراف کند که انرژی یک جسم گرم شده در بخش هایی - کوانتومی ساطع می شود. بنابراین، مفروضات نظریه با مشاهدات تجربی منطبق شد. و پنج سال بعد، آلبرت انیشتین بزرگ هنگام توضیح اثر فوتوالکتریک به همین رویکرد متوسل شد: هنگامی که با نور تابش می شود، جریان الکتریکی در فلزات ظاهر می شود! بعید است که پلانک و انیشتین تصور کنند که با کار خود پایه های یک علم جدید - مکانیک کوانتومی - را می گذارند که قرار است جهان ما را فراتر از شناخت تغییر دهد و در قرن بیست و یکم دانشمندان به ایجاد نزدیک شوند. یک کامپیوتر کوانتومی

در ابتدا، مکانیک کوانتومی امکان توضیح ساختار اتم را فراهم کرد و به درک فرآیندهای رخ داده در داخل آن کمک کرد. به طور کلی، رویای قدیمی کیمیاگران در مورد تبدیل اتم های برخی عناصر به اتم های برخی دیگر (بله، حتی به طلا) محقق شد. و فرمول معروف انیشتین E=mc2 منجر به پیدایش انرژی هسته ای و در نتیجه بمب اتم شد.

پردازنده کوانتومی در پنج کیوبیت از IBM

علاوه بر این. به لطف کار انیشتین و فیزیکدان انگلیسی پل دیراک، یک لیزر در نیمه دوم قرن بیستم ایجاد شد - همچنین یک منبع کوانتومی نور فوق خالص جمع آوری شده در یک پرتو باریک. تحقیقات لیزری جایزه نوبل را برای بیش از دوازده دانشمند به ارمغان آورده است و خود لیزرها تقریباً در تمام زمینه های فعالیت انسانی - از برش های صنعتی و تفنگ های لیزری گرفته تا اسکنرهای بارکد و تصحیح بینایی - کاربرد خود را یافته اند. تقریباً در همان زمان، تحقیقات فعالی در مورد نیمه هادی ها وجود داشت - موادی که با آنها می توانید به راحتی جریان الکتریکی را کنترل کنید. بر اساس آنها، اولین ترانزیستورها ایجاد شدند - آنها بعداً به بلوک های اصلی ساختمان الکترونیک مدرن تبدیل شدند که بدون آنها اکنون نمی توانیم زندگی خود را تصور کنیم.

توسعه الکترونیک کامپیوترها- کامپیوترها و کاهش تدریجی اندازه و هزینه آنها (به دلیل تولید انبوه) راه را برای رایانه ها در هر خانه ای هموار کرد. با ظهور اینترنت، وابستگی ما به سیستم های کامپیوتری، از جمله برای ارتباطات، حتی قوی تر شده است.

ریچارد فاینمن

وابستگی در حال افزایش است، قدرت محاسباتی دائماً در حال افزایش است، اما زمان آن فرا رسیده است که بدانیم، علیرغم قابلیت‌های چشمگیر، رایانه‌ها نتوانسته‌اند تمام مشکلاتی را که ما آماده هستیم برای آنها حل کنیم. فیزیکدان معروف ریچارد فاینمن یکی از اولین کسانی بود که در این مورد صحبت کرد: در سال 1981 در یک کنفرانس اظهار داشت که اساساً محاسبه دقیق یک سیستم فیزیکی واقعی در رایانه های معمولی غیرممکن است. همه چیز مربوط به ماهیت کوانتومی آن است! اثرات میکرو مقیاس به راحتی توسط مکانیک کوانتومی و بسیار بد توضیح داده می شود - با مکانیک کلاسیک آشنا برای ما: رفتار اجسام بزرگ را توصیف می کند. سپس، به عنوان یک جایگزین، فاینمن استفاده از رایانه های کوانتومی را برای محاسبه سیستم های فیزیکی پیشنهاد کرد.

کامپیوتر کوانتومی چیست و چه تفاوتی با کامپیوترهایی دارد که ما به آن ها عادت کرده ایم؟ همه چیز به نحوه ارائه اطلاعات به خود بستگی دارد.

اگر در رایانه های معمولی بیت ها - صفر و یک - مسئول این عملکرد هستند، در رایانه های کوانتومی با بیت های کوانتومی (به اختصار کیوبیت) جایگزین می شوند. کیوبیت خود یک چیز نسبتاً ساده است. هنوز هم دو مقدار اصلی (یا حالت، همانطور که دوست دارند در مکانیک کوانتومی بگویند) دارد که می تواند به خود بگیرد: 0 و 1. با این حال، به لطف ویژگی اجسام کوانتومی به نام "ابرجا"، یک کیوبیت می تواند به خود بگیرد. تمام مقادیری که ترکیبی از مقادیر اساسی هستند. در عین حال، ماهیت کوانتومی آن به آن اجازه می دهد که در همه این حالت ها به طور همزمان باشد.

این همسانی محاسبات کوانتومی با کیوبیت ها است. همه چیز به یکباره اتفاق می افتد - نیازی به مرتب کردن همه چیز نیست گزینه های ممکنسیستم، دقیقاً همان کاری است که یک کامپیوتر معمولی انجام می دهد. جستجو در پایگاه داده های بزرگ، کامپایل مسیر بهینه، توسعه داروهای جدید تنها چند نمونه از مشکلاتی است که الگوریتم های کوانتومی می توانند چندین برابر آنها را شتاب دهند. اینها وظایفی هستند که برای یافتن پاسخ صحیح باید تعداد زیادی گزینه را طی کنید.

علاوه بر این، برای توصیف وضعیت دقیق سیستم، دیگر به قدرت محاسباتی و حجم عظیمی نیاز نیست. حافظه دسترسی تصادفیزیرا برای محاسبه یک سیستم 100 ذره، 100 کیوبیت کافی است و نه تریلیون تریلیون بیت. علاوه بر این، با افزایش تعداد ذرات (مانند سیستم های پیچیده واقعی)، این تفاوت حتی قابل توجه تر می شود.

یکی از کارهای شمارش به دلیل بی فایده بودن ظاهری آن - تجزیه است اعداد بزرگبه عوامل اول (یعنی فقط بر خود و یک تقسیم می شوند). به این می گویند "فاکتورسازی". واقعیت این است که کامپیوترهای معمولی می توانند اعداد را به سرعت ضرب کنند، حتی اگر بسیار بزرگ باشند. با این حال، با مشکل معکوس تجزیه یک عدد بزرگ حاصل از ضرب دو اعداد اول، کامپیوترهای معمولی با ضریب های اولیه بسیار ضعیف کنار می آیند. به عنوان مثال، برای اینکه یک عدد 256 رقمی را به دو فاکتور تبدیل کنیم، زوج کامپیوتر قدرتمندبیش از ده سال طول خواهد کشید. اما یک الگوریتم کوانتومی که می تواند این مشکل را در چند دقیقه حل کند در سال 1997 توسط ریاضیدان انگلیسی پیتر شور اختراع شد.

با ظهور الگوریتم شور، جامعه علمی با مشکل جدی مواجه شد. در اواخر دهه 1970، بر اساس پیچیدگی مسئله فاکتورسازی، رمزنگاران یک الگوریتم رمزگذاری داده را ایجاد کردند که گسترده شد. به ویژه، با استفاده از این الگوریتم، آنها شروع به محافظت از داده ها در اینترنت - رمز عبور، مکاتبات شخصی، تراکنش های بانکی و مالی کردند. و پس از چندین سال استفاده موفق، ناگهان معلوم شد که اطلاعات رمزگذاری شده به این روش به یک هدف آسان برای الگوریتم Shor در حال اجرا بر روی یک کامپیوتر کوانتومی تبدیل می شود. رمزگشایی با آن به چند دقیقه تبدیل می شود. یک چیز خوب بود: یک کامپیوتر کوانتومی که بتواند یک الگوریتم مرگبار را اجرا کند هنوز ساخته نشده بود.

در همین حال، در سراسر جهان، ده‌ها گروه علمی و آزمایشگاه شروع به انجام مطالعات تجربی کیوبیت‌ها و امکان ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی از آنها کردند. به هر حال، اختراع کیوبیت از نظر تئوری یک چیز است و تبدیل آن به واقعیت کاملاً چیز دیگری است. برای انجام این کار، یافتن یک سیستم فیزیکی مناسب با دو سطح کوانتومی که بتواند به عنوان حالت های پایه کیوبیت - صفر و یک - استفاده شود، ضروری بود. خود فاینمن در مقاله پیشگام خود استفاده از پیچ خورده را پیشنهاد کرد طرف های مختلففوتون‌ها، اما اولین کیوبیت‌هایی که به‌طور تجربی ایجاد شدند، یون‌هایی بودند که در سال 1995 در تله‌های مخصوص گرفته شدند. یون ها با بسیاری از تحقق های فیزیکی دیگر دنبال شدند: هسته اتم ها، الکترون ها، فوتون ها، نقص در کریستال ها، مدارهای ابررسانا - همه آنها الزامات را برآورده کردند.

این تنوع محاسن خود را داشت. گروه‌های علمی مختلف به دلیل رقابت شدید، کیوبیت‌های پیشرفته‌تری ایجاد کردند و بیشتر و بیشتر ساختند طرح های پیچیده. کیوبیت ها دو پارامتر رقابتی اصلی داشتند: طول عمر آنها و تعداد کیوبیت هایی که می توان با هم کار کرد.

کارکنان آزمایشگاه سیستم های کوانتومی مصنوعی

طول عمر کیوبیت ها تعیین کرد که حالت کوانتومی شکننده چه مدت در آنها ذخیره می شود. این به نوبه خود تعیین کرد که چه تعداد عملیات محاسباتی را می توان روی کیوبیت قبل از "مرگ" انجام داد.

برای عملکرد کارآمد الگوریتم های کوانتومی، نه یک کیوبیت، بلکه حداقل صد کیوبیت مورد نیاز بود، علاوه بر این، با هم کار کنند. مشکل این بود که کیوبیت ها خیلی دوست نداشتند در کنار هم باشند و با کاهش چشمگیر عمرشان اعتراض کردند. برای دور زدن این مشاجره کیوبیت ها، دانشمندان مجبور بودند به انواع ترفندها بپردازند. و با این حال، تا به امروز، دانشمندان موفق شده اند حداکثر یک یا دو دوجین کیوبیت را برای کار با یکدیگر بدست آورند.

بنابراین، برای خوشحالی رمزنگاران، کامپیوتر کوانتومی هنوز هم چیزی در آینده است. اگرچه به هیچ وجه آن‌قدر که قبلاً به نظر می‌رسید دور نیست، زیرا هم بزرگ‌ترین شرکت‌ها مانند اینتل، آی‌بی‌ام و گوگل و هم‌چنین کشورهایی که ایجاد رایانه‌های کوانتومی برای آنها یک موضوع استراتژیک است، فعالانه درگیر هستند. در ایجاد آن

سخنرانی را از دست ندهید: