چگونه کامپیوترهای کوانتومی جهان را تغییر خواهند داد. کامپیوتر کوانتومی - واقعیت یا تخیل

یک کامپیوتر کوانتومی فقط یک کامپیوتر نسل بعدی نیست، بلکه چیزی بسیار بیشتر است. نه تنها از نظر کاربرد آخرین فن آوری ها، بلکه از نقطه نظر امکانات نامحدود، باورنکردنی و خارق العاده آن که نه تنها می تواند دنیای مردم را تغییر دهد، بلکه حتی ... واقعیت متفاوتی را ایجاد می کند.

همانطور که می دانید، کامپیوترهای مدرن از حافظه ارائه شده در کد باینری استفاده می کنند: 0 و 1. درست مانند کد مورس - یک نقطه و یک عنوان. با کمک دو کاراکتر، می توانید هر اطلاعاتی را با تغییر ترکیب آنها رمزگذاری کنید.

میلیاردها عدد از این بیت ها در حافظه یک کامپیوتر مدرن وجود دارد. اما هر یک از آنها می تواند در یکی از دو حالت باشد - صفر یا یک. مانند لامپ: روشن یا خاموش.

بیت کوانتومی (کیوبیت) کوچکترین عنصر ذخیره سازی اطلاعات در کامپیوتر آینده است. واحد اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی اکنون نه تنها می تواند صفر یا یک باشد، بلکه می تواند هر دو در یک زمان.

یک سلول دو عمل انجام می دهد، دو - چهار، چهار - شانزده و غیره به همین دلیل است که سیستم های کوانتومی می توانند دو برابر سریعتر و با مقادیر زیادی اطلاعات نسبت به سیستم های مدرن کار کنند.

برای اولین بار، دانشمندان مرکز کوانتومی روسیه (RQC) و آزمایشگاه فراماده های ابررسانا یک کیوبیت (Q-bit) را "اندازه گیری" کردند.

از جنبه فنی، کیوبیت یک حلقه فلزی با برش هایی به قطر چند میکرون است که روی یک نیمه هادی قرار گرفته است. حلقه تا دمای بسیار پایین خنک می شود تا به یک ابررسانا تبدیل شود. ما فرض می کنیم که جریانی که از حلقه می گذرد در جهت عقربه های ساعت می رود - این 1 است. در مقابل - 0. یعنی دو حالت معمولی.

تشعشعات مایکروویو از حلقه عبور داده شد. در خروجی از حلقه این تابش، تغییر فاز جریان اندازه گیری شد. معلوم شد که کل این سیستم را می توان در دو قسمت اصلی و حالت مختلط: هر دو در یک زمان!!!در علم به این اصل برهم نهی می گویند.

آزمایشی توسط دانشمندان روسی (که توسط دانشمندان کشورهای دیگر انجام شد) ثابت کرد که یک کیوبیت حق حیات دارد. ایجاد یک کیوبیت منجر به این ایده شد و دانشمندان را به رویای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی نوری نزدیک کرد. فقط طراحی و ایجاد آن باقی مانده است. اما همه چیز به این سادگی نیست...

مشکلات، مشکلات ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی

اگر برای مثال نیاز به محاسبه یک میلیارد گزینه در یک رایانه مدرن باشد، باید یک میلیارد چرخه از این قبیل را "پیمایش" کند. یک تفاوت اساسی در یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد، می تواند همه این گزینه ها را به طور همزمان محاسبه کند.
یکی از اصول اصلی که یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس آن کار خواهد کرد، اصل برهم نهی است و نمی توان آن را جادویی نامید!
یعنی همان فرد می تواند در آن باشد جاهای مختلفهمزمان. فیزیکدانان به شوخی می گویند: "اگر از نظریه کوانتومی شوکه نشده اید، پس آن را درک نکرده اید."

ظاهر کامپیوترهای کوانتومی که در حال حاضر ساخته می شوند به طرز چشمگیری با کامپیوترهای کلاسیک متفاوت است. آنها شبیه یک مهتاب هستند هنوز:

چنین طرحی متشکل از قطعات مسی و طلایی، کویل های خنک کننده و سایر جزئیات مشخصه، البته برای سازندگانش مناسب نیست. یکی از وظایف اصلی دانشمندان این است که آن را فشرده و ارزان کنند. برای این که این اتفاق بیفتد، باید به چند موضوع رسیدگی شود.

اولین مشکل ناپایداری برهم نهی ها است

همه این برهم نهی های کوانتومی بسیار "لطیف" هستند. به محض اینکه شروع به نگاه کردن به آنها می کنید، به محض اینکه آنها شروع به تعامل با اشیاء دیگر می کنند، بلافاصله فرو می ریزند. کلاسیک می شوند. این یکی از مهمترین مشکلات در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی است.

مشکل دوم - خنک کننده قوی مورد نیاز است

دومین مانع رسیدن به آن است عملکرد پایدارکامپیوتر کوانتومی به شکلی که امروز داریم، نیاز به خنک کننده قوی دارد. قوی، این ایجاد تجهیزاتی است که در آن دما نزدیک به صفر مطلق - منفی 273 درجه سانتیگراد حفظ می شود! بنابراین، اکنون نمونه های اولیه چنین رایانه هایی، با نصب برودتی-خلاء، بسیار دست و پا گیر به نظر می رسند:

با این حال، دانشمندان مطمئن هستند که به زودی تمام مشکلات فنی حل خواهد شد و یک روز کامپیوترهای کوانتومی با قدرت محاسباتی عظیم جایگزین کامپیوترهای مدرن خواهند شد.

چند راه حل فنی در حل مسئله

تا به امروز، دانشمندان تعدادی راه حل قابل توجه برای مشکلات فوق پیدا کرده اند. این اکتشافات تکنولوژیکی، حاصل کار پیچیده و گاهی طولانی و سخت دانشمندان، سزاوار احترام است.

بهترین راه برای بهبود عملکرد یک کیوبیت ... الماس

همه چیز بسیار شبیه به آهنگ معروف دختران و الماس است. اصلی‌ترین چیزی که اکنون دانشمندان روی آن کار می‌کنند، مطرح کردن آن است طول عمرکیوبیت، و همچنین "ساختن" یک کامپیوتر کوانتومی کار کند در دمای معمولی. بله، ارتباط بین کامپیوترهای کوانتومی به الماس نیاز دارد! برای همه اینها، ایجاد و استفاده از الماس مصنوعی با شفافیت فوق العاده بالا ضروری بود. آنها با کمک آنها توانستند عمر یک کیوبیت را به دو ثانیه افزایش دهند. این دستاوردهای کوچک، یعنی دو ثانیه از عمر یک کیوبیت و کارکرد کامپیوتر در دمای اتاق، در واقع انقلابی در علم است.

ماهیت آزمایش دانشمند فرانسوی سرژ هاروش بر این واقعیت استوار است که او توانست به تمام جهان نشان دهد که نور (یک شار فوتون کوانتومی) که از بین دو آینه که مخصوصاً توسط او ایجاد شده است عبور می کند حالت کوانتومی خود را از دست نمی دهد.

او با انجام مسافت 40000 کیلومتری بین این آینه ها، تشخیص داد که همه چیز بدون از دست دادن حالت کوانتومی اتفاق می افتد. نور از فوتون ها تشکیل شده است و تاکنون هیچ کس نتوانسته است بفهمد که آیا با طی مسافت معینی حالت کوانتومی خود را از دست می دهند یا خیر. سرژ هاروش، برنده جایزه نوبل: یک فوتون همزمان در چند مکان استموفق شدیم آن را بگیریم.» در حقیقت این اصل برهم نهی است. "در ما دنیای بزرگاین غیر ممکن است. آرش می گوید و در دنیای خرد، قوانین دیگری هم وجود دارد.

در داخل تشدیدگر اتم های کلاسیکی وجود داشت که قابل اندازه گیری بودند. از رفتار اتم ها، فیزیکدان یاد گرفت که ذرات کوانتومی گریزان را شناسایی و اندازه گیری کند. قبل از آزمایش های هاروش، اعتقاد بر این بود که مشاهده کوانتوم ها غیرممکن است. بعد از آزمایش شروع کردند به صحبت در مورد تسخیر فوتون ها، یعنی در مورد نزدیک شدن به عصر کامپیوترهای کوانتومی.

چرا بسیاری مشتاقانه منتظر ایجاد یک ژنراتور کوانتومی کامل هستند، در حالی که دیگران از آن می ترسند.

کامپیوتر کوانتومی به بشر فرصت های بزرگی می دهد

کامپیوتر کوانتومی امکانات بی حد و حصری را برای بشریت باز خواهد کرد. به عنوان مثال، به ایجاد یک ذهن مصنوعی کمک می کند که نویسندگان داستان های علمی تخیلی برای مدت طولانی در مورد آن هیجان زده اند. یا کیهان را شبیه سازی کنید. کل. طبق متوسط ​​ترین پیش بینی ها، به شما این امکان را می دهد که فراتر از محدودیت های ممکن نگاه کنید. بیایید دنیایی را تصور کنیم که در آن می‌توانید مطلقاً هر چیزی را که می‌خواهید شبیه‌سازی کنید: یک مولکول، فلزی فوق‌العاده قوی، پلاستیکی که به سرعت تجزیه می‌شود، طراحی کنید، و درمان‌هایی برای بیماری‌های صعب‌العلاج ارائه کنید. این ماشین تمام جهان ما را تا آخرین اتم مدل خواهد کرد. حتی می توانید دنیای دیگری را شبیه سازی کنید، حتی یک دنیای مجازی.

یک کامپیوتر کوانتومی می تواند سلاح آخرالزمان باشد

بسیاری از مردم، با کاوش در ماهیت فناوری کوانتومی، به دلایل مختلف از آن می ترسند. حتی در حال حاضر، کامپیوتری شدن و همه فن آوری های مرتبط با کامپیوتر افراد غیر عادی را می ترساند. کافی است رسوایی ها را به یاد بیاوریم که چگونه خدمات ویژه با استفاده از برنامه های داخلی در رایانه های شخصی و حتی لوازم خانگی، نظارت را سازماندهی می کنند و داده های مربوط به مصرف کنندگان خود را جمع آوری می کنند. به عنوان مثال، در بسیاری از کشورها، عینک های شناخته شده ممنوع شده اند - بالاخره آنها هم هستند درمان ایده آلبرای تیراندازی مخفیو نظارت در حال حاضر، مطمئناً، هر ساکن هر کشور، و حتی بیشتر از آن یک کاربر در وب، در نوعی پایگاه داده فهرست شده است. علاوه بر این، و کاملاً واقع بینانه، سرویس های خاصی می توانند هر اقدام او را در اینترنت محاسبه کنند.

اما هیچ رازی برای کامپیوترهای کوانتومی وجود نخواهد داشت!اصلا. همه امنیت رایانهبر روی اعداد بسیار طولانی - رمز عبور استوار است. یک کامپیوتر معمولی یک میلیون سال طول می کشد تا کلید رمز را بدست آورد. اما با کمک کوانتوم، هر کسی می تواند آن را فورا انجام دهد. به نظر می رسد که جهان کاملاً ناامن خواهد شد: بالاخره در دنیای مدرن همه چیز توسط رایانه کنترل می شود: نقل و انتقالات بانکی، پروازهای هواپیما، بورس اوراق بهادار، موشک های هسته ای! بنابراین معلوم می شود: کسی که صاحب اطلاعات است، او صاحب جهان است. هر که اول است خداست. یک کامپیوتر کوانتومی از هر سیستم تسلیحاتی قوی تر خواهد شد. در زمین، یک مسابقه تسلیحاتی جدید ممکن است آغاز شود (یا قبلاً شروع شده است)، فقط اکنون نه یک مسابقه هسته ای، بلکه یک مسابقه کامپیوتری.

خدایا به سلامتی از آن خلاص شویم...

ابررایانه های پیشرفته در حال حاضر قادر به انجام ده ها کوادریلیون عملیات در ثانیه هستند. اما تعدادی از مشکلات وجود دارد که آنها نمی توانند حل کنند. بیایید یک مثال بزنیم.

همه جا با فناوری های رمزنگاری احاطه شده ایم: آنها در پیام رسان های فوری یا تراکنش با کارت های بانکی، ارزهای دیجیتال، ذخیره سازی ایمنداده ها و غیره اطلاعات زمانی که ارسال می شوند رمزگذاری دائمی می شوند و پس از دریافت رمزگشایی می شوند، به طوری که فقط کسانی که برای آنها در نظر گرفته شده است می توانند آن را بخوانند. سیستم های رمزگذاری مختلفی وجود دارد (AES، RSA)، اما همه آنها به نوعی مبتنی بر استفاده از فاکتورسازی (تجزیه به عوامل اول) هستند.

به نظر شما کدام اعداد اول را ضرب کردیم تا عدد زیر را که یک کلید رمزگذاری 2048 بیتی است (با چنین کلیدهایی که توسط الگوریتم RSA، گیرندگان برای امضای پیام های محرمانه با کمک آنها مبادله می شوند)؟

زحمت نکشید از چه چیزی بفهمید اعداد اولآنها ساخته شده اند - سخت ترین کار. اما نه تنها برای شما، بلکه برای یک کامپیوتر کلاسیک نیز دشوار است. اگر از تمام قدرت محاسباتی دنیا استفاده کنیم، حل آن یک میلیارد سال طول می کشد! اما یک کامپیوتر کوانتومی می تواند آن را در 100 ثانیه حل کند. برای انجام این کار سرعت دیوانه وار او اجازه می دهد.

چنین افزایش جدی در سرعت حل مشکلات، به هر حال، مستلزم تجدید ساختار کل سیستم مالی جهانی است، زیرا بدون رمزگذاری قابل اعتماد به سادگی نمی تواند کار کند (شوخی نیست - هرکسی که یک کامپیوتر کوانتومی دارد می تواند جعل کند. اطلاعاتی مبنی بر اینکه او مالک هر مقدار پول است).

اگر اختراع کامپیوتر کوانتومی مستلزم چنین تغییرات عظیمی باشد، شاید بهتر باشد که به طور کامل بدون آن عمل کنیم؟ به سختی، زیرا مزایای چنین ماشین هایی به طور غیرقابل مقایسه ای بیشتر از دردسر است. ابرکامپیوترهای باینری موجود بسیار قدرتمند هستند، با این حال، علیرغم عملکرد چشمگیر آنها، بعید است که قادر به حل تمام مشکلاتی باشند که یک شخص قصد دارد پیش روی آنها قرار دهد.

به عنوان مثال، امروزه حدود 35 درصد از زمان ابررایانه ها صرف حل مسائل در زمینه شیمی کوانتومی و علم مواد می شود: برای محاسبه رفتار تک تک مولکول ها، منابع محاسباتی عظیمی مورد نیاز است (و ما فقط در مورد آن صحبت می کنیم. آن وظایف، روش حلی که قبلاً می دانیم).

علاوه بر این، تعدادی از مشکلات وجود دارد که حل آنها میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا رایانه‌های کلاسیک حل شوند، یا اصلاً نمی‌توان آنها را حل کرد، حتی از نظر تئوری. بنابراین، برای اینکه دقیقاً بفهمیم که مثلاً این یا آن واکنش شیمیایی چگونه پیش خواهد رفت، لازم است فرآیندهای کوانتومی درگیر در آن را در نظر بگیریم و این فقط با کمک یک کامپیوتر کوانتومی قابل انجام است. در صورت موفقیت، این فرصت را به افراد می دهد تا پدیده هایی مانند فتوسنتز را به طور کامل مطالعه کنند (و بنابراین تکرار کنند).

چرا کامپیوترهای کوانتومی اینقدر قدرتمند هستند؟ اصلی‌ترین چیزی که آنها را از دودویی‌های کلاسیک متمایز می‌کند، استفاده از کیوبیت‌ها است که بر خلاف بیت‌ها، می‌توانند به طور همزمان دو مقدار داشته باشند: 0 و 1. این "دوگانگی" موازی بودن محاسبات کوانتومی را تضمین می‌کند، زیرا دیگر لازم نیست همه حالت های ممکن سیستم را مرتب کنید. مجموعه ای از تنها 30 کیوبیت می تواند 2 30 (یعنی بیش از یک میلیارد) دنباله باینری را تشکیل دهد - این تعداد بیت هایی است که برای پردازش همزمان آنها مورد نیاز است. صرفه جویی در فضا در فضا، انرژی و زمان!

در یک کامپیوتر کوانتومی با توان 100 تا 200 کیوبیت، می‌توانیم شبیه‌سازی‌های دقیقی از فرآیندهای شیمیایی پیچیده، مانند تثبیت نیتروژن - تبدیل نیتروژن موجود در جو به ترکیبات حاوی نیتروژن ایجاد کنیم. این واکنش به طور گسترده ای برای تولید آمونیاک مورد استفاده قرار می گیرد، که برای تولید کودهایی ضروری است، که برای تغذیه جمعیت در حال رشد سیاره حیاتی است. فرآیند صنعتی برای به دست آوردن آمونیاک در طول قرن گذشته تقریباً بدون تغییر باقی مانده است و با شدت انرژی بالا مشخص می شود: از 1٪ تا 3٪ از ذخایر گاز طبیعی جهان برای تولید آن استفاده می شود. با یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند، دانشمندان می‌توانند از شبیه‌سازی‌ها برای یافتن کاتالیزورهای کارآمدتر استفاده کنند که به کاهش انرژی واکنش کمک کند.

به لطف رایانه کوانتومی، مشکلاتی مانند جستجوی حیات هوشمند در جهان، توسعه روش‌های جدید انتقال انرژی بر اساس ابررساناها، تشخیص سرطان در مراحل اولیه، مدل‌سازی مولکول‌های DNA و ایجاد موادی که کمک خواهد کرد که هوا را از آلودگی های مضر پاکسازی کند. بالا قدرت پردازشکامپیوترهای کوانتومی می توانند به طور جدی در ایجاد داروهای موثر جدید کمک کنند.

این دلگرم کننده است که بشریت به ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار نزدیک و نزدیکتر می شود - شرکت های جهانی مدت هاست در این زمینه سرمایه گذاری می کنند. به طور خاص، سیستم های کیوبیت های توپولوژیکی ایجاد شده در مایکروسافت قبلاً توانایی حفظ یک حالت کوانتومی را برای مدت طولانی بدون ترفندهای اضافی و همچنین مقیاس به اندازه یک رایانه کامل نشان داده اند. و در پایان سال گذشته، این شرکت یک زبان برنامه نویسی برای یک کامپیوتر کوانتومی معرفی کرد.

ایده ای که 30 سال پیش فانتزی محض به نظر می رسید، امروز شکل واقعی به خود گرفته است. چه کسی می داند، شاید در دهه آینده شاهد باشیم عصر جدیدفن‌آوری‌های دیجیتال و یک کامپیوتر کوانتومی دنیای ما را فراتر از شناخت تغییر می‌دهند و فرصت‌هایی را برای فرد فراهم می‌کنند که قبلاً فقط می‌توانست رویاهایشان را ببیند.

به منظور آشکار کردن کمابیش کامل ماهیت فناوری های کامپیوتری کوانتومی، اجازه دهید ابتدا به تاریخچه آن بپردازیم. نظریه کوانتوم.
این به لطف دو دانشمند که نتایج تحقیقاتشان جوایز نوبل را دریافت کردند، ایجاد شد: کشف کوانتوم توسط M. Planck در سال 1918 و A. Einstein فوتون در سال 1921.
سال تولد ایده یک کامپیوتر کوانتومی سال 1980 بود، زمانی که بنیوف توانست در عمل درستی نظریه کوانتومی را با موفقیت نشان دهد.
خوب، اولین نمونه اولیه یک کامپیوتر کوانتومی توسط گرشنفلد و چوانگ در سال 1998 در موسسه فناوری ماساچوست (MTI) ایجاد شد. همین گروه از محققان مدل های پیشرفته تری را در دو سال آینده ایجاد کردند.

برای یک غیر متخصص، یک کامپیوتر کوانتومی از نظر مقیاس چیزی کاملاً خارق العاده است. ماشین حساب، که در مقابل آن یک کامپیوتر معمولی مانند چرتکه در مقابل کامپیوتر است. و البته این چیزی بسیار دور از تحقق است.
برای شخصی که با کامپیوترهای کوانتومی در ارتباط است، این دستگاهی است که اصول کلی عملکرد آن کم و بیش روشن است، اما مشکلات زیادی وجود دارد که قبل از پیاده سازی آن در "سخت افزار" باید حل شوند و اکنون بسیاری از آزمایشگاه ها در اطراف جهان اینها تلاش می کنند بر موانع غلبه کنند.
در زمینه فناوری کوانتومی، قبلاً پیشرفت هایی توسط شرکت های خصوصی از جمله IBM و DWays صورت گرفته است.
آنها حتی امروز به طور مرتب آخرین تحولات در این زمینه را گزارش می دهند. بیشتر تحقیقات توسط دانشمندان ژاپنی و آمریکایی انجام شده است. ژاپن به دنبال پیشروی جهانی در زمینه سخت افزار و نرم افزار، مبالغ هنگفتی را صرف پیشرفت در این زمینه می کند. به گفته معاون هیولت پاکارد، بیش از 70 درصد از کل تحقیقات در سرزمین خورشید طلوع انجام می شود. کامپیوترهای کوانتومییکی از گام های شرکت هدفمند خود برای به دست گرفتن رهبری در بازار جهانی است.

چه چیزی تمایل به تسلط بر این فناوری ها را توضیح می دهد؟ مزایای غیر قابل انکار وزن آنها نسبت به کامپیوترهای نیمه هادی!

آن چیست؟

کامپیوتر کوانتومی یک دستگاه محاسباتی است که بر اساس مکانیک کوانتومی کار می کند.
تا به امروز، یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل یک دستگاه فرضی است که با توجه به داده های موجود در نظریه کوانتومی نمی توان آن را ایجاد کرد.

یک کامپیوتر کوانتومی از الگوریتم های کلاسیک برای محاسبه استفاده نمی کند، بلکه از فرآیندهای پیچیده تری با ماهیت کوانتومی استفاده می کند که به آنها الگوریتم کوانتومی نیز می گویند. این الگوریتم ها از اثرات مکانیکی کوانتومی استفاده می کنند: درهم تنیدگی کوانتومی و موازی کوانتومی.

برای درک اینکه چرا اصلاً به یک کامپیوتر کوانتومی نیاز است، باید اصل عملکرد آن را تصور کنید.
اگر یک کامپیوتر معمولی با انجام عملیات متوالی با صفر و یک کار کند، یک کامپیوتر کوانتومی از حلقه های یک فیلم ابررسانا استفاده می کند. جریان می تواند از طریق این حلقه ها در جهات مختلف جریان یابد، بنابراین زنجیره ای از این حلقه ها می تواند همزمان عملیات های بیشتری را با صفر و یک انجام دهد.
این قدرت بالا است که مزیت اصلی یک کامپیوتر کوانتومی است. متأسفانه ، این حلقه ها حتی تحت تأثیر کوچکترین تأثیرات خارجی قرار می گیرند ، در نتیجه جهت جریان می تواند تغییر کند و محاسبات در این مورد نادرست است.

تفاوت یک کامپیوتر کوانتومی با یک کامپیوتر معمولی

تفاوت اصلی بین رایانه‌های کوانتومی و رایانه‌های معمولی این است که داده‌ها نه با کمک «بیت‌ها»، بلکه با «کیوبیت» - به زبان ساده، «بیت‌های کوانتومی» ذخیره، پردازش و منتقل می‌شوند. مانند یک بیت معمولی، یک کیوبیت می تواند در حالت های معمول "|0>" و "|1>" باشد، و علاوه بر این، می تواند در حالت برهم نهی A·|0> + B·|1> باشد. ، که در آن A و B هر اعداد مختلطی هستند که شرط | A |2 + | B |2 = 1.

انواع کامپیوترهای کوانتومی

دو نوع کامپیوتر کوانتومی وجود دارد. هر دو بر اساس پدیده‌های کوانتومی هستند، فقط مرتبه متفاوتی دارند.

کامپیوترهایی که مبتنی بر کوانتیزاسیون شار مغناطیسی در موارد نقض ابررسانایی هستند - انتقال جوزفسون. تقویت‌کننده‌های خطی، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال، SQUID و همبسته‌ها در حال حاضر بر روی اثر جوزفسون ساخته می‌شوند. از همان پایه عنصر در پروژه برای ایجاد یک کامپیوتر پتافلاپ (1015 عملیات بر ثانیه) استفاده می‌شود. به صورت تجربی به دست آمده است فرکانس ساعت 370 گیگاهرتز که در آینده می توان آن را به 700 گیگاهرتز افزایش داد.اما زمان کاهش فاز توابع موج در این دستگاه ها با زمان سوئیچینگ دریچه های جداگانه قابل مقایسه است و در واقع بر اساس اصول جدید کوانتومی، پایه عنصر قبلاً قابل مقایسه است. آشنا برای ما پیاده سازی شده است - فلیپ فلاپ ها، ثبات ها و سایر عناصر منطقی.

نوع دیگری از رایانه‌های کوانتومی، که رایانه‌های همدوس کوانتومی نیز نامیده می‌شوند، نیازمند حفظ انسجام توابع موج کیوبیت‌های مورد استفاده در کل زمان محاسبات هستند - از ابتدا تا پایان (یک کیوبیت می‌تواند هر سیستم مکانیکی کوانتومی با دو سطح انرژی اختصاصی باشد). در نتیجه، برای برخی از کارها، قدرت محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی منسجم با 2N متناسب است که N تعداد کیوبیت های کامپیوتر است. وقتی صحبت از رایانه های کوانتومی می شود، این نوع دوم از دستگاه ها است.

کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر

اما امروزه کامپیوترهای کوانتومی کوچکی ساخته می شوند. شرکت D-Wave Systems به ویژه در این راستا فعال است که در سال 2007 یک کامپیوتر کوانتومی 16 کیوبیتی ایجاد کرد. این رایانه با موفقیت از عهده وظیفه نشستن مهمانان بر روی میز بر اساس این واقعیت که برخی از آنها یکدیگر را دوست ندارند، انجام داد. اکنون شرکت D-Wave Systems به توسعه کامپیوترهای کوانتومی ادامه می دهد.

گروهی از فیزیکدانان از ژاپن، چین و ایالات متحده برای اولین بار موفق شدند در عمل یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس معماری فون نویمان بسازند - یعنی با جداسازی فیزیکی یک پردازنده کوانتومی و حافظه کوانتومی. که در در حال حاضربرای اجرای عملی کامپیوترهای کوانتومی (کامپیوترهای مبتنی بر خواص غیرمعمول اجسام مکانیک کوانتومی)، فیزیکدانان از انواع اشیاء و پدیده های عجیب و غریب استفاده می کنند - یون هایی که در یک تله نوری، تشدید مغناطیسی هسته ای به دام افتاده اند. بعنوان بخشی از کار جدیددانشمندان بر مدارهای مینیاتوری ابررسانا تکیه کردند - امکان تحقق یک کامپیوتر کوانتومی با چنین مدارهایی در سال 2008 در Nature شرح داده شد.

کامپیوتر مونتاژ شده توسط دانشمندان شامل یک حافظه کوانتومی بود که نقش آن را دو تشدید کننده مایکروویو، یک پردازنده دو کیوبیتی که توسط یک گذرگاه به هم وصل شده بودند (رزوناتور نیز نقش خود را ایفا می کرد و کیوبیت ها مدارهای ابررسانا بودند) و دستگاه هایی بود. برای پاک کردن داده ها با استفاده از این کامپیوتر، دانشمندان متوجه شده اند دو الگوریتم اصلی- به اصطلاح تبدیل فوریه کوانتومی و پیوند با کمک عناصر منطق کوانتومی تافولی:

الگوریتم اول یک آنالوگ کوانتومی تبدیل فوریه گسسته است. ویژگی متمایز آن تعداد بسیار کمتر (از مرتبه n2) تعداد عناصر عملکردی در اجرای الگوریتم در مقایسه با آنالوگ آن (از مرتبه n 2n) است. تبدیل گسستهفوریه در طیف گسترده ای از زمینه های فعالیت انسانی - از تحقیقات استفاده می شود معادلات دیفرانسیلدر مشتقات جزئی قبل از فشرده سازی داده ها.

به نوبه خود، عناصر منطق کوانتومی Toffoli عناصر اساسی هستند، که با برخی نیازهای اضافی، می توانید هر موردی را دریافت کنید. تابع بولی(برنامه). ویژگی متمایزیکی از این عناصر برگشت پذیری است که از دیدگاه فیزیک، از جمله موارد دیگر، امکان به حداقل رساندن تولید گرمای دستگاه را فراهم می کند.

به گفته دانشمندان، سیستمی که آنها ایجاد کرده اند یک مزیت قابل توجه دارد - به راحتی مقیاس پذیر است. بنابراین، می تواند به عنوان نوعی بلوک ساختمانی برای رایانه های آینده باشد. به گفته محققان، نتایج جدید به وضوح نوید فناوری جدید را نشان می دهد.

علم ثابت نمی ماند و به نظر می رسد آنچه دیروز عرفان تلقی می شد امروز واقعیتی انکارناپذیر است. بنابراین اکنون، افسانه های مربوط به جهان های موازی ممکن است در آینده به یک واقعیت رایج تبدیل شوند. اعتقاد بر این است که تحقیقات در زمینه ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی به این بیانیه کمک خواهد کرد. رهبری توسط ژاپن اشغال شده است، بیش از 70٪ از کل تحقیقات مربوط به این کشور است. ماهیت این کشف برای کسانی که به نوعی با فیزیک مرتبط هستند قابل درک است. اما اکثر ما از دبیرستان فارغ التحصیل شدیم، جایی که برخی از مسائل فیزیک کوانتومی در کتاب درسی کلاس یازدهم آشکار شده است.

چگونه همه چیز شروع شد

به یاد بیاورید که آغاز با دو اکتشاف بزرگ بود که به نویسندگان آنها جایزه نوبل اعطا شد. در سال 1918، ماکس پلانک کوانتوم را کشف کرد و آلبرت انیشتیندر فوتون 1921 ایده ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی در سال 1980 متولد شد، زمانی که ثابت شد نظریه کوانتومی درست است. و این ایده ها تنها در سال 1998 شروع به عملی شدن کردند. کارهای عظیم و در عین حال کاملاً مؤثر فقط در 10 سال گذشته انجام شده است.

اصول اولیه روشن است، اما با هر قدم به جلو، همه چیز به وجود می آید. مشکلات بیشترکه حل آن زمان زیادی می برد، اگرچه آزمایشگاه های زیادی در سراسر جهان روی این مشکل کار می کنند. الزامات برای چنین رایانه ای بسیار بالا است، زیرا دقت اندازه گیری ها باید بسیار بالا باشد و لازم است تعداد تأثیرات خارجی را به حداقل برسانیم، که هر یک از آنها عملکرد سیستم کوانتومی را مختل می کند.

چرا یک کامپیوتر کوانتومی مورد نیاز است؟

کامپیوتر کوانتومی بر چه اساسی است؟

همه، کم و بیش، ایده ای از نحوه کار یک کامپیوتر معمولی دارند. معنای آن استفاده کردن است رمزگذاری باینری، که در آن وجود یک مقدار ولتاژ معین به عنوان 1 در نظر گرفته می شود و عدم وجود 0. که به صورت 0 یا 1 بیان می شود، کمی در نظر گرفته می شود. کار یک کامپیوتر کوانتومی با مفهوم اسپین مرتبط است. برای کسانی که فیزیک به دانش مدرسه محدود می شود، می توانند وجود سه ذره بنیادی و اینکه آنها ویژگی های سادهمانند جرم و بار.

اما فیزیکدانان مرتباً کلاس ذرات بنیادی و ویژگی های آنها را پر می کنند که یکی از آنها اسپین است. و جهت معینی از اسپین ذره 1 و جهت مخالف آن 0 در نظر گرفته می شود. این شبیه دستگاه ترانزیستور است. عنصر اصلی قبلاً بیت کوانتومی یا کیوبیت نامیده می شود. این می تواند فوتون، اتم، یون، هسته اتم باشد.

شرط اصلی در اینجا وجود دو حالت کوانتومی است. تغییر وضعیت یک بیت معین در یک کامپیوتر معمولی منجر به تغییر در بقیه نمی شود، اما در یک کامپیوتر کوانتومی، تغییر یک بیت منجر به تغییر وضعیت ذرات دیگر می شود. این تغییر قابل کنترل است و تصور کنید که صدها ذره از این دست وجود دارد.

فقط تصور کنید بهره وری چنین ماشینی چند برابر افزایش می یابد. اما ایجاد یک جدیدترین کامپیوتر کل نگر تنها یک فرضیه است، همچنان باقی مانده است کار بزرگفیزیکدانان در آن رشته از مکانیک کوانتومی که چند ذره نامیده می شود. اولین کامپیوتر کوچک کوانتومی شامل 16 کیوبیت بود. که در اخیراکامپیوترها با استفاده از 512 کیوبیت منتشر شده اند، اما در حال حاضر برای افزایش سرعت انجام پیچیده ترین عملیات محاسباتی مورد استفاده قرار می گیرند. Quipper زبانی است که به طور خاص برای چنین ماشین هایی طراحی شده است.

توالی عملیات انجام شده

در ایجاد یک کامپیوتر نسل جدید، چهار ناحیه از هم متمایز می شوند که به عنوان کیوبیت های منطقی عمل می کنند:

1. جهت چرخش ذراتی که اساس اتم را تشکیل می دهند.
2. وجود یا عدم وجود یک جفت کوپر در یک مکان مشخص در فضا؛
3. الکترون بیرونی در چه حالتی است؟
4. حالات مختلف یک فوتون

اکنون طرحی را که کامپیوتر بر اساس آن کار می کند در نظر بگیرید. برای شروع، مجموعه‌ای از کیوبیت‌ها گرفته شده و پارامترهای اولیه آن‌ها نوشته می‌شود. تبدیل ها با استفاده از عملیات منطقی انجام می شود، مقدار حاصل نوشته می شود، که نتیجه صادر شده توسط رایانه است. کیوبیت ها به عنوان سیم عمل می کنند و تبدیل ها بلوک های منطقی را تشکیل می دهند. چنین پردازنده ای توسط D. Deutsch پیشنهاد شد که در سال 1995 توانست زنجیره ای ایجاد کند که قادر به انجام هر گونه محاسباتی در سطح کوانتومی باشد. اما چنین سیستمی خطاهای کوچکی می دهد که با افزایش تعداد عملیات درگیر در الگوریتم، می توان آن را اندکی کاهش داد.

یک کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می کند؟

چه چیزی به دست آورده اید

تاکنون تنها دو نوع کامپیوتر کوانتومی ساخته شده است، اما علم هنوز پابرجا نیست. کار هر دو ماشین بر اساس پدیده های کوانتومی است:

1. مرتبط با ابررسانایی هنگامی که نقض می شود، کوانتیزاسیون مشاهده می شود.
2. بر اساس خاصیتی مانند انسجام. سرعت محاسبات این گونه کامپیوترها در مقایسه با تعداد کیوبیت ها دو برابر می شود.

نوع دوم در نظر گرفته شده در زمینه ایجاد کامپیوترهای کوانتومی اولویت محسوب می شود.

دستاوردهای کشورهای مختلف

به طور خلاصه، دستاوردهای 10 سال گذشته قابل توجه است. ما می توانیم کامپیوتر دو کیوبیتی را با نرم افزاری که در آمریکا ایجاد شده است، یادداشت کنیم. همچنین معلوم شد که آنها می توانند یک کامپیوتر دو کیوبیتی را با کریستال الماس آزاد کنند. در نقش کیوبیت از جهت اسپین ذرات نیتروژن، اجزای آن: هسته و الکترون استفاده شد. برای ارائه حفاظت قابل توجه، یک سیستم بسیار پیچیده توسعه یافته است که به شما امکان می دهد تا با دقت 95٪ نتایج را ارائه دهید.

ICQT 2017. جان مارتینیس، گوگل: رایانه کوانتومی: زندگی پس از قانون مور

این همه برای چیست؟

قبلاً در مورد ایجاد رایانه های کوانتومی صحبت کرده ایم. این رایانه ها نتیجه آن چیزی نیستند که برای آن تلاش می کردند، اما خریدار خود را پیدا کردند. شرکت دفاعی آمریکایی لاکهید مارتین 10 میلیون دلار پرداخت کرد. اکتساب آنها قادر به یافتن خطا در پیچیده ترین برنامه نصب شده بر روی جنگنده F-35 است. گوگل می خواهد از طریق خرید خود برنامه های یادگیری ماشینی را راه اندازی کند.

آینده

در توسعه یک کامپیوتر کوانتومیبسیار علاقه مند شرکت های بزرگو دولت منجر به اکتشافات جدیدی در زمینه توسعه الگوریتم رمزنگاری خواهد شد. آیا آن را به دست دولت یا هکرها زمان تصمیم خواهد گرفت. اما کار ایجاد و شناسایی کلیدهای رمزنگاری فورا انجام خواهد شد. بسیاری از مشکلات مربوط به کارت بانکی حل خواهد شد.

پیام‌ها با سرعت فوق‌العاده‌ای منتقل می‌شوند و هیچ مشکلی برای تماس با هر نقطه از جهان و شاید حتی فراتر از آن وجود نخواهد داشت.

چنین رایانه ای به انجام این کار کمک خواهد کرد، به ویژه در رمزگشایی کد ژنتیکی. این امر منجر به حل بسیاری از مشکلات پزشکی می شود.

و البته کمی در را به کشور اسرار عرفانی، جهان های موازی باز خواهد کرد.

ما در یک شوک بزرگ هستیم. هر چیزی که ما به آن عادت کرده ایم تنها بخشی از آن جهان است که قبلاً به آن واقعیت کوانتومی داده شده است. فراتر رفتن از دنیای مادی کمک خواهد کرد، که اصل عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی را تشکیل می دهد.