O kvantnem računalništvu, vsaj v teoriji, se govori že desetletja. Sodobne vrste strojev, ki uporabljajo neklasično mehaniko za obdelavo potencialno nepredstavljivih količin podatkov, so bile velik preboj. Po mnenju razvijalcev se je njihova izvedba izkazala za morda najbolj zapleteno tehnologijo, ki je bila kdaj ustvarjena. Kvantni procesorji delujejo na nivojih materije, ki jih je človeštvo spoznalo šele pred 100 leti. Potencial takšnega računalništva je ogromen. Uporaba nenavadnih lastnosti kvantov bo pospešila izračune, zato bodo rešeni številni problemi, ki trenutno presegajo zmožnosti klasičnih računalnikov. Pa ne le na področju kemije in znanosti o materialih. Zanima se tudi Wall Street.

Vlaganje v prihodnost

Skupina CME je investirala v 1QB Information Technologies Inc. s sedežem v Vancouvru, ki razvija programsko opremo za kvantne procesorje. Vlagatelji pravijo, da bo takšno računalništvo verjetno imelo največji vpliv na panoge, ki imajo opravka z velikimi količinami časovno občutljivih podatkov. Primer takih potrošnikov so finančne institucije. Goldman Sachs je investiral v D-Wave Systems, In-Q-Tel pa financira CIA. Prvi proizvaja stroje, ki izvajajo tako imenovano »kvantno žarjenje«, tj. rešujejo težave z nizko stopnjo optimizacije z uporabo kvantnega procesorja. Tudi Intel vlaga v to tehnologijo, čeprav meni, da je njena implementacija stvar prihodnosti.

Zakaj je to potrebno?

Razlog, zakaj je kvantno računalništvo tako vznemirljivo, je njegova popolna kombinacija s strojnim učenjem. Trenutno je to glavna aplikacija za takšne izračune. Del ideje o kvantnem računalniku je uporaba fizične naprave za iskanje rešitev. Včasih je ta koncept razložen na primeru igre Angry Birds. Za simulacijo gravitacije in medsebojnega delovanja trkajočih se predmetov CPE tabličnega računalnika uporablja matematične enačbe. Kvantni procesorji obrnejo ta pristop na glavo. "Vržejo" nekaj ptic in vidijo, kaj se zgodi. Ptice posnamejo na mikročip, jih vržejo, kakšna je optimalna pot? Nato se preizkusijo vse možne rešitve ali vsaj zelo velika kombinacija le-teh in vrne se odgovor. V kvantnem računalniku ni matematika, namesto njega delujejo zakoni fizike.

Kako deluje?

Osnovni gradniki našega sveta so kvantna mehanika. Če pogledate molekule, je razlog, da nastanejo in ostanejo stabilne, interakcija njihovih elektronskih orbital. Vsi kvantnomehanski izračuni so vsebovani v vsakem od njih. Njihovo število eksponentno narašča s številom simuliranih elektronov. Na primer, za 50 elektronov sta možni možnosti 2 na 50. potenco. To je fenomenalno, zato je danes nemogoče izračunati. Povezovanje teorije informacij s fiziko lahko pokaže pot do reševanja takšnih problemov. To zmore 50-kubitni računalnik.

Zora nove dobe

Po mnenju Landona Downsa, predsednika in soustanovitelja 1QBit, je kvantni procesor zmožnost izkoriščanja računalniške moči subatomskega sveta, kar ima ogromne posledice za pridobivanje novih materialov ali ustvarjanje novih zdravil. Obstaja premik od paradigme odkrivanja k novi dobi oblikovanja. Na primer, kvantno računalništvo se lahko uporablja za modeliranje katalizatorjev, ki odstranjujejo ogljik in dušik iz ozračja in s tem pomagajo ustaviti globalno segrevanje.

V ospredju napredka

Skupnost za razvoj tehnologije je izjemno navdušena in aktivna. Ekipe po vsem svetu v startupih, korporacijah, univerzah in vladnih laboratorijih tekmujejo pri izdelavi strojev, ki uporabljajo različne pristope za obdelavo kvantnih informacij. Superprevodne kubitne čipe in ujete ionske kubite so ustvarili raziskovalci z Univerze v Marylandu in ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo. Microsoft razvija topološki pristop, imenovan Station Q, katerega cilj je izkoriščanje neabelskega aniona, za katerega še ni dokončno dokazano, da obstaja.

Leto možnega preboja

In to je šele začetek. Konec maja 2017 je število kvantnih procesorjev, ki očitno delajo nekaj hitreje ali bolje od klasičnega računalnika, nič. Tak dogodek bi vzpostavil "kvantno nadvlado", vendar se še ni zgodil. Čeprav je verjetno, da bi se to lahko zgodilo letos. Večina poznavalcev pravi, da je nedvomni favorit Googlova ekipa, ki jo vodi profesor fizike UC Santa Barbara John Martini. Njegov cilj je doseči računalniško superiornost z uporabo 49-qubit procesorja. Do konca maja 2017 je ekipa uspešno testirala 22-kubitni čip kot vmesni korak k razstavljanju klasičnega superračunalnika.

Kje se je vse začelo?

Zamisel o uporabi kvantne mehanike za obdelavo informacij obstaja že desetletja. Eden ključnih dogodkov se je zgodil leta 1981, ko sta IBM in MIT skupaj organizirala konferenco o fiziki računalništva. Slavni fizik je predlagal izgradnjo kvantnega računalnika. Po njegovem mnenju je treba za modeliranje uporabiti kvantno mehaniko. In to je odlična naloga, ker ne izgleda tako enostavno. Princip delovanja kvantnega procesorja temelji na več nenavadnih lastnostih atomov – superpoziciji in prepletenosti. Delec je lahko hkrati v dveh stanjih. Vendar se bo pri merjenju pojavil le v enem od njih. In nemogoče je napovedati katerega, razen z vidika teorije verjetnosti. Ta učinek je osnova miselnega eksperimenta Schrödingerjeve mačke, ki je hkrati živa in mrtva v škatli, dokler opazovalec na tiho ne pokuka. Nič v vsakdanjem življenju ne deluje tako. Vendar približno 1 milijon eksperimentov, izvedenih od začetka 20. stoletja, kaže, da superpozicija obstaja. In naslednji korak je ugotoviti, kako uporabiti ta koncept.

Kvantni procesor: opis dela

Klasični biti lahko zavzamejo vrednost 0 ali 1. Če njihov niz prenesete skozi »logična vrata« (AND, OR, NE itd.), lahko množite števila, rišete slike itd. Qubit lahko zavzame vrednosti 0, 1 ali oba hkrati. Če sta recimo 2 kubita zapletena, sta zaradi tega popolnoma povezana. Kvantni procesor lahko uporablja logična vrata. T.n. Hadamardova vrata na primer postavijo kubit v stanje popolne superpozicije. Ko sta superpozicija in prepletenost združena s pametno postavljenimi kvantnimi vrati, se začne razvijati potencial subatomskega računalništva. 2 kubita vam omogočata raziskovanje 4 stanj: 00, 01, 10 in 11. Načelo delovanja kvantnega procesorja je takšno, da izvajanje logične operacije omogoča delo z vsemi položaji hkrati. In število razpoložljivih stanj je 2 na potenco števila kubitov. Torej, če bi naredili 50-kubitni univerzalni kvantni računalnik, bi lahko teoretično raziskali vseh 1,125 kvadrilijonov kombinacij hkrati.

Kudits

Na kvantni procesor v Rusiji gledajo nekoliko drugače. Znanstveniki iz MIPT in ruskega kvantnega centra so ustvarili "qudits", ki so več "virtualnih" kubitov z različnimi "energijskimi" stopnjami.

Amplitude

Kvantni procesor ima to prednost, da kvantna mehanika temelji na amplitudah. Amplitude so podobne verjetnosti, vendar so lahko tudi negativna in kompleksna števila. Torej, če morate izračunati verjetnost dogodka, lahko seštejete amplitude vseh možnih možnosti za njihov razvoj. Zamisel kvantnega računalništva je, da ga poskušamo prilagoditi tako, da imajo nekatere poti do napačnih odgovorov pozitivno amplitudo, nekatere pa negativno amplitudo, tako da se medsebojno izničijo. In poti, ki vodijo do pravilnega odgovora, bi imele amplitude, ki bi bile med seboj v fazi. Trik je v tem, da vse organizirate, ne da bi vnaprej vedeli, kateri odgovor je pravilen. Torej je eksponentna narava kvantnih stanj v kombinaciji s potencialom interference med pozitivnimi in negativnimi amplitudami prednost te vrste izračuna.

Shorov algoritem

Obstaja veliko težav, ki jih računalnik ne more rešiti. Na primer šifriranje. Težava je v tem, da ni tako enostavno najti prafaktorjev 200-mestnega števila. Tudi če vaš prenosnik poganja odlično programsko opremo, boste morda morali čakati leta, da boste našli odgovor. Še en mejnik v kvantnem računalništvu je bil algoritem, ki ga je leta 1994 objavil Peter Shore, zdaj profesor matematike na MIT. Njegova metoda je iskanje faktorjev velikega števila z uporabo kvantnega računalnika, ki še ni obstajal. V bistvu algoritem izvaja operacije, ki kažejo na področja s pravilnim odgovorom. Naslednje leto je Shor odkril metodo za kvantno popravljanje napak. Potem so mnogi ugotovili, da je to alternativni način računalništva, ki bi lahko bil v nekaterih primerih zmogljivejši. Potem se je s strani fizikov povečalo zanimanje za ustvarjanje kubitov in logičnih vrat med njimi. In zdaj, dve desetletji pozneje, je človeštvo na pragu ustvarjanja polnopravnega kvantnega računalnika.

18. marec 2015 ob 10.15

Nekaj ​​o kvantnih računalnikih in ali nam bodo spremenili življenje

Mnogi od nas so že slišali za kvantni računalnik, vendar vsi ne vedo, kaj je, in kar je najpomembneje, katere težave je mogoče rešiti z njim. Kvantne računalnike že nekaj let aktivno proučujejo najboljši umi na svetu; pojavil se je celo na naslovnici revije Time z napisom: "Obljublja rešitev nekaterih najtežjih problemov človeštva, vendar nihče ne ve, kako v resnici deluje."

Zdaj računalnike raziskujejo številni znanstveniki in velika podjetja, kot so Google, IBM, Microsoft in drugi. Če bo tak računalnik še mogoče ustvariti, bo to po njihovem mnenju pravi preboj, primerljiv z odkritjem klasičnih računalnikov.

Kvantni računalnik in nepremostljive težave

Kvantni računalnik je računalniška naprava, ki deluje po principih kvantne mehanike, ki jo lahko upravičeno imenujemo najbolj kompleksna veja fizike. Kvantna mehanika izvira iz začetka 20. stoletja in proučuje obnašanje kvantnih sistemov in njihovih elementov. Kvantni delec je lahko na več mestih in v več stanjih hkrati, zato je kvantna mehanika po definiciji popolnoma v nasprotju s splošno relativnostjo. A ne poglabljajmo se v znanost, ampak se vrnimo k naši glavni temi – kvantnemu računalniku.

Na začetku stoletja je postalo jasno, da ima uporaba električnih vezij za ustvarjanje računalniških naprav svoje meje, ki so bile praktično vse dosežene. Zdaj se človeštvo sooča z vedno več novimi problemi, za reševanje katerih klasični računalniki ne bodo dovolj. Najenostavnejši primer takega problema je faktoriziranje velikih števil. Večina kriptografskih sistemov je bila zgrajena v ta namen. Morda se to zdi nepomembno, a če bi nekomu uspelo na hitro faktorizirati veliko število v prafaktorje, bi mu postale dostopne transakcije v vseh bankah na svetu.

Druga enako pomembna naloga, ki ji sodobni računalniki nikoli ne bodo kos, je modeliranje kvantnih sistemov in molekul DNK. Na podlagi tega lahko sklepamo, da je ustvarjanje kvantnih računalnikov zelo obetavna rešitev, ki bo rešila te in številne druge težave.

Kako deluje kvantni računalnik

Klasični računalnik deluje na tranzistorjih in silicijevih čipih, ki za obdelavo informacij uporabljajo binarno kodo ničel in enic. Bit, kot minimalna enota informacije, ima dve osnovni stanji: 1 in 0. Spremembe teh stanj je mogoče enostavno nadzorovati: objekti so lahko na določeni lokaciji ali ne. Zato je veliko fizičnih objektov v zunanjem svetu mogoče prenesti v virtualni svet s pomočjo kompleksnih kombinacij bitov. Delovanje kvantnega računalnika bo temeljilo na principu superpozicije, namesto bitov pa bodo uporabljeni kubiti (kvantni biti), ki so lahko hkrati v najrazličnejših stanjih (1 in 0 hkrati). Po mnenju znanstvenikov bodo zaradi tega kvantni računalniki za določene razrede problemov milijonkrat zmogljivejši od sedanjih. Opisanih je že na desetine različnih algoritmov za delovanje kvantnega računalnika, razvijajo se celo posebni programski jeziki.

Na splošno svet že dolgo uporablja kvantne tehnologije. Laserji, tomografi in ultra občutljivi mikroskopi temeljijo na masnih učinkih, ki jih ustvarijo velike skupine kvantnih delcev ali valov, ki se držijo zakonov kvantne mehanike. Glavna naloga je uporabiti te učinke za posamezne delce in ne za skupine kot celoto.

Za kaj se uporablja kvantni računalnik?

Medtem ko se znanstveniki ukvarjajo z ustvarjanjem kvantnega računalnika, iščejo tudi aplikacije zanj. Glavna stvar ostaja dejstvo, da bo tak računalnik lahko takoj izvedel izračune in delal z velikimi količinami podatkov.

S pomočjo kvantnih računalnikov je mogoče optimizirati številne procese: od medicine do strojništva. Na primer, ljudje bodo lahko diagnosticirali raka v zgodnejših fazah ali naredili bolj zapletene avtopilote. Kot smo že omenili, bo s pomočjo kvantnega računalnika mogoče hitro faktorizirati velika števila in simulirati molekule DNK. Obstaja tudi teorija, da bo kvantni računalnik kos težavam, ki jih običajen računalnik ne more rešiti ali pa bo zanje porabil tisoče let izračunov. To je na primer ustvarjanje umetne inteligence ali iskanje inteligentnih bitij v vesolju, ki niso ljudje. Vsekakor se vsi znanstveniki strinjajo, da bo ustvarjanje takšnega računalnika pravi preboj, morda glavni v zgodovini človeštva.

Popravljanje napak je glavna težava kvantnih računalnikov

Napake v kvantnih računalnikih lahko razdelimo na dve glavni ravni. Napake 1. stopnje so značilne za vse računalnike, tudi klasične. Takšne napake vključujejo nehotene spremembe kubitov zaradi zunanjega šuma (na primer: kozmični žarki ali sevanje). Strokovnjakom iz Googla je pred kratkim uspelo rešiti to težavo. Da bi rešili to težavo, je skupina znanstvenikov pod vodstvom Juliana Kellyja ustvarila posebno kvantno vezje devetih kubitov, ki išče napake v sistemu. Preostali kubiti so odgovorni za shranjevanje informacij in jih tako ohranijo dlje kot pri uporabi enega samega kubita. Vendar glavna težava ni izginila; druga stopnja napak ostaja.

Qubiti so sami po sebi nestabilni; informacije, ki jih želite shraniti v kvantnem računalniku, takoj pozabijo. Ko je kubit izpostavljen okolju, je povezava znotraj kvantnega sistema motena (proces dekoherence). Da bi se tega znebili, je treba kvantni procesor čim bolj izolirati od vpliva zunanjih dejavnikov. Kako narediti? - za zdaj ostaja skrivnost. Po mnenju strokovnjakov bo 99% moči takega računalnika porabljeno za odpravljanje napak, le 1% pa bo dovolj za rešitev morebitnih težav. Seveda napak ni mogoče popolnoma odpraviti, a če jih minimiziramo na določeno raven, bo kvantni računalnik lahko deloval.

Kako blizu je človeštvo ustvarjanju kvantnih računalnikov?

Zdaj je zelo težko odgovoriti na to vprašanje – skoraj nemogoče. Novice o prebojih na tem področju se redno pojavljajo, a ne moremo reči, da so globalne. Ustvarjanje kvantnih računalnikov zanima vse: od vojske do tehnoloških podjetij. D-Wawe, ki aktivno sodeluje z Googlom in Naso, trdi, da je ustvaril 84-kubitni procesor, vendar kritiki

Kvantni računalnik je računalniška naprava, ki uporablja fenomena kvantne superpozicije in kvantne prepletenosti za prenos in obdelavo podatkov. Polnopravni univerzalni kvantni računalnik je še vedno hipotetična naprava, sama možnost izgradnje katere je povezana z resnim razvojem kvantne teorije na področju številnih delcev in kompleksnih eksperimentov; razvoj na tem področju je povezan z najnovejšimi odkritji in dosežki sodobne fizike. Do danes je bilo praktično implementiranih le nekaj eksperimentalnih sistemov, ki izvajajo fiksni algoritem nizke kompleksnosti.

Leta 1931 je ameriški pisatelj Charles Fort v enem od svojih romanov prvič opisal koncept teleportacije. Od takrat se je izraz, ki ga je skoval Fort, začel aktivno uporabljati v literaturi znanstvene fantastike in postopoma postal ne le literarni koncept, ampak tudi resnično znanstveni. Tako danes postopoma postaja ne fikcija, ampak resnična resničnost.

Še vedno sanje, vendar je doba kvantnih komunikacij že prišla. Nov poskus, izveden v Parizu, je prvič pokazal, da je kvantna komunikacija boljša od klasičnih metod prenosa informacij.

"Smo prvi, ki smo dokazali kvantno superiornost pri prenosu informacij, ki jih dve strani potrebujeta za dokončanje naloge," pravi Eleni Diamanti, inženirka elektrotehnike na Univerzi Sorbona in soavtorica študije.