Pomocou kvantového počítača. Najlepší spôsob, ako zdokonaliť qubit, sú ... diamanty. Prečo sa toľko hovorí o kvantových počítačoch?

L. Fedichkin, PhD v odbore fyzika a matematika (Fyzikálny a technologický ústav Ruskej akadémie vied.

Pomocou zákonov kvantovej mechaniky môžete vytvoriť zásadne nový typ počítačov, ktoré vám umožnia vyriešiť niektoré problémy, ktoré sú nedostupné ani tým najvýkonnejším moderným superpočítačom. Rýchlosť mnohých zložitých výpočtov prudko vzrastie; správy odoslané cez kvantové komunikačné linky nemožno zachytiť ani skopírovať. Prototypy týchto kvantových počítačov budúcnosti už boli vytvorené.

Americký matematik a fyzik maďarského pôvodu Johann von Neumann (1903-1957).

Americký teoretický fyzik Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Americký matematik Peter Shore, odborník v oblasti kvantových výpočtov. Navrhol kvantový algoritmus na rýchlu faktorizáciu veľkých čísel.

Kvantový bit alebo qubit. Stavy a zodpovedajú napríklad smeru rotácie atómového jadra nahor alebo nadol.

Kvantový register je reťazec kvantových bitov. Jedno- alebo dvoj-qubitové kvantové brány vykonávajú logické operácie na qubitoch.

ÚVOD ALEBO TROCHU O OCHRANE INFORMÁCIÍ

Na ktorý softvér sa podľa vás predáva najviac licencií na svete? Nedovolím si trvať na tom, že poznám správnu odpoveď, ale určite viem jednu nesprávnu: je nie akúkoľvek verziu systému Microsoft Windows. Najbežnejší operačný systém prekonáva skromný produkt od RSA Data Security, Inc. - program, ktorý implementuje šifrovací algoritmus verejného kľúča RSA, pomenovaný podľa jeho autorov - amerických matematikov Rivesta, Shamira a Adelmana.

Faktom je, že algoritmus RSA je zabudovaný do väčšiny predávaných operačných systémov, ako aj do mnohých ďalších aplikácií používaných v rôznych zariadeniach – od smart kariet až po mobilné telefóny. Konkrétne je dostupný aj v systéme Microsoft Windows, čo znamená, že je širší ako tento populárny operačný systém. Ak chcete nájsť stopy RSA napríklad v prehliadači Internet Explorer (program na prezeranie www stránok na internete), stačí otvoriť ponuku Pomocník, vstúpiť do podponuky O programe Internet Explorer a zobraziť zoznam používaných produktov iných spoločností. Ďalší bežný prehliadač, Netscape Navigator, tiež používa algoritmus RSA. Vo všeobecnosti je ťažké nájsť známu high-tech firmu, ktorá by si nekúpila licenciu na tento program. Dnes RSA Data Security, Inc. predala už cez 450 miliónov (!) licencií.

Prečo je algoritmus RSA taký dôležitý?

Predstavte si, že si potrebujete rýchlo vymeniť správu s osobou ďaleko. Vďaka rozvoju internetu sa dnes takáto ústredňa stala dostupnou pre väčšinu ľudí – stačí mať počítač s modemom alebo sieťovú kartu. Prirodzene, pri výmene informácií cez sieť by ste chceli svoje správy pred cudzími ľuďmi utajiť. Úplne ochrániť predĺženú komunikačnú linku pred odpočúvaním je však nemožné. To znamená, že pri odosielaní správ musia byť zašifrované a pri prijímaní dešifrované. Ako sa však môžete vy a váš partner dohodnúť na tom, ktorý kľúč budete používať? Ak pošlete kľúč k šifre cez rovnaký riadok, potom ho odpočúvajúci útočník môže ľahko zachytiť. Kľúč môžete samozrejme preniesť aj cez inú komunikačnú linku, napríklad poslať telegramom. Táto metóda je však zvyčajne nepohodlná a navyše nie vždy spoľahlivá: je možné naraziť aj na iný riadok. Je dobré, ak ste s adresátom vopred vedeli, že si budete vymieňať šifry, a preto si kľúče navzájom vopred preniesli. Ale čo keď napríklad chcete poslať dôvernú ponuku potenciálnemu obchodnému partnerovi alebo si kúpiť produkt, ktorý sa vám páči, kreditnou kartou v novom internetovom obchode?

V 70. rokoch 20. storočia boli na vyriešenie tohto problému navrhnuté šifrovacie systémy využívajúce dva typy kľúčov pre tú istú správu: otvorený (nevyžadujúci utajenie) a uzavretý (prísne tajný). Verejný kľúč sa používa na zašifrovanie správy a súkromný kľúč na jej dešifrovanie. Pošlete svojmu korešpondentovi verejný kľúč a on ním zašifruje svoju správu. Jediné, čo môže útočník, ktorý zachytí verejný kľúč, je zašifrovať svoj list a poslať ho niekomu ďalej. Korešpondenciu sa mu ale nepodarí rozlúštiť. Keď poznáte súkromný kľúč (je pôvodne uložený u vás), môžete si ľahko prečítať správu adresovanú vám. Na zašifrovanie správ s odpoveďou použijete verejný kľúč zaslaný vaším korešpondentom (a príslušný súkromný kľúč si ponechá pre seba).

Toto je kryptografická schéma používaná v RSA, najrozšírenejšej metóde šifrovania verejného kľúča. Okrem toho sa na vytvorenie páru verejného a súkromného kľúča používa nasledujúca dôležitá hypotéza. Ak sú dve veľké (na ich zápis sa vyžaduje viac ako sto desatinných číslic) jednoduchéčísla M a K, potom nájsť ich súčin N = MK nebude ťažké (na to ani nie je potrebné mať počítač: dostatočne presný a trpezlivý človek dokáže takéto čísla vynásobiť perom a papierom). Aby ste však vyriešili inverznú úlohu, teda znalosť veľkého počtu N, rozložte ho na prvočiniteľa M a K (tzv. problém faktorizácie) - takmer nemožné! S týmto problémom sa stretne útočník, ktorý sa rozhodne „prelomiť“ algoritmus RSA a prečítať si ním zašifrované informácie: ak chcete zistiť súkromný kľúč, ak poznáte verejný, budete musieť vypočítať M alebo K.

Na overenie platnosti hypotézy o praktickej zložitosti faktorizácie veľkých čísel sa konali a stále konajú špeciálne súťaže. Za rekord sa považuje rozklad iba 155-miestneho (512-bitového) čísla. Výpočty sa v roku 1999 uskutočňovali paralelne na mnohých počítačoch počas siedmich mesiacov. Ak by sa táto úloha vykonávala na jednom modernom osobnom počítači, trvalo by to asi 35 rokov počítačového času! Výpočty ukazujú, že s použitím dokonca tisícok moderných pracovných staníc a najlepších dnes známych výpočtových algoritmov možno jedno 250-miestne číslo rozložiť za približne 800 tisíc rokov a 1000-miestne číslo za 10 25 (!) rokov. (Pre porovnanie, vek vesmíru je ~ 10 10 rokov.)

Preto sa kryptografické algoritmy ako RSA, fungujúce na dostatočne dlhých kľúčoch, považovali za úplne spoľahlivé a používali sa v mnohých aplikáciách. A dovtedy bolo všetko v poriadku ... kým neprišli kvantové počítače.

Ukazuje sa, že pomocou zákonov kvantovej mechaniky je možné zostaviť počítače, pre ktoré nebude problém faktorizácie (a mnohé ďalšie!) ťažký. Odhaduje sa, že kvantový počítač s iba asi 10 000 kvantovými bitmi pamäte je schopný rozložiť 1000-miestne číslo na prvočíselné faktory len za pár hodín!

AKO TO VŠETKO ZAČALO?

Až v polovici 90. rokov 20. storočia sa teória kvantových počítačov a kvantových počítačov etablovala ako nová oblasť vedy. Ako to už pri skvelých nápadoch býva, je ťažké vybrať si objaviteľa. Ako prvý na možnosť rozvoja kvantovej logiky upozornil zrejme maďarský matematik I. von Neumann. V tom čase však ešte nevznikli nielen kvantové, ale ani obyčajné, klasické, počítače. A s príchodom druhého z nich sa ukázalo, že hlavné úsilie vedcov je zamerané predovšetkým na hľadanie a vývoj nových prvkov pre nich (tranzistory a potom integrované obvody), a nie na vytváranie zásadne odlišných výpočtových zariadení.

V 60. rokoch sa americký fyzik R. Landauer, ktorý pracoval v korporácii IBM, snažil upriamiť pozornosť vedeckého sveta na skutočnosť, že výpočet je vždy nejaký fyzikálny proces, čo znamená, že nie je možné pochopiť hranice našich výpočtových schopností bez špecifikácie, o akú fyzickú implementáciu ide. Žiaľ, v tom čase medzi vedcami prevládal názor na výpočty ako na nejaký abstraktný logický postup, ktorý by mali študovať matematici, nie fyzici.

Ako sa počítače množili, kvantoví vedci prišli k záveru, že je prakticky nemožné priamo vypočítať stav vyvíjajúceho sa systému pozostávajúceho len z niekoľkých desiatok interagujúcich častíc, ako je napríklad molekula metánu (CH 4). Vysvetľuje sa to tým, že pre úplný popis zložitého systému je potrebné uchovávať v pamäti počítača exponenciálne veľký (v zmysle počtu častíc) počet premenných, takzvaných kvantových amplitúd. Nastala paradoxná situácia: pri znalosti evolučnej rovnice, s dostatočnou presnosťou poznania všetkých potenciálov vzájomného pôsobenia častíc a počiatočného stavu systému je prakticky nemožné vypočítať jeho budúcnosť, aj keď systém pozostáva len z 30 elektrónov v potenciálnej studni a je tu superpočítač s pamäťou s náhodným prístupom, ktorej počet bitov sa rovná počtu atómov vo viditeľnej oblasti vesmíru (!). A zároveň, aby ste študovali dynamiku takéhoto systému, môžete jednoducho nastaviť experiment s 30 elektrónmi a umiestniť ich do daného potenciálu a počiatočného stavu. Na to poukázal najmä ruský matematik Yu.I. Manin, ktorý v roku 1980 poukázal na potrebu vyvinúť teóriu kvantových výpočtových zariadení. V 80. rokoch sa rovnakým problémom zaoberal americký fyzik P. Benev, ktorý jasne ukázal, že kvantový systém dokáže vykonávať výpočty, ako aj anglický vedec D. Deutsch, ktorý teoreticky vyvinul univerzálny kvantový počítač nadradený klasickému analógovému .

Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku R. Feynman, ktorý je dobre známy pravidelným čitateľom Vedy a života, pritiahol veľkú pozornosť na problém vývoja kvantových počítačov. Vďaka jeho autoritatívnej príťažlivosti mnohonásobne vzrástol počet špecialistov, ktorí venovali pozornosť kvantovej výpočtovej technike.

A predsa dlho nebolo jasné, či by sa hypotetický výpočtový výkon kvantového počítača dal využiť na urýchlenie riešenia praktických problémov. Ale v roku 1994 P. Shor, americký matematik a zamestnanec Lucent Technologies (USA), ohromil vedecký svet návrhom kvantového algoritmu, ktorý umožňuje rýchlu faktorizáciu veľkých čísel (o dôležitosti tohto problému sme hovorili už v úvode). V porovnaní s najlepšími doteraz známymi klasickými metódami poskytuje Shorov kvantový algoritmus niekoľkonásobné zrýchlenie výpočtov a čím dlhšie je faktorizované číslo, tým väčší je nárast rýchlosti. Rýchly faktorizačný algoritmus je veľmi praktický pre rôzne špeciálne služby, ktoré nahromadili banky nešifrovaných správ.

V roku 1996 Shorov kolega z Lucent Technologies, L. Grover, navrhol kvantovo rýchly algoritmus vyhľadávania v neusporiadanej databáze. (Príkladom takejto databázy je telefónny zoznam, v ktorom sú mená účastníkov zoradené nie abecedne, ale ľubovoľne.) Úloha hľadania, výberu optimálneho prvku spomedzi mnohých možností je veľmi bežná v ekonomických, vojenských, inžinierske problémy v počítačových hrách. Algoritmus Grover umožňuje nielen urýchliť proces vyhľadávania, ale aj približne zdvojnásobiť počet parametrov, ktoré sa berú do úvahy pri výbere optima.

Skutočný vznik kvantových počítačov brzdil v podstate jediný vážny problém – chyby, čiže rušenie. Faktom je, že rovnaká úroveň interferencie kazí proces kvantových výpočtov oveľa intenzívnejšie ako klasické výpočty. Spôsoby riešenia tohto problému načrtol v roku 1995 P. Shor, ktorý vypracoval schému kódovania kvantových stavov a opravy chýb v nich. Bohužiaľ, téma opravy chýb v kvantových počítačoch je taká dôležitá, ako je ťažké ju pokryť v tomto článku.

ZARIADENIE KVANTOVÉHO POČÍTAČA

Predtým, ako si povieme, ako funguje kvantový počítač, pripomeňme si hlavné črty kvantových systémov (pozri tiež Veda a život č. 8, 1998; č. 12, 2000).

Aby sme pochopili zákony kvantového sveta, nemali by sme sa priamo spoliehať na každodennú skúsenosť. Zvyčajným spôsobom (v každodennom zmysle) sa kvantové častice správajú iba vtedy, ak ich neustále „nakukujeme“, alebo, prísnejšie povedané, neustále meriame stav, v ktorom sa nachádzajú. Ale akonáhle sa „odvrátime“ (prestaneme pozorovať), kvantové častice okamžite prejdú z úplne určitého stavu naraz do niekoľkých rôznych hypostáz. To znamená, že elektrón (alebo akýkoľvek iný kvantový objekt) bude čiastočne umiestnený v jednom bode, čiastočne v inom, čiastočne v treťom atď. To neznamená, že je rozdelený na plátky ako pomaranč. Potom by bolo možné spoľahlivo izolovať časť elektrónu a zmerať jeho náboj alebo hmotnosť. Skúsenosti však ukazujú, že po meraní sa elektrón vždy ukáže ako „bezpečný a zdravý“ v jednom jedinom bode, napriek tomu, že predtým stihol navštíviť takmer všade v rovnakom čase. Takýto stav elektrónu, keď sa nachádza vo viacerých bodoch priestoru naraz, sa nazýva superpozícia kvantových stavov a zvyčajne sú opísané vlnovou funkciou zavedenou v roku 1926 nemeckým fyzikom E. Schrödingerom. Veľkosť hodnoty vlnovej funkcie v akomkoľvek bode, na druhú, určuje pravdepodobnosť nájdenia častice v tomto bode v danom okamihu. Po zmeraní polohy častice sa jej vlnová funkcia akoby stiahne (zrúti) do bodu, v ktorom bola častica detekovaná, a potom sa opäť začne šíriť. Vlastnosť kvantových častíc byť súčasne v mnohých stavoch, tzv kvantový paralelizmus, bol úspešne použitý v kvantových výpočtoch.

Kvantový bit

Hlavnou bunkou kvantového počítača je kvantový bit, alebo v skratke qubit(q-bit). Ide o kvantovú časticu, ktorá má dva základné stavy, ktoré sa označujú 0 a 1, alebo, ako je v kvantovej mechanike zvykom, a. Dve hodnoty qubitu môžu zodpovedať napríklad základnému a excitovanému stavu atómu, smeru rotácie atómového jadra nahor a nadol, smeru prúdu v supravodivom kruhu, dvom možným polohám atómu. elektrón v polovodiči atď.

Kvantový register

Kvantový register funguje v podstate rovnakým spôsobom ako klasický. Ide o reťazec kvantových bitov, nad ktorými možno vykonávať jedno- a dvojbitové logické operácie (podobne ako pri použití NOT, 2AND-NOT atď. v klasickom registri).

Medzi základné stavy kvantového registra tvoreného L qubitmi patria, rovnako ako v klasickom, všetky možné postupnosti núl a jednotiek dĺžky L. Celkovo môže ísť o 2 L rôznych kombinácií. Možno ich považovať za písanie čísel v binárnom tvare od 0 do 2 L -1 a označované. Tieto základné stavy však nevyčerpávajú všetky možné hodnoty kvantového registra (na rozdiel od klasického), keďže existujú aj superpozičné stavy špecifikované komplexnými amplitúdami spojenými s normalizačnou podmienkou. Väčšina možných hodnôt kvantového registra (s výnimkou základných) jednoducho nemá klasický analóg. Stavy klasického registra sú len žalostným tieňom celého bohatstva stavov kvantového počítača.

Predstavte si, že na register pôsobí vonkajší vplyv, napríklad na časť priestoru sú aplikované elektrické impulzy alebo sú nasmerované laserové lúče. Ak ide o klasický register, impulz, ktorý možno považovať za výpočtovú operáciu, zmení L premenných. Ak ide o kvantový register, potom sa ten istý impulz môže súčasne transformovať na premenné. Kvantový register je teda v princípe schopný spracovať informácie raz rýchlejšie ako jeho klasický náprotivok. Z toho je okamžite jasné, že malé kvantové registre (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Treba však poznamenať, že existuje trieda problémov, pre ktoré kvantové algoritmy neposkytujú výrazné zrýchlenie v porovnaní s klasickými. Jedným z prvých, ktorí to dokázali, bol ruský matematik Yu.Ozhigov, ktorý skonštruoval množstvo príkladov algoritmov, ktoré nemožno urýchliť jedinými hodinami na kvantovom počítači.

A predsa nie je pochýb o tom, že počítače fungujúce podľa zákonov kvantovej mechaniky sú novou a rozhodujúcou etapou vo vývoji výpočtových systémov. Zostáva len ich postaviť.

KVANTOVÉ POČÍTAČE DNES

Dnes existujú prototypy kvantových počítačov. Pravda, doteraz bolo experimentálne možné zbierať len malé registre pozostávajúce len z niekoľkých kvantových bitov. Napríklad nedávno skupina vedená americkým fyzikom I. Changom (IBM) oznámila zostavenie 5-bitového kvantového počítača. To je nepochybne veľký úspech. Bohužiaľ, existujúce kvantové systémy ešte nie sú schopné poskytovať spoľahlivé výpočty, pretože sú buď nedostatočne kontrolovateľné alebo veľmi náchylné na šum. Neexistujú však žiadne fyzikálne obmedzenia na konštrukciu efektívneho kvantového počítača, je potrebné len prekonať technologické ťažkosti.

Existuje niekoľko nápadov a návrhov, ako vyrobiť spoľahlivé a ľahko ovládateľné kvantové bity.

I. Chang rozvíja myšlienku použitia spinov jadier niektorých organických molekúl ako qubitov.

Ruský výskumník M. V. Feigelman, pracujúci v Ústave pre teoretickú fyziku. LD Landau RAS navrhuje zbierať kvantové registre z miniatúrnych supravodivých prstencov. Každý krúžok hrá úlohu qubitu a stavy 0 a 1 zodpovedajú smeru elektrického prúdu v krúžku – v smere a proti smeru hodinových ručičiek. Takéto qubity je možné prepínať pomocou magnetického poľa.

Vo Fyzikálnom a technologickom inštitúte Ruskej akadémie vied navrhla skupina vedená akademik K. A. Valijevom dve možnosti umiestnenia qubitov do polovodičových štruktúr. V prvom prípade zohráva úlohu qubitu elektrón v systéme dvoch potenciálových jamiek vytvorených napätím aplikovaným na minielektródy na povrchu polovodiča. Stavy 0 a 1 sú polohy elektrónu v jednej z týchto jamiek. Qubit sa spína zmenou napätia na jednej z elektród. V inej verzii je qubit jadrom atómu fosforu uloženého v špecifickom bode polovodiča. Stavy 0 a 1 sú smery jadrovej rotácie pozdĺž alebo proti vonkajšiemu magnetickému poľu. Riadenie sa vykonáva pomocou kombinovaného pôsobenia magnetických impulzov rezonančnej frekvencie a napäťových impulzov.

Výskum teda aktívne prebieha a dá sa predpokladať, že vo veľmi blízkej budúcnosti – o desať rokov – vznikne efektívny kvantový počítač.

POHĽAD DO BUDÚCNOSTI

Je teda dosť možné, že v budúcnosti budú kvantové počítače vyrábané tradičnými metódami mikroelektronickej technológie a budú obsahovať veľa riadiacich elektród, pripomínajúcich moderný mikroprocesor. Aby sa znížila hladina hluku, ktorá je kritická pre normálnu prevádzku kvantového počítača, prvé modely budú s najväčšou pravdepodobnosťou musieť byť chladené tekutým héliom. Prvé kvantové počítače budú pravdepodobne objemné a drahé zariadenia, ktoré sa nezmestili na stôl a o ktoré sa staral veľký tím systémových programátorov a nastavovačov hardvéru v bielych plášťoch. Najprv k nim získajú prístup len vládne agentúry, potom bohaté komerčné organizácie. Éra konvenčných počítačov však začala približne rovnako.

A čo bude s klasickými počítačmi? Zomrú? nepravdepodobné. Klasické aj kvantové počítače majú svoje vlastné oblasti použitia. Aj keď s najväčšou pravdepodobnosťou sa pomer na trhu bude stále postupne posúvať k tomu druhému.

Zavedenie kvantových počítačov nepovedie k riešeniu zásadne neriešiteľných klasických problémov, ale len urýchli niektoré výpočty. Okrem toho bude možná kvantová komunikácia – prenos qubitov na diaľku, čo povedie k vzniku akéhosi kvantového internetu. Kvantová komunikácia zabezpečí (podľa zákonov kvantovej mechaniky) chránené spojenie každého medzi sebou pred odpočúvaním. Vaše informácie uložené v kvantových databázach budú pred kopírovaním bezpečnejšie ako teraz. Firmy vyrábajúce programy pre kvantové počítače ich budú môcť chrániť pred akýmkoľvek, vrátane nelegálneho kopírovania.

Pre hlbšie pochopenie tejto témy si môžete prečítať prehľadový článok E. Riffela, V. Polaka „Fundamentals of Quantum Computing“, publikovaný v časopise „Quantum Computers and Quantum Computing“ publikovanom v Rusku (č. 1, 2000) . (Mimochodom, toto je prvý a zatiaľ jediný časopis na svete venovaný kvantovým počítačom. Ďalšie informácie o ňom možno nájsť na internete na adrese http://rcd.ru/qc.). Po zvládnutí tejto práce budete môcť čítať vedecké články o kvantovej výpočtovej technike.

Pri čítaní knihy A. Kitaeva, A. Shena, M. Vyalya „Classical and Quantum Computing“ (Moskva: MTsNMO-CheRo, 1999) bude potrebné trochu viac predbežného matematického tréningu.

Množstvo základných aspektov kvantovej mechaniky, ktoré sú nevyhnutné pre kvantové výpočty, je analyzovaných v knihe V.V.Belokurova, O.D. Timofeevskaja, O.A. Khrustaleva „Kvantová teleportácia je obyčajný zázrak“ (Iževsk: RKhD, 2000).

Vydavateľstvo RKhD pripravuje vydať formou samostatnej knihy preklad recenzie A. Steena venovanej kvantovým počítačom.

Nasledujúca literatúra bude užitočná nielen kognitívne, ale aj historicky:

1) Yu.I. Manin. Vyčísliteľné a nevyčísliteľné.

M .: Sov. rádio, 1980.

2) I. von Neumann. Matematické základy kvantovej mechaniky.

Moskva: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulácia fyziky na počítačoch // Kvantový počítač a kvantové výpočty:

So. v 2 zväzkoch - Iževsk: RKhD, 1999. zväzok 2, s. 96-123.

4) R. Feynman. Kvantové mechanické počítače

// Tamže, s. 123.-156.

Pozrite si problém na rovnakú tému

Kvantové počítače sľubujú skutočnú revolúciu nielen vo výpočtovej technike, ale aj v reálnom živote. Médiá sú plné titulkov o tom, ako kvantové počítače zničia modernú kryptografiu a sila umelej inteligencie vďaka nim vzrastie rádovo.

Za posledných 10 rokov prešli kvantové počítače od čistej teórie k prvým funkčným prototypom. Pravda, do sľubovanej revolúcie je ešte dlhá cesta a ani jej vplyv v konečnom dôsledku nemusí byť taký komplexný, ako sa teraz zdá.

Ako funguje kvantový počítač

Kvantový počítač je zariadenie, ktoré využíva javy kvantovej superpozície a kvantového zapletenia. Základným prvkom v takýchto výpočtoch je qubit alebo kvantový bit. Za všetkými týmito slovami je pomerne komplikovaná matematika a fyzika, no ak ich čo najviac zjednodušíte, dostanete niečo ako nasledovné.

V bežných počítačoch máme do činenia s bitmi. Bit je jednotka informácie v dvojkovej sústave. Môže nadobudnúť hodnoty 0 a 1, čo je veľmi výhodné nielen pre matematické operácie, ale aj pre logické operácie, pretože nula môže byť spojená s hodnotou „nepravda“ a jedna - „pravda“.

Moderné procesory sú postavené na báze tranzistorov, polovodičových prvkov, ktoré môžu prechádzať alebo neprechádzať elektrickým prúdom. Inými slovami, uveďte dve hodnoty 0 a 1. Podobne tranzistor s plávajúcou bránou môže uložiť náboj do pamäte flash. Ak je, dostaneme jednotku, ak tam nie je, dostaneme nulu. Magnetický digitálny záznam funguje podobne, len nosičom informácie je tam magnetická častica, ktorá má alebo nemá náboj.

Pri výpočtoch načítame z pamäte hodnotu bitu (0 alebo 1) a potom tranzistorom prepustíme prúd a podľa toho, či ho prejde alebo nie, dostaneme na výstupe nový bit, prípadne s inou hodnotou.

Čo sú qubity pre kvantové počítače? V kvantovom počítači je hlavným prvkom qubit – kvantový bit. Na rozdiel od bežného bitu je v stave kvantovej superpozície, to znamená, že má hodnotu 0 aj 1 a kedykoľvek ich kombináciu. Ak je v systéme niekoľko qubitov, potom zmena jedného znamená aj zmenu všetkých ostatných qubitov.

To vám umožní súčasne vypočítať všetky možné možnosti. Bežný procesor so svojimi binárnymi výpočtami vlastne počíta možnosti postupne. Najprv jeden scenár, potom ďalší, potom tretí atď. Na zrýchlenie začali používať multithreading, paralelné spúšťanie výpočtov, predbežné načítanie, aby predpovedali možné možnosti vetvenia a vypočítali ich vopred. V kvantovom počítači sa to všetko robí paralelne.

Princíp výpočtov je tiež odlišný. V istom zmysle kvantový počítač už obsahuje všetky možné možnosti riešenia problému, našou jedinou úlohou je zvážiť stav qubitov a ... vybrať z nich správnu možnosť. A tu začínajú ťažkosti. Takto funguje kvantový počítač.

Zostrojenie kvantového počítača

Aká bude fyzikálna podstata kvantového počítača? Kvantový stav je možné dosiahnuť len s časticami. Qubit nemožno postaviť z niekoľkých atómov ako tranzistor. Tento problém ešte nie je úplne vyriešený. Možností je viacero. Využívajú sa stavy náboja atómov, napríklad prítomnosť alebo neprítomnosť elektrónu v obyčajnom bode, supravodivé prvky, fotóny atď.

Takéto „jemné záležitosti“ ukladajú obmedzenia na meranie stavu qubitov. Energie sú extrémne nízke, na čítanie údajov sú potrebné zosilňovače. Ale zosilňovače môžu ovplyvniť kvantový systém a zmeniť jeho stavy, avšak nielen ony, ale aj samotná skutočnosť pozorovania môže byť významná.

Kvantové výpočty zahŕňajú sériu operácií, ktoré sa vykonávajú na jednom alebo viacerých qubitoch. Tie následne vedú k zmenám v celom systéme. Úlohou je vybrať z jeho stavov ten správny, ktorý dáva výsledok výpočtov. V tomto prípade môže byť stavov koľko chcete, maximálne blízko k tomu. V súlade s tým sa presnosť takýchto výpočtov bude líšiť od jedného takmer vo všetkom.

Plnohodnotný kvantový počítač teda vyžaduje značné pokroky vo fyzike. Okrem toho sa programovanie pre kvantový počítač bude líšiť od toho, čo je teraz. Napokon, kvantové počítače nedokážu vyriešiť problémy, ktoré sú nad sily konvenčných počítačov, ale môžu urýchliť riešenia tých, s ktorými môžu. Opäť však nie všetky.

Počítanie po qubitoch, qubitový kvantový počítač

Postupne sa odstraňujú problémy na ceste ku kvantovému počítaču. Prvé qubity boli postavené na začiatku storočia. Proces sa zrýchlil začiatkom desaťročia. Vývojári sú teraz schopní vyrábať procesory s desiatkami qubitov.

Najnovším prelomom bolo vytvorenie procesora Bristlecone v útrobách Google. V marci 2018 spoločnosť uviedla, že je schopná postaviť 72-qubitový procesor. Na akých fyzikálnych princípoch je Bristlecone postavený, Google neuvádza. Verí sa však, že na dosiahnutie „kvantovej prevahy“, keď kvantový počítač začne prekonávať konvenčný, stačí 49 qubitov. Túto podmienku sa Googlu podarilo splniť, no chybovosť 0,6 % je zatiaľ vyššia ako požadovaných 0,5 %.

Na jeseň 2017 IBM oznámilo vytvorenie prototypu 50-qubitového kvantového procesora. Je testovaný. V roku 2017 však IBM otvorilo svoj 20-qubitový procesor pre cloud computing. V marci 2018 bola uvedená na trh menšia verzia IBM Q. Na takomto počítači môže experimentovať každý. Podľa ich výsledkov bolo publikovaných už 35 vedeckých prác.

Začiatkom 10. výročia sa na trhu objavila švédska spoločnosť D-Wave, ktorá svoje počítače umiestnila ako kvantá. Vyvolalo to veľa kontroverzií, pretože oznámilo vytvorenie 1000-qubitových strojov, zatiaľ čo uznávaní lídri sa „hrabali“ len s niekoľkými qubitmi. Počítače švédskych vývojárov sa predávali za 10-15 miliónov dolárov, takže nebolo také ľahké ich skontrolovať.

Počítače D-Wave nie sú kvantové v doslovnom zmysle slova, ale využívajú niektoré kvantové efekty, ktoré sa dajú použiť na riešenie niektorých optimalizačných problémov. Inými slovami, nie všetky algoritmy, ktoré možno vykonať na kvantovom počítači, získajú kvantové zrýchlenie na D-Wave. Google získal jeden zo švédskych systémov. Výsledkom bolo, že jeho výskumníci uznali počítače ako „obmedzene kvantové“. Zároveň sa ukázalo, že qubity sú zoskupené do zhlukov po ôsmich, to znamená, že ich skutočný počet je výrazne menší ako deklarovaný.

Kvantový počítač v Rusku

Tradične silná škola fyziky umožňuje výrazne prispieť k riešeniu fyzikálnych problémov pre vytvorenie kvantového počítača. V januári 2018 Rusi vytvorili zosilňovač signálu pre kvantový počítač. Vzhľadom na to, že samotný zosilňovač je schopný svojou činnosťou ovplyvňovať stav qubitov, úroveň hluku, ktorý vytvára, by sa mala len málo líšiť od „vákuového“. Urobili to ruskí vedci z Laboratória supravodivých metamateriálov NUST MISIS a dvoch ústavov Ruskej akadémie vied. Na vytvorenie zosilňovača boli použité supravodiče.

V Rusku bolo vytvorené aj kvantové centrum. Ide o mimovládnu výskumnú organizáciu, ktorá sa venuje výskumu v oblasti kvantovej fyziky. Zaoberá sa najmä problémom tvorby qubitov. Za centrom je podnikateľ Sergej Belousov a profesor Harvardskej univerzity Michail Lukin. Pod jeho vedením už na Harvarde vznikol 51-qubitový procesor, ktorý bol nejaký čas pred ohlásením Bristleconu najvýkonnejším kvantovým počítačovým zariadením na svete.

Vývoj kvantových počítačov sa stal súčasťou štátneho programu Digitálna ekonomika. V rokoch 2018-20 bude na práce v tejto oblasti pridelená štátna podpora. Akčný plán predpokladá vytvorenie kvantového simulátora na ôsmich supravodivých qubitoch. Potom sa vyrieši otázka ďalšieho škálovania tejto technológie.

Okrem toho sa Rusko do roku 2020 chystá otestovať ďalšiu kvantovú technológiu: konštrukciu qubitov na neutrálnych atómoch a nabitých iónoch v pasciach.

Jedným z cieľov programu je vytvoriť zariadenia pre kvantovú kryptografiu a kvantovú komunikáciu. Vzniknú centrá pre distribúciu kvantových kľúčov, ktoré ich budú distribuovať spotrebiteľom – bankám, dátovým centrám, priemyselným podnikom. Verí sa, že plnohodnotný kvantový počítač dokáže prelomiť akýkoľvek moderný šifrovací algoritmus v priebehu niekoľkých minút.

Nakoniec

Takže kvantové počítače sú stále experimentálne. Je nepravdepodobné, že by sa pred ďalšou dekádou objavil plnohodnotný kvantový počítač so skutočne vysokým výpočtovým výkonom. Výroba qubitov a stavba stabilných systémov z nich má ešte ďaleko k dokonalosti.

Súdiac podľa toho, že na fyzickej úrovni majú kvantové počítače niekoľko riešení, ktoré sa líšia technológiou a pravdepodobne aj cenou, nebudú unifikované až o 10 rokov Proces štandardizácie môže trvať dlho.

Navyše je už teraz jasné, že kvantové počítače budú v nasledujúcom desaťročí pravdepodobne „kusové“ a veľmi drahé zariadenia. Je nepravdepodobné, že skončia vo vrecku bežného používateľa, no dá sa očakávať, že zoznam superpočítačov sa objaví.

Je pravdepodobné, že kvantové počítače budú ponúkané v „cloudovom“ modeli, keď ich zdroje môžu využiť zainteresovaní výskumníci a organizácie.

Počítače sa za posledné desaťročia rýchlo vyvíjali. V skutočnosti v pamäti jednej generácie prešli od objemných lampových trubíc, ktoré zaberajú obrovské miestnosti, k miniatúrnym tabletom. Pamäť a rýchlosť sa rýchlo zvýšili. Ale prišiel moment, keď sa objavili úlohy, ktoré boli mimo kontroly aj supervýkonných moderných počítačov.

Čo je kvantový počítač?

Vznik nových úloh mimo kontroly konvenčných počítačov si vynútil hľadanie nových príležitostí. A ako alternatíva ku konvenčným počítačom existoval kvantový. Kvantový počítač je počítačová technológia založená na prvkoch kvantovej mechaniky. Hlavné ustanovenia kvantovej mechaniky boli sformulované začiatkom minulého storočia. Jeho vzhľad umožnil vyriešiť mnohé problémy vo fyzike, ktoré nebolo možné vyriešiť v klasickej fyzike.

Hoci je teória kvantá už v druhom storočí, stále zostáva zrozumiteľná len úzkemu okruhu odborníkov. Ale existujú aj reálne výsledky kvantovej mechaniky, na ktoré sme už zvyknutí – laserová technika, tomografia. A na konci minulého storočia vyvinul sovietsky fyzik Yu.Manin teóriu kvantových výpočtov. O päť rokov neskôr David Deutsch predstavil myšlienku kvantového stroja.

Existuje kvantový počítač?

Ukázalo sa však, že realizácia nápadov nie je taká jednoduchá. Pravidelne sa objavujú správy, že bol vytvorený ďalší kvantový počítač. Giganti informačných technológií pracujú na vývoji takejto výpočtovej technológie:

1. D-Wave je kanadská spoločnosť, ktorá bola priekopníkom vo výrobe operačných kvantových počítačov. Napriek tomu medzi odborníkmi existuje diskusia o tom, aké skutočné sú tieto počítače a aké výhody poskytujú.
2. IBM - vytvorila kvantový počítač a otvorila k nemu prístup pre používateľov internetu, aby mohli experimentovať s kvantovými algoritmami. Do roku 2025 plánuje spoločnosť vytvoriť model schopný riešiť už praktické problémy.
3. Google – tento rok oznámil vydanie počítača schopného dokázať kvantovú prevahu na konvenčných počítačoch.
4. V máji 2017 čínski vedci v Šanghaji oznámili, že vytvorili najvýkonnejší kvantový počítač na svete, ktorý je vo frekvencii spracovania signálu 24-krát rýchlejší ako analógy.
5. V júli 2017 bolo na Moskovskej konferencii o kvantových technológiách oznámené, že bol vytvorený 51-qubitový kvantový počítač.

Aký je rozdiel medzi kvantovým počítačom a obyčajným počítačom?

Zásadný rozdiel medzi kvantovým počítačom je v prístupe k procesu výpočtu.

1. V bežnom procesore sú všetky výpočty založené na bitoch, ktoré sú v dvoch stavoch, 1 alebo 0. To znamená, že všetka práca spočíva v analýze obrovského množstva údajov, aby boli v súlade so špecifikovanými podmienkami. Kvantový počítač je založený na qubitoch (kvantových bitoch). Ich vlastnosťou je schopnosť byť v stave 1, 0, ako aj súčasne 1 a 0.
2. Schopnosti kvantového počítača sa výrazne zvyšujú, pretože nie je potrebné hľadať požadovanú odpoveď medzi množstvom. V tomto prípade je odpoveď vybraná z už dostupných možností s určitým stupňom pravdepodobnosti zhody.

Na čo slúži kvantový počítač?

Princíp kvantového počítača, postavený na voľbe riešenia s dostatočnou mierou pravdepodobnosti a schopnosti nájsť takéto riešenie mnohonásobne rýchlejšie ako moderné počítače, určuje aj účel jeho použitia. Po prvé, objavenie sa tohto typu výpočtovej techniky znepokojuje kryptografov. Je to kvôli schopnosti kvantového počítača ľahko vypočítať heslá. Najvýkonnejší kvantový počítač vytvorený rusko-americkými vedcami je teda schopný získať kľúče k existujúcim šifrovacím systémom.

Existujú aj užitočnejšie aplikované problémy pre kvantové počítače, súvisia so správaním elementárnych častíc, genetikou, zdravotníctvom, finančnými trhmi, ochranou sietí pred vírusmi, umelou inteligenciou a mnohými ďalšími, ktoré bežné počítače zatiaľ nedokážu vyriešiť.

Ako funguje kvantový počítač?

Zariadenie kvantového počítača je založené na použití qubitov. Nasledujúce sa v súčasnosti používajú ako fyzické vykonávanie qubitov:

• krúžky supravodičov s prepojkami, s viacsmerným prúdom;
• jednotlivé atómy vystavené laserovým lúčom;
• ióny;
• fotóny;
• sa vyvíjajú varianty využitia polovodičových nanokryštálov.

Kvantový počítač - ako to funguje

Zatiaľ čo pri práci s klasickým počítačom existuje istota, na otázku, ako funguje kvantový počítač, nie je ľahké odpovedať. Opis fungovania kvantového počítača je založený na dvoch frázach, ktoré sú pre väčšinu nejasné:

• princíp superpozície- hovoríme o qubitoch, ktoré môžu byť súčasne na pozíciách 1 a 0. To vám umožňuje vykonávať niekoľko výpočtov súčasne, a nie triediť možnosti, čo prináša veľký zisk v čase;
• kvantové zapletenie- jav, ktorý zaznamenal A. Einstein, spočívajúci vo vzájomnom spojení dvoch častíc. Zjednodušene povedané, ak má jedna z častíc kladnú helicitu, potom druhá okamžite nadobúda kladnú hodnotu. Tento vzťah sa vyskytuje bez ohľadu na vzdialenosť.

Kto vynašiel kvantový počítač?

Základy kvantovej mechaniky boli prezentované na samom začiatku minulého storočia ako hypotéza. Jeho vývoj je spojený s takými brilantnými fyzikmi ako Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. V roku 1980 Yu. Antonov navrhol myšlienku možnosti kvantových výpočtov. O rok neskôr Richard Feyneman teoreticky vymodeloval prvý kvantový počítač.

Teraz je vytváranie kvantových počítačov vo fáze vývoja a je dokonca ťažké si predstaviť, čoho je kvantový počítač schopný. Ale je úplne jasné, že rozvoj tohto smeru prinesie ľuďom veľa nových objavov vo všetkých oblastiach vedy, umožní im nahliadnuť do mikro a makrokozmu, dozvedieť sa viac o podstate rozumu, genetike.

Kvantový počítač je výpočtové zariadenie, ktoré využíva javy kvantovej superpozície a kvantového zapletenia na prenos a spracovanie údajov. Plnohodnotný univerzálny kvantový počítač je stále len hypotetickým zariadením, ktorého samotná možnosť konštrukcie je spojená so serióznym rozvojom kvantovej teórie v oblasti mnohých častíc a zložitých experimentov; vývoj v tejto oblasti je spojený s najnovšími objavmi a výdobytkami modernej fyziky. V súčasnosti je prakticky implementovaných len niekoľko experimentálnych systémov, ktoré vykonávajú fixný algoritmus nízkej zložitosti.

Vedci z Moskovského inštitútu fyziky a technológie spolu s kolegami zo Švajčiarska uskutočnili experimenty, pri ktorých sa im podarilo kvantový počítač vrátiť do stavu minulosti. Zhrnutie zistení štúdie, ktorá popisuje možnosť tohto efektu, uvádza tlačová správa zverejnená na webovej stránke Phys.org. Podrobnosti o výskume medzinárodného tímu fyzikov vo vedeckých správach.

Mnohí odborníci sú presvedčení, že s príchodom plnohodnotných kvantových počítačov sa éra kryptomien a blockchainu logicky skončí – kryptografické systémy, na ktorých sú kryptomeny založené, budú okamžite hacknuté a samotné kryptomeny budú znehodnocovať, pretože prvá vec, ktorú majiteľ kvantového počítača urobí, je ťažba zostávajúcich bitcoinov, éterov a iných populárnych „coinov“. Presne tomu verí Alex Beat, kanadský fyzik, ktorý predpovedal pochmúrnu budúcnosť kryptomien v kvantovej ére.

Minulý týždeň sa objavila správa, že Google urobil prelom v kvantovej výpočtovej technike -
spoločnosť pochopila, ako si takýto počítač poradí
s vlastnými chybami. O kvantových počítačoch sa hovorí už niekoľko rokov: napríklad na titulke časopisu Time. Ak sa takéto počítače objavia, bude to prelom podobný vzhľadu klasických počítačov – alebo ešte vážnejší. Look At Me vysvetľuje, v čom sú kvantové počítače dobré a čo presne urobil Google.

Čo je kvantový počítač?

Kvantový počítač je mechanizmus na priesečníku informatiky a kvantovej fyziky, najťažšieho odvetvia teoretickej fyziky. Richard Feynman, jeden z najväčších fyzikov 20. storočia, raz povedal: "Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej fyzike, potom jej nerozumiete." Preto majte na pamäti, že nasledujúce vysvetlenia sú neuveriteľne zjednodušené. Ľuďom trvá veľa rokov, kým pochopia kvantovú fyziku.

Kvantová fyzika sa zaoberá elementárnymi časticami menšími ako atóm. Spôsob, akým sú tieto častice usporiadané a ako sa správajú, je v rozpore s mnohými našimi predstavami o vesmíre. Kvantová častica môže byť na viacerých miestach súčasne – a v niekoľkých stavoch súčasne. Predstavte si, že hodíte mincou: kým je vo vzduchu, nemôžete povedať, či vyletí hlavou alebo chvostom; táto minca je ako hlavy a chvosty zároveň. Takto sa správajú kvantové častice. Toto sa nazýva princíp superpozície.

Kvantový počítač je stále hypotetické zariadenie, ktoré bude využívať princíp superpozície. (a ďalšie kvantové vlastnosti)
pre výpočet. Bežný počítač pracuje s tranzistormi,
ktoré akékoľvek informácie vnímajú ako nuly a jednotky. Binárny kód dokáže opísať celý svet – a vyriešiť akékoľvek problémy v ňom. Kvantový analóg klasického bitu sa nazýva cubit (qubit, qu - od slova kvantový, kvantový)... Pomocou princípu superpozície je možné lakť súčasne lokalizovať
v stave 0 a 1 - a to nielen výrazne zvýši výkon v porovnaní s tradičnými počítačmi, ale tiež vám umožní vyriešiť neočakávané problémy,
ktorých bežné počítače nie sú schopné.

Princíp superpozície je jediný
na čom budú založené kvantové počítače?

nie Vzhľadom na to, že kvantové počítače existujú len teoreticky, vedci zatiaľ len špekulujú, ako presne budú fungovať. Napríklad sa verí, že kvantové počítače budú využívať aj kvantové zapletenie.
Toto je fenomén, ktorý Albert Einstein nazval „strašidelný“ ( bol všeobecne proti kvantovej teórii, pretože sa nezhoduje s jeho teóriou relativity)... Význam tohto javu je, že dve častice vo vesmíre môžu byť prepojené a naopak: povedzme, ak helicita
(taká charakteristika stavu elementárnych častíc je, nebudeme zachádzať do detailov) prvej častice je kladná, potom bude helicita druhej vždy záporná a naopak. Tento jav sa nazýva „strašidelný“ z dvoch dôvodov. Po prvé, toto spojenie funguje okamžite, rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Po druhé, zapletené častice môžu byť umiestnené v akejkoľvek vzdialenosti od seba.
od priateľa: napríklad na rôznych koncoch Mliečnej dráhy.

Ako sa dá použiť kvantový počítač?

Vedci hľadajú aplikácie pre kvantové počítače a zároveň vymýšľajú, ako ich postaviť. Hlavná vec je, že kvantový počítač bude schopný veľmi rýchlo optimalizovať informácie a vo všeobecnosti pracovať s veľkými údajmi, ktoré hromadíme, ale zatiaľ nerozumieme, ako ich používať.

Predstavme si túto možnosť (samozrejme veľmi zjednodušené): chystáte sa vystreliť z luku na cieľ a musíte vypočítať, ako vysoko zamieriť, aby ste zasiahli. Povedzme, že potrebujete vypočítať výšku od 0 do 100 cm Bežný počítač vypočíta každú dráhu postupne: najprv 0 cm, potom 1 cm, potom 2 cm atď. Kvantový počítač vypočíta všetky možnosti súčasne - a okamžite poskytne tú, ktorá vám umožní zasiahnuť presne cieľ. Mnoho procesov je možné optimalizovať týmto spôsobom:
z medicíny (povedzme, diagnostikujte rakovinu skôr) pred letectvom (napríklad robiť zložitejšie autopiloty).

Existuje aj verzia, že takýto počítač bude vedieť riešiť problémy, ktorých bežný počítač jednoducho nie je schopný – alebo by to zabralo tisíce rokov výpočtov. Kvantový počítač bude schopný pracovať s najkomplexnejšími simuláciami: napríklad vypočítať, či sú vo vesmíre iné inteligentné bytosti ako ľudia. Je možné, že povedie vytvorenie kvantových počítačov
k vzniku umelej inteligencie. Predstavte si, čo s naším svetom urobil príchod konvenčných počítačov – kvantové počítače môžu byť približne rovnakým prelomom.

Kto vyvíja kvantové počítače?

Všetko. Vlády, armáda, technologické spoločnosti. Vytvorenie kvantového počítača bude mať prospech takmer každý. Medzi dokumentmi, ktoré zverejnil Edward Snowden, sa napríklad objavila informácia, že NSA má projekt „Nasadenie v komplexných účeloch“, ktorý zahŕňa vytvorenie kvantového počítača na šifrovanie informácií. Microsoft sa vážne zaoberá kvantovými počítačmi - prvý výskum v tejto oblasti sa začal v roku 2007. IBM je vo vývoji a pred niekoľkými rokmi oznámilo, že vytvorilo trojlodžový čip. Nakoniec sa Google a NASA spojili
s D-Wave, ktorý hovorí, že už vyrába
"Prvý komerčný kvantový procesor" (alebo skôr druhý, teraz sa ich model nazýva D-Wave Two) ale zatiaľ to nefunguje tak kvantovo -
pripomíname, že neexistujú.

Ako blízko sme k tvoreniu
kvantový počítač?

Nikto nemôže s istotou povedať. Technologické prelomové novinky (ako nedávne správy Google) sa objavujú neustále, ale môžeme byť veľmi vzdialení
z plnohodnotného kvantového počítača a veľmi blízko k nemu. Povedzme, že existujú štúdie, ktoré naznačujú, že na všetko stačí vytvoriť počítač
s niekoľkými stovkami lakťov, aby fungoval ako plnohodnotný kvantový počítač. D-Wave tvrdí, že postavil 84 kubitový procesor -
ale kritici, ktorí analyzovali ich procesor, tvrdia, že funguje,
ako klasický počítač, nie ako kvantový. Google spolupracuje
s D-Wave veria, že ich procesor je len vo veľmi ranom štádiu vývoja a nakoniec bude fungovať ako kvantový. Každopádne, teraz
kvantové počítače majú jeden veľký problém – chyby. Akékoľvek počítače robia chyby, ale klasické počítače si s nimi ľahko poradia, zatiaľ čo kvantové počítače ešte nie. Keď výskumníci zistia chyby, do príchodu kvantového počítača zostáva už len niekoľko rokov.

Sťažuje opravu chýb
v kvantových počítačoch?

Zjednodušene možno chyby v kvantových počítačoch rozdeliť do dvoch úrovní. Prvým sú chyby, ktorých sa dopúšťajú všetky počítače, vrátane tých klasických. V pamäti počítača sa môže objaviť chyba, keď sa 0 nedobrovoľne zmení na 1 v dôsledku vonkajšieho šumu – napríklad kozmického žiarenia alebo žiarenia. Tieto chyby sa dajú ľahko vyriešiť, všetky údaje sú kontrolované na takéto zmeny. A týmto problémom v kvantových počítačoch sa Google len nedávno zaoberal: stabilizovali reťazec deviatich lakťov.
a zachránil ju pred chybami. Existuje však jedna výhrada k tomuto prelomu: Google sa vysporiadal s klasickými chybami v klasickej výpočtovej technike. V kvantových počítačoch existuje druhá úroveň chýb, ktorú je oveľa ťažšie pochopiť a vysvetliť.

Lajky sú extrémne nestabilné, podliehajú kvantovej dekoherencii – ide o narušenie komunikácie v rámci kvantového systému pod vplyvom prostredia. Kvantový procesor musí byť čo najviac izolovaný od vplyvov prostredia (hoci k dekoherencii niekedy dochádza v dôsledku vnútorných procesov) aby sa chyby obmedzili na minimum. Kvantové chyby sa zároveň nedajú úplne eliminovať, ale ak sú dostatočne zriedkavé, kvantový počítač môže fungovať. Niektorí vedci sa zároveň domnievajú, že 99 % výkonu takéhoto počítača bude len nasmerovaných
na odstránenie chýb, ale zvyšné 1% stačí na vyriešenie prípadných problémov.
Podľa fyzika Scotta Aaronsona možno úspech Googlu považovať za tretí
polovica zo siedmich krokov potrebných na vytvorenie kvantového počítača – inými slovami, sme na polceste.