Kuantum bilgisayar kullanımı. Bir kübitin performansını artırmanın en iyi yolu… elmaslardır. Kuantum bilgisayarlar hakkında neden bu kadar çok konuşuluyor?

Fizik ve Matematik Bilimleri Adayı L. FEDICHKIN (Rusya Bilimler Akademisi Fiziko-Teknolojik Enstitüsü.

Kuantum mekaniği yasalarını kullanarak, en güçlü modern süper bilgisayarların bile erişemeyeceği bazı sorunları çözmeye izin verecek temelde yeni bir bilgisayar türü oluşturmak mümkündür. Birçok karmaşık hesaplamanın hızı önemli ölçüde artacaktır; kuantum iletişim hatları üzerinden gönderilen mesajlar engellenemez veya kopyalanamaz. Bugün, geleceğin bu kuantum bilgisayarlarının prototipleri şimdiden oluşturuldu.

Macar asıllı Amerikalı matematikçi ve fizikçi Johann von Neumann (1903-1957).

Amerikalı teorik fizikçi Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Amerikalı matematikçi Peter Shor, kuantum hesaplama alanında uzman. Büyük sayıların hızlı çarpanlarına ayrılması için bir kuantum algoritması önerdi.

Kuantum biti veya kübit. Durumlar ve örneğin atom çekirdeğinin yukarı veya aşağı dönüş yönüne karşılık gelir.

Bir kuantum kaydı, bir kuantum bitleri zinciridir. Bir veya iki kübitlik kuantum kapıları, kübitler üzerinde mantıksal işlemler gerçekleştirir.

GİRİŞ VEYA BİLGİ KORUMA HAKKINDA BİRAZ

Sizce dünyadaki en lisanslı program hangisidir? Doğru cevabı bildiğimde ısrar etmeye cüret etmeyeceğim ama yanlış bir tane biliyorum: bu olumsuzluk Microsoft Windows'un herhangi bir sürümü. En yaygın işletim sistemi, RSA Data Security, Inc.'in mütevazı bir ürününün önündedir. - Amerikalı matematikçiler Rivest, Shamir ve Adelman - yazarlarının adını taşıyan RSA ortak anahtar şifreleme algoritmasını uygulayan bir program.

Gerçek şu ki, RSA algoritması satılan işletim sistemlerinin çoğunda ve akıllı kartlardan cep telefonlarına kadar çeşitli cihazlarda kullanılan diğer birçok uygulamada yerleşiktir. Özellikle Microsoft Windows'ta da mevcuttur, bu da bu popüler işletim sisteminden açıkça daha yaygın olduğu anlamına gelir. Örneğin, Internet Explorer tarayıcısında (İnternette www sayfalarını görüntülemek için bir program) RSA izlerini tespit etmek için "Yardım" menüsünü açın, "Internet Explorer Hakkında" alt menüsüne girin ve kullanılmış ürünlerin listesini görüntüleyin diğer şirketlerden. Diğer bir yaygın tarayıcı olan Netscape Navigator da RSA algoritmasını kullanır. Genel olarak, bu program için lisans satın almayacak tanınmış bir yüksek teknoloji şirketi bulmak zordur. Bugüne kadar, RSA Data Security, Inc. şimdiden 450 milyondan fazla(!) lisans sattı.

RSA algoritması neden bu kadar önemli?

Uzaktaki bir kişiyle hızlı bir şekilde mesaj alışverişi yapmanız gerektiğini hayal edin. İnternetin gelişmesi sayesinde, bugün çoğu insan için böyle bir değişim mevcut hale geldi - sadece modem veya ağ kartı olan bir bilgisayara ihtiyacınız var. Doğal olarak, ağ üzerinden bilgi alışverişi yaparken, mesajlarınızı yabancılardan gizli tutmak istersiniz. Ancak, genişletilmiş bir iletişim hattını gizlice dinlemeden tamamen korumak mümkün değildir. Bu, mesaj gönderirken şifrelenmeleri ve alındığında şifrelerinin çözülmesi gerektiği anlamına gelir. Fakat siz ve muhatabınız hangi anahtarı kullanacağınız konusunda nasıl anlaşıyorsunuz? Anahtarı aynı hat üzerinden şifreye gönderirseniz, gizlice dinleyen bir saldırgan onu kolayca ele geçirebilir. Elbette, anahtarı başka bir iletişim hattı üzerinden, örneğin telgrafla gönderebilirsiniz. Ancak böyle bir yöntem genellikle elverişsizdir ve ayrıca her zaman güvenilir değildir: başka bir satıra da dokunulabilir. Siz ve muhatabınız, şifreleme alışverişi yapacağınızı önceden biliyor ve bu nedenle anahtarları önceden birbirinize teslim ediyorsa iyi olur. Ancak, örneğin, potansiyel bir iş ortağına gizli bir ticari teklif göndermek veya kredi kartı kullanarak yeni bir çevrimiçi mağazadan beğendiğiniz bir ürünü satın almak istiyorsanız?

1970'lerde, aynı mesaj için iki tür anahtar kullanarak bu sorunu çözmek için şifreleme sistemleri önerildi: açık (gizli depolama gerektirmeyen) ve kapalı (kesinlikle gizli). Genel anahtar mesajı şifrelemek için kullanılır ve özel anahtar mesajın şifresini çözmek için kullanılır. Muhabirinize açık anahtarı gönderirsiniz ve o da mesajını onunla şifreler. Açık anahtarı ele geçiren bir saldırganın yapabileceği tek şey, mektubunu onunla şifrelemek ve birine göndermektir. Ancak yazışmaları deşifre edemeyecek. Özel anahtarı bilerek (başlangıçta sizinle birlikte saklanır), size gönderilen mesajı kolayca okuyacaksınız. Cevap mesajlarını şifrelemek için, muhatabınız tarafından gönderilen genel anahtarı kullanacaksınız (ve karşılık gelen özel anahtarı kendisi için saklıyor).

RSA algoritmasında böyle bir şifreleme şeması kullanılır - en yaygın ortak anahtar şifreleme yöntemi. Ayrıca, bir çift genel ve özel anahtar oluşturmak için aşağıdaki önemli hipotez kullanılır. İki büyük sayı varsa (girişleri için yüzden fazla ondalık basamak gerektiren) basit M ve K sayıları, o zaman N=MK ürünlerini bulmak zor olmayacaktır (bunun için bir bilgisayara sahip olmak bile gerekli değildir: oldukça doğru ve sabırlı bir kişi bu sayıları bir kalem ve kağıtla çarpabilir). Ancak ters problemi çözmek için, yani çok sayıda N'yi bilmek, onu basit M ve K faktörlerine (sözde çarpanlara ayırma sorunu) - neredeyse imkansız! RSA algoritmasını "kırmaya" ve bununla şifrelenen bilgileri okumaya karar veren bir saldırganın karşılaşacağı sorun budur: özel anahtarı bulmak için, genel anahtarı bilmek, M veya K'yi hesaplamak zorunda kalacaktır.

Büyük sayıları çarpanlara ayırmanın pratik karmaşıklığı hakkındaki hipotezin geçerliliğini test etmek için özel yarışmalar yapıldı ve yapılmaya da devam ediyor. Kayıt, yalnızca 155 basamaklı (512 bit) sayının ayrıştırılmasıdır. Hesaplamalar 1999 yılında yedi ay boyunca birçok bilgisayarda paralel olarak yapılmıştır. Bu görev modern bir kişisel bilgisayarda gerçekleştirilseydi, yaklaşık 35 yıl bilgisayar zamanı alacaktı! Hesaplamalar gösteriyor ki, günümüzde bilinen binlerce modern iş istasyonu ve en iyi hesaplama algoritması kullanılarak, 250 basamaklı bir sayı yaklaşık 800 bin yılda ve 1000 basamaklı bir sayı 10 25 (!) yılda çarpanlarına ayrılabilir. (Karşılaştırma için, Evrenin yaşı ~10 10 yıldır.)

Bu nedenle, yeterince uzun anahtarlarla çalışan RSA gibi kriptografik algoritmalar kesinlikle güvenilir kabul edildi ve birçok uygulamada kullanıldı. Ve o zamana kadar her şey yolundaydı ...kuantum bilgisayarlar ortaya çıkana kadar.

Kuantum mekaniği yasalarını kullanarak, çarpanlara ayırma probleminin (ve diğer birçoklarının!) zor olmadığı bilgisayarlar inşa edebileceğiniz ortaya çıktı. Yalnızca yaklaşık 10.000 kuantum bit belleğe sahip bir kuantum bilgisayarın, 1000 basamaklı bir sayıyı yalnızca birkaç saat içinde asal çarpanlara ayırabileceği tahmin edilmektedir!

HEPSİ NASIL BAŞLADI?

Kuantum bilgisayarlar ve kuantum hesaplama teorisi ancak 1990'ların ortalarında kendini yeni bir bilim alanı olarak kurdu. Harika fikirlerde sıklıkla olduğu gibi, bir öncü seçmek zordur. Görünüşe göre, Macar matematikçi I. von Neumann, kuantum mantığı geliştirme olasılığına dikkat çeken ilk kişiydi. Ancak o zamanlar sadece kuantum değil, sıradan, klasik bilgisayarlar da henüz oluşturulmamıştı. İkincisinin ortaya çıkmasıyla, bilim adamlarının ana çabalarının, temelde farklı bilgisayar cihazlarının yaratılmasına değil, öncelikle onlar için yeni unsurların (transistörler ve daha sonra entegre devreler) araştırılması ve geliştirilmesine yönelik olduğu ortaya çıktı.

1960'larda IBM Corporation'da çalışan Amerikalı fizikçi R. Landauer, bilim dünyasının dikkatini hesaplamaların her zaman bir tür fiziksel süreç olduğu gerçeğine çekmeye çalıştı, bu da sınırların anlaşılmasının imkansız olduğu anlamına geliyor. hangi fiziksel uygulama olduklarını belirtmeden bilgi işlem yeteneklerimiz. Ne yazık ki, o zamanlar bilim adamları arasında hakim olan görüş, hesaplamanın fizikçiler tarafından değil matematikçiler tarafından incelenmesi gereken bir tür soyut mantıksal prosedür olduğuydu.

Bilgisayarlar çoğaldıkça, kuantum nesnelerle ilgilenen bilim adamları, metan (CH 4) molekülü gibi yalnızca birkaç düzine etkileşimli parçacıktan oluşan gelişen bir sistemin durumunu doğrudan hesaplamanın pratik olarak imkansız olduğu sonucuna vardılar. Bu, karmaşık bir sistemin tam bir açıklaması için, bilgisayar belleğinde, kuantum genlikleri adı verilen katlanarak büyük (parçacık sayısı açısından) sayıda değişken tutmanın gerekli olduğu gerçeğiyle açıklanır. Paradoksal bir durum ortaya çıktı: evrim denklemini bilmek, parçacıkların birbirleriyle etkileşiminin tüm potansiyellerini ve sistemin ilk durumunu yeterli doğrulukla bilmek, sistem yalnızca şunlardan oluşsa bile geleceğini hesaplamak neredeyse imkansızdır. Potansiyel bir kuyuda 30 elektron ve RAM'li bir süper bilgisayar mevcuttur, bit sayısı Evrenin görünür bölgesindeki atomların sayısına eşittir(!). Aynı zamanda, böyle bir sistemin dinamiklerini incelemek için, belirli bir potansiyel ve başlangıç ​​durumuna yerleştirerek 30 elektronlu bir deney düzenlenebilir. Bu, özellikle, 1980'de bir kuantum hesaplama cihazları teorisi geliştirme ihtiyacına işaret eden Rus matematikçi Yu.I. Manin'in dikkatini çekti. 1980'lerde, aynı problem, bir kuantum sisteminin hesaplamalar yapabileceğini açıkça gösteren Amerikalı fizikçi P. Benev ve teorik olarak klasik muadilini aşan evrensel bir kuantum bilgisayarı geliştiren İngiliz bilim adamı D. Deutsch tarafından incelenmiştir. .

Fizikte Nobel Ödülü sahibi, Bilim ve Yaşam'ın düzenli okuyucuları tarafından iyi tanınan R. Feynman, kuantum bilgisayarları geliştirme sorununa çok dikkat çekti. Yetkili çekiciliği sayesinde, kuantum hesaplamaya dikkat eden uzmanların sayısı kat kat arttı.

Yine de, uzun bir süre, bir kuantum bilgisayarın varsayımsal hesaplama gücünün pratik sorunların çözümünü hızlandırmak için kullanılıp kullanılamayacağı belirsizliğini koruyordu. Ancak 1994 yılında, Lucent Technologies'de (ABD) Amerikalı bir matematikçi olan P. Shor, büyük sayıların hızla çarpanlara ayrılmasına izin veren bir kuantum algoritması önererek bilim dünyasını hayrete düşürdü (bu sorunun önemi girişte zaten tartışılmıştı). Bugün bilinen klasik yöntemlerin en iyileriyle karşılaştırıldığında, Shor'un kuantum algoritması, hesaplamaların çoklu hızlanmasını sağlar ve çarpanlara ayrılabilir sayı ne kadar uzun olursa, hız kazancı o kadar büyük olur. Hızlı çarpanlara ayırma algoritması, şifrelenmemiş mesaj bankaları biriktiren çeşitli özel hizmetler için büyük pratik ilgi çekicidir.

1996'da Shor'un Lucent Technologies'deki meslektaşı L. Grover, sırasız bir veri tabanında bir kuantum hızlı arama algoritması önerdi. (Bu tür bir veritabanına örnek olarak, abonelerin adlarının alfabetik olarak değil, keyfi olarak düzenlendiği bir telefon defteri verilebilir.) Sayısız seçenek arasından en uygun öğeyi bulma, seçme görevi, ekonomik, askeri, mühendislik görevlerinde çok yaygındır. bilgisayar oyunlarında. Grover'ın algoritması, yalnızca arama sürecini hızlandırmakla kalmaz, aynı zamanda optimum olanı seçerken dikkate alınan parametre sayısını yaklaşık olarak iki katına çıkarır.

Kuantum bilgisayarların gerçek yaratımı, özünde, tek ciddi sorun tarafından engellendi - hatalar veya müdahale. Gerçek şu ki, aynı düzeyde parazit, kuantum hesaplama sürecini klasik olanlardan çok daha yoğun bir şekilde bozar. Bu sorunu çözmenin yolları, 1995 yılında kuantum durumlarını kodlamak ve bunlardaki hataları düzeltmek için bir şema geliştiren P. Shor tarafından özetlendi. Ne yazık ki, kuantum bilgisayarlarda hata düzeltme konusu bu makalede ele alınması zor olduğu kadar önemlidir.

BİR KUANTUM BİLGİSAYAR CİHAZI

Bir kuantum bilgisayarının nasıl çalıştığını açıklamadan önce, kuantum sistemlerinin temel özelliklerini hatırlayalım (ayrıca bkz. "Bilim ve Yaşam" No. 8, 1998; No. 12, 2000).

Kuantum dünyasının yasalarını anlamak için kişi doğrudan günlük deneyime güvenmemelidir. Alışılagelmiş şekilde (gündelik anlayışta) kuantum parçacıkları, yalnızca onları sürekli olarak "gözetliyorsak" veya daha kesin bir ifadeyle, sürekli olarak hangi durumda olduklarını ölçersek davranırlar. Ama biz "döner" (gözlem yapmayı bırakın), kuantum parçacıkları hemen tamamen belirli bir durumdan aynı anda birkaç farklı hipostaza geçer. Yani bir elektron (veya herhangi bir başka kuantum nesnesi) kısmen bir noktada, kısmen başka bir yerde, kısmen üçüncü bir noktada olacak ve bu böyle devam edecek, bu onun portakal gibi parçalara ayrıldığı anlamına gelmez. O zaman elektronun bir kısmını güvenilir bir şekilde izole etmek ve yükünü veya kütlesini ölçmek mümkün olacaktır. Ancak deneyimler, ölçümden sonra elektronun her zaman tek bir noktada "güvenli ve sağlam" olduğunu gösteriyor, bundan önce hemen hemen her yeri aynı anda ziyaret etme zamanı olmasına rağmen. Bir elektronun uzayda aynı anda birkaç noktada bulunduğu bu duruma denir. kuantum durumlarının süperpozisyonu ve genellikle 1926'da Alman fizikçi E. Schrödinger tarafından tanıtılan dalga fonksiyonu ile tanımlanır. Herhangi bir noktadaki dalga fonksiyonunun mutlak değeri, karesi, belirli bir anda o noktada bir parçacığın bulunma olasılığını belirler. Bir parçacığın konumunu ölçtükten sonra, dalga fonksiyonu, parçacığın algılandığı noktaya kadar büzülür (çöker) ve sonra yeniden yayılmaya başlar. Kuantum parçacıklarının aynı anda birçok durumda olma özelliğine denir. kuantum paralelliği, kuantum hesaplamada başarıyla kullanılmıştır.

kuantum biti

Kuantum bilgisayarın temel birimi bir kuantum bitidir veya kısaca, kübit(q-bit). Bu, 0 ve 1 olarak gösterilen veya kuantum mekaniğinde alışılmış olduğu gibi iki temel duruma sahip olan bir kuantum parçacığıdır. Bir kübitin iki değeri, örneğin, bir atomun temel ve uyarılmış durumlarına, atom çekirdeğinin dönüşünün yukarı ve aşağı yönlerine, bir süper iletken halkadaki akımın yönüne, iki olası pozisyonuna karşılık gelebilir. yarı iletkendeki bir elektron, vb.

kuantum kaydı

Kuantum kaydı, klasik olanla neredeyse aynı şekilde düzenlenmiştir. Bu, üzerinde bir ve iki bit mantıksal işlemlerin gerçekleştirilebildiği bir kuantum bitleri zinciridir (klasik bir yazmaçtaki NOT, 2AND-NOT, vb. işlemlerinin kullanımına benzer).

L kübitler tarafından oluşturulan bir kuantum kaydının temel durumları, klasik olanda olduğu gibi, olası tüm sıfır dizilerini ve L uzunluğundaki bir diziyi içerir. Toplamda, 2 L farklı kombinasyon olabilir. 0'dan 2 L -1'e kadar ikili biçimde sayıların bir kaydı olarak kabul edilebilirler ve gösterilirler. Bununla birlikte, bu temel durumlar, normalleştirme koşuluyla ilişkili karmaşık genlikler tarafından tanımlanan süperpozisyon durumları da olduğundan, kuantum kaydının (klasik olanın aksine) tüm olası değerlerini tüketmez. Kuantum kaydının olası değerlerinin çoğu (temel olanlar hariç) sadece klasik bir analoga sahip değildir. Klasik kaydın durumları, bir kuantum bilgisayarın tüm durum zenginliğinin yalnızca acınası bir gölgesidir.

Kayıt üzerinde harici bir etkinin gerçekleştirildiğini, örneğin alanın bir kısmına elektrik darbelerinin uygulandığını veya lazer ışınlarının yönlendirildiğini hayal edin. Bu klasik bir kayıt ise, hesaplamalı bir işlem olarak kabul edilebilecek bir darbe L değişkenlerini değiştirecektir. Bu bir kuantum kaydıysa, aynı dürtü aynı anda değişkenlere dönüşebilir. Bu nedenle, bir kuantum kaydı, prensipte, bilgiyi klasik muadilinden çok daha hızlı işleyebilir. Bu, küçük kuantum kayıtlarının (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.

Bununla birlikte, kuantum algoritmalarının klasik olanlara kıyasla önemli bir ivme sağlamadığı bir problem sınıfı olduğu belirtilmelidir. Bunu ilk gösterenlerden biri, temelde tek bir saat döngüsü ile bir kuantum bilgisayarda hızlandırılmayan bir dizi algoritma örneği oluşturan Rus matematikçi Yu. Ozhigov'du.

Bununla birlikte, kuantum mekaniği yasalarına göre çalışan bilgisayarların, bilgisayar sistemlerinin evriminde yeni ve belirleyici bir aşama olduğuna şüphe yoktur. Sadece onları inşa etmek için kalır.

BUGÜN KUANTUM BİLGİSAYARLARI

Kuantum bilgisayarların prototipleri bugün zaten var. Doğru, şimdiye kadar yalnızca birkaç kuantum bitinden oluşan küçük kayıtlar deneysel olarak birleştirildi. Örneğin, yakın zamanda Amerikalı fizikçi I. Chang (IBM) liderliğindeki bir grup, 5 bitlik bir kuantum bilgisayarın montajını duyurdu. Şüphesiz bu büyük bir başarıdır. Ne yazık ki, mevcut kuantum sistemleri, yetersiz kontrol edilebildikleri veya gürültüye karşı çok hassas oldukları için henüz güvenilir hesaplamalar sağlayamıyor. Bununla birlikte, verimli bir kuantum bilgisayar inşa etmek için herhangi bir fiziksel yasak yoktur, yalnızca teknolojik zorlukların üstesinden gelmek gerekir.

Güvenilir ve kolay yönetilebilir kuantum bitlerinin nasıl yapılacağına dair birkaç fikir ve öneri var.

I. Chang, bazı organik moleküllerin çekirdeklerinin spinlerini kübit olarak kullanma fikrini geliştirir.

Teorik Fizik Enstitüsü'nde çalışan Rus araştırmacı M. V. Feigelman. Rusya Bilimler Akademisi'nden L. D. Landau, minyatür süperiletken halkalardan kuantum kayıtları oluşturmayı öneriyor. Her halka bir kübit rolünü oynar ve 0 ve 1 durumları halkadaki elektrik akımının yönüne karşılık gelir - saat yönünde ve saat yönünün tersine. Bu tür kübitler bir manyetik alan tarafından değiştirilebilir.

Rusya Bilimler Akademisi Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nde Akademisyen K. A. Valiev liderliğindeki bir grup, yarı iletken yapılara kübit yerleştirmek için iki seçenek önerdi. İlk durumda, yarı iletken yüzeyindeki mini elektrotlara uygulanan bir voltaj tarafından oluşturulan iki potansiyel kuyudan oluşan bir sistemde bir kübitin rolü bir elektron tarafından oynanır. Durum 0 ve 1, elektronun bu kuyulardan birindeki konumlarıdır. Kübit, elektrotlardan birinin voltajı değiştirilerek değiştirilir. Başka bir versiyonda, kübit, yarı iletkende belirli bir noktada gömülü bir fosfor atomunun çekirdeğidir. Durum 0 ve 1 - çekirdeğin dış manyetik alan boyunca veya ona karşı dönüş yönü. Kontrol, rezonans frekansı ve voltaj darbelerinin manyetik darbelerinin ortak etkisi kullanılarak gerçekleştirilir.

Bu nedenle, araştırmalar aktif olarak yürütülmektedir ve çok yakın bir gelecekte - on yıl içinde - etkili bir kuantum bilgisayarın oluşturulacağı varsayılabilir.

GELECEĞE BAKIŞ

Bu nedenle, gelecekte kuantum bilgisayarların geleneksel mikroelektronik teknoloji yöntemleri kullanılarak üretilmesi ve modern bir mikroişlemciye benzeyen birçok kontrol elektrotu içermesi çok olasıdır. Kuantum bilgisayarın normal çalışması için kritik olan gürültü seviyesini azaltmak için, ilk modellerin büyük olasılıkla sıvı helyum ile soğutulması gerekecek. İlk kuantum bilgisayarların, bir masaya sığmayan ve beyaz kaplamalı sistem programcıları ve donanım teknisyenlerinden oluşan geniş bir kadro tarafından yönetilen hantal ve pahalı cihazlar olması muhtemeldir. Önce sadece devlet yapıları, sonra zengin ticari kuruluşlar bunlara erişebilecek. Ancak geleneksel bilgisayarların çağı hemen hemen aynı şekilde başladı.

Peki klasik bilgisayarlara ne olacak? Ölecekler mi? Zorlukla. Hem klasik hem de kuantum bilgisayarların kendi uygulamaları vardır. Her ne kadar görünüşe göre, piyasadaki oran yine de kademeli olarak ikincisine doğru kayacaktır.

Kuantum bilgisayarların tanıtılması, temelde çözülemeyen klasik problemlerin çözümüne yol açmayacak, sadece bazı hesaplamaları hızlandıracaktır. Ek olarak, kuantum iletişimi mümkün olacak - bir tür kuantum İnternet'in ortaya çıkmasına yol açacak olan kübitlerin bir mesafeye aktarılması. Kuantum iletişimi, (kuantum mekaniği yasaları tarafından) herkesin birbiriyle gizlice dinlemeye bağlanmasına karşı korunaklı bir bağlantı sağlayacaktır. Kuantum veritabanlarında saklanan bilgileriniz, kopyalamaya karşı şimdi olduğundan daha fazla korunacaktır. Kuantum bilgisayarlar için programlar üreten şirketler, onları yasa dışı kopyalama da dahil olmak üzere herhangi birinden koruyabilecek.

Bu konuyu daha iyi anlamak için, Rus dergisi "Quantum Computers and Quantum Computing" (No. 1, 2000) de yayınlanan E. Riffel, V. Polak "Fundamentals of Quantum Computing" adlı inceleme makalesini okuyabilirsiniz. (Bu arada, bu, dünyadaki kuantum hesaplamaya ayrılmış ilk ve şimdiye kadarki tek dergidir. Bununla ilgili ek bilgiler İnternette http://rcd.ru/qc adresinde bulunabilir.). Bu işte uzmanlaştıktan sonra, kuantum hesaplama hakkında bilimsel makaleler okuyabileceksiniz.

A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Classical and Quantum Computing" (Moscow: MTsNMO-Chero, 1999) kitabını okurken biraz ileri düzeyde matematiksel hazırlık gerekecektir.

Kuantum mekaniğinin kuantum hesaplama için gerekli olan bir dizi temel yönü, V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev'in (Izhevsk: RHD, 2000) "Kuantum ışınlanması - sıradan bir mucize" kitabında analiz edilmektedir.

RCD yayınevi, A. Steen'in kuantum bilgisayarlarla ilgili incelemesinin çevirisini ayrı bir kitap olarak yayınlamaya hazırlanıyor.

Aşağıdaki literatür sadece bilişsel açıdan değil, aynı zamanda tarihsel açıdan da faydalı olacaktır:

1) Yu I. Manin. Hesaplanabilir ve hesaplanamaz.

M.: Sov. radyo, 1980.

2) I. von Neumann. Kuantum mekaniğinin matematiksel temelleri.

Moskova: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Bilgisayarlarda fizik simülasyonu // Kuantum bilgisayar ve kuantum hesaplama:

Doygunluk. 2 ciltte - Izhevsk: RHD, 1999. Cilt 2, s. 96-123.

4) R. Feynman. Kuantum mekanik bilgisayarlar

// Aynı eser, s. 123.-156.

Aynı konuda bir odada görün

Kuantum bilgisayarlar, yalnızca bilgi işlemde değil, gerçek hayatta da gerçek bir devrim vaat ediyor. Medya, kuantum bilgisayarların modern kriptografiyi nasıl yok edeceğine ve onlar sayesinde yapay zekanın gücünün kat kat artacağına dair manşetlerle dolu.

Son 10 yılda, kuantum bilgisayarlar saf teoriden ilk çalışan prototiplere geçti. Doğru, vaat edilen devrimden önce daha çok yol var ve sonuçta etkisi şimdi göründüğü kadar kapsamlı olmayabilir.

Kuantum bilgisayar nasıl çalışır?

Kuantum bilgisayar, kuantum süperpozisyonu ve kuantum dolaşıklığı fenomenlerini kullanan bir cihazdır. Bu tür hesaplamalardaki ana unsur, kübit veya kuantum bitidir. Bütün bu kelimelerin arkasında oldukça karmaşık matematik ve fizik yatıyor ama bunları olabildiğince sadeleştirirsek aşağıdaki gibi bir şey elde ederiz.

Geleneksel bilgisayarlarda bitlerle ilgileniriz. Bit - ikili sistemdeki bir bilgi birimi. Yalnızca matematiksel işlemler için değil, aynı zamanda mantıksal işlemler için de çok uygun olan 0 ve 1 değerini alabilir, çünkü sıfıra “yanlış” ve bir - “doğru” değeri atanabilir.

Modern işlemciler, transistörler, elektrik akımını geçebilen veya geçemeyen yarı iletken elemanlar temelinde inşa edilmiştir. Başka bir deyişle, 0 ve 1 değerini çıktılayın. Benzer şekilde, flash bellekte, kayan bir geçit transistörü bir yük depolayabilir. Varsa bir tane alırız, yoksa sıfır alırız. Manyetik dijital kayıt benzer şekilde çalışır, yalnızca bilgi taşıyıcısı, yükü olan veya olmayan bir manyetik parçacıktır.

Hesaplamalarda, bellekten bir bitin (0 veya 1) değerini okuruz ve ardından akımı transistörden geçiririz ve onu geçip geçmemesine bağlı olarak, çıkışta muhtemelen farklı bir değere sahip yeni bir bit alırız.

Kuantum bilgisayarlar için kübitler nelerdir? Bir kuantum bilgisayarda, ana unsur bir kübittir - bir kuantum biti. Sıradan bir bitin aksine, kuantum süperpozisyon durumundadır, yani hem 0 hem de 1 değerine ve herhangi bir zamanda bunların herhangi bir kombinasyonuna sahiptir. Sistemde birkaç kübit varsa, birini değiştirmek diğer tüm kübitleri de değiştirmeyi gerektirir.

Bu, tüm olası seçenekleri aynı anda hesaplamanıza olanak tanır. İkili hesaplamaları olan geleneksel bir işlemci, aslında seçenekleri sırayla hesaplar. Önce bir senaryo, sonra bir başkası, sonra üçüncüsü, vb. Hızlandırmak için, olası dallanma seçeneklerini tahmin etmek ve önceden hesaplamak için çoklu iş parçacığı, paralel olarak çalışan hesaplamalar, önceden getirme kullanmaya başladılar. Bir kuantum bilgisayarda, bunların hepsi paralel olarak yapılır.

Hesaplama prensibi de farklıdır. Bir anlamda, bir kuantum bilgisayar zaten sorunu çözmek için tüm olası seçenekleri içeriyor, bizim görevimiz sadece kübitlerin durumunu okumak ve ... onlardan doğru seçeneği seçmek. Ve burada zorluklar başlıyor. Kuantum bilgisayarın çalışma prensibi budur.

Kuantum bilgisayarın oluşturulması

Kuantum bilgisayarın fiziksel doğası ne olacak? Sadece parçacıklar bir kuantum durumuna ulaşabilir. Bir transistör gibi birkaç atomdan bir kübit oluşturamazsınız. Şimdiye kadar, bu sorun tam olarak çözülmedi. Birkaç seçenek var. Atomların yük durumları, örneğin sıradan bir noktada bir elektronun varlığı veya yokluğu, süper iletken elementler, fotonlar vb.

Bu tür "ince konular", kübitlerin durumunun ölçümlerine de kısıtlamalar getirir. Enerjiler son derece düşüktür, verileri okumak için amplifikatörlere ihtiyaç vardır. Ancak amplifikatörler bir kuantum sistemini etkileyebilir ve durumlarını değiştirebilir, ancak sadece onlar değil, gözlem gerçeği bile önemli olabilir.

Kuantum hesaplama, bir veya daha fazla kübit üzerinde gerçekleştirilen bir dizi işlemi içerir. Bunlar da tüm sistemde değişikliklere yol açar. Görev, hesaplamaların sonucunu veren durumlarından doğru olanı seçmektir. Bu durumda, bire mümkün olduğunca yakın olan keyfi olarak birçok durum olabilir. Buna göre, bu tür hesaplamaların doğruluğu neredeyse her zaman birlikten farklı olacaktır.

Bu nedenle, tam teşekküllü bir kuantum bilgisayar için fizikte önemli gelişmelere ihtiyaç vardır. Ek olarak, bir kuantum bilgisayar için programlama, şu anda var olandan farklı olacaktır. Son olarak, kuantum bilgisayarlar sıradan bilgisayarların çözemediği sorunları çözemeyecek, ancak üstesinden gelebileceklerinin çözümlerini hızlandırabilirler. Doğru, yine hepsi değil.

Kübitlere güvenmek, kübit kuantum bilgisayar

Yavaş yavaş, kuantum bilgisayar yolundaki sorunlar ortadan kalkar. İlk kübitler yüzyılın başında inşa edildi. Süreç on yılın başında hızlandı. Bugün, geliştiriciler zaten düzinelerce kübitli işlemciler üretebiliyorlar.

En son atılım, Google'ın bağırsaklarında Bristlecone işlemcisinin yaratılmasıydı. Mart 2018'de şirket, 72 kübitlik bir işlemci üretebildiğini söyledi. Google, Bristlecone'un hangi fiziksel ilkeler üzerine inşa edildiğini bildirmiyor. Bununla birlikte, bir kuantum bilgisayarı geleneksel bir bilgisayardan daha iyi performans göstermeye başladığında, "kuantum üstünlüğünü" elde etmek için 49 kübitin yeterli olduğuna inanılmaktadır. Google bu koşulu sağlamayı başardı, ancak %0,6'lık hata oranı hala gerekli olan %0,5'ten daha yüksek.

2017 sonbaharında IBM, 50 kübitlik bir kuantum işlemci prototipinin oluşturulduğunu duyurdu. O test ediliyor. Ancak 2017'de IBM, 20-qubit işlemcisini bulut bilişime açtı. Mart 2018'de IBM Q'nun daha küçük bir sürümü piyasaya sürüldü. Herkes böyle bir bilgisayarda deney yapabilir. Sonuçlarına göre, halihazırda 35 bilimsel makale yayınlanmıştır.

10. yıl dönümünün başında, bilgisayarlarını kuantum olarak konumlandıran İsveçli şirket D-Wave piyasaya çıktı. Tanınmış liderler sadece birkaç kübitle "kurcalarken", 1000 kübitlik makinelerin yaratıldığını duyurduğu için çok fazla tartışma yarattı. İsveçli geliştiricilerin bilgisayarları 10-15 milyon dolara satıldı, bu yüzden onları kontrol etmek o kadar kolay değildi.

D-Wave bilgisayarları kelimenin tam anlamıyla kuantum değildir, ancak bazı optimizasyon problemlerini çözmek için uygulanabilecek bazı kuantum efektleri kullanırlar. Başka bir deyişle, bir kuantum bilgisayarda yürütülebilen tüm algoritmalar, D-Wave'de kuantum ivmesi elde etmez. Google, İsveçlilerin sistemlerinden birini satın aldı. Sonuç olarak, araştırmacıları bilgisayarları "sınırlı kuantum" olarak kabul etti. Aynı zamanda, kübitlerin sekizli kümeler halinde gruplandırıldığı, yani gerçek sayılarının beyan edilenden belirgin şekilde daha az olduğu ortaya çıktı.

Rusya'da kuantum bilgisayar

Geleneksel olarak güçlü fizik okulu, bir kuantum bilgisayarın yaratılması için fiziksel problemlerin çözümüne önemli bir katkı yapmayı mümkün kılar. Ocak 2018'de Ruslar bir kuantum bilgisayar için bir sinyal yükseltici oluşturdular. Amplifikatörün kendisinin çalışmasıyla kübitlerin durumunu etkileyebildiği göz önüne alındığında, ürettiği gürültü seviyesi “vakum” olandan çok az farklı olmalıdır. Bu, NUST "MISIS" nin "Süper İletken Meta Malzemeler" laboratuvarından ve Rusya Bilimler Akademisi'nin iki enstitüsünden Rus bilim adamları tarafından sağlandı. Amplifikatörü oluşturmak için süper iletkenler kullanıldı.

Rusya'da da bir kuantum merkezi oluşturuldu. Kuantum fiziği alanında araştırma yapan bir sivil toplum araştırma kuruluşudur. Özellikle, kübit oluşturma sorunuyla ilgileniyor. Merkezin arkasında işadamı Sergei Belousov ve Harvard Üniversitesi profesörü Mikhail Lukin var. Liderliği altında, Harvard'da zaten Bristlecon'un duyurulmasından bir süre önce dünyanın en güçlü kuantum bilgisayar cihazı olan 51 kübitlik bir işlemci yaratılmıştı.

Kuantum hesaplamanın geliştirilmesi, Dijital Ekonomi devlet programının bir parçası haline geldi. 2018-20 yıllarında bu alandaki çalışmalara devlet desteği ayrılacaktır. Eylem planı, sekiz süper iletken kübite dayalı bir kuantum simülatörünün oluşturulmasını sağlar. Bundan sonra, bu teknolojinin daha fazla ölçeklenmesi konusuna karar verilecek.

Buna ek olarak, 2020'ye kadar Rusya başka bir kuantum teknolojisini test edecek: tuzaklarda nötr atomlar ve yüklü iyonlar üzerinde kübitler inşa etmek.

Programın amaçlarından biri, kuantum kriptografisi ve kuantum iletişimi için cihazlar yaratmaktır. Bunları tüketicilere - bankalara, veri merkezlerine, sanayi kuruluşlarına - dağıtacak kuantum anahtar dağıtım merkezleri oluşturulacak. Tam teşekküllü bir kuantum bilgisayarın, herhangi bir modern şifreleme algoritmasını birkaç dakika içinde kırabileceğine inanılıyor.

Sonuçta

Yani, kuantum bilgisayarlar hala deneyseldir. Gerçekten yüksek bilgi işlem gücü sağlayan tam teşekküllü bir kuantum bilgisayarın önümüzdeki on yıldan önce ortaya çıkması olası değildir. Kübitlerin üretimi ve onlardan kararlı sistemlerin inşası hala mükemmel olmaktan uzak.

Fiziksel düzeyde, kuantum bilgisayarların teknolojide ve muhtemelen maliyette farklılık gösteren birkaç çözümü olduğu gerçeğine bakılırsa, 10 yıl daha birleştirilmeyecekler.Standartlaştırma süreci uzun zaman alabilir.

Ayrıca, kuantum bilgisayarların önümüzdeki on yıl içinde muhtemelen "tek parça" ve çok pahalı cihazlar olacağı şimdiden açık. Basit bir kullanıcının cebinde olması pek olası değil ancak süper bilgisayarların listesinin çıkması beklenebilir.

İlgilenen araştırmacılar ve kuruluşlar kaynaklarını kullanabildiğinde, kuantum bilgisayarların "bulut" modelinde sunulması muhtemeldir.

Son yıllarda bilgisayarlar çok hızlı gelişti. Aslında, bir neslin anısına, büyük odaları kaplayan hantal lambalardan minyatür tabletlere geçtiler. Hafıza ve hız hızla arttı. Ancak, süper güçlü modern bilgisayarlara bile konu olmayan görevlerin ortaya çıktığı an geldi.

Kuantum bilgisayar nedir?

Geleneksel bilgisayarların kontrolünün ötesinde yeni görevlerin ortaya çıkması, bizi yeni fırsatlar aramaya zorladı. Ve geleneksel bilgisayarlara alternatif olarak kuantum bilgisayarlar ortaya çıktı. Kuantum bilgisayar, kuantum mekaniğinin öğelerine dayanan bir bilgisayar teknolojisidir. Kuantum mekaniğinin ana hükümleri geçen yüzyılın başında formüle edildi. Görünüşü, klasik fizikte çözülemeyen birçok fizik problemini çözmeyi mümkün kıldı.

Kuantum teorisi zaten ikinci yüzyılında olmasına rağmen, hala yalnızca dar bir uzmanlar çevresi tarafından anlaşılabilir. Ancak, zaten alıştığımız kuantum mekaniğinin gerçek sonuçları var - lazer teknolojisi, tomografi. Ve geçen yüzyılın sonunda, kuantum hesaplama teorisi Sovyet fizikçi Yu. Manin tarafından geliştirildi. Beş yıl sonra David Deutsch bir kuantum makinesi fikrini açıkladı.

Kuantum bilgisayar var mı?

Ancak fikirlerin uygulanması o kadar basit değildi. Periyodik olarak, başka bir kuantum bilgisayarın oluşturulduğuna dair raporlar var. Bilgi teknolojisi alanındaki devler, bu tür bilgisayar teknolojisinin geliştirilmesi üzerinde çalışıyor:

1. D-Wave, operasyonel kuantum bilgisayarların üretimine öncülük eden Kanadalı bir şirkettir. Yine de uzmanlar, gerçek kuantum bilgisayarların ne kadar gerçek olduğunu ve ne gibi avantajlar sağladığını tartışıyorlar.
2. IBM - bir kuantum bilgisayar yarattı ve İnternet kullanıcılarının kuantum algoritmalarını denemeleri için ona erişim açtı. 2025 yılına kadar şirket, pratik sorunları çözebilecek bir model oluşturmayı planlıyor.
3. Google - kuantumun geleneksel bilgisayarlara göre üstünlüğünü kanıtlayabilen bir bilgisayarın bu yıl piyasaya sürüldüğünü duyurdu.
4. Mayıs 2017'de Şanghay'daki Çinli bilim adamları, sinyal işleme frekansında analogları 24 kat aşarak dünyanın en güçlü kuantum bilgisayarını yarattıklarını açıkladılar.
5. Temmuz 2017'de Moskova Kuantum Teknolojileri Konferansı'nda 51 kübitlik bir kuantum bilgisayarın oluşturulduğu açıklandı.

Bir kuantum bilgisayarı geleneksel bir bilgisayardan nasıl farklıdır?

Kuantum bilgisayarın temel farkı, hesaplama sürecine yaklaşımdır.

1. Geleneksel bir işlemcide, tüm hesaplamalar iki durumda 1 veya 0 olan bitlere dayanır. Yani, tüm iş, belirtilen koşullara uygunluk için çok büyük miktarda veriyi analiz etmeye gelir. Kuantum bilgisayarlar kübitlere (kuantum bitleri) dayanır. Onların özelliği, 1, 0 ve hem 1 hem de 0 durumunda olma yeteneğidir.
2. İstenen cevabı çokluk arasında aramaya gerek olmadığı için, bir kuantum bilgisayarın olasılıkları önemli ölçüde artar. Bu durumda, cevap, belirli bir yazışma olasılığı ile zaten mevcut seçeneklerden seçilir.

Kuantum bilgisayar ne işe yarar?

Yeterli derecede olasılığa sahip bir çözüm seçimi ve modern bilgisayarlardan çok daha hızlı böyle bir çözüm bulma yeteneği üzerine kurulu bir kuantum bilgisayar ilkesi, kullanım amacını belirler. Her şeyden önce, bu tür bir bilgi işlem teknolojisinin ortaya çıkması kriptografları endişelendiriyor. Bunun nedeni, bir kuantum bilgisayarın parolaları kolayca hesaplayabilmesidir. Böylece, Rus-Amerikalı bilim adamları tarafından oluşturulan en güçlü kuantum bilgisayar, mevcut şifreleme sistemlerinin anahtarlarını elde edebilir.

Kuantum bilgisayarlar için daha yararlı uygulamalı problemler vardır, bunlar temel parçacıkların davranışı, genetik, sağlık, finansal piyasalar, ağları virüslerden koruma, yapay zeka ve sıradan bilgisayarların henüz çözemediği diğer birçok şeyle ilgilidir.

Kuantum bilgisayar nasıl çalışır?

Kuantum bilgisayarının cihazı, kübitlerin kullanımına dayanmaktadır. Şu anda kullanılan kübitlerin fiziksel bir uygulaması olarak:

• çok yönlü akıma sahip jumper'lı süper iletkenlerden yapılmış halkalar;
• lazer ışınlarının etkisi altında bireysel atomlar;
• iyonlar;
• fotonlar;
• yarı iletken nanokristallerin kullanımı için seçenekler geliştirilmektedir.

Kuantum bilgisayarı - çalışma prensibi

Klasik bir bilgisayarla çalışmanın kesinliği varsa, o zaman kuantum bilgisayarının nasıl çalıştığı sorusunu yanıtlamak kolay değildir. Kuantum bilgisayarın işleyişinin açıklaması, çoğu kişinin anlayamadığı iki ifadeye dayanmaktadır:

• Üstüste binme ilkesi- aynı anda 1 ve 0 konumlarında olabilen kübitlerden bahsediyoruz. Bu, aynı anda birkaç hesaplama yapmanızı ve seçenekler arasında sıralama yapmamanızı sağlar, bu da zaman açısından büyük bir kazanç sağlar;
• kuantum dolaşıklığı- A. Einstein tarafından not edilen, iki parçacığın ilişkisinden oluşan bir fenomen. Basit bir deyişle, parçacıklardan biri pozitif bir sarmallığa sahipse, ikincisi anında pozitif bir sarmallık alır. Bu ilişki mesafeden bağımsız olarak gerçekleşir.

Kuantum Bilgisayarını kim icat etti?

Kuantum mekaniğinin temeli, geçen yüzyılın en başında bir hipotez olarak ifade edildi. Gelişimi, Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac gibi parlak fizikçilerle ilişkilidir. 1980'de Yu Antonov, kuantum hesaplama olasılığı fikrini önerdi. Bir yıl sonra, Richard Feineman teorik olarak ilk kuantum bilgisayarı modelledi.

Şimdi kuantum bilgisayarların yaratılması geliştirme aşamasındadır ve bir kuantum bilgisayarın neler yapabileceğini hayal etmek bile zordur. Ancak bu yönün gelişiminin insanlara bilimin her alanında birçok yeni keşifler getireceği, mikro ve makro dünyaya bakmalarına, zihnin doğası, genetik hakkında daha fazla bilgi edinmelerine olanak sağlayacağı kesinlikle açıktır.

Kuantum bilgisayar, verileri iletmek ve işlemek için kuantum süperpozisyonu ve kuantum dolaşıklığı fenomenini kullanan bir bilgi işlem cihazıdır. Tam teşekküllü bir evrensel kuantum bilgisayarı hala varsayımsal bir cihazdır, birçok parçacık ve karmaşık deneyler alanında kuantum teorisinin ciddi bir gelişimi ile bağlantılı olan inşa etme olasılığı; Bu alandaki gelişmeler, modern fiziğin en son keşifleri ve başarıları ile ilişkilidir. Şu anda, düşük karmaşıklığa sahip sabit bir algoritma yürüten pratik olarak yalnızca birkaç deneysel sistem uygulandı.

Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nden bilim adamları, İsviçre'den meslektaşlarıyla birlikte, bir kuantum bilgisayarını başarılı bir şekilde geçmişe dönmeye zorladıkları deneyler yaptılar. Phys.org web sitesinde yayınlanan bir basın açıklamasına göre, bu etkinin olasılığını açıklayan çalışmanın kısa sonuçları. Bilimsel Raporlar dergisinde uluslararası bir fizikçi ekibi tarafından yapılan çalışmanın detayları.

Pek çok uzman, tam teşekküllü kuantum bilgisayarların ortaya çıkmasıyla, kripto para birimleri ve blok zinciri çağının mantıklı bir şekilde sona ereceğinden emindir - kripto para birimlerinin dayandığı kriptografi sistemleri anında saldırıya uğrayacak ve kripto para birimlerinin kendileri değer kaybedecektir, çünkü Bir kuantum bilgisayarının sahibinin yapacağı ilk şey, kalan Bitcoin'leri, Eterleri ve diğer popüler "paraları" çıkarmaktır. Kuantum çağında kripto para birimleri için kasvetli bir gelecek öngören Kanadalı fizikçi Alex Beath'in düşündüğü şey tam olarak bu.

Geçen hafta Google'ın bir kuantum bilgisayarının geliştirilmesinde bir atılım yaptığına dair haberler vardı -
şirket böyle bir bilgisayarın nasıl başa çıkacağını anladı
kendi hatalarımla Birkaç yıldır kuantum bilgisayarlardan bahsediyorlar: örneğin, Time dergisinin kapağındaydı. Bu tür bilgisayarlar ortaya çıkarsa, klasik bilgisayarların görünümüne benzer ve hatta daha ciddi bir atılım olacaktır. Bana Bak, kuantum bilgisayarların neden iyi olduğunu ve Google'ın tam olarak ne yaptığını açıklıyor.

Kuantum bilgisayar nedir?

Kuantum bilgisayar, teorik fiziğin en karmaşık bölümü olan bilgisayar bilimi ile kuantum fiziğinin kesiştiği bir mekanizmadır. 20. yüzyılın en büyük fizikçilerinden biri olan Richard Feynman bir keresinde şöyle demişti: "Kuantum fiziğini anladığınızı düşünüyorsanız, onu anlamıyorsunuz demektir." Bu nedenle, aşağıdaki açıklamaların inanılmaz derecede basitleştirilmiş olduğunu lütfen unutmayın. İnsanların kuantum fiziğini anlaması yıllar alıyor.

Kuantum fiziği, bir atomdan daha küçük olan temel parçacıklarla ilgilenir. Bu parçacıkların düzenlenme şekli ve nasıl davrandıkları, evren hakkındaki fikirlerimizin çoğuyla çelişir. Bir kuantum parçacığı aynı anda birkaç yerde ve aynı anda birkaç durumda olabilir. Bir madeni para attığınızı düşünün: havadayken yazı veya tura gelip gelmeyeceğini bilemezsiniz; bu madeni para aynı anda hem tura hem tura gibidir. Kuantum parçacıkları böyle davranır. Buna süperpozisyon ilkesi denir.

Kuantum bilgisayar, hala süperpozisyon ilkesini kullanacak varsayımsal bir cihazdır. (ve diğer kuantum özellikleri)
bilgi işlem için. Tipik bir bilgisayar transistörlerle çalışır,
herhangi bir bilgiyi sıfırlar ve birler olarak algılayan. İkili kod tüm dünyayı tanımlayabilir ve içindeki tüm sorunları çözebilir. Klasik bitin kuantum analoğuna kübit denir. (qubit, qu - kuantum, kuantum kelimesinden). Süperpozisyon ilkesini kullanarak, bir kübit aynı anda
0 ve 1 durumunda - ve bu, geleneksel bilgisayarlara kıyasla gücü önemli ölçüde artırmakla kalmaz, aynı zamanda beklenmedik sorunları çözmenize de olanak tanır,
hangi sıradan bilgisayarlar yapamaz.

Süperpozisyon ilkesi sadece
Kuantum bilgisayarlar neye dayanacak?

Numara. Kuantum bilgisayarların sadece teoride var olması nedeniyle, bilim adamları hala tam olarak nasıl çalışacaklarını tahmin ediyorlar. Örneğin, kuantum bilgisayarların da kuantum dolaşıklığı kullanacağına inanılıyor.
Albert Einstein'ın "ürkütücü" dediği şey budur ( genel olarak kuantum teorisine karşıydı, çünkü kendi görelilik teorisiyle uyumlu değildi). Bu fenomenin anlamı, Evrendeki iki parçacığın birbirine bağlanabilmesidir ve bunun tersi de geçerlidir: diyelim ki, helislik
(temel parçacıkların durumunun böyle bir özelliği vardır, ayrıntılara girmeyeceğiz) ilk parçacığın pozitif, ikincinin sarmallığı her zaman negatif olacaktır ve bunun tersi de geçerlidir. Bu fenomene iki nedenden dolayı "ürpertici" denir. Birincisi, bu bağlantı anında, ışık hızından daha hızlı çalışır. İkincisi, dolaşık parçacıklar birbirinden herhangi bir mesafede olabilir.
bir arkadaştan: örneğin, Samanyolu'nun farklı uçlarında.

Kuantum bilgisayar nasıl kullanılabilir?

Bilim adamları, kuantum bilgisayarlar için uygulamalar arıyorlar ve aynı zamanda onları nasıl inşa edeceklerini buluyorlar. Ana şey, bir kuantum bilgisayarın bilgileri çok hızlı bir şekilde optimize edebilecek ve genellikle biriktirdiğimiz, ancak henüz nasıl kullanılacağını anlamadığımız büyük verilerle çalışabilmesidir.

Bunu hayal edelim (elbette çok basitleştirilmiş): Yay ile bir hedefi vurmak üzeresiniz ve ne kadar yükseğe nişan alacağınızı bulmanız gerekiyor. Diyelim ki 0 ila 100 cm arasındaki yüksekliği hesaplamanız gerekiyor Geleneksel bir bilgisayar sırayla her bir yörüngeyi hesaplayacaktır: önce 0 cm, sonra 1 cm, sonra 2 cm, vb. Öte yandan bir kuantum bilgisayar, tüm seçenekleri aynı anda hesaplayacak ve size anında hedefi tam olarak vurmanıza izin verecek olanı verecektir. Birçok süreç bu şekilde optimize edilebilir:
tıptan (bkz: kanseri erken teşhis edin) havacılıktan önce (örneğin, daha karmaşık otomatik pilotlar yapın).

Ayrıca, böyle bir bilgisayarın, geleneksel bir bilgisayarın basitçe çözemediği sorunları çözebileceği veya binlerce yıl bilgi işlem gerektireceği bir versiyonu da var. Bir kuantum bilgisayar, en karmaşık simülasyonlarla çalışabilecektir: örneğin, evrende insanlardan başka akıllı varlıkların olup olmadığını hesaplamak için. Kuantum bilgisayarların yaratılmasının
yapay zekanın ortaya çıkışına kadar. Konvansiyonel bilgisayarların gelişinin dünyamıza neler yaptığını bir hayal edin - kuantum bilgisayarlar aşağı yukarı aynı buluş olabilir.

Kuantum bilgisayarları kim geliştiriyor?

Her şey. Hükümetler, ordu, teknoloji şirketleri. Bir kuantum bilgisayar inşa etmek neredeyse herkese fayda sağlayacaktır. Örneğin, Edward Snowden tarafından yayınlanan belgeler arasında, NSA'nın bilgileri şifrelemek için bir kuantum bilgisayarın oluşturulmasını içeren "Karmaşık hedeflere giriş" projesi olduğu bilgisi vardı. Microsoft, kuantum bilgisayarlarla ciddi şekilde ilgileniyor - bu alandaki ilk araştırmalarına 2007'de başladılar. IBM, geliştirmeye öncülük ediyor ve birkaç yıl önce üç kübitli bir çip oluşturduklarını duyurdular. Son olarak, Google ve NASA işbirliği yapıyor
zaten piyasaya sürdüğünü iddia eden D-Wave şirketi ile
"ilk ticari kuantum işlemcisi" (veya daha doğrusu ikincisi, şimdi modellerine D-Wave Two deniyor), ama henüz bir kuantum olarak çalışmıyor -
unutmayın, onlar yok.

yaratmaya ne kadar yakınız?
kuantum bilgisayar?

Kimse kesin olarak söyleyemez. Teknolojideki atılımlarla ilgili haberler (Google ile ilgili son haberler gibi) sürekli ortaya çıkıyor, ama çok uzakta olabiliriz
tam teşekküllü bir kuantum bilgisayardan ve ona çok yakın. Diyelim ki sadece bir bilgisayar yaratmanın yeterli olduğunu söyleyen çalışmalar var.
tam teşekküllü bir kuantum bilgisayar gibi çalışmasını sağlamak için birkaç yüz kübit ile. D-Wave, 84 kübitlik bir işlemci yarattığını iddia ediyor -
ancak işlemcilerini analiz eden eleştirmenler çalıştığını iddia ediyor,
klasik bir bilgisayar gibi, kuantum gibi değil. Google ortak çalışanları
D-Wave ile işlemcilerinin geliştirmenin çok erken aşamalarında olduğuna ve sonunda bir kuantum gibi çalışacağına inanıyorlar. Bir şekilde, şimdi
kuantum bilgisayarların bir ana sorunu var - hatalar. Tüm bilgisayarlar hata yapar, ancak klasik bilgisayarlar bunlarla kolayca başa çıkabilir - ancak kuantum olanlar hala yapmaz. Araştırmacılar hataları çözdükten sonra, kuantum bilgisayarın ortaya çıkmasına sadece birkaç yıl kalmış olacak.

Hataları düzeltmeyi zorlaştıran nedir
kuantum bilgisayarlarda?

Basitleştirmek için, kuantum bilgisayarlardaki hatalar iki düzeye ayrılabilir. Birincisi, klasik olanlar da dahil olmak üzere herhangi bir bilgisayarın yaptığı hatalardır. Kozmik ışınlar veya radyasyon gibi harici gürültü nedeniyle 0 istemsiz olarak 1'e değiştiğinde bilgisayarın belleğinde bir hata oluşabilir. Bu hataların çözülmesi kolaydır, tüm veriler bu tür değişiklikler için kontrol edilir. Ve Google kısa süre önce kuantum bilgisayarlarda bu sorunla ilgilendi: dokuz kübitlik bir zinciri stabilize ettiler
ve onu hatalardan kurtardı. Bununla birlikte, bu atılımın bir nüansı var: Google, klasik hesaplamadaki klasik hatalarla ilgilendi. Kuantum bilgisayarlarda ikinci bir hata düzeyi vardır ve anlaşılması ve açıklanması çok daha zordur.

Qubit'ler son derece kararsızdır, kuantum uyumsuzluğa tabidir - bu, çevrenin etkisi altında bir kuantum sistemi içindeki iletişimin ihlalidir. Bir kuantum işlemci mümkün olduğunca çevreden izole edilmelidir. (eşevresizlik bazen iç süreçlerin bir sonucu olarak ortaya çıksa da) Hataları minimumda tutmak için. Aynı zamanda, kuantum hatalarından tamamen kurtulmak imkansızdır - ancak onları yeterince nadir hale getirirseniz, bir kuantum bilgisayar çalışabilir. Aynı zamanda, bazı araştırmacılar böyle bir bilgisayarın gücünün %99'unun sadece yönlendirileceğine inanıyor.
hataları ortadan kaldırmak için, ancak kalan %1 herhangi bir sorunu çözmek için yeterlidir.
Fizikçi Scott Aaronson'a göre, Google'ın başarısı üçüncü olarak kabul edilebilir.
bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için gereken yedi adımın yarısı ile - başka bir deyişle, yolun yarısındayız.