Procesor kuantik: përshkrimi, parimi i operimit

Rreth llogaritjeve kuantike, të paktën në teori, flasin për disa dekada. Llojet moderne të makinave që përdorin mekanikën jo-klasike për të përpunuar vëllime potencialisht të paimagjinueshme të të dhënave janë bërë një zbulim i madh. Sipas zhvilluesve, zbatimi i tyre doli të jetë, ndoshta, teknologjia më komplekse e krijuar ndonjëherë. Procesorë kuantik veprojnë në nivele të materies që njerëzimi i ka mësuar vetëm 100 vjet më parë. Potenciali i llogaritjeve të tilla është i madh. Duke përdorur pronat quirky të quanta do të përshpejtojë llogaritje, aq shumë detyra që janë aktualisht jashtë të arrijnë për kompjuterët klasik do të zgjidhet. Dhe jo vetëm në fushën e kimisë dhe shkencës së materialeve. Wall Street gjithashtu po tregon interes.

Investimi në të ardhmen

Grupi CME investoi në kompaninë Vancouver 1QB Information Technologies Inc., e cila zhvillon softuer për përpunuesit e tipit kuantik. Sipas investitorëve, kalkulimet e tilla ka të ngjarë të kenë ndikimin më të madh në industritë që punojnë me vëllime të mëdha të të dhënave të ndjeshme në kohë. Një shembull i këtyre konsumatorëve janë institucionet financiare. Goldman Sachs investoi në Sistemet D-Wave, dhe In-Q-Tel financohet nga CIA. E para prodhon makina që bëjnë atë që quhet "pjekja kuantike", që do të thotë, zgjidh detyrat e optimizimit të nivelit të ulët me ndihmën e një procesori kuantik. Intel po investon gjithashtu në këtë teknologji, edhe pse e konsideron zbatimin e saj një çështje të së ardhmes.

Pse është e nevojshme kjo?

Arsyeja pse informatika kuantike është kaq emocionuese është në kombinimin e tyre ideal me mësimin e makinës. Aktualisht, ky është aplikimi kryesor për llogaritjet e tilla. Pjesërisht kjo është pasojë e vetë idesë së një kompjuteri kuantik - përdorimi i një pajisjeje fizike për të gjetur zgjidhje. Ndonjëherë ky koncept është shpjeguar në shembullin e lojës Angry Birds. Për të simuluar gravitetin dhe ndërveprimin e objekteve të përplasura, CPU e tabletës përdor ekuacione matematikore. Procesorë kuantike e vendosën një metodë të tillë me kokë poshtë. Ata "hedhin" disa zogj dhe shohin se çfarë ndodh. Microchip regjistron detyrë: ata janë zogj, ata janë hedhur, cila është trajektorja optimale? Pastaj, të gjitha zgjidhjet e mundshme, ose të paktën një kombinim shumë i madh i tyre, testohen dhe jepen përgjigje. Në kompjuterin kuantik, problemi nuk zgjidhet nga një matematikan, në vend të tij ligjet e punës fizike.

Si funksionon?

Blloqet themelore të botës janë mekanike kuantike. Nëse shikojmë në molekula, arsyeja pse ato formohen dhe mbesin të qëndrueshme është ndërveprimi i orbitave të tyre elektronike. Të gjitha llogaritjet mekanike kuantike përmbahen në secilën prej tyre. Numri i tyre rritet në mënyrë eksponenciale në rritjen e numrit të elektroneve të simuluar. Për shembull, për 50 elektronet ekzistojnë 2 në fuqinë 50 të varianteve të mundshme. Ky është një numër fenomenal i madh, prandaj nuk mund ta llogarisni sot. Lidhja e teorisë së informacionit me fizikën mund të tregojë rrugën për zgjidhjen e problemeve të tilla. Një kompjuter 50 kbit mund ta bëjë këtë.

Agimi i një epoke të re

Sipas Landon Downes, president dhe bashkë-themelues i 1QBit, një procesor kuantik është një mundësi për të përdorur fuqinë informatike të botës subatomike, e cila është me rëndësi të madhe për marrjen e materialeve të reja ose krijimin e drogave të reja. Ekziston një kalim nga paradigma e zbulimeve në një epokë të re të dizajnit. Për shembull, llogaritjet kuantike mund të përdoren për të simuluar katalizatorët që lejojnë nxjerrjen e karbonit dhe azotit nga atmosfera, duke ndihmuar kështu në ndalimin e ngrohjes globale.

Në ballë të progresit

Komuniteti i zhvilluesve të kësaj teknologjie është jashtëzakonisht i ngazëllyer dhe i zënë me punë aktive. Ekipet anembanë botës po ndërtojnë makina në startups, korporata, universitete dhe laboratore qeveritare që përdorin qasje të ndryshme në përpunimin e informacionit kuantik. Mburoja e mbipopullimit të qitëve dhe qubits mbi jonet e bllokuar u krijuan nga studiuesit nga Universiteti i Maryland dhe Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë i Shteteve të Bashkuara. Microsoft po zhvillon një qasje topologjike të quajtur Station Q, e cila synon të përdorë një anion jo-abelian, ekzistenca e të cilit ende nuk është provuar përfundimisht.

Viti i arritjes së mundshme

Dhe ky është vetëm fillimi. Që nga fundi i majit 2017, numri i procesorëve të tipit kuantik që në mënyrë unike bëjnë diçka më të shpejtë ose më të mirë se një kompjuter klasik është zero. Një ngjarje e tillë do të krijojë "epërsi kuantike", por deri më tani nuk ka ndodhur. Edhe pse ka të ngjarë që kjo të ndodhë edhe këtë vit. Shumica e njerëzve të brendshëm thonë se preferenca e qartë është ekipi i Google i udhëhequr nga John Martini, profesor i fizikës në Universitetin e Kalifornisë në Santa Barbara. Qëllimi i tij është të arrijë epërsi kompjuterike me ndihmën e një CPU 49-bit. Deri në fund të majit 2017, ekipi testoi me sukses një chip 22-chip si një hap të ndërmjetëm për çmontimin e një super kompjuteri klasik.

Si filloi të gjitha këto?

Ideja e përdorimit të mekanikës kuantike për përpunimin e informacionit ka qenë për dekada të tëra. Një nga ngjarjet kryesore ndodhi në vitin 1981, kur IBM dhe MIT organizuan së bashku një konferencë mbi fizikën kompjuterike. Fizikanti i famshëm Richard Feynman propozoi të ndërtonte një kompjuter kuantik. Siç tha ai, për modelimin është e nevojshme të përdoren mjetet e mekanikës kuantike. Dhe kjo është një detyrë e madhe, sepse nuk duket aq e thjeshtë. Në një procesor kuantik, parimi i operacionit bazohet në disa veta të çuditshme të atomet - mbivendosjes dhe ngërçit. Një grimcë mund të jetë në dy shtete njëkohësisht. Megjithatë, kur matet, do të jetë vetëm në njërën prej tyre. Dhe është e pamundur të parashikohet se cili, përveç nga perspektiva e teorisë së probabilitetit. Ky efekt është baza e eksperimentit të mendimit me mace Schrodinger, e cila është në kutinë në të njëjtën kohë të gjallë dhe të vdekur derisa vëzhguesi atje të mbytet. Asgjë në jetën e përditshme nuk funksionon kështu. Megjithatë, rreth 1 milion eksperimente të kryera që nga fillimi i shekullit të njëzetë tregojnë se mbivendosja ekziston. Dhe hapi tjetër do të jetë të kuptoj se si ta përdorim këtë koncept.

Procesor kuantik: përshkrimi i punës

BITS klasike mund të marrin vlerën 0 ose 1. Nëse kaloni vijën e tyre përmes "portës logjike" (AND, OR, NOT, etj.), Ju mund të shumëzoni numrat, të vizatoni figurat etj. Kuba mund të marrë vlera 0, 1 ose të dyja në të njëjtën kohë. Nëse, për shembull, 2 qubits janë të ngatërruar, atëherë kjo i bën ata plotësisht të ndërlidhur. Një procesor i tipit kuantik mund të përdorë porta logjike. T. n. Për shembull, valvula Hadamard vendos qubit në një gjendje të mbivendosjes së përsosur. Nëse mbivendosja dhe ngërçi janë të kombinuara me porta kuantike të vendosura me mjeshtëri, atëherë potenciali i llogaritjeve subatomike fillon të shpaloset. 2 qubits lejojnë të ekzaminojnë 4 shtete: 00, 01, 10 dhe 11. Parimi i procesorit kuantik është i tillë që ekzekutimi i një operacioni logjik bën të mundur që të punohet me të gjitha pozicionet në të njëjtën kohë. Dhe numri i shteteve në dispozicion është 2 në fuqinë e numrit të qubits. Pra, nëse bëjmë një kompjuter quantum universal 50-qubit, atëherë teorikisht është e mundur të hetojmë të gjitha 1 125 kombinime kuadrillion njëkohësisht.

Kuditë

Procesori kuantik në Rusi shihet disi ndryshe. Shkencëtarët nga MIPT dhe Qendra kuantike ruse krijuan "kudit", të cilat janë disa "virtuale" me nivel të ndryshëm "energji".

amplitudë

Një procesor i tipit kuantik ka avantazhin se mekanika kuantike bazohet në amplitudat. Amplitudes janë të ngjashme me probabilitetin, por ato gjithashtu mund të jenë numra negative dhe komplekse. Pra, nëse keni nevojë të llogarisni probabilitetin e një ngjarjeje, mund të shtoni amplitudat e të gjitha opsioneve të mundshme për zhvillimin e tyre. Ideja e llogaritjes kuantike është të përpiqet të përshtasë modelin e ndërhyrjes në mënyrë të tillë që disa mënyra për përgjigjet e gabuara të kenë një amplitudë pozitive dhe disa - një negative, prandaj ata do të kompensonin njëra-tjetrën. Dhe shtigjet që çojnë në përgjigjen e saktë do të kishin amplitudë që janë në fazë me njëri-tjetrin. Qëllimi është që është e nevojshme të organizohet çdo gjë pa e ditur paraprakisht se cila përgjigje është e saktë. Pra, eksponenciali i gjendjeve kuantike në kombinim me potencialin e ndërhyrjes midis amplitudeve pozitive dhe negative është një avantazh i llogaritjeve të këtij lloji.

Algorithm Shor-së

Ka shumë detyra që kompjuteri nuk mund ta zgjidhë. Për shembull, encryption. Problemi është se nuk është aq e lehtë të gjenden shumëzues të thjeshtë të një numri me 200 shifra. Edhe nëse kompjuteri po punon me programe të shkëlqyera, atëherë mund të duhet të prisni vite për të gjetur përgjigjen. Prandaj, një tjetër algoritëm në kompjuterin kuantik ishte algoritmi i botuar në 1994 nga Peter Shore, tani profesor i matematikës në MIT. Metoda e tij është gjetja e shumëfishuesve të një numri të madh me ndihmën e një kompjuteri kuantik, i cili nuk ekzistonte atëherë. Në fakt, algoritmi kryen operacione që tregojnë zonat me përgjigje të saktë. Vitin e ardhshëm, Shor zbuloi një metodë të korrigjimit të gabimeve kuantike. Pastaj shumë e kuptuan se kjo është një mënyrë alternative e informatizimit, e cila në disa raste mund të jetë më e fuqishme. Pastaj erdhi një rritje e interesit nga ana e fizikanëve për të krijuar qeveri dhe porta logjike midis tyre. Dhe tani, dy dekada më vonë, njerëzimi është në prag të krijimit të një kompjuteri kuantik të plotë.