Биз кванттык компьютерлер жөнүндө бир нече жылдан бери угуп келебиз. Бирок ал эмне? Кванттык компьютер эмне үчүн керек? Бүгүн мунун баары жөнөкөй сөз менен.
Квант компьютер илимдин өнүгүшүнө оң таасирин тийгизет деп күткөн көптөгөн изилдөөчүлөр чоң үмүт арткан ойлоп табуу. Бирок кванттык физиканын кантип иштээрин түшүнүү абдан кыйын. Кээ бир физиктер азыркы «кванттык компьютерлерди» ушинтип аташ керекпи деп күмөн санашат. Кванттык эсептөөнү колдонуудагы эң чоң тоскоолдук – бул кванттык машиналардын чөйрөсүндөгү эң кичинекей өзгөрүүлөрдүн таасири тийген көп сандагы каталар. Азырынча биз кванттык биттердин потенциалын толук канааттандырарлык пайдалана алган жокпуз. Бүгүн биз бул кванттык биттердин өзгөчөлүгүн аныктоого аракет кылабыз?
Кванттык компьютерлер барбы?
Ар бир чыныгы илимпоздун маңызы – ишенбөө жана дайыма текшерип туруу. Студент кезимде ушул сөздөрдү эстедим. Жана бир нече жолу ал бул сөз айкашынын тууралыгына ынанган. Бул "кванттык компьютерлерге" да тиешелүү. Эмне үчүн мен бул компьютерлердин атын келтирдим? Келгиле, билип алалы.
Кванттык компьютерлер абдан татаал тема, бирок мен аны мүмкүн болушунча жөнөкөй кылып, алар жөнүндө жеткиликтүү түрдө айтып берүүгө аракет кылам. Бүгүнкү күндө да илимпоздор, физиктер жана инженерлер иштеген кванттык компьютер дүйнөнүн кайсы бир жеринде барбы деген жөнөкөй суроону талаша алышат. "Бирок, IBM сыяктуу компаниялар кванттык компьютерлер менен кантип мактанышат!" - деп айтышы мүмкүн. Жана ал туура болот. IBM чындап эле кванттык компьютерди жараттыбы же жөн эле анын аппаратын "кванттык компьютер" деп атадыбы, бул ачык суроо бойдон калууда.
Досторумдун бири менден кванттык компьютерлер биз көнгөн компьютерлерден эмнеси менен айырмаланарын жөнөкөй сөз менен түшүндүрүп берүүмдү суранганда, мен көбүнчө жөнөкөй салыштырууну колдоном. Эгерде биздин классикалык компьютерлер (мисалы PC, ноутбук жана смартфондор) шамдар, анда кванттык компьютерлер электр лампалары. Экөөнүн тең максаты бирдей – ысытуу лампалары жана шамдар үчүн бул жарык чыгаруу, ал эми компьютерлер үчүн эсептөөлөр үчүн. Бирок, эки учурда тең максат такыр башка ишке ашып, натыйжасы башка. Жөнөкөй сөз менен айтканда, кванттык компьютер заманбап компьютерлердин жакшыртылган версиясы эмес, лампочка чоңураак шам гана эмес. Шамдарды жакшыраак жасап, лампочка жасай албайсың. лампочка башкача технология, тереңирээк илимий түшүнүүгө негизделген. Ошо сыяктуу эле, кванттык компьютер кванттык физикага негизделген түзүлүштүн жаңы түрү жана лампочка коомду өзгөрткөндөй эле, кванттык компьютерлер да биздин жашообуздун көптөгөн аспектилерине, анын ичинде коопсуздук муктаждыктарына, саламаттыкты сактоого жана ал тургай Интернетке да таасир этиши мүмкүн.
Демек, эгерде компьютерлерди лампалар менен салыштырып көрсөк, анда «квант Джозеф Свон» (биринчи функционалдык күйгүзүүчү лампочканын жаратуучусу) али пайда боло элек жана азырынча илим жөнөкөй сөз менен айтканда, текшерүү менен "кызыл жана ысык бир нерсе", ал канчалык жаркыраган. Биз кванттык компьютерлер кандай иштээри тууралуу кээ бир теориялык негиздерин билебиз, бирок алардын өнүгүүсүнө чоң тоскоолдуктар бар, алар дагы эле чечилишин күтүп жатат.
Дүйнө жүзүндөгү изилдөө борборлору жана компаниялары мындан аркы сыноолорду жана изилдөөлөрдү жүргүзүп жатышат, ал эми кванттык физика жаатындагы эксперттер биз ушул этапта жетүү мүмкүн болбогон максаттарга жетүү үчүн колдоно ала турган толук иштеген кванттык машиналарды түзүү ондогон жылдардан өтөөрү анык. жылдардын.
Мен ишенем жана көптөгөн окумуштуулар мени менен макул болушат, азыркы учурда кванттык компьютерлер деп аталган машиналар мындай атка таптакыр татыксыз. Аларда эсептөөлөрдү жүргүзүү же биз кадимки, классикалык жол менен чече албаган маселелерди чечүү жөндөмү жок.
Биз азыркы кезде классикалык компьютерлер үчүн жеткиликсиз маселелерди чече турган кванттык машинаны түзө тургандай технологиялык өнүгүүбүздүн ушунчалык даражасына жете элекпиз. Албетте, Google же IBM классикалык жол менен жасоо кыйынга турган кээ бир аткарылган эсептөөлөр жөнүндө сүйлөшөт, бирок учурда алар ынандырарлык эмес.
Ошондой эле окуңуз: Кытай дагы космосту изилдөөгө дилгир. Анда алар кандай абалда?
Квант деген эмне?
Ансыз деле "квант" деген эмне? Бул физикалык объект эмес. «Квант» термини физикада бир нерсенин мүмкүн болгон эң кичине бөлүгүн сүрөттөө үчүн колдонулат. Ошентип, сизде "күч квантына", "убакыт квантына" же "бөлүкчөлөрдүн квантына" ээ боло аласыз. Бул жолду улантып, биз «кванттык физика» жана «кванттык механика» сыяктуу терминдерге, б.а. мүмкүн болгон эң кичинекей өз ара аракеттенишүүлөр же системалар менен алектенген илим тармактарына – атомдор деңгээлинде, ал тургай жеке кварктарга да жетебиз.
Мына эми биз кубитке (кванттык бит), башкача айтканда, «кванттык маалыматтын эң кичинекей жана бөлүнгүс бирдигине» жеттик. Ошол эле учурда биз классикалык компьютерлердин (биттерди колдонуу менен) жана кванттык компьютерлердин (кубиттерди колдонуу менен) эсептөөлөрдү кантип аткарышындагы окшоштуктар жана айырмачылыктар жөнүндө айтып берген биринчи пунктка да келебиз.
Классикалык компьютерлерде ар бир маалымат бирдиктердин жана нөлдөрдүн ырааттуулугу катары сакталат. Мындай маалымат компьютер, консоль, смартфон аркылуу кабыл алынат жана чечмеленет. акылдуу саат жана акылдуу сыналгы, бул маалымат боюнча аткарылган операцияларга окшош. Биз эс алуу сүрөттөрүн карап жатабызбы, достор менен баарлашабызбы, акыркы оюнду ойнойбузбу же өркүндөтүлгөн криптографиялык эсептөөлөрдү аткарып жатабызбы, бардыгы 0 же 1 бар бинардык системада болот жана башка эч нерсе жок. Чынында, бул классикалык ооба же жок сыяктуу.
Бул система канчалык эффективдүү эмес экенин анын чегине жеткенде көрүүгө болот. Смартфондорубузда дагы бир селфи үчүн орун калбай калдыбы же илимпоздор пандемиянын өнүгүшүнүн математикалык моделдерин түзүүгө аракет кылып жатышабы, көйгөй нөлдөрдүн жана бирдиктердин өтө көп болушунда, аларды сактоо үчүн ресурстардын жана аларды эсептөө жеткиликтүү эмес.
Qubit бул маселени чечет. Бул маалыматта кванттык физиканын касиеттери колдонулат, бул анын суперпозиция деп аталган абалда калышына мүмкүндүк берет. Кубит 0дөн 1ге чейинки каалаган маанини ала алат. Ал бүт спектрдин касиеттерине ээ жана 15 пайыз нөл жана 85 пайыз бир сыяктуу маанилерге ээ болушу мүмкүн. Теориялык жактан алганда, бул көбүрөөк маалыматты сактоого же эсептөөлөрдү тездетүүгө мүмкүндүк берет. Бирок ошол эле учурда башкарууга, ал тургай түшүнүүгө да кыйын болгон көптөгөн көйгөйлөр пайда болот.
Кванттык ЭЭМдин дагы бир өзгөчөлүгү, эсептөө күчүн кошумча масштабдатууга мүмкүндүк берет, бул кванттык түйшүктү колдонуу. Бул эки кубиттин бири-бирине туташкан абалы жана биз алардын бирин байкаган сайын экинчиси так ошондой абалда болот. Entangment кубиттерди маалыматты жаздыруу жана иштетүү үчүн дагы эффективдүү бирдиктерге топтоого мүмкүндүк берет.
Ошондой эле окуңуз: Биохаккерлер кимдер жана эмне үчүн алар өз ыктыяры менен чип кылышат?
Кванттык жабдуулар
Кванттык компьютер үч негизги бөлүктөн турат: кубиттерди сактоочу аймак, кубиттерге сигналдарды берүү ыкмасы жана программаны иштетүү жана нускамаларды жөнөтүү үчүн классикалык компьютер.
Кубиттерди түзгөн кванттык материал назик жана айлана-чөйрөнүн таасирине өтө сезгич. Кубит сактоонун кээ бир ыкмалары үчүн кубиттерди жайгаштырган бирдик алардын когеренттүүлүгүн жогорулатуу үчүн абсолюттук нөлгө жакын температурада кармалат. Кубит сактоонун башка түрлөрү титирөөнү азайтуу жана кубиттерди турукташтыруу үчүн вакуумдук камераны колдонушат.
Микротолкундар, лазерлер жана электрдик чыңалуу сыяктуу кубиттерге сигналдарды берүүнүн ар кандай ыкмалары бар.
Кванттык компьютерлердин нормалдуу иштешин орнотуу үчүн көптөгөн маселелерди чечүү зарыл. Кванттык компьютерлердин негизги көйгөйү катаны оңдоо болуп саналат, ал эми масштабдоо (көбүрөөк кубиттерди кошуу) алардын жыштыгын дагы жогорулатат. Бул чектөөлөрдөн улам, столуңуздагы кванттык персоналдык компьютер дагы эле алыскы келечек, бирок коммерциялык кванттык компьютерлер жакынкы келечекте жеткиликтүү болуп калышы мүмкүн. Бул тууралуу кененирээк сүйлөшөлү.
Кванттык компьютерлердин маселелери
Бирок, кванттык компьютерлердин бир чоң көйгөйү бар. Башкача айтканда, илимпоздор аларды колдонууда чоң көйгөйгө дуушар болушат, анткени алардын өзгөчө касиеттери аркасында кубиттер алардан кандайдыр бир маалыматты так окуй алуу үчүн жетиштүү тынч чөйрөгө муктаж. Ар бир, атүгүл кичинекей бузуу маалыматты так окууга мүмкүн болбой калат.
Классикалык компьютерлерде ушуга окшош маселе мурда да маанилүү роль ойногон, бирок бүгүнкү күндө ал анчалык мааниге ээ эмес, ал тургай академиялык илимде да көп учурда көңүл бурулбайт. Биз ката ылдамдыгы жөнүндө сөз болуп жатат. Бул маалыматтын биттеринин же кубиттеринин канча үлүшү бузулушу мүмкүн экенин аныктаган көрсөткүч. Бул, мисалы, ашыкча чыңалуу же башка бузулуулар учурунда болушу мүмкүн.
Классикалык түзмөктөр үчүн ката ыктымалдыгы болжол менен бирге 1017 бит Кванттык компьютерлерде бул дагы бир нече жүздөрдүн бири. Ал эми бул кванттык компьютерлер эң изоляцияланган шарттарда жана -272 градус Цельсий температурасында, б.а. абсолюттук нөлдөн бир аз жогору иштеген кырдаалда. Температуранын ар кандай өзгөрүшү, электромагниттик талаанын өзгөрүшү, ал тургай кыймыл бүт эсепти бузат.
Дагы бир көйгөй - кванттык абалдардын "туруктуу эместиги". Ар бир жолу биз кванттык абалды ченеп же бузууну кааласак, ал эки позициянын бирине кайтып келет, нөл жана бир. Бул учурда кванттык абал бузулат. Бул процесс кванттык декогеренция деп аталат.
Бул тууралуу ойлонуп көрүңүз: кванттык компьютер татаал эсептөөлөрдү аткарган дасыккан математик жана анын натыйжалары 0 менен 1 миллиондун ортосунда. Биз, өз кезегинде, бир нерсе өтө көп же өтө аз болушу мүмкүн экенин гана түшүнгөн балабыз. Математик 356 же 670,23 сыяктуу ар кандай жыйынтыктарга ээ болушу мүмкүн болгон учурда, биздин дүйнөнү түшүнүүбүзгө ылайык, бул жыйынтыктардын ар бири экөөнүн ортосунда белгилүү бир айырмачылыкты аныктабастан, аз (1) же көп (846) катары классификацияланат. Бул кванттык декогеренция. Туура эсептөөнү жүргүзүүнүн бирден-бир жолу - математикалык ишти бүткүчө кепилдик берүү.
Ошондой эле окуңуз: Туруктуулук жана тапкычтык Марста эмне кылат?
Кванттык компьютерлерди эмне үчүн колдонобуз?
Бүгүнкү күндө кванттык компьютерлерди эмне үчүн колдонсо болот, 20 жыл мурункудай эле смартфонду эмнеге колдонсо болот деген суроо туулат. Албетте, буга чейин эле кээ бир пландар жана божомолдор бар, бирок кубиттерди колдонуунун эң кызыктуу багыттары, балким, кванттык компьютерлер кеңири тараганда айкын болот.
Криптография - кванттык эсептөөлөр эң көп колдонулган эң популярдуу тармактардын бири. Кеп бул маалыматты абдан коопсуз түрдө берүү ыкмасы болуп калат жана коопсуздук эсептөө процесстеринин татаалдыгына негизделбейт, бирок физиканын мыйзамдарына негизделет, бул кээ бир нерселердин жөн эле мүмкүн эмес экенине ишеним берет. Ал эми бул учурда угуу, шпиондук кылуу, бузуп алуу мүмкүн болбой калат.
Бул учурда коопсуздук кубиттердин физикалык касиеттери менен кепилденет, мен мурда түшүндүргөндөй, алар байкалаар замат суперпозиция өзгөчөлүктөрүн көрсөтүүнү токтотот. Ошентип, коддолгон билдирүүнү кармоо же көчүрүү аракети аны жөн эле жок кылат.
Кванттык компьютерлер табигый процесстерди жакшыраак түшүнүүгө да мүмкүндүк берет. Суперпозициянын "башаламандыгы" жолду, мисалы, ДНКдагы мутацияларды, демек, оорунун жана эволюциянын өнүгүшүн алда канча жакшыраак чагылдырат. Кванттык эсептөөлөр бүгүнкү күндө жаңы дарыларды түзүү үчүн колдонулууда.
Балким, маалыматтарды телепортациялоо үчүн кванттык компьютерлерди колдонуу жөнүндө айтуунун мааниси бар. Ооба, так маалыматтарды телепортациялоо, балким, бир адам. Биз маалыматты физикалык түрдө өткөрбөстөн бир жерден экинчи жерге телепорттошубуз мүмкүн. Бул фантазия сыяктуу угулат, бирок бул мүмкүн, анткени кванттык бөлүкчөлөрдүн бул суюктугу убакыт жана мейкиндикте чырмалышып, бир бөлүкчөнүн өзгөрүшү экинчи бөлүкчөсүнө таасир этиши мүмкүн жана бул телепортация үчүн канал түзөт. Бул лабораторияларда буга чейин далилденген жана келечектеги кванттык интернеттин бир бөлүгү болушу мүмкүн. Бизде азырынча андай тармак жок, бирок кээ бир илимпоздор кванттык компьютерде кванттык тармакты симуляция кылып, бул мүмкүнчүлүктөрдүн үстүндө иштеп жатышат. Алар буга чейин тармактын колдонуучуларынын ортосундагы телепортация жана маалыматтарды эффективдүү өткөрүү, ал тургай коопсуз добуш берүү сыяктуу кызыктуу жаңы протоколдорду иштеп чыгышкан жана ишке ашырышкан.
Ошондой эле кванттык компьютерлер ар кандай кырдаалдарды имитациялоо жана көйгөйлөрдүн, анын ичинде дары-дармектерди жана вакциналарды чечүү жолдорун табуу үчүн колдонулушу керек деп айтуу керек. Мисалы, коронавирус сыяктуу пандемия учурунда, тезирээк эсептөө жана варианттарды эсептөө керек болгондо. Бул жерде сиз классикалык компьютерде аткарууга мүмкүн болбогон кванттык моделдөө мүмкүнчүлүгүн колдоно аласыз. Жаңы оору пайда болгондо дабасын табуу процесси болжол менен 15 жылга созулат жана анын баасы 2,6 миллиард долларга чейин жетет. Кээ бир ооруларда донор боло турган жүздөгөн келечектүү адамдарды гана аныктоо үчүн миллиондогон молекулаларды чыпкалоо зарыл. Андан кийин, тестирлөө учурунда, молекулалардын болжол менен 99%, башка нерселер менен катар жүрүм-турумдун туура эмес божомолдоосуна жана үлгү алуу чектөөлөрүнөн улам түшүп калат. Бул жерде кванттык компьютерлер биринчи планга чыгат.
Булар дагы кванттык физиканын жардамы менен жетишүүгө боло турган сонун идеялардын бир нечеси гана. Учурда биз анын каприз мүнөзүн кандайдыр бир деңгээлде колго алып жатабыз, бирок бардык өнүгүүлөр дагы деле баштапкы деңгээлде. Чыныгы кванттык компьютерди түзүү жана анын массалык түрдө колдонулушу дагы эле алыс, бирок прогресс токтобойт. Ошондуктан, балким, болжол менен он жылдан кийин сиз бул макаланы кванттык компьютердин жардамы менен окуп, кемсинтип жылмаясыз.
Ошондой эле окуңуз:
Чоч сак болуңуз, муэллимин бизге заманбап эс тутум аппараттары