Biz kvant kompyuterlari haqida kamida bir necha yil eshitamiz. Lekin bu nima? Kvant kompyuteri nima uchun? Bugun hamma narsa oddiy so'zlar bilan.
Kvant kompyuter ilm-fan rivojiga ijobiy ta’sir ko‘rsatishini kutayotgan ko‘plab tadqiqotchilar katta umid bog‘lagan ixtirodir. Biroq, kvant fizikasi qanday ishlashini tushunish juda qiyin. Ba'zi fiziklar hozirgi "kvant kompyuterlari"ni shunday deb atash kerakmi, degan savolga ham shubha qilishadi. Kvant hisoblashdan foydalanishdagi eng katta to'siq - bu kvant mashinalari muhitidagi eng kichik o'zgarishlardan ham ta'sirlanadigan xatolarning ko'pligi. Hozircha biz kvant bitlarining potentsialidan to'liq qoniqarli tarzda foydalana olmadik. Bugun biz ushbu kvant bitlarining o'ziga xos xususiyati nimada ekanligini aniqlashga harakat qilamiz?
Kvant kompyuterlari mavjudmi?
Har qanday haqiqiy olimning mohiyati ishonmaslik va doimo tekshirib turishdir. Men hali talabalik paytimda shu so'zlarni esladim. Va u bu iboraning to'g'riligiga bir necha bor ishonch hosil qildi. Bu "kvant kompyuterlari" uchun ham amal qiladi. Nega men bu kompyuterlarning nomini keltirdim? Keling, bilib olaylik.
Kvant kompyuterlari - bu juda murakkab mavzu, lekin men uni iloji boricha soddalashtirishga harakat qilaman va ular haqida qulay tarzda gaplashaman. Hatto bugungi kunda ham olimlar, fiziklar va muhandislar ishlaydigan kvant kompyuteri dunyoning biron bir joyida mavjudmi yoki yo'qmi degan oddiy savolni muhokama qilishlari mumkin. "Ammo, IBM kabi kompaniyalar kvant kompyuterlari bilan qanday maqtanayapti!" - deyishi mumkin kimdir. Va u to'g'ri bo'ladi. IBM haqiqatan ham kvant kompyuterini yaratdimi yoki o'z qurilmasini oddiygina "kvant kompyuteri" deb atadimi, bu ochiq savol bo'lib qolmoqda.
Do'stlarimdan biri kvant kompyuterlari biz o'rganib qolgan kompyuterlardan qanday farq qilishini oddiy so'zlar bilan tushuntirishimni so'rasa, men odatda oddiy taqqoslashni ishlataman. Agar bizning klassik kompyuterlarimiz (masalan Kompyuter, noutbuklar va smartfonlar) shamlar, keyin kvant kompyuterlari lampochkalardir. Ikkalasining maqsadi bir xil - akkor lampalar va shamlar uchun bu yorug'lik emissiyasi, kompyuterlar uchun esa hisob-kitoblar uchun. Biroq, ikkala holatda ham maqsadga butunlay boshqacha erishiladi va natija boshqacha. Oddiy qilib aytganda, kvant kompyuteri zamonaviy kompyuterlarning takomillashtirilgan versiyasi emas, xuddi lampochka shunchaki kattaroq sham emas. Shamlarni yaxshiroq va yaxshiroq qilish orqali lampochkani yarata olmaysiz. Lampochka boshqacha texnologiya, chuqurroq ilmiy tushunishga asoslangan. Xuddi shunday, kvant kompyuteri kvant fizikasiga asoslangan qurilmaning yangi turi bo'lib, lampochka jamiyatni o'zgartirganidek, kvant kompyuterlari ham hayotimizning ko'p jabhalariga, jumladan xavfsizlik ehtiyojlari, sog'liqni saqlash va hatto Internetga ta'sir qilishi mumkin.
Shunday qilib, agar biz kompyuterlarni lampochkalar bilan taqqoslasak, u holda "kvant Jozef Swan" (birinchi funktsional cho'g'lanma lampochkaning yaratuvchisi) hali paydo bo'lmagan va hozirgacha fan, oddiy so'z bilan aytganda, buni qilishga harakat qilmoqda. tekshirish orqali "qizil va issiq narsa", qanchalik porlaydi. Biz kvant kompyuterlari qanday ishlashining ba'zi nazariy asoslarini bilamiz, ammo ularning rivojlanishida haligacha hal qilinishini kutayotgan katta to'siqlar mavjud.
Dunyo bo'ylab tadqiqot markazlari va kompaniyalari keyingi sinovlar va tadqiqotlarni o'tkazmoqdalar va kvant fizikasi sohasidagi mutaxassislar biz ushbu bosqichda erishish mumkin bo'lmagan maqsadlarga erishish uchun foydalanishimiz mumkin bo'lgan to'liq ishlaydigan kvant mashinalarini yaratish o'nlab sinovlardan o'tishi aniq. yillar.
Men ishonaman va ko'plab olimlar men bilan rozi bo'lishadi, hozirda kvant kompyuterlari deb ataladigan mashinalar bunday nomga umuman loyiq emas. Ular hisob-kitoblarni amalga oshirish yoki biz oddiy, klassik tarzda hal qila olmaydigan muammolarni hal qilish qobiliyatiga ega emaslar.
Biz hali texnologik taraqqiyotimizning shunday darajasiga yetganimiz yo'qki, biz hozirda klassik kompyuterlar uchun mavjud bo'lmagan muammolarni hal qiladigan kvant mashinasini yarata olamiz. Albatta, Google yoki IBM klassik tarzda qilish qiyin bo'lgan ba'zi yoki boshqa hisob-kitoblar haqida gapiradi, ammo hozircha ular ishonarli emas.
Shuningdek o'qing: Xitoy ham kosmosni o'rganishga ishtiyoqmand. Xo‘sh, ular qanday ahvolda?
Kvant nima?
Baribir "kvant" nima? Bu jismoniy ob'ekt emas. "Kvant" atamasi fizikada biror narsaning mumkin bo'lgan eng kichik qismini tasvirlash uchun ishlatiladi. Shunday qilib, sizda "kuch kvanti", "vaqt kvanti" yoki "zarralar kvanti" bo'lishi mumkin. Ushbu yo'ldan borib, biz "kvant fizikasi" va "kvant mexanikasi" kabi atamalarga, ya'ni atomlar va hatto alohida kvarklar darajasida mumkin bo'lgan eng kichik o'zaro ta'sirlar yoki tizimlar bilan shug'ullanadigan fan sohalariga erishamiz.
Va endi biz kubitga (kvant bitiga), ya'ni "kvant ma'lumotlarining eng kichik va bo'linmas birligi" ga yetdik. Shu bilan birga, biz klassik kompyuterlar (bitlardan foydalangan holda) va kvant kompyuterlari (qubitlar yordamida) hisob-kitoblarni qanday bajarishlaridagi o'xshashlik va farqlar haqida gapiradigan birinchi nuqtaga keldik.
Klassik kompyuterlarda har bir ma'lumot birliklar va nollar ketma-ketligi sifatida saqlanadi. Bunday ma'lumotlar kompyuter, konsol, smartfon tomonidan qabul qilinadi va talqin qilinadi. aqlli soat va aqlli televizor, ushbu ma'lumot ustida bajariladigan operatsiyalarga o'xshash. Biz dam olish fotosuratlarini tomosha qilyapmizmi, do'stlar bilan suhbatlashamizmi, eng so'nggi o'yinni o'ynaymizmi yoki ilg'or kriptografik hisob-kitoblarni amalga oshiramizmi, hamma narsa ikkilik tizimda sodir bo'ladi, u erda 0 yoki 1 va boshqa hech narsa yo'q. Aslida, bu klassik ha yoki yo'qga o'xshaydi.
Bu tizim qanchalik samarasiz ekanligini chegaraga yetganimizda ko‘rish mumkin. Smartfonimizda boshqa selfi uchun joy qolmadimi yoki olimlar pandemiya rivojlanishining matematik modellarini yaratishga harakat qilyaptimi, muammo shundaki, nollar va birlar juda ko'p, ularni saqlash uchun resurslar va quvvat bor. ularni hisoblash mavjud emas.
Qubit bu muammoni hal qiladi. Ushbu ma'lumot kvant fizikasining superpozitsiya deb ataladigan holatda qolishiga imkon beruvchi xususiyatlaridan foydalanadi. Qubit 0 dan 1 gacha bo'lgan har qanday qiymatni qabul qilishi mumkin. U butun spektrning xususiyatlariga ega va 15 foiz nol va 85 foiz bir kabi qiymatlarga ega bo'lishi mumkin. Nazariy jihatdan, bu sizga ko'proq ma'lumotni saqlash yoki hisob-kitoblarni tezlashtirish imkonini beradi. Ammo shu bilan birga, nazorat qilish va hatto tushunish qiyin bo'lgan juda ko'p muammolar paydo bo'ladi.
Kvant kompyuterlarining hisoblash quvvatini qo'shimcha masshtablash imkonini beruvchi yana bir xususiyati kvant chalkashliklaridan foydalanish hisoblanadi. Bu ikki qubit bir-biriga bog'langan holat va biz har safar ulardan birini kuzatganimizda, ikkinchisi aynan bir xil holatda bo'ladi. O'zaro bog'liqlik qubitlarni ma'lumotlarni yozib olish va qayta ishlash uchun yanada samaraliroq birliklarga guruhlash imkonini beradi.
Shuningdek o'qing: Bioxakerlar kimlar va nima uchun ular ixtiyoriy ravishda o'zlarini chiplaydilar?
Kvant uskunalari
Kvant kompyuteri uchta asosiy qismdan iborat: kubitlarni saqlash maydoni, qubitlarga signallarni uzatish usuli va dasturni ishga tushirish va ko'rsatmalar yuborish uchun klassik kompyuter.
Qubitlarni tashkil etuvchi kvant materiali nozik va atrof-muhit ta'siriga juda sezgir. Ba'zi qubit saqlash usullari uchun qubitlarni joylashtiradigan birlik ularning muvofiqligini maksimal darajada oshirish uchun mutlaq nolga yaqin haroratda saqlanadi. Qubit saqlashning boshqa turlari tebranishlarni kamaytirish va qubitlarni barqarorlashtirish uchun vakuum kamerasidan foydalanadi.
Qubitlarga signallarni uzatishning turli usullari mavjud, masalan, mikroto'lqinlar, lazerlar va elektr kuchlanish.
Kvant kompyuterlarining normal ishlashini o'rnatish uchun ko'plab muammolarni hal qilish kerak. Kvant kompyuterlari bilan bog'liq asosiy muammo xatolarni tuzatishdir va masshtablash (ko'proq kubitlarni qo'shish) ularning chastotasini yanada oshiradi. Ushbu cheklovlar tufayli, stolingizdagi kvant shaxsiy kompyuter hali ham uzoq kelajakdir, ammo yaqin kelajakda tijorat kvant kompyuterlari paydo bo'lishi mumkin. Keling, bu haqda batafsilroq gaplashaylik.
Kvant kompyuterlarining muammolari
Biroq, kvant kompyuterlarida bitta katta muammo bor. Ya'ni, olimlar ulardan foydalanishda katta muammoga duch kelishmoqda, chunki qubitlar o'zlarining maxsus xususiyatlari tufayli ulardan har qanday ma'lumotlarni aniq o'qiy olishlari uchun etarli darajada tinch muhitga muhtoj. Har bir, hatto eng kichik qoidabuzarlik ham ma'lumotni aniq o'qishni imkonsiz qiladi.
Klassik kompyuterlar misolida, o'tmishda ham shunga o'xshash muammo muhim rol o'ynagan, ammo bugungi kunda u shunchalik ahamiyatsizki, hatto akademik fanda ham ko'pincha e'tibordan chetda qolmoqda. Biz xato darajasi haqida gapiramiz. Bu bit yoki qubit ma'lumotlarning qaysi nisbati buzilishi mumkinligini aniqlaydigan ko'rsatkichdir. Bu, masalan, haddan tashqari kuchlanish yoki boshqa buzilishlar vaqtida sodir bo'lishi mumkin.
Klassik qurilmalar uchun xato ehtimoli taxminan birga teng 1017 bit Kvant kompyuterlariga kelsak, bu hali ham bir necha yuzlab kompyuterlardan biridir. Va bu kvant kompyuterlari eng izolyatsiya qilingan sharoitda va -272 daraja Selsiy haroratda, ya'ni mutlaq noldan bir oz yuqorida ishlaydigan vaziyatda. Har qanday harorat o'zgarishi, elektromagnit maydondagi o'zgarishlar va hatto harakat butun hisobni buzadi.
Yana bir muammo - kvant holatlarining "beqarorligi". Har safar biz kvant holatini o'lchaganimizda yoki bezovta qilmoqchi bo'lganimizda, u ikkita pozitsiyadan biriga qaytadi, nol va bitta. Bunday holda, kvant holati parchalanadi. Bu jarayon kvant dekogerensiya deb ataladi.
Buni shunday o'ylab ko'ring: kvant kompyuteri murakkab hisob-kitoblarni amalga oshiradigan malakali matematik bo'lib, uning natijalari 0 dan 1 milliongacha. Biz, o'z navbatida, bir narsa juda ko'p yoki juda oz bo'lishi mumkinligini tushunadigan bolamiz. Qachonki matematik har xil natijalarga ega bo'lsa, masalan, 356 yoki 670,23, bizning dunyo haqidagi tushunchamizga ko'ra, bu natijalarning har biri ikkalasi o'rtasidagi aniq farqni aniqlamasdan, oz (1) yoki ko'p (846) sifatida tasniflanadi. Bu kvant dekogerensiyasi. To'g'ri hisob-kitob qilishning yagona yo'li matematika ishini tugatmasdan oldin kafolatlashdir.
Shuningdek o'qing: Qat'iyat va zukkolik Marsda nima qiladi?
Kvant kompyuterlaridan nima uchun foydalanamiz?
Bugungi kunda kvant kompyuterlari nima uchun ishlatilishi mumkin, xuddi 20 yil oldingi kabi, smartfon nima uchun ishlatilishi mumkin degan savol tug'iladi. Albatta, allaqachon ba'zi rejalar va taxminlar mavjud, ammo kvant kompyuterlari keng tarqalgach, kubitlardan foydalanishning eng qiziqarli yo'nalishlari aniq bo'ladi.
Kriptografiya kvant hisoblashlari eng ko'p qo'llaniladigan eng mashhur sohalardan biridir. Gap shundaki, bu ma'lumotni juda xavfsiz tarzda uzatish usuli bo'ladi va xavfsizlik hisoblash jarayonlarining murakkabligiga emas, balki fizika qonunlariga asoslanadi, bu ba'zi narsalar shunchaki imkonsiz ekanligiga ishonch hosil qiladi. Va hozirda tinglash, josuslik qilish, buzish mumkin bo'lmaydi.
Bu holatda xavfsizlik qubitlarning jismoniy xususiyatlari bilan ta'minlanadi, yuqorida aytib o'tganimdek, ular kuzatilishi bilanoq superpozitsiya xususiyatlarini ko'rsatishni to'xtatadi. Shunday qilib, kodlangan xabarni ushlab qolish yoki hatto nusxalashga bo'lgan har qanday urinish uni shunchaki yo'q qiladi.
Kvant kompyuterlari tabiiy jarayonlarni yaxshiroq tushunishga imkon beradi. Superpozitsiyaning "tartibsizligi" yo'lni, masalan, DNKdagi mutatsiyalarni va shuning uchun kasallikning rivojlanishi va evolyutsiyasini yaxshiroq aks ettiradi. Kvant hisoblashlari bugungi kunda yangi dori vositalarini yaratish uchun allaqachon qo'llanilmoqda.
Ehtimol, ma'lumotlarni teleportatsiya qilish uchun kvant kompyuterlaridan foydalanish haqida gapirish mantiqiydir. Ha, aniq ma'lumotlarning teleportatsiyasi va, ehtimol, odam. Biz ma'lumotni jismoniy uzatmasdan joydan ikkinchi joyga teleport qilishimiz mumkin. Bu fantaziyaga o‘xshaydi, lekin bu mumkin, chunki kvant zarralarining bu suyuqligi vaqt va makonda chigallashishi mumkin, shuning uchun bir zarraning o‘zgarishi boshqasiga ta’sir qilishi mumkin va bu teleportatsiya uchun kanal yaratadi. Bu allaqachon laboratoriyalarda namoyish etilgan va kelajakdagi kvant internetining bir qismi bo'lishi mumkin. Bizda hozircha bunday tarmoq yo‘q, lekin ba’zi olimlar allaqachon kvant kompyuterida kvant tarmog‘ini simulyatsiya qilib, bu imkoniyatlar ustida ishlamoqda. Ular allaqachon tarmoq foydalanuvchilari o'rtasida teleportatsiya va samarali ma'lumotlarni uzatish, hattoki xavfsiz ovoz berish kabi qiziqarli yangi protokollarni ishlab chiqdilar va amalga oshirdilar.
Shuni ham aytish kerakki, kvant kompyuterlari turli vaziyatlarni taqlid qilish va muammolarga, jumladan, dori-darmonlar va vaktsinalarga yechim topish uchun ishlatilishi kerak. Masalan, koronavirus kabi pandemiya paytida, variantlarni tezroq hisoblash va hisoblash kerak bo'lganda. Bu yerda siz klassik kompyuterda bajarib bo'lmaydigan kvant modellashtirish imkoniyatidan foydalanishingiz mumkin. Yangi kasallik paydo bo'lganda, davolanishni topish jarayoni taxminan 15 yil davom etadi va 2,6 milliard dollarga tushishi mumkin. Ba'zi kasalliklarda donor bo'lishi mumkin bo'lgan yuzlab istiqbolli shaxslarni aniqlash uchun millionlab molekulalarni filtrlash kerak. Keyin, sinov paytida, molekulalarning taxminan 99%, boshqa narsalar qatori, xatti-harakatlarni noto'g'ri taxmin qilish va namuna olish cheklovlari tufayli tushadi. Bu erda kvant kompyuterlari birinchi o'ringa chiqadi.
Va bu hali ham kvant fizikasi yordamida erishish mumkin bo'lgan ajoyib g'oyalarning bir nechtasi. Hozirgi vaqtda biz uning injiq fe'l-atvorini ma'lum darajada bo'ysundira olamiz, ammo barcha o'zgarishlar hali ham boshlang'ich darajada. Haqiqiy kvant kompyuterini yaratish va uni ommaviy qo'llash hali juda uzoq, ammo taraqqiyot hali to'xtamaydi. Shuning uchun, ehtimol, taxminan o'n yildan keyin siz ushbu maqolani kvant kompyuteri yordamida o'qiysiz va xo'rsinib tabassum qilasiz.
Shuningdek o'qing:
Choch sag bo'ling, muellimin bizga zamonaviy xotira qurilmalari