09:19 Квантовый Компьютер |
 13 февраля 2007 г. произошло поистине эпохальное событие - демонстрация квантового компьютера. И это случилось лет на 20 раньше, чем предсказывали ученые. Квантовый компьютер Orion - это первая практическая реализация технологии, позволяющей осуществлять одновременно до 65 536 вычислительных потоков. Его создатель - компания D-Wave - целиком посвятила свою деятельность этой проблеме, уставный капитал предприятия составил 20 млн долл., а конечной целью является разработка доступного и эффективного устройства. Квантовые компьютеры стали реальностью, человечество получило в свои руки инструмент практически с неограниченной вычислительной мощностью, а также огромную проблему по обеспечению безопасности, поскольку перед подобными возможностями не устоят никакие криптографические алгоритмы.
Почитать Нанокомпьютер – товар будущего!
КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ.
...Немного про Квантовую Физику
Сейчас появилась возможность контроля над квантовыми системами, но чтобы понять, что это такое, надо, прежде всего, определить, что такое квантовая физика. Это физика, которая управляет законами микроскопического мира на неделимом атомном уровне. Мы живем в мире больших тел. Это макроскопический мир. Он управляется законами классической физики, к которым мы привыкли и которые хорошо знаем.
А микромир совсем другой, и живет он совершенно по другим законам. В последнее время, благодаря миниатюризации электронных технологий, мы приблизились к квантовому пределу. Сейчас не только электронные схемы, но и разнообразные наноприборы пересекают границу из макромира в микромир. Благодаря этому стали возможны квантовые технологии - технологии микромира.
Почитать Миниатюризация Космических Систем
Возникает логичный вопрос: а что такое, вообще, квант и квантовая механика?
Будет проще определить квант как неделимую, мельчайшую частицу чего-то. Например, квант света – это фотон. Не бывает половины кванта, но размеры фотона зависят от частоты света. В основе понятия "квант" лежит представление о квантовой механике. Понятие "квантовая механика" довольно странное, потому что, по сути, не имеет отношения к механике. Точнее, отношение имеет, но не только к механике, а ко всей физике.
Поэтому неправильно говорить "квантовая механика", правильно говорить "квантовая физика". А суть квантовой физики как раз в том, что там действуют принципиально другие законы. Не такие, к каким мы привыкли в макромире, в мире твердых тел. Это позволяет нам создавать квантовые технологии, так как законы другие и, соответственно, технологии тоже другие. В результате мы получаем две физики, существующие параллельно в одном мире.
По законам одной физики одновременно предмет может быть только в одном месте, а по законам другой – в двух. Наверное, кто-то слышал про кошку Шредингера.
Согласно квантовой физике, любой объект, который может быть в одном из двух состояний, находится также в состоянии так называемой суперпозиции – это сумма, или разность, или, вообще, любая линейная комбинация этих двух состояний. Пример, который привел Эрвин Шредингер, может показаться нам нелепым, но в микроскопическом мире он совершенно нормальный. Это кот, который находится в суперпозиции живого и мертвого. Он одновременно и жив, и мертв...
Над этим парадоксом квантовой физики по-прежнему ломают голову. Правильное его решение – попытки объединить две физики - приводит к совершенно нелепым результатам. И единственная непротиворечивая трактовка – это концепция существования многих параллельных вселенных. Она тоже звучит несколько нелепо, потому что мы привыкли к тому, что Вселенная одна.
Почитать Заглянуть за параллели
Однако концепция гласит, что вселенная находится в колоссальном состоянии суперпозиции, т.е. мы с вами одновременно находимся в разных вселенных.
Например, этот стол состоит из молекул, но чтобы им пользоваться, нам не обязательно думать о том, что он из них состоит. Нас интересует его вес, твердость, то есть макроскопические, физические свойства. Будет немного экзотично, если мы из стола захотим сделать квантовый процессор, но тогда нам уже неизбежно придется думать, что он состоит из атомов, а атомы ведут себя совершенно по-другому. Есть те же единички и нолики, как и в обычном процессоре, но они могут быть одновременно в состоянии суперпозиции...
Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы, как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы.
Любая элементарная частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином.
В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин не связан с движением в пространстве. Спин — это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках "релятивистской механики". Если представлять частицу (например, электрон), как вращающийся шарик, а спин, как момент, связанный с этим вращением, то оказывается, что поперечная скорость движения оболочки частицы должна быть выше скорости света, что недопустимо с позиции релятивизма...
К середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислитель- ных устройств.
В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление, как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.
По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (СН4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд.
Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной(!).
И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание российский математик Ю. И. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.
Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейнман. Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.
И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел. По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.
В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных (пример, такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным порядке). Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума.
Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. К сожалению, тема коррекции ошибок в квантовых компьютерах так же важна, как и сложна, чтобы изложить ее в данной статье.
УСТРОЙСТВО КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА
Для понимания законов квантового мира не следует прямо опираться на повседневный опыт. Обычным образом (в житейском понимании), квантовые частицы ведут себя лишь в том случае, если мы постоянно "подглядываем" за ними, или, говоря более строго, постоянно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам "отвернуться" (прекратить наблюдение), как квантовые частицы тут же переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных ипостасей. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. д.
Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Шредингером.
Почитать Всё- в каждой части...
Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается (коллапсирует) в ту точку, где частица была обнаружена, а затем опять начинает расплываться. Свойство квантовых частиц быть одновременно во многих состояниях, называемое квантовым параллелизмом , успешно используется в квантовых вычислениях.
Квантовый бит
 Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит (кубит - quantum bit - qubit ). Эта квантовая частица, не двоична, а скорее четверична по своей природе. Это свойство кубита проистекает как прямое следствие его подчиненности законам квантовой физики, которые радикально отличаются от законов классической физики. Кубит может существовать не только в состоянии, соответствующем логическим 0 или 1, как классический бит, но также в состояниях, соответствующих смеси или суперпозиции этих классических состояний. Почитать Суператомы с магнитной оболочкой
Другими словами, кубит может существовать как ноль, как единица, и как одновременно 0 и 1, или, как принято в квантовой физике, |0> и |1>. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т.п..
При этом можно указать некоторый численный коэффициент, представляющий вероятность оказаться в каждом состоянии. Это может показаться противоестественным, потому что наш жизненный опыт основан на явлениях управляемых классической, а не квантовой физикой, --- которая работает на атомарном уровне.
Квантовый регистр
 Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре). К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать 0, 1, 2, 3, ... 2L – 1.
Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра (в отличие от классического), поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра (за исключением базовых) просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера.
Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до переменных.
Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. Отсюда сразу видно, что маленькие квантовые регистры (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.
Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт.
И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.
КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ в 2017 г. за 15 МИЛЛИОНОВ ДОЛЛАРОВ
Канадская компания D-Wave считается одним из первопроходцев в области производства коммерчески доступных квантовых компьютеров. Выпуск первых моделей состоялся ещё в 2007 году. Тогда это был 16-кубитный и 28-кубитный компьютер Orion. В мае 2011 года в продажу поступила модель D-Wave One с 128-битным чипом, а затем и D-Wave Two с 512-кубитным чипом. На этом D-Wave решила на останавливаться. В продажу поступает компьютер D-Wave 2000Q с процессором на 2000 кубит по цене 15 000 000 долларов. Если вы думаете, что такая машина окажется невостребованной, то вы заблуждаетесь. За новой моделью квантового компьютера постепенно выстраивается очередь из покупателей. И это даже несмотря на то, что многие ведущие мировые учёные не до конца уверены в целесообразности приобретения столь дорогой техники. Первым обладателем нового компьютера станет компания Temporal Defence Systems, занимающаяся компьютерной безопасностью. Руководство компании уверено, что квантовый компьютер позволит максимально оперативно решать наиболее комплексные проблемы, встающие перед специалистами по безопасности. Компьютером также заинтересовались учёные, разрабатывающие роверы для исследования других планет. Сравнить производительность квантового компьютера с работой традиционного – дело непростое. Где-то он выигрывает в скорости вычислений, причём иногда в десятки тысяч раз, особенно при использовании адаптированных для него алгоритмов, а где-то проигрывает. Производители D-Wave 2000Q утверждают, что их новое детище особенно преуспевает в машинном обучении. В любом случае программное обеспечение необходимо тщательно адаптировать для работы на квантовом компьютере, что может отнять у специалистов немало времени и сил. Как бы то ни было, D-Wave не собирается останавливать разработку новых моделей, и в ближайшем будущем нас ждут ещё более мощные «квантовые монстры» ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ
Попробуем представить, как мог бы выглядеть будущий квантовый компьютер. Вероятно, большой (масштабируемый) компьютер будет содержать тысячи управляющих элементов, действующих локально на каждый кубит. Каким образом могло бы осуществляться это воздействие? Скорее всего, с помощью электрических импульсов, подаваемых на микроэлектроды, подведенные к кубитам. Возможно также оптическое управление пучками света, сфокусированными на кубитах.
Однако в этом случае трудно избежать паразитного воздействия на соседние кубиты дифракционных краев сфокусированного пучка. Что касается электрических методов, то они уже давно и широко применяются в микроэлектронике для управления классическими логическими элементами.
Поэтому их использование представляется наиболее перспективным и для создания масштабируемых квантовых компьютеров. (Возможно, конечно, что в результате какого-нибудь технологического прорыва появится еще и третий вариант. Однако революционные открытия трудно поддаются прогнозу.).
Таким образом, весьма возможно, что в перспективе квантовые компьютеры будут изготавливаться с использованием традиционных методов микроэлектронной технологии и содержать множество управляющих электродов, напоминая современный микропроцессор. Для того чтобы снизить уровень шумов, критически важный для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать жидким гелием.
Вероятно, первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но, примерно, так же начиналась и эра обычных компьютеров.
А что же станет с классическими компьютерами? Отомрут ли они? Вряд ли. И для классических, и для квантовых компьютеров найдутся свои сферы применения. Хотя, по всей видимости, соотношение на рынке будет все же постепенно смещаться в сторону последних.
Внедрение квантовых компьютеров не приведет к решению принципиально нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления. Кроме того, станет возможна квантовая связь - передача кубитов на расстояние, что приведет к возникновению своего рода квантового Интернета. Квантовая связь позволит обеспечить защищенное (законами квантовой физики) от подслушивания соединение всех желающих друг с другом. Ваша информация, хранимая в квантовых базах данных, будет надежнее защищена от копирования, чем сейчас. Фирмы, производящие программы для квантовых компьютеров , смогут уберечь их от любого, в том числе и незаконного копирования.
Также такой вычислитель через считаные годы лишит сна военных, банкиров и, вообще, всех, чье благополучие или безопасность зависят от надежности защиты информации. Самые устойчивые из известных сегодня шифров основываются на разбиении достаточно большого числа на простые множители (один из вариантов - так называемая задача факторизации). К примеру, взлом системы RSA-129 (разложение на множители 129-разрядного числа) потребовал в 1994 г. восьмимесячной работы 1600 мощных компьютеров, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 млрд лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер может справиться с такой задачей за несколько недель.
Огромные вычислительные способности квантовых компьютеров перевернут ситуацию не только в криптографии. По мнению одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джона Прескилла из Калифорнийского технологического института, "то, что задача факторизации считается сегодня особенно важной, - историческая случайность". Поистине уникальные возможности открываются для быстрого поиска в базах данных, моделирования физических процессов на микроуровне, а радикально настроенные технократы, например, профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз, всерьез говорят о решающем вкладе квантового компьютера в создание искусственного интеллекта.
Есть о чем задуматься и китам "новой экономики", вкладывающим сегодня миллиарды в традиционные ПК в расчете на растущий завтрашний спрос: первый освоивший квантовые информационные технологии поставит конкурентов на колени, а доквантовая компьютерная революция и недавние рекорды NASDAQ будут казаться не более, чем забавными историческими событиями.
Однако даже скромный квантовый компьютер позволит уже решить задачи, представляющие большой научный интерес. Например, имея всего несколько кубитов, он будет крайне полезен при проведении так называемых измерений Белла, которые могут быть использованы при реализации квантовой телепортации.
Почитать Телепортация
Вполне вероятно, что 10 кубитов хватит, чтобы на квантовом компьютере реализовать квантовое кодирование Шумахера, весьма важное для эффективной квантовой криптографии. И не исключено, что 100 кубит хватит для того, чтобы квантовый компьютер смог стать эффективным инструментом шумовой (возможно, частично декогерентной) квантовой криптографической связи.
По всей видимости, в качестве приложений можно будет создавать пары Эйнштейна-Подольского-Розена, удаленные на большие расстояния, что позволит осуществить новые строгие эксперименты по проверке справедливости квантовой теории. Сейчас и в физике, и в теории вычислений ведутся активные поиски новых путей использования квантовых компьютеров.
http://ko.com.ua/kvantovyj_kompyuter_27644
http://www.nkj.ru/archive/articles/5309/
http://newsme.com.ua/tech/technologies/1474685/
http://www.polit.ru:8021/article/2012/08/30/sc20_lvovsky/1/
https://hi-news.ru/technology/v-prodazhu-postupil-novyj-kvantovyj-kompyuter-za-15-millionov-dollarov.html |
|
|
| Всего комментариев: 0 | |