Біз кванттық компьютерлер туралы кем дегенде бірнеше жыл естіп келеміз. Бірақ бұл не? Кванттық компьютер не үшін қажет? Бүгінде бұл жай сөзбен айтқанда.
Кванттық компьютер ғылымның дамуына оң ықпалын тигізеді деп күткен көптеген зерттеушілер үлкен үміт күтетін өнертабыс. Дегенмен, кванттық физиканың қалай жұмыс істейтінін түсіну өте қиын. Кейбір физиктер тіпті қазіргі «кванттық компьютерлерді» осылай атауға болатындығына күмәнданады. Кванттық есептеулерді қолданудағы ең үлкен кедергі - бұл кванттық машиналардың ортасындағы ең аз өзгерістерге де әсер ететін қателердің көптігі. Әзірге біз кванттық биттердің әлеуетін толығымен қанағаттанарлықтай пайдалана алмадық. Бүгін біз осы кванттық биттердің ерекшелігі неде екенін анықтауға тырысамыз?
Кванттық компьютерлер бар ма?
Кез келген нағыз ғалымның мәні – сенбеу және үнемі тексеріп отыру. Студент кезімде дәл осы сөздер есіме түсті. Ол бұл сөз тіркесінің дұрыстығына бірнеше рет көз жеткізді. Бұл «кванттық компьютерлерге» де қатысты. Неліктен мен бұл компьютерлердің атын келтірдім? Анықтап көрейік.
Кванттық компьютерлер өте күрделі тақырып, бірақ мен оны мүмкіндігінше қарапайым етіп жасауға және олар туралы қолжетімді түрде айтуға тырысамын. Қазірдің өзінде ғалымдар, физиктер және инженерлер жұмыс істейтін кванттық компьютер әлемнің бір жерінде бар ма деген қарапайым сұрақты талқылай алады. «Бірақ IBM сияқты компаниялар кванттық компьютерлермен қалай мақтанады!» - деуі мүмкін біреу. Және ол дұрыс болады. IBM шынымен кванттық компьютер жасады ма, әлде оның құрылғысын жай ғана «кванттық компьютер» деп атады ма, бұл ашық сұрақ.
Менің достарымның бірі кванттық компьютерлердің біз үйреніп қалған компьютерлерден қалай ерекшеленетінін қарапайым сөздермен түсіндіруді сұрағанда, мен әдетте қарапайым салыстыруды қолданамын. Егер біздің классикалық компьютерлер (мысалы PC, ноутбуктер бұл смартфондар) шамдар, онда кванттық компьютерлер шамдар. Екеуінің де мақсаты бір – қыздыру шамдары мен шамдар үшін бұл жарық шығару, ал компьютерлер үшін бұл есептеулер үшін. Дегенмен, екі жағдайда да мақсат мүлде басқаша орындалады және нәтиже басқаша болады. Қарапайым тілмен айтқанда, кванттық компьютер заманауи компьютерлердің жетілдірілген нұсқасы ғана емес, сонымен қатар электр шамы үлкен шам ғана емес. Шамдарды жақсырақ және жақсырақ ету арқылы шамды жасай алмайсыз. Шам басқаша технология, тереңірек ғылыми түсінуге негізделген. Сол сияқты, кванттық компьютер кванттық физикаға негізделген құрылғының жаңа түрі және шам қоғамды өзгерткендей, кванттық компьютерлер де өміріміздің көптеген аспектілеріне, соның ішінде қауіпсіздік қажеттіліктеріне, денсаулық сақтауға және тіпті Интернетке әсер етуі мүмкін.
Сонымен, егер компьютерлерді электр шамдарымен салыстыратын болсақ, онда «кванттық Джозеф Свон» (алғашқы функционалды қыздыру шамын жасаушы) әлі пайда болған жоқ және әзірге ғылым, қарапайым сөзбен айтқанда, жасауға тырысады. «қызыл және ыстық нәрсе» қаншалықты жарқырағанын тексеру арқылы. Біз кванттық компьютерлердің қалай жұмыс істейтінінің кейбір теориялық негіздерін білеміз, бірақ олардың дамуында әлі де шешімін күткен үлкен кедергілер бар.
Дүние жүзіндегі ғылыми орталықтар мен компаниялар қосымша сынақтар мен зерттеулер жүргізуде, ал кванттық физика саласындағы сарапшылар біз осы кезеңде қол жеткізу мүмкін емес мақсаттарға жету үшін пайдалана алатын толық жұмыс істейтін кванттық машиналарды жасау ондаған уақыттан өтетінімен келіседі. жылдар.
Қазіргі уақытта кванттық компьютерлер деп аталатын машиналар мұндай атқа мүлдем лайық емес деп ойлаймын және көптеген ғалымдар менімен келіседі. Оларда есептеулер жүргізу немесе біз қалыпты, классикалық жолмен шеше алмайтын есептерді шешу қабілеті жоқ.
Біз қазіргі уақытта классикалық компьютерлер қол жеткізе алмайтын мәселелерді шешетін кванттық машина жасай алатындай технологиялық дамуымыздың соншалықты дәрежесіне әлі жеткен жоқпыз. Әрине, Google немесе IBM классикалық түрде орындау қиын болатын кейбір немесе басқа орындалған есептеулер туралы айтады, бірақ қазіргі уақытта олар сенімді емес.
Сондай-ақ оқыңыз: Қытай да ғарышты зерттеуге құштар. Сонда олардың жағдайы қалай?
Квант дегеніміз не?
Қалай болғанда да, «квант» дегеніміз не? Бұл физикалық нысан емес. «Кванттық» термині физикада бір нәрсенің мүмкін болатын ең кіші бөлігін сипаттау үшін қолданылады. Сонымен, сізде «күш кванты», «уақыт кванты» немесе «бөлшектердің кванты» болуы мүмкін. Осы жолмен жүріп, біз «кванттық физика» және «кванттық механика» сияқты терминдерге, яғни атомдар деңгейінде және тіпті жеке кварктарда мүмкін болатын ең аз өзара әрекеттесулермен немесе жүйелермен айналысатын ғылым салаларына жетеміз.
Ал енді біз кубитке (кванттық бит), яғни «кванттық ақпараттың ең кішкентай және бөлінбейтін бірлігіне» жеттік. Сонымен бірге біз классикалық компьютерлердің (биттерді пайдаланатын) және кванттық компьютерлердің (кубиттерді пайдаланатын) есептеулерді орындауындағы ұқсастықтар мен айырмашылықтар туралы айтатын бірінші нүктеге де келеміз.
Классикалық компьютерлерде әрбір ақпарат бірліктер мен нөлдердің тізбегі ретінде сақталады. Мұндай ақпаратты компьютер, консоль, смартфон қабылдайды және түсіндіреді. ақылды сағат бұл смарт теледидар, осы ақпарат бойынша орындалатын операцияларға ұқсас. Демалыс фотоларын қарап жатсақ та, достармен сөйлесеміз бе, соңғы ойынды ойнаймыз ба немесе кеңейтілген криптографиялық есептеулерді орындасақ та, барлығы 0 немесе 1 болатын екілік жүйеде болады, басқа ештеңе жоқ. Шын мәнінде, бұл иә немесе жоқ классикалық сияқты.
Бұл жүйенің қаншалықты тиімсіз екенін оның шегіне жеткенде көруге болады. Смартфондарда тағы бір селфи үшін орын таусылды ма, әлде ғалымдар пандемия дамуының математикалық үлгілерін жасауға тырысып жатыр ма, мәселе нөлдер мен бірлердің тым көп болуы, оларды сақтауға арналған ресурстар мен қуат оларды есептеу мүмкін емес.
Qubit бұл мәселені шешеді. Бұл ақпарат кванттық физиканың оның суперпозиция деп аталатын күйде қалуына мүмкіндік беретін қасиеттерін пайдаланады. Кубит 0 мен 1 аралығындағы кез келген мәнді қабылдай алады. Оның бүкіл спектрдің қасиеттері бар және 15 пайыз нөл және 85 пайыз бір сияқты мәндерге ие болуы мүмкін. Теориялық тұрғыдан бұл әлдеқайда көп ақпаратты сақтауға немесе есептеулерді жылдамдатуға мүмкіндік береді. Бірақ сонымен бірге бақылауға, тіпті түсінуге қиын көптеген мәселелер туындайды.
Есептеу қуатын қосымша масштабтауға мүмкіндік беретін кванттық компьютерлердің тағы бір ерекшелігі кванттық шиеленісті пайдалану болып табылады. Бұл екі кубитті бір-бірімен байланыстыратын күй және біз олардың біреуін бақылаған сайын, екіншісі дәл сол күйде болады. Шетелдік кубиттерді ақпаратты жазу және өңдеу үшін одан да тиімді бірліктерге топтастыруға мүмкіндік береді.
Сондай-ақ оқыңыз: Биохакерлер деген кім және олар неліктен өз еркімен чип жасайды?
Кванттық жабдық
Кванттық компьютер үш негізгі бөліктен тұрады: кубиттерді сақтауға арналған аймақ, кубиттерге сигналдарды жіберу әдісі және бағдарламаны іске қосуға және нұсқауларды жіберуге арналған классикалық компьютер.
Кубиттерді құрайтын кванттық материал нәзік және қоршаған орта әсерлеріне өте сезімтал. Кейбір кубит сақтау әдістері үшін кубиттерді орналастыратын құрылғы олардың когеренттігін барынша арттыру үшін абсолютті нөлге жақын температурада сақталады. Кубит сақтаудың басқа түрлері дірілді азайту және кубиттерді тұрақтандыру үшін вакуумдық камераны пайдаланады.
Микротолқындар, лазерлер және электр кернеуі сияқты кубиттерге сигналдарды берудің әртүрлі әдістері бар.
Кванттық компьютерлердің қалыпты жұмысын орнату үшін көптеген мәселелерді шешу қажет. Кванттық компьютерлердегі негізгі мәселе қателерді түзету болып табылады және масштабтау (көбірек кубиттерді қосу) олардың жиілігін одан әрі арттырады. Осы шектеулерге байланысты үстеліңіздегі кванттық дербес компьютер әлі алыс болашақ, бірақ коммерциялық кванттық компьютерлер жақын болашақта қол жетімді болуы мүмкін. Бұл туралы толығырақ сөйлесейік.
Кванттық компьютерлердің мәселелері
Дегенмен, кванттық компьютерлерде бір үлкен мәселе бар. Яғни, ғалымдарда оларды пайдалануда үлкен мәселе бар, өйткені олардың ерекше қасиеттерінің арқасында кубиттер олардан кез келген деректерді дәл оқи алу үшін жеткілікті тыныш ортаны қажет етеді. Әрбір, тіпті ең кішкентай бұзушылық ақпаратты дәл оқуды мүмкін емес етеді.
Классикалық компьютерлер жағдайында да осыған ұқсас мәселе бұрын маңызды рөл атқарды, бірақ бүгінгі күні оның елеусіздігі соншалық, тіпті академиялық ғылымда жиі назардан тыс қалады. Біз қателік деңгейі туралы айтып отырмыз. Бұл ақпараттың биттерінің немесе кубиттерінің қандай үлесін бұзуға болатынын анықтайтын көрсеткіш. Бұл, мысалы, асқын кернеу немесе басқа да бұзылулар кезінде орын алуы мүмкін.
Классикалық құрылғылар үшін қате ықтималдығы шамамен бір 1017 бит Кванттық компьютерлер жағдайында бұл әлі де бірнеше жүздердің бірі. Бұл кванттық компьютерлер ең оқшауланған жағдайларда және -272 градус Цельсий температурасында жұмыс істейтін жағдайда, яғни абсолютті нөлден сәл жоғары. Температураның кез келген ауытқуы, электромагниттік өрістің өзгеруі және тіпті қозғалыс бүкіл есептеуді бұзады.
Тағы бір мәселе - кванттық күйлердің «тұрақсыздығы». Біз кванттық күйді өлшеген немесе бұзғымыз келген сайын ол екі позицияның біріне, нөлге және бірге оралады. Бұл жағдайда кванттық күй ыдырайды. Бұл процесс кванттық декогеренттілік деп аталады.
Бұл туралы ойланыңыз: кванттық компьютер - күрделі есептеулерді орындайтын білікті математик және оның нәтижелері 0 мен 1 миллион арасында. Біз өз кезегімізде бір нәрсенің артық немесе аз болуы мүмкін екенін түсінетін баламыз. Математикте 356 немесе 670,23 сияқты әртүрлі нәтижелер болуы мүмкін болса, біздің әлемді түсінуіміз бойынша бұл нәтижелердің әрқайсысы екеуінің арасындағы нақты айырмашылықты анықтамай, аз (1) немесе көп (846) ретінде жіктеледі. Бұл кванттық декогеренция. Дұрыс есептеудің жалғыз жолы - математика жұмысын аяқтамай тұрып кепілдік беру.
Сондай-ақ оқыңыз: Табандылық пен Тапқырлық Марста не істейді?
Кванттық компьютерлерді не үшін қолданамыз?
Бүгінгі таңда кванттық компьютерлерді не үшін пайдалануға болады, дәл 20 жыл бұрынғыдай смартфонды не үшін пайдалануға болады деген сұрақ туындайды. Әрине, қазірдің өзінде кейбір жоспарлар мен болжамдар бар, бірақ кванттық компьютерлер кең тараған кезде кубиттерді пайдаланудың ең қызықты бағыттары анықталуы мүмкін.
Криптография - кванттық есептеулер жиі қолданылатын ең танымал салалардың бірі. Мәселе мынада, бұл ақпаратты өте қауіпсіз түрде беру әдісі болады және қауіпсіздік есептеу процестерінің күрделілігіне негізделмейді, бірақ кейбір нәрселердің мүмкін емес екеніне сенімділік беретін физика заңдарына негізделген. Ал осы сәтте тыңдау, тыңшылық, бұзу мүмкін болмайды.
Бұл жағдайда қауіпсіздік кубиттердің физикалық қасиеттерімен қамтамасыз етіледі, мен жоғарыда түсіндіргендей, олар байқалғаннан кейін суперпозиция ерекшеліктерін көрсетуді тоқтатады. Сондықтан кодталған хабарламаны ұстап алу немесе тіпті көшіру әрекеті оны жай ғана жояды.
Кванттық компьютерлер табиғи процестерді жақсы түсінуге мүмкіндік береді. Суперпозицияның «хаосы» жолды, мысалы, ДНҚ-дағы мутацияларды, демек, ауру мен эволюцияның дамуын әлдеқайда жақсы көрсетеді. Кванттық есептеулер бүгінде жаңа препараттарды жасау үшін қолданылуда.
Деректерді телепортациялау үшін кванттық компьютерлерді пайдалану туралы айтудың мағынасы бар шығар. Иә, дәл деректерді телепортациялау, мүмкін адам. Біз ақпаратты физикалық түрде тасымалдамай-ақ бір жерден екінші жерге телепортациялай аламыз. Бұл қиял сияқты естіледі, бірақ мүмкін, өйткені кванттық бөлшектердің бұл өтімділігі уақыт пен кеңістікте шиеленісіп кетуі мүмкін, осылайша бір бөлшектің өзгеруі екіншісіне әсер етуі мүмкін және бұл телепортация үшін арна жасайды. Бұл зертханаларда көрсетілді және болашақтың кванттық интернетінің бөлігі болуы мүмкін. Бізде әлі ондай желі жоқ, бірақ кейбір ғалымдар кванттық компьютерде кванттық желіні имитациялай отырып, осы мүмкіндіктер бойынша жұмыс істеп жатыр. Олар желі пайдаланушылары арасындағы телепортация және тиімді деректерді беру, тіпті қауіпсіз дауыс беру сияқты қызықты жаңа хаттамаларды әзірлеп, енгізді.
Сондай-ақ, кванттық компьютерлерді әртүрлі жағдайларды имитациялау және проблемалардың, соның ішінде дәрі-дәрмектер мен вакциналардың шешімдерін табу үшін пайдалану керек екенін айту керек. Мысалы, коронавирус сияқты пандемия кезінде, опцияларды жылдамырақ есептеу және есептеу қажет болғанда. Мұнда классикалық компьютерде орындалмайтын кванттық модельдеу мүмкіндігін пайдалануға болады. Жаңа ауру пайда болған кезде оның емін табу процесі шамамен 15 жылға созылады және оның құны 2,6 миллиард долларға жетеді. Кейбір ауруларда донор болуы мүмкін жүздеген перспективалы адамдарды ғана анықтау үшін миллиондаған молекулалар арқылы сүзгілеу қажет. Содан кейін, тестілеу кезінде молекулалардың шамамен 99%, басқалармен қатар, мінез-құлықты қате болжау және іріктеу шектеулеріне байланысты төмендейді. Бұл жерде кванттық компьютерлер бірінші орынға шығады.
Бұл әлі де кванттық физиканың көмегімен қол жеткізуге болатын керемет идеялардың бірнешеуі ғана. Қазіргі уақытта біз оның қызық мінезін белгілі бір дәрежеде жеңе аламыз, бірақ барлық оқиғалар әлі де бастапқы деңгейде. Нағыз кванттық компьютерді құру және оны жаппай қолдану әлі де алыс, бірақ прогресс әлі де тұрмайды. Сондықтан, бәлкім, шамамен он жылдан кейін сіз кванттық компьютердің көмегімен осы мақаланы оқып, немқұрайлы күлетін боларсыз.
Сондай-ақ оқыңыз:
Coch sag olun, muellimin bize заманауи жад құрылғылары