Քվանտային համակարգիչների մասին պարզ բառերով

Քվանտային համակարգիչների մասին մենք լսում ենք առնվազն մի քանի տարի։ Բայց ի՞նչ է դա։ Ինչի համար է քվանտային համակարգիչը: Այսօր ամեն ինչ դրա մասին է պարզ բառերով:

Քվանտ համակարգիչ գյուտ է, որի հետ շատ հետազոտողներ մեծ հույսեր են կապում՝ ակնկալելով, որ այն դրական ազդեցություն կունենա գիտության զարգացման վրա։ Այնուամենայնիվ, հասկանալը, թե ինչպես է աշխատում քվանտային ֆիզիկան, շատ դժվար է: Որոշ ֆիզիկոսներ նույնիսկ կասկածում են, թե արդյոք ներկայիս «քվանտային համակարգիչները» պետք է այդպես կոչվեն։ Քվանտային հաշվարկների կիրառման ամենամեծ խոչընդոտը մեծ թվով սխալներ են, որոնց վրա ազդում են քվանտային մեքենաների միջավայրի նույնիսկ ամենափոքր փոփոխությունները: Մինչ այժմ մեզ դեռ չի հաջողվել լիովին գոհացուցիչ կերպով օգտագործել քվանտային բիթերի ներուժը։ Այսօր մենք կփորձենք պարզել, թե ինչն է առանձնահատուկ հենց այս քվանտային բիթերում:

Արդյո՞ք գոյություն ունեն քվանտային համակարգիչներ:

Ցանկացած իսկական գիտնականի էությունը չվստահելն ու անընդհատ ստուգելն է։ Ես հիշեցի հենց այս խոսքերը, երբ դեռ ուսանող էի. Եվ մեկ անգամ չէ, որ նա համոզվել է այս արտահայտության ճիշտության մեջ։ Սա վերաբերում է նաև «քվանտային համակարգիչներին»։ Ինչու ես մեջբերեցի այս համակարգիչների անունը: Եկեք պարզենք.

Քվանտային համակարգիչները շատ բարդ թեմա են, բայց ես կփորձեմ հնարավորինս պարզեցնել այն և խոսել դրանց մասին մատչելի ձևով։ Նույնիսկ այսօր գիտնականները, ֆիզիկոսները և ինժեներները կարող են վիճարկել այն պարզ թվացող հարցը, թե արդյոք գոյություն ունի աշխատող քվանտային համակարգիչ աշխարհում ինչ-որ տեղ: «Բայց ինչպե՞ս են, ի վերջո, IBM-ի նման ընկերությունները պարծենում քվանտային համակարգիչներով»,- կարող է ասել ինչ-որ մեկը։ Եվ նա ճիշտ կլինի։ Մնում է բաց հարց՝ արդյոք IBM-ն իսկապես ստեղծել է քվանտային համակարգիչ, թե՞ պարզապես իր սարքն անվանել է «քվանտային համակարգիչ»:

Երբ ընկերներիցս մեկն ինձ խնդրում է պարզ բառերով բացատրել, թե ինչպես են քվանտային համակարգիչները տարբերվում այն ​​համակարգիչներից, որոնց մենք սովոր ենք, ես սովորաբար օգտագործում եմ պարզ համեմատություն: Եթե ​​մեր դասական համակարգիչները (օրինակ PC, նոութբուքեր որ սմարթֆոններ) մոմեր են, ապա քվանտային համակարգիչները լամպ են։ Երկուսի նպատակը նույնն է՝ շիկացած լամպերի և մոմերի համար դա լույսի արտանետումն է, իսկ համակարգիչների համար՝ հաշվարկների։ Սակայն երկու դեպքում էլ նպատակը բոլորովին այլ կերպ է հասնում, իսկ արդյունքը՝ այլ։ Պարզ ասած, քվանտային համակարգիչը պարզապես ժամանակակից համակարգիչների կատարելագործված տարբերակ չէ, ինչպես լամպը պարզապես ավելի մեծ մոմ չէ: Դուք չեք կարող լույսի լամպ ստեղծել՝ մոմերը ավելի ու ավելի լավ դարձնելով: Լամպը տարբեր է տեխնոլոգիա, հիմնված ավելի խորը գիտական ​​ըմբռնման վրա։ Նմանապես, քվանտային համակարգիչը նոր տեսակի սարք է, որը հիմնված է քվանտային ֆիզիկայի վրա, և ինչպես լույսի լամպը փոխեց հասարակությունը, քվանտային համակարգիչները կարող են ազդել մեր կյանքի շատ ասպեկտների վրա, ներառյալ անվտանգության կարիքները, առողջապահությունը և նույնիսկ ինտերնետը:

Այսպիսով, եթե հավատարիմ մնանք լամպերով համակարգիչների համեմատությանը, ապա «քվանտային Ջոզեֆ Սվանը» (առաջին ֆունկցիոնալ շիկացած լամպի ստեղծողը) դեռ չի հայտնվել, և մինչ այժմ գիտությունը փորձում է, պարզ բառերով ասած, «ինչ-որ կարմիր ու տաք բան»՝ ստուգելով, թե որքան է այն փայլում։ Մենք գիտենք որոշ տեսական հիմունքներ, թե ինչպես են աշխատում քվանտային համակարգիչները, սակայն դրանց զարգացման համար կան հսկայական խոչընդոտներ, որոնք դեռևս սպասում են լուծմանը:

Ամբողջ աշխարհում հետազոտական ​​կենտրոններն ու ընկերությունները հետագա թեստեր և հետազոտություններ են անցկացնում, և քվանտային ֆիզիկայի ոլորտի փորձագետները համաձայն են, որ լիովին գործող քվանտային մեքենաների ստեղծումը, որոնք մենք կարող ենք օգտագործել՝ հասնելու նպատակներին, որոնք անհնար է հասնել այս փուլում, ակնհայտորեն կանցնի տասնյակների: տարիների։

Ես հավատում եմ, և շատ գիտնականներ կհամաձայնեն ինձ հետ, որ այն մեքենաները, որոնք ներկայումս կոչվում են քվանտային համակարգիչներ, բոլորովին արժանի չեն նման անվանման։ Նրանք չունեն հաշվարկներ կատարելու կամ այնպիսի խնդիրներ լուծելու ունակություն, որոնք մենք չենք կարող լուծել նորմալ, դասական եղանակով։

Մենք դեռ չենք հասել մեր տեխնոլոգիական զարգացման այնպիսի աստիճանի, որ կարողանանք ստեղծել քվանտային մեքենա, որը կլուծեր խնդիրներ, որոնք ներկայումս անհասանելի են դասական համակարգիչների համար: Իհարկե, Google-ը կամ IBM-ը խոսում են որոշ կամ այլ կատարված հաշվարկների մասին, որոնք դժվար կլիներ անել դասական եղանակով, բայց այս պահին դրանք համոզիչ չեն։

Կարդացեք նաև. Չինաստանը նույնպես ցանկանում է տիեզերք ուսումնասիրել: Այսպիսով, ինչպես են նրանք անում:

Ի՞նչ է քվանտը:

Ինչ է, այնուամենայնիվ, «քվանտը»: Դա ֆիզիկական օբյեկտ չէ։ «Քվանտ» տերմինը ֆիզիկայում օգտագործվում է ինչ-որ բանի հնարավոր ամենափոքր մասը նկարագրելու համար։ Այսպիսով, դուք կարող եք ունենալ «ուժի քվանտ», «ժամանակի քվանտ» կամ «մասնիկների քվանտ»: Հետևելով այս ճանապարհին՝ մենք կհասնենք այնպիսի տերմինների, ինչպիսիք են «քվանտային ֆիզիկա» և «քվանտային մեխանիկա», այսինքն՝ գիտության ճյուղեր, որոնք առնչվում են հնարավոր ամենափոքր փոխազդեցությունների կամ համակարգերի հետ՝ ատոմների և նույնիսկ առանձին քվարկների մակարդակով:

Իսկ այժմ մենք հասել ենք քյուբիտին (քվանտային բիթ), այսինքն՝ «քվանտային տեղեկատվության ամենափոքր և անբաժանելի միավորին»։ Միևնույն ժամանակ, մենք նաև գալիս ենք առաջին կետին, որը պատմում է մեզ նմանությունների և տարբերությունների մասին, թե ինչպես են դասական համակարգիչները (օգտագործելով բիթ) և քվանտային համակարգիչները (օգտագործելով քուբիթներ) հաշվարկներ կատարում:

Դասական համակարգիչներում յուրաքանչյուր տեղեկություն պահվում է որպես մեկերի և զրոների հաջորդականություն: Նման տեղեկատվությունը ընկալվում և մեկնաբանվում է համակարգչի, վահանակի, սմարթֆոնի կողմից, խելացի ժամացույց որ խելացի հեռուստացույց, նման գործողությունների, որոնք կատարվում են այս տեղեկատվության վրա: Անկախ նրանից, թե մենք նայում ենք արձակուրդի լուսանկարներին, զրուցում ենք ընկերների հետ, խաղում ենք վերջին խաղը կամ կատարում ենք խորացված գաղտնագրային հաշվարկներ, ամեն ինչ տեղի է ունենում երկուական համակարգում, որտեղ կան 0 կամ 1 և ուրիշ ոչինչ: Իրականում դա ավելի շատ նման է դասական այո կամ ոչ:

Թե որքան անարդյունավետ է այս համակարգը, կարելի է տեսնել, երբ հասնենք դրա սահմաններին: Եվ անկախ նրանից, թե մենք մեր սմարթֆոններում տարածքը սպառվում է հերթական սելֆիի համար, թե գիտնականները փորձում են ստեղծել համաճարակի զարգացման մաթեմատիկական մոդելներ, խնդիրն այն է, որ կան չափազանց շատ զրոներ և մեկներ, և դրանք պահելու ռեսուրսները և ուժը: հաշվարկել դրանք հասանելի չեն:

Qubit-ը լուծում է այս խնդիրը: Այս տեղեկությունը օգտագործում է քվանտային ֆիզիկայի հատկություններ, որոնք թույլ են տալիս նրան մնալ այսպես կոչված սուպերպոզիցիայի մեջ: Կուբիթը կարող է ցանկացած արժեք վերցնել 0-ից 1-ի միջև: Այն ունի ամբողջ սպեկտրի հատկությունները և կարող է ունենալ այնպիսի արժեքներ, ինչպիսիք են 15 տոկոս զրո և 85 տոկոս մեկ: Տեսականորեն սա թույլ է տալիս շատ ավելի շատ տեղեկություններ պահպանել կամ արագացնել հաշվարկները: Բայց միևնույն ժամանակ առաջանում են բազմաթիվ խնդիրներ, որոնք դժվար է կառավարել և նույնիսկ հասկանալ։

Քվանտային համակարգիչների մեկ այլ առանձնահատկություն, որը թույլ է տալիս հաշվողական հզորության լրացուցիչ մասշտաբում, քվանտային խճճվածության օգտագործումն է։ Սա մի վիճակ է, որտեղ երկու քյուբիթները միացված են միմյանց, և ամեն անգամ, երբ մենք դիտում ենք դրանցից մեկը, մյուսը կլինի ճիշտ նույն վիճակում: Խճճվածությունը թույլ է տալիս քյուբիթներին խմբավորել ավելի արդյունավետ միավորների մեջ՝ տեղեկատվության ձայնագրման և մշակման համար:

Կարդացեք նաև. Ովքե՞ր են բիոհաքերները և ինչու են նրանք ինքնակամ չիպ անում:

Քվանտային սարքավորումներ

Քվանտային համակարգիչը բաղկացած է երեք հիմնական մասից՝ քյուբիթները պահելու տարածք, քյուբիթներին ազդանշաններ փոխանցելու մեթոդ և ծրագիր գործարկելու և հրահանգներ ուղարկելու դասական համակարգիչ։

Քվանտային նյութը, որը կազմում է քյուբիթները, նուրբ է և չափազանց զգայուն է շրջակա միջավայրի ազդեցությունների նկատմամբ: Կուբիտների պահպանման որոշ մեթոդների համար միավորը, որտեղ պահվում են քյուբիթները, պահվում է բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում, որպեսզի առավելագույնի հասցվի դրանց համահունչությունը: Կուբիտների պահեստավորման այլ տեսակներ օգտագործում են վակուումային խցիկ՝ թրթռումը նվազագույնի հասցնելու և կիուբիթները կայունացնելու համար:

Կան կուբիթներին ազդանշաններ փոխանցելու տարբեր մեթոդներ, ինչպիսիք են միկրոալիքային վառարանները, լազերները և էլեկտրական լարումը:

Քվանտային համակարգիչների բնականոն աշխատանքը հաստատելու համար անհրաժեշտ է լուծել բազմաթիվ խնդիրներ։ Քվանտային համակարգիչների հիմնական խնդիրը սխալների ուղղումն է, և մասշտաբը (ավելացնելով ավելի շատ քյուբիթ) ավելի է մեծացնում դրանց հաճախականությունը: Այս սահմանափակումների պատճառով ձեր գրասեղանի քվանտային անհատական ​​համակարգիչը դեռ հեռավոր ապագա է, սակայն առևտրային քվանտային համակարգիչները կարող են հասանելի դառնալ մոտ ապագայում: Այս մասին ավելի մանրամասն խոսենք։

Քվանտային համակարգիչների խնդիրներ

Այնուամենայնիվ, քվանտային համակարգիչները մեկ հսկայական խնդիր ունեն. Այսինքն՝ գիտնականները դրանց օգտագործման հետ կապված հսկայական խնդիր ունեն, քանի որ իրենց հատուկ հատկությունների շնորհիվ քյուբիթներին բավական հանգիստ միջավայր է պետք, որպեսզի կարողանան ճշգրիտ կարդալ դրանցից ցանկացած տվյալ: Յուրաքանչյուր, նույնիսկ ամենափոքր խախտումը անհնարին կդարձնի տեղեկատվության ճշգրիտ ընթերցումը:

Դասական համակարգիչների դեպքում նմանատիպ խնդիրն անցյալում նույնպես կարևոր դեր է խաղացել, սակայն այսօր այն այնքան աննշան է, որ հաճախ անտեսվում է նույնիսկ ակադեմիական գիտության մեջ: Խոսքը սխալի մակարդակի մասին է։ Դա ցուցիչ է, որը որոշում է, թե տեղեկատվության բիթերի կամ քյուբիթների որ մասնաբաժինը կարող է վնասվել: Դա կարող է տեղի ունենալ, օրինակ, գերլարման կամ այլ խանգարումների ժամանակ:

Դասական սարքերի համար սխալի հավանականությունը մոտավորապես մեկից է 10¹⁷ քիչ Քվանտային համակարգիչների դեպքում սա դեռ մի քանի հարյուրից մեկն է։ Եվ սա այն իրավիճակում, երբ քվանտային համակարգիչներն աշխատում են առավել մեկուսացված պայմաններում և -272 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում, այսինքն՝ բացարձակ զրոյից մի փոքր բարձր: Ջերմաստիճանի ցանկացած տատանում, էլեկտրամագնիսական դաշտի փոփոխություններ և նույնիսկ շարժում ոչնչացնում են ամբողջ հաշվարկը:

Մեկ այլ խնդիր է քվանտային վիճակների «անկայունությունը»։ Ամեն անգամ, երբ մենք չափում ենք կամ ցանկանում ենք խանգարել քվանտային վիճակը, այն վերադառնում է երկու դիրքերից մեկին՝ զրո և մեկ: Այս դեպքում քվանտային վիճակը կփչանա։ Այս գործընթացը կոչվում է քվանտային դեկոհերենցիա:

Մտածեք դրա մասին այսպես. քվանտային համակարգիչը հմուտ մաթեմատիկոս է, որը կատարում է բարդ հաշվարկներ, և դրա արդյունքները 0-ից 1 միլիոն են: Մենք էլ մեր հերթին երեխա ենք, ով միայն հասկանում է, որ ինչ-որ բան կարող է շատ լինել կամ շատ քիչ: Ամեն անգամ, երբ մաթեմատիկոսը կարող է ունենալ տարբեր արդյունքներ, օրինակ՝ 356 կամ 670,23, ըստ աշխարհի մեր պատկերացումների, այս արդյունքներից յուրաքանչյուրը դասակարգվում է որպես մի քանի (1) կամ շատ (846)՝ առանց երկուսի միջև որոշակի տարբերություն սահմանելու: Սա քվանտային դեկոհերենցիա է: Ճիշտ հաշվարկ անելու միակ միջոցը մաթեմատիկական աշխատանքն ավարտելուց առաջ երաշխավորելն է։

Կարդացեք նաև. Ի՞նչ կանեն համառությունն ու հնարամտությունը Մարսի վրա:

Ինչի՞ համար ենք օգտագործելու քվանտային համակարգիչները:

Այսօր հարց է առաջանում, թե ինչի համար կարելի է օգտագործել քվանտային համակարգիչները, ինչպես 20 տարի առաջ, ինչի համար կարելի է օգտագործել սմարթֆոնը։ Իհարկե, արդեն կան որոշ ծրագրեր ու ենթադրություններ, բայց քյուբիթների օգտագործման ամենահետաքրքիր ուղղությունները, հավանաբար, պարզ կդառնան, երբ քվանտային համակարգիչները լայն տարածում ունենան։

Կրիպտոգրաֆիան ամենահայտնի ոլորտներից է, որտեղ առավել հաճախ օգտագործվում է քվանտային հաշվարկը: Բանն այն է, որ դա կլինի շատ անվտանգ եղանակով ինֆորմացիա փոխանցելու մեթոդ, և անվտանգությունը հիմնված է ոչ թե հաշվողական գործընթացների բարդության, այլ ֆիզիկայի օրենքների վրա, որոնք վստահություն կտան, որ որոշ բաներ ուղղակի անհնարին են։ Իսկ այս պահին անհնար կլինի լսել, լրտեսել, կոտրել։

Անվտանգությունն այս դեպքում երաշխավորված է քյուբիթների հենց ֆիզիկական հատկություններով, որոնք, ինչպես ավելի վաղ բացատրեցի, դադարում են ցույց տալ սուպերպոզիցիոն հատկանիշները հենց դրանք դիտարկվում են: Այսպիսով, կոդավորված հաղորդագրությունը ընդհատելու կամ նույնիսկ պատճենելու ցանկացած փորձ պարզապես կկործանի այն:

Քվանտային համակարգիչները կարող են նաև թույլ տալ մեզ ավելի լավ հասկանալ բնական գործընթացները: Սուպերպոզիցիայի «քաոսը» շատ ավելի լավ է արտացոլում, օրինակ, ԴՆԹ-ի մուտացիաների, հետևաբար հիվանդության և էվոլյուցիայի զարգացումը: Քվանտային հաշվարկն այսօր արդեն օգտագործվում է նոր դեղամիջոցներ ստեղծելու համար:

Թերևս իմաստ ունի խոսել տվյալների հեռահաղորդման համար քվանտային համակարգիչների օգտագործման մասին: Այո, հենց տվյալների և, հնարավոր է, անձի հեռահաղորդակցությունը: Մենք կկարողանանք տեղեկատվություն փոխանցել տեղից տեղ՝ առանց այն ֆիզիկապես փոխանցելու: Թվում է, թե ֆանտազիա է, բայց դա հնարավոր է, քանի որ քվանտային մասնիկների այս հեղուկությունը կարող է խճճվել ժամանակի և տարածության մեջ, այնպես որ մի մասնիկի փոփոխությունը կարող է ազդել մյուսի վրա, և դա ալիք է ստեղծում տելեպորտացիայի համար: Սա արդեն ապացուցվել է լաբորատորիաներում և կարող է լինել ապագայի քվանտային ինտերնետի մի մասը: Մենք դեռ չունենք նման ցանց, բայց որոշ գիտնականներ արդեն աշխատում են այդ հնարավորությունների վրա՝ նմանակելով քվանտային ցանցը քվանտային համակարգչի վրա։ Նրանք արդեն մշակել և ներդրել են հետաքրքիր նոր արձանագրություններ, ինչպիսիք են ցանցի օգտատերերի միջև հեռահաղորդումը և տվյալների արդյունավետ փոխանցումը և նույնիսկ անվտանգ քվեարկությունը:

Պետք է ասել նաև, որ քվանտային համակարգիչները պետք է օգտագործվեն տարբեր իրավիճակներ մոդելավորելու և խնդիրների լուծումներ գտնելու համար, այդ թվում՝ դեղամիջոցներ և պատվաստանյութեր։ Օրինակ՝ կորոնավիրուսի նման համաճարակների ժամանակ, երբ անհրաժեշտ է ավելի արագ հաշվարկ և տարբերակների հաշվարկ։ Այստեղ դուք կարող եք օգտագործել քվանտային մոդելավորման հնարավորությունը, որը հնարավոր չէ կատարել դասական համակարգչի վրա։ Երբ նոր հիվանդություն է ի հայտ գալիս, բուժումը գտնելու գործընթացը տևում է մոտ 15 տարի և կարող է արժենալ մինչև 2,6 միլիարդ դոլար: Որոշ հիվանդությունների դեպքում անհրաժեշտ է զտել միլիոնավոր մոլեկուլների միջով՝ բացահայտելու միայն հարյուրավոր խոստումնալից անհատներ, որոնք, ամենայն հավանականությամբ, կդառնան դոնորներ: Այնուհետև փորձարկման ժամանակ մոլեկուլների մոտավորապես 99%-ը թափվում է, ի թիվս այլ բաների, վարքագծի սխալ կանխատեսման և նմուշառման սահմանափակումների պատճառով: Այստեղ է, որ առաջին պլան կգային քվանտային համակարգիչները:

Եվ սրանք դեռ միայն մի քանի հրաշալի գաղափարներ են այն մասին, թե ինչի կարելի է հասնել քվանտային ֆիզիկայի միջոցով: Ներկայումս մեզ հաջողվում է որոշ չափով ընտելացնել նրա քմահաճ կերպարը, սակայն բոլոր զարգացումները դեռ սկզբնական մակարդակի վրա են։ Իրական քվանտային համակարգչի ստեղծումը և դրա զանգվածային կիրառումը դեռ բավականին հեռու են, բայց առաջընթացը դեռ կանգուն չէ: Հետևաբար, միգուցե մոտ տասը տարի հետո դուք կկարդաք այս հոդվածը քվանտային համակարգչի օգնությամբ և կժպտաք խոնարհաբար։

Կարդացեք նաև.

• Մարսը կապի մեջ է: Տիեզերական հաղորդակցությունների բարդությունների մասին
• Ի՞նչը կարող է խանգարել մեզ գաղութացնել Մարսը: