Концепцията и принципа на работата на квантов компютър

Темата на квантовия компютър наскоро стана много популярна и говоренето за пробив в технологиите не отшумява, но не толкова отдавна, успехът на изследванията в областта на квантовите изчисления беше нещо от редица измислици. Нови термини се появиха в информационен поток и сега не по -малко от изкуствения интелект и машинното обучение. Въпреки че изследването се провежда за не първото десетилетие, то беше особено ползотворно по отношение на развитието и богатите за събития бяха миналата година, когато IBM показа на света първия търговски квантов компютър и Google обяви постижението на квантовото превъзходство.

Революционните открития в съвременната физика, които осигуриха нов кръг от развитие на изчислителните технологии, може без преувеличение да промени света и да донесе на човечеството огромни ползи с правилна употреба. Ако се интересувате от тази тема и искате да разберете какви са квантовите компютри, по какъв принцип работят и защо изобщо са необходими, тогава в този материал ще говорим за това възможно най -ясно, без да се задълбочаваме в изучаването на Quantum Механика и структурата на квантовия свят.

Какво е квантов компютър

Днес вече има съмнение дали има квантов компютър, няма. Ако доскоро това беше само плод на фантазията на учените, сега той се превърна в напълно осезаем обект и можем да видим как изглежда практическото изпълнение на системата.

Ако говорите с прости думи, какъв е квантовият компютър, тогава това е средство за компютърна технология, което използва законите на квантовата механика в своята работа. Машината изпълнява определени задачи по -ефективно от обикновения компютър, който съхранява данни в битове.

KK използва квантови алгоритми, които използват ефекти като суперпозиция и квантово объркване. За изчисления се използват кубчета (квантови частици), способни да са в две условия наведнъж. Тоест, ако битът приеме една от двете възможни стойности- 0 или 1, тогава кубът е както 0, така и 1 едновременно, което позволява на KC да обработва данни и да изпълнява математически задачи хиляди пъти по-бързо от обикновено обикновено. Не е необходимо да подрежда комбинациите, както прави, включително суперкомпютър, квантова система. Отговорът се изчислява със скорост на мълния. Тези възможности отварят пътя за решаване на проблеми, които са невъзможни или изискват големи времеви разходи.

Историята на създаването на компютри от ново поколение датира от далеч през 1981 г., когато за първи път говориха за използването на квантови системи за изчисления. Тогава той все още беше далеч от физическото изпълнение, първият работен алгоритъм за KK се появи едва през 1994 г., а първата 2 кубична машина е създадена през 1998 г. в Калифорнийския университет в Бъркли,. От десетилетия експериментални проби се създават от групи учени от различни страни, но IBM и Google постигнаха най -големите успехи в тази област.

Състезанието на водещи компании е в разгара си. През юни 2020 г. Honeywell получи съобщение, че най -мощният квантов компютър е създаден за днес. Компанията твърди, че създаденото устройство е два пъти повече от IBM и Google Quantum Systems, за няколко минути решаващите задачи, за които обикновените компютри ще се нуждаят от хилядолетия. Развитието на Honeywell е впечатляващо с рекорден показател за ефективност на 64 квантови тома. Ядрото на системата е стоманена сфера с размерите на баскетбол, охладена с течен хелий до температура -262,7 ° C. Той съдържа капани от йони, образувани от атоми, те спират движението под въздействието на ниски температури и се контролират от лазерни импулси.

Защо се нуждаете от квантов компютър

Бързата обработка на големи масиви за данни с помощта на нови технологии може да помогне за решаването на много проблеми и да повлияе на различни области. Например, KC само за няколко секунди ще се справи с разлагането на числа, състоящи се от голям брой знаци, за прости фактори (самият процес не е сложен, но изисква големи разходи за време, тук се основава съвременната криптография) , и също така решават редица подобни проблеми. В допълнение, технологията е подходяща и за моделиране на трудни ситуации, включително изчисляване на физичните свойства на елементите на молекулно ниво.

Основните области на прилагане на квантовите компютри:

• глобална оптимизация;
• Моделиране на ДНК молекули;
• създаване на нови материали;
• създаване на лекарства;
• подобряване на машинното обучение;
• Задачи на криптография и криптиране (включително алгоритми за хакерство на криптиране и получаване на достъп до всякаква информация).

На този етап квантовите компютри се отличават със сложността на производството и нестабилността на работата, така че засега е възможно да се развиват само високоефективни системи, затворени за един алгоритъм и проектирани за много тесен кръг от задачи.

Каква е разликата между квантовия компютър от редовен

В продължение на 30 години от концепцията за „квантови изчисления“ научните разработки позволиха на изчислителните системи от този тип да се превърнат в реалност, макар и недостъпни за обикновен потребител. Квантовите компютри се основават на уникално поведение, което е коренно различно от работата на стандартните, познати машини за нас и се описва от квантовата механика.

Устройствата са в състояние да решават математически проблеми за няколко секунди, решението на които на обикновен компютър би копнеело за милиарди години. Според Google, квантовата машина на Sycamore за повече от три минути е завършила изчисления, над които стандартът суперкомпютър би имал 10 000 години - това се нарича силен термин „квантово превъзходство“.

Обичайният компютър, с който всеки модерен човек е познат, както и смартфон, таблет или лаптоп, информация в битове, които приемат стойността 0 или 1, и можете да представите каквато и да е информация, независимо дали е текст или снимка, да бъде елементи и единици. Основната разлика и предимството на квантовия компютър в използвания операционен блок, наречен куб (или квантов бит). Cubit може да бъде в състояние на несигурност, с други думи, да бъде в различни състояния едновременно, по аналогия с котката на Schrödinger (феномен на суперпозицията).

Квантовият компютър е много пъти по -бърз и по -мощен от обикновено, докато не е подходящ за повечето ежедневни задачи, тъй като принципът му на работа ще бъде много различен.

Как е компютър на бъдещето

Сега нека разгледаме по -подробно от какво се състои системата с висока тех. Както вече разбрахме, минималната единица информация на обикновения компютър е малко, която отнема стойност 1 или 0 (включена или изключена), в квантов компютър - това са кубчета, които могат да вземат всички стойности. В същото време квантовите частици зависят от измерването, което означава липсата на информация за куба до момента на неговото измерване, процесът на измерване влияе и на стойността на квантовия бит, което може да изглежда странно, но точно това е така, точно така е случаят.

Благодарение на това свойство на кубчетата (едновременно останете при всички условия), докато частицата се измери, компютърът незабавно преодолява вероятните опции за решение поради наличната връзка между кубчетата. По този начин решението е известно веднага след въвеждането на първоначалните данни, тоест суперпозицията определя паралелността на изчисленията, която ускорява функционирането на алгоритмите на моменти.

Устройството на квантовия компютър включва:

• Управление на компютър;
• импулсен генератор, засягащ кубчетата;
• държавен регистър;
• ПРОЦЕСОР;
• Устройство за измерване на запушаване.

За да се работи между атомите, се осигурява квантова връзка и колкото повече връзки се образуват кубчетата, толкова по -малка е стабилността на системата. За квантово превъзходство над стандартен компютър, той ще изисква поне 49 кубчета и в този случай стабилността на системата вече е под въпрос. Когато се създават множество зависимости, всички външни влияния могат да им повлияят.

Поради крехкостта на отношенията на KC, състояща се от няколко основни нива, включва охлаждането на атомите до почти абсолютна нула, което ви позволява да защитавате от външни процеси, поради тази причина устройството със защитата на квантовия процесор заема голям обем на пространството.

Принципът на експлоатация на KK

Обичайната схема на работата на компютри, лаптопи, смартфони или таблети, използващи цифровия принцип, се основава на използването на класически алгоритми, което коренно се различава от принципа на работа на квантовия компютър. И така, редовен компютър ще покаже един и същ резултат, независимо колко пъти да стартирате изчислението, опциите се изчисляват последователно.

Квантовият компютър използва съвсем различен - вероятностния принцип на работа. В определен смисъл системата вече съдържа всички възможни решения. Резултатът от изчисленията е най-вероятният отговор, а не недвусмислен, докато всеки следващ старт на квантовия алгоритъм, вероятността за получаване на правилния отговор нараства, което означава, че след 3-4 бързо изпълнение можете да сте сигурни, че стигнахме до The Правилно решение, например, ключът за криптиране.

В квантовите системи, които използват кубчета в своята работа, с увеличаване на броя на частиците, той расте експоненциално и броят на стойностите, обработени едновременно.

Говорейки за това как работи квантовият компютър, струва си да се спомене връзката на кубчета. При наличието на няколко кубчета в системата промяна в едно също ще доведе до промяна в останалите частици. Компютърната мощност се постига чрез паралелни изчисления.

Въпреки многомилионните инвестиции, квантовите технологии се развиват доста бавно. Това се дължи на голям брой трудности, с които учените трябваше да срещнат в процеса на изследване, включително необходимостта от изграждане на нискотемпературни саркофаги с максимална изолация на камерата с процесор от всякакви възможни външни влияния за запазване на квантовите свойства на системата. В допълнение, изследователите имат задача да решават грешки, тъй като квантовите процеси и изчисленията имат вероятностно естество и не могат да бъдат сто процента верни.

Изграждането на стабилни системи също е далеч от идеала и при прилагане на квантов компютър на физическо ниво се използват няколко решения, използващи различни технологии. Така че създаването на пълноценният универсален квантов компютър все още е в бъдеще, макар и не толкова далеч преди пет години. Най -големите компании като IBM, Google, Intel, Microsoft участват в създаването му, които допринесоха голям за развитието на технологиите, както и някои държави, за които този въпрос е от стратегическо значение.