Кван­то­вая ре­во­лю­ция

В сле­ду­ю­щие го­ды нам в бук­валь­ном смыс­ле пред­сто­ит со­вер­шить кван­то­вый ска­чок. Ком­пью­те­ры бу­дут про­из­во­дить вы­чис­ле­ния, ко­то­рые в на­сто­я­щее вре­мя невоз­мож­ны.

Chip (Russia) - - Содержание -

Ку­да дви­жет­ся про­гресс в об­ла­сти раз­ви­тия но­вых про­цес­со­ров

Еди­ни­цы, ну­ли — с са­мо­го на­ча­ла сво­е­го су­ще­ство­ва­ния, вот уже по­чти семь­де­сят лет, ком­пью­те­ры про­из­во­дят вы­чис­ле­ния в дво­ич­ном ко­де, об­ра­зуя по­сле­до­ва­тель­ность би­тов ин­фор­ма­ции с по­мо­щью про­стых опе­ра­то­ров: AND, OR, NOT. Эти про­стые эле­мен­ты об­ра­зу­ют слож­ные ко­ман­ды, со­став­ляя ос­но­ву любого язы­ка про­грам­ми­ро­ва­ния: ес­ли усло­вие выполняется, то нуж­но сде­лать это (IF, THEN), ес­ли нет — то (IF, ELSE). Ма­ши­ны вы­пол­ня­ют про­грамм­ный код стро­го сло­во в сло­во.

А те­перь пред­ставь­те се­бе ком­пью­тер, ко­то­рый не толь­ко по­ни­ма­ет ну­ли и еди­ни­цы, но и зна­ет все ве­ро­ят­но­сти то­го, что зна­че­ние бу­дет рав­но ну­лю или еди­ни­це. Он счи­та­ет не как малыш, ко­то­рый скла­ды­ва­ет по паль­цам: 1+1=2 или 2+2=4, а как юно­ша, ко­то­рый по­ни­ма­ет са­му опе­ра­цию сло­же­ния: x+y=z. Он не вы­пол­ня­ет за­дан­ный стро­гий код, а сам под­стра­и­ва­ет­ся под по­став­лен­ные за­да­чи и по ме­ре их вы­пол­не­ния вы­да­ет ре­зуль­та­ты все быст­рее и точ­нее. При этом он самостоятельно на­хо­дит та­кие ре­ше­ния, ко­то­рые про­грам­ми­стам и в го­ло­ву не при­хо­ди­ли, и адап­ти­ру­ет код под них. Две тех­ни­че­ские раз­ра­бот­ки по­спо­соб­ству­ют раз­ви­тию ком­пью­те­ров в сле­ду­ю­щем де­ся­ти­ле­тии: ней­рон­ные се­ти и кван­то­вые ком­пью­те­ры.

Один бит за все циф­ры

В ос­но­ве ра­бот над кван­то­вым ком­пью­те­ром ле­жит идея, из­вест­ная в массовой куль­ту­ре как «кот Шре­дин­ге­ра». Этот мыс­лен­ный экс­пе­ри­мент объ­яс­ня­ет од­но из по­ня­тий кван­то­вой фи­зи­ки — су­пер­по­зи­цию. Ес­ли клас­си­че­ская фи­зи­ка од­но­знач­но опре­де­ля­ет со­сто­я­ние эле­мен­тар­ной ча­сти­цы че­рез ее по­ло­же­ние и ско­рость, то от­кры­тия кван­то­вой фи­зи­ки поз­во­ля­ют опи­сы­вать со­сто­я­ние ча­сти­цы толь­ко че­рез функ­цию ве­ро­ят­но­сти. Из сме­ше­ния всех воз­мож­ных со­сто­я­ний толь­ко в мо­мент на­блю­де­ния — из­ме­ре­ния — ча­сти­ца вы­би­ра­ет од­но кон­крет­ное: элек­трон, на­при­мер — со­сто­я­ние спи­на («спин вверх» или «спин вниз»). Кван­то­вые ком­пью­те­ры при вы­чис­ле­ни­ях ис­поль­зу­ют как раз яв­ле­ние су­пер­по­зи­ции.

Наи­мень­шим эле­мен­том для хра­не­ния ин­фор­ма­ции в кван­то­вом ком­пью­те­ре яв­ля­ет­ся кван­то­вый бит — ку­бит. Ес­ли

бит при­ни­ма­ет стро­го од­но из двух зна­че­ний — 0 или 1, то ку­бит пред­став­ля­ет все ве­ро­ят­но­сти по­лу­чить зна­че­ние 0 или 1. Огром­ная раз­ни­ца в вы­чис­ли­тель­ных ре­сур­сах меж­ду кван­то­вым ком­пью­те­ром и клас­си­че­ским обу­слов­ле­на ис­поль­зо­ва­ни­ем еще од­но­го кван­то­ме­ха­ни­че­ско­го яв­ле­ния — кван­то­вой за­пу­тан­но­сти: ес­ли два ку­би­та ока­зы­ва­ют­ся вза­и­мо­свя­за­ны, сли­ва­ет­ся их функ­ция ве­ро­ят­но­сти, ко­то­рая опи­сы­ва­ет, в ка­кие со­сто­я­ния они мо­гут пе­рей­ти. То есть два ку­би­та при счи­ты­ва­нии мо­гут по­лу­чить че­ты­ре зна­че­ния (00, 01, 10, 11). Чем боль­ше со­во­куп­ность за­пу­тан­ных меж­ду собой ку­би­тов, тем силь­нее этот эф­фект; он вы­ра­жа­ет­ся фор­му­лой 2 в сте­пе­ни N, где N — ко­ли­че­ство за­пу­тан­ных ку­би­тов. То есть 10 ку­би­тов со­дер­жат 1024 ве­ро­ят­ных зна­че­ния, а 50 ку­би­тов пред­став­ля­ют бо­лее квад­рил­ли­о­на раз­лич­ных со­сто­я­ний.

Обо­ру­до­ва­ние по­чти при ну­ле

Что­бы по­стро­ить пол­но­цен­ный кван­то­вый ком­пью­тер, пред­сто­ит пре­одо­леть не­ко­то­рые се­рьез­ные пре­пят­ствия. Яв­ле­ния кван­то­вой су­пер­по­зи­ции и кван­то­вой за­пу­тан­но­сти мо­гут за­ни­мать ка­кие-то мик­ро­се­кун­ды. Ком­пью­тер мо­жет про­из­во­дить вы­чис­ле­ния в течение это­го про­ме­жут­ка времени, при­чем при усло­вии, что ку­би­ты изо­ли­ро­ва­ны от внеш­не­го воз­дей­ствия. В ро­ли ку­би­тов уче­ные про­бо­ва­ли раз­ные ча­сти­цы, в том чис­ле ио­ны, фо­то­ны, элек­тро­ны. Кван­то­вые ком­пью­те­ры IBM и Google по­стро­е­ны на це­пи из сверх­про­вод­ни­ков, на­хо­дя­щей­ся при тем­пе­ра­ту­ре, близ­кой к аб­со­лют­но­му ну­лю, — так мож­но ре­а­ли­зо­вать элек­три­че­ский ток, ко­то­рый по­тен­ци­аль­но про­хо­дит од­но­вре­мен­но в обо­их на­прав­ле­ни­ях, то есть на­хо­дит­ся в су­пер­по­зи­ции со­сто­я­ний. Ку­би­ты этих ком­пью­те­ров управ­ля­ют­ся, объ­еди­ня­ют­ся и счи­ты­ва­ют­ся с по­мо­щью мик­ро­вол­но­во­го из­лу­че­ния.

Код для ку­би­тов

Пи­сать код для кван­то­во­го ком­пью­те­ра — де­ло да­ле­ко не обыч­ное. Эта­пы вы­чис­ле­ний раз­би­ва­ют­ся на кван­то­вые вен­ти­ли, мо­де­ли­ру­ю­щие клас­си­че­ские опе­ра­то­ры AND, OR и NOT. Для это­го ку­би­ты по­лу­ча­ют вход­ное со­сто­я­ние и за­тем в несколь­ко эта­пов объ­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом. До сих пор су­ще­ству­ет все­го несколь­ко ал­го­рит­мов, оп­ти­ми­зи­ро­ван­ных под кван­то­вые ком­пью­те­ры. На­при­мер, на ал­го­ритм Шо­ра для раз­ло­же­ния на­ту­раль­но­го чис­ла на про­стые мно­жи­те­ли клас­си­че­ско­му ком­пью­те­ру тре­бу­ет­ся чрез­вы­чай­но мно­го времени, да­же ес­ли он за­дей­ству­ет ты­ся­чи про­цес­со­ров. Кван­то­вый же 100-ку­бит­ный ком­пью­тер, по оцен­кам ру­ко­во­ди­те­ля ла­бо­ра­то­рии Google Джо­на Мар­ти­ни­са, с та­ки­ми вы­чис­ле­ни­я­ми спра­вит­ся очень быстро. Груп­па уче­ных под ру­ко­вод­ством про­фес­со­ра фи­зи­ки уже по­стро­и­ла для Google 49-ку­бит­ный кван­то­вый ком­пью­тер.

Од­на­ко та­кой кван­то­вый ком­пью­тер, по сло­вам Мар­ти­ни­са, дол­жен со­дер­жать неко­то­рое ко­ли­че­ство до­пол­ни­тель­ных ку­би­тов для ис­прав­ле­ния оши­бок. Де­ло в том, что ба­зо­вые еди­ни­цы кван­то­вой ин­фор­ма­ции чрез­вы­чай­но вос­при­им­чи­вы к внеш­ним воз­дей­стви­ям, что при­во­дит к ис­ка­же­нию ре­зуль­та­та — от­сю­да и воз­ни­ка­ет необ­хо­ди­мость в тща­тель­ной про­вер­ке. По­это­му от­кры­тым оста­ет­ся вопрос мас­шта­би­ру­е­мо­сти кван­то­во­го ком­пью­те­ра: не ис­клю­че­но, что си­сте­ма кор­рек­ции оши­бок по­тре­бу­ет столь­ко вы­чис­ли­тель­ных ре­сур­сов, что раз­ра­бот­ка боль­ших кван­то­вых ком­пью­те­ров не бу­дет иметь смысла — та­кой вот пес­си­ми­стич­ный про­гноз.

Но ес­ли мас­шта­би­ро­ва­ние удаст­ся, кван­то­вые ком­пью­те­ры смо­гут в бу­ду­щем быст­рее ре­шать все за­да­чи, сво­дя­щи­е­ся к пра­виль­но­му вы­бо­ру од­ной ве­ро­ят­но­сти из очень мно­гих. Се­го­дня мы ис­поль­зу­ем су­пер­ком­пью­те­ры, ко­то­рые, од­на­ко,

Newspapers in Russian

Newspapers from Russia

© PressReader. All rights reserved.