Квантові комп'ютери – що це таке? Принцип роботи та фото квантового комп'ютера

Людство, як і 60 років тому, знову стоїть на порозі грандіозного прориву у сфері обчислювальних технологій. Вже дуже скоро на зміну сьогоднішнім обчислювальним машинам прийдуть квантові комп'ютери.

До чого дійшов прогрес

У далекому 1965 році Гордон Мур говорив, що за рік кількість транзисторів, що вміщуються в кремнієвому мікрочіпі, збільшується вдвічі. Цей темп прогресу останнім часом сповільнився, і подвоєння відбувається рідше – раз на два роки. Навіть такий темп у найближчому майбутньому дозволить досягти транзисторів розмірів з атомом. Далі – рубіж, який переступити неможливо. З точки зору фізичної будови транзистора він ніяк не може бути меншим за атомарні величини. Збільшення розмірів чіпа проблеми не знімає. Робота транзисторів пов'язана з виділенням теплової енергії, і процесори потребують якісної системи охолодження. Багатоядерна архітектура також вирішує питання подальшого зростання. Досягнення піку розвитку технології сучасних процесорів відбудеться вже скоро.
Розробники дійшли розуміння цієї проблеми в той час, коли користувачі тільки почали з'являтися персональні комп'ютери. 1980 року один із засновників квантової інформатики, радянський професор Юрій Манін, сформулював ідею квантових обчислень. Вже за рік Річард Фейман запропонував першу модель комп'ютера із квантовим процесором. Теоретичні основи того, як мають виглядати квантові комп'ютери, сформулював Пол Беніофф.

Принцип роботи квантового комп'ютера

Щоб розуміти, як працює новий процесор, потрібно мати хоча б поверхневі знання принципів квантової механіки. Немає сенсу наводити тут математичні розкладки та виводити формули. Обивателю достатньо ознайомитися з трьома відмінними рисами квантової механіки:

Стан або положення частинки визначається тільки з якоюсь часткою ймовірності.
Якщо частка може мати кілька станів, то вона і знаходиться одразу у всіх можливих станах. Це принцип суперпозиції.
Процес вимірювання стану частки призводить до зникнення суперпозиції. Характерно, що отримане виміром знання про стан частинки відрізняється від реального стану частинки до вимірів.

З погляду здорового глузду - повне безглуздя. У нашому звичайному світі ці принципи можна представити так: двері в кімнату зачинені, і в той же час відчинені. Закрита та відкрита одночасно.

У цьому й полягає разюча відмінність обчислень. Звичайний процесор оперує у своїх діях бінарним кодом. Комп'ютерні біти можуть бути тільки в одному стані - мати логічне значення 0 або 1. Квантові комп'ютери оперують кубитами, які можуть мати логічне значення 0, 1, 0 і 1 відразу. Для вирішення певних завдань вони матимуть багатомільйонну перевагу, порівняно з традиційними обчислювальними машинами. Сьогодні вже є десятки описів алгоритмів роботи. Програмісти створюють спеціальний програмний код, який зможе працювати за новими принципами обчислень.

Де буде застосовуватись нова обчислювальна машина

Новий підхід у процесі обчислень дозволяє працювати з величезними масивами даних та виконувати моментальні обчислювальні операції. З появою перших ЕОМ деякі люди, включаючи державних діячів, мали великий скепсис щодо застосування в народному господарстві. Є й сьогодні люди, сповнені сумнівів щодо важливості комп'ютерів принципово нового покоління. Дуже тривалий час технічні журнали відмовлялися друкувати статті про квантові обчислення, вважаючи цей напрямок звичайним шахрайським прийомом для обдурювання інвесторів.

Новий метод обчислень створить передумови для наукових грандіозних відкриттів у всіх галузях. Медицина вирішить багато проблемних питань, яких накопичилося останнім часом досить багато. Стане можливим діагностика ракових захворювань на ранньому етапі захворювання, ніж зараз. Хімічна промисловість зможе синтезувати продукти з унікальними властивостями.

Прорив у космонавтиці не забариться. Польоти до інших планет стануть такою ж повсякденною дією, як і щоденні поїздки містом. Потенціал, закладений у квантових обчисленнях, безумовно, перетворить нашу планету до невпізнанності.

Інша відмінна риса, яку мають квантові комп'ютери, це здатність квантового обчислення швидко підібрати потрібний код або шифр. Звичайний комп'ютер виконує рішення математичної оптимізації послідовно, перебираючи один варіант за іншим. Квантовий конкурент працює одночасно з усім масивом даних, блискавично вибираючи найбільш підходящі варіанти за безпрецедентно короткий час. Банківські операції будуть розшифровані миттєво, що сучасним обчислювальним машинам недоступно.

Проте банківський сектор може не переживати – його таємницю врятує метод квантового шифрування з парадоксом виміру. При спробі розкрити код відбудеться спотворення сигналу, що передається. Отримана інформація не матиме жодного сенсу. Секретні служби, шпигунство яких - звичайна справа, зацікавлені у можливостях квантових обчислень.

Проблеми конструювання

Складність полягає у створенні умов, за яких квантовий біт зможе нескінченно довго перебувати у стані суперпозиції.

Кожен кубит є мікропроцесором, який працює на принципах надпровідності та законах квантової механіки.

Навколо мікроскопічних елементів логічної машини створюється ціла низка унікальних умов довкілля:

температура 0,02 градуси за Кельвіном (-269,98 за Цельсієм);
система захисту від магнітного та електричного випромінювання (знижує вплив цих факторів у 50 тисяч разів);
система тепловідведення та гасіння вібрацій;
розрідження повітря нижче за атмосферний тиск у 100 мільярдів разів.

Невелике відхилення навколишнього середовища спричиняє миттєву втрату кубитами стану суперпозиції, що призводить до збою в роботі.

Попереду планети всієї

Все вищеописане можна було б віднести до творчості запаленого розуму письменника фантастичних оповідань, якби компанія Google спільно з NASA не придбала торік у канадської дослідницької корпорації квантовий комп'ютер D-Wave, процесор якого містить 512 кубітів.

З його допомогою лідер на ринку комп'ютерних технологій вирішуватиме питання машинного навчання у сортуванні та аналізі великих масивів даних.

Немаловажну викривальну заяву зробив і Сноуден, що залишив США, - АНБ також планує розробити свій квантовий комп'ютер.

2014-початок ери D-Wave systems

Успішний канадський спортсмен Джорді Роуз після угоди з Google та NASA розпочав побудову процесора в 1000 кубітів. Майбутня модель за швидкістю та обсягами обчислень перевершить перший комерційний прототип мінімум у 300 тисяч разів. Квантовий комп'ютер, фото якого розташовано нижче, є першим у світі комерційним варіантом нової технології обчислень.

Зайнятися науковими розробками його спонукало знайомство в університеті з працями Коліна Вільямса за квантовими обчисленнями. Треба сказати, що Вільямс сьогодні працює у корпорації Роуза керівником бізнес-проектів.

Прорив чи науковий обман

Що таке квантові комп'ютери до кінця не знає і сам Роуз. За десять років його команда пройшла шлях від створення процесора в 2 кубіти до сьогоднішнього першого комерційного дітища.

З початку досліджень Роуз прагнув створити процесор з мінімальною кількістю кубитів в 1 тисячу. І він обов'язково повинен був мати комерційний варіант – щоб продати та заробити грошей.

Багато хто, знаючи одержимість та комерційну хватку Роуза, намагаються звинуватити його у підробці. Нібито за квантовий видається звичайнісінький процесор. Цьому сприяє і те, що феноменальна швидкодія нова техніка виявляє у виконанні певних типів обчислень. В іншому ж поводиться як цілком пересічний комп'ютер, тільки дуже дорогий.

Коли ж вони з'являться

Чекати лишилося недовго. Дослідницька група, організована спільними набувачами прототипу, незабаром дасть звіт про результати досліджень на D-Wave.
Можливо, скоро настане час, коли квантові комп'ютери перевернуть наше уявлення про навколишній світ. І все людство в цей момент вийде більш високий рівень своєї еволюції.