Hallo nochmal an alle Leser meines Blogs! Gestern sind in den Nachrichten mal wieder ein paar Geschichten über den "Quanten"-Computer durchgerutscht. Wir wissen aus einem Schulphysikkurs, dass ein Quant eine bestimmte identische Energieportion ist, es gibt auch den Ausdruck „Quantensprung“, also einen augenblicklichen Übergang von einem bestimmten Energieniveau auf ein noch höheres Niveau. Lassen Sie es uns gemeinsam herausfinden was ein Quantencomputer ist und worauf wir alle warten, bis diese Wundermaschine erscheint

Ich habe mich zum ersten Mal für dieses Thema interessiert, als ich Filme über Edward Snowden gesehen habe. Wie Sie wissen, hat dieser amerikanische Staatsbürger mehrere Terabyte vertraulicher Informationen (kompromittierende Beweise) über die Aktivitäten der US-Geheimdienste gesammelt, sorgfältig verschlüsselt und ins Internet gestellt. „Wenn“, sagte er, „mir etwas zustößt, werden die Informationen entschlüsselt und damit allen zugänglich gemacht.“

Die Rechnung war, dass diese Informationen „heiß“ sind und noch zehn Jahre relevant sein werden. Und es lässt sich mit moderner Rechenleistung nicht weniger als in zehn oder mehr Jahren entziffern. Ein Quantencomputer wird diese Aufgabe nach den Erwartungen der Entwickler in fünfundzwanzig Minuten bewältigen. Kryptographen sind in Panik. Hier ist so ein "Quantensprung", den wir bald erwarten, Freunde.

Funktionsprinzipien eines Quantencomputers für Dummies

Da wir über Quantenphysik sprechen, lassen Sie uns ein wenig darüber sprechen. Ich werde nicht in die Wildnis eintauchen, Freunde. Ich bin eine Teekanne, kein Quantenphysiker. Vor etwa hundert Jahren veröffentlichte Einstein seine Relativitätstheorie. Alle klugen Köpfe dieser Zeit waren überrascht, wie viele Paradoxien und unglaubliche Dinge darin steckten. Also sind alle Einsteins Paradoxien, die die Gesetze unserer Welt beschreiben, nur das unschuldige Geschwätz eines fünfjährigen Kindes im Vergleich zu dem, was auf der Ebene der Atome und Moleküle passiert.

Die „Quantenphysiker“ selbst, die die Phänomene auf der Ebene der Elektronen und Moleküle beschreiben, sagen etwa so: „Das ist unglaublich. Das kann nicht sein. Aber es ist so. Fragen Sie uns nicht, wie das alles funktioniert. Wir wissen nicht wie oder warum. Wir schauen nur zu. Aber es funktioniert. Dies wurde experimentell nachgewiesen. Hier sind Formeln, Abhängigkeiten und Aufzeichnungen von Experimenten.

Was ist also der Unterschied zwischen konventionellen und Quantencomputern? Schließlich läuft auch ein gewöhnlicher Computer mit Strom, und Strom ist ein Haufen sehr kleiner Teilchen - Elektronen?

Unsere Computer arbeiten mit Ihnen nach dem Prinzip „Ja“ oder „Nein“. Wenn Strom in der Leitung fließt, ist dies „Ja“ oder „Eins“. Wenn es „keinen“ Strom im Kabel gibt, dann ist es „Null“. Die Variante der Werte "1" und "0" ist eine Informationsspeichereinheit namens "Bit". Ein Byte sind 8 Bit und so weiter und so weiter ...

Stellen Sie sich nun Ihren Prozessor vor, auf dem 800 Millionen dieser „Drähte“ erscheinen und in einer Sekunde so eine „Null“ oder „Eins“ verschwinden. Und Sie können sich mental vorstellen, wie es Informationen verarbeitet. Sie lesen jetzt den Text, aber eigentlich ist es eine Ansammlung von Nullen und Einsen.

Durch Aufzählung und Berechnungen verarbeitet Ihr Computer Ihre Anfragen in Yandex und sucht nach den richtigen, bis er das Problem löst und durch Eliminierung der von Ihnen benötigten auf den Grund geht. Stellt Schriften und Bilder auf dem Monitor in einer für uns lesbaren Form dar... So weit, ich hoffe nichts Kompliziertes? Und das Bild besteht auch aus Nullen und Einsen.

Stellen Sie sich nun Freunde für eine Sekunde ein Modell unseres Sonnensystems vor. Die Sonne steht im Zentrum, die Erde fliegt um sie herum. Wir wissen, dass er sich zu einem bestimmten Zeitpunkt immer an einem bestimmten Punkt im All befindet und in einer Sekunde schon dreißig Kilometer weiter fliegen wird.

Das Modell des Atoms ist also das gleiche Planetensystem, bei dem sich das Atom auch um den Kern dreht. Aber es ist BEWIESEN, Freunde, von schlauen Typen mit Brille, dass das Atom im Gegensatz zur Erde gleichzeitig und immer an allen Orten ist. Überall und nirgendwo gleichzeitig. Und sie nannten dieses bemerkenswerte Phänomen "Überlagerung". Um andere Phänomene der Quantenphysik besser kennenzulernen, schlage ich vor, einen populärwissenschaftlichen Film anzuschauen, wo einfache Sprache erzählt über den Komplex und in einer ziemlich originellen Form.

Lass uns weitermachen. Und jetzt wird „unser“ Bit durch ein Quantenbit ersetzt. Es wird auch „Qubit“ genannt. Er hat gleich nur zwei Anfangszustände „Null“ und „Eins“. Da es aber von Natur aus „Quanten“ ist, kann es GLEICHZEITIG alle möglichen Zwischenwerte annehmen. Und gleichzeitig in ihnen sein. Jetzt müssen die Werte nicht mehr sequentiell berechnet, sortiert.., lange in der Datenbank gesucht werden. Sie sind bereits im Voraus bekannt, sofort. Die Berechnungen laufen parallel.

Die ersten "Quanten"-Algorithmen für mathematische Berechnungen wurden 1997 von einem Mathematiker aus England, Peter Shor, erfunden. Als er sie der Welt zeigte, verkrampften sich alle Kryptografen, da die bestehenden Chiffren von diesem Algorithmus in wenigen Minuten „geknackt“ werden. Aber dann gab es keine Computer, die am Quantenalgorithmus arbeiteten.

Seitdem wird einerseits am Schaffen gearbeitet physikalisches System, in dem das Quantenbit funktionieren würde. Das ist „Eisen“. Und auf der anderen Seite denken sie sich bereits Schutz gegen Quanten-Hacking und Datenentschlüsselung aus.

Was jetzt? Und so sieht ein Quantenprozessor unter einem 9-Qubit-Mikroskop von Google aus.

Haben sie uns überholt? 9 Qubits oder nach den "alten" 15 Bits, das ist noch nicht so viel. Hinzu kommen die hohen Kosten, viele technische Probleme und ein kurzes „Leben“ von Quanten. Aber denken Sie daran, dass es zuerst 8-Bit-Prozessoren gab, dann erschienen 16-Bit-Prozessoren ... So wird es mit diesen sein ...

Quantencomputer in Russland – Mythos oder Realität?

Und was sind wir? Und wir wurden nicht hinter dem Herd geboren. Hier ist ein Foto des ersten russischen Qubits unter einem Mikroskop. Er ist wirklich allein hier.

Es sieht auch aus wie eine Art „Schleife“, in der etwas für uns passiert, das noch nicht bekannt ist. Es ist erfreulich zu sehen, dass unsere mit Unterstützung des Staates ihre eigenen entwickeln. Inländische Entwicklungen sind also kein Mythos mehr. Hier ist sie, unsere Zukunft. Was es wird, werden wir sehen.

Neueste Nachrichten über Russlands 51-Qubit-Quantencomputer

Hier sind die Neuigkeiten für diesen Sommer. Unsere Onkel (Ehre und Lob seien ihnen!) haben den weltweit leistungsstärksten (!) Quanten(!)-Computer 51 Qubit (!) T entwickelt. Das Interessanteste ist, dass Google zuvor seinen Computer für 49 Qubits angekündigt hat. Und sie schätzten, dass sie es in einem Monat oder so fertig haben sollten. Und unsere haben beschlossen, ihren fertigen 51-Qubit-Quantenprozessor zu zeigen. Bravo! Hier ist das Rennen. Wenigstens können wir nicht zurückgelassen werden. Weil ein großer Durchbruch in der Wissenschaft erwartet wird, wenn diese Systeme funktionieren. Hier ist ein Foto von einer Person, die unsere Entwicklung auf dem internationalen Forum „Quantum“ vorgestellt hat.

Der Name dieses Wissenschaftlers ist Mikhail Lukin. Heute steht sein Name im Rampenlicht. Es ist unmöglich, ein solches Projekt alleine zu erstellen, wir verstehen das. Er und sein Team haben den heute leistungsstärksten Quantencomputer oder -prozessor der Welt (!) geschaffen. Das sagen Experten dazu:

« Der Quantencomputer funktioniert, er ist viel schrecklicher als die Atombombe, - sagt Sergey Belousov, Mitbegründer des Russian Quantum Center. - Er (Mikhail Lukin) hat ein System mit den meisten Qubits erstellt. Nur für den Fall. Im Moment denke ich, dass das mehr als doppelt so viele Qubits sind wie alle anderen. Und er hat absichtlich 51 Qubits gemacht, nicht 49. Weil Google immer wieder gesagt hat, dass sie 49 machen würden.“

Lukin selbst und der Leiter des Google-Quantenlabors, John Martinez, sehen sich jedoch nicht als Konkurrenten oder Rivalen. Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die Natur ihr Hauptkonkurrent ist, und das Hauptziel ist die Entwicklung von Technologien und deren Umsetzung, um die Menschheit auf eine neue Entwicklungsstufe zu bringen.

„Es ist nicht richtig, dies als Rennen zu betrachten“, sagt John Martinez zu Recht. - Wir haben ein echtes Rennen mit der Natur. Weil es wirklich schwierig ist, einen Quantencomputer zu bauen. Und es ist einfach erstaunlich, dass es jemandem gelungen ist, ein System mit so vielen Qubits zu erstellen. Bisher waren 22 Qubits das Maximum, das wir erreichen konnten. Obwohl wir all unsere Magie und Professionalität eingesetzt haben.“

Ja, das ist alles sehr interessant. Wenn Sie sich an die Analogie erinnern, als der Transistor erfunden wurde, konnte niemand wissen, dass Computer in 70 Jahren mit dieser Technologie arbeiten würden. Allein in einem modernen Prozessor erreicht ihre Zahl 700 Millionen. Der erste Computer wog viele Tonnen und nahm große Flächen ein. Aber persönliche Computer noch erschienen - viel später ...

Ich denke, dass wir vorerst nicht warten sollten, bis Geräte dieser Klasse in naher Zukunft in unseren Läden erscheinen. Viele warten auf sie. Vor allem Kryptowährungs-Miner streiten sich viel darüber. Wissenschaftler blicken hoffnungsvoll auf ihn und das Militär mit großer Aufmerksamkeit. Das Potenzial dieser Entwicklung, wie wir es verstehen, ist nicht ganz klar.

Klar ist nur, wenn das alles funktioniert, wird es die gesamte wissenschaftsintensive Industrie mit sich ziehen, nach und nach kommen neue Technologien, neue Industrien, neue Software ... Die Zeit wird es zeigen. Wenn nur unser eigener Quantencomputer, der uns bei der Geburt gegeben wurde, die Menschen nicht im Stich lassen würde - das ist unser Kopf. Beeilen Sie sich also noch nicht, Ihre Gadgets in den Müll zu werfen. Sie werden Ihnen lange dienen. Schreiben Sie, ob der Artikel interessant war. Kommen Sie öfter mal vorbei. Auf Wiedersehen!

Kandidat für Physikalische und Mathematische Wissenschaften L. FEDICHKIN (Physiko-Technologisches Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften.

Mit den Gesetzen der Quantenmechanik ist es möglich, grundlegend zu erschaffen neuer Typ Computer, die es ermöglichen, einige Probleme zu lösen, die selbst für die leistungsstärksten modernen Supercomputer unzugänglich sind. Die Geschwindigkeit vieler komplexer Berechnungen wird dramatisch zunehmen; Nachrichten, die über Quantenkommunikationsleitungen gesendet werden, können weder abgefangen noch kopiert werden. Heute wurden bereits Prototypen dieser Quantencomputer der Zukunft geschaffen.

US-amerikanischer Mathematiker und Physiker ungarischer Herkunft Johann von Neumann (1903-1957).

Amerikanischer theoretischer Physiker Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Der amerikanische Mathematiker Peter Shor, ein Spezialist auf dem Gebiet des Quantencomputings. Vorgeschlagener Quantensgroße Zahlen.

Quantenbit oder Qubit. Die Zustände und entsprechen beispielsweise der Spinrichtung des Atomkerns nach oben oder unten.

Ein Quantenregister ist eine Kette von Quantenbits. Ein- oder Zwei-Qubit-Quantengatter führen logische Operationen an Qubits durch.

EINFÜHRUNG ODER EIN WENIG ÜBER DEN SCHUTZ VON INFORMATIONEN

Was ist Ihrer Meinung nach das am meisten lizenzierte Programm der Welt? Ich wage nicht zu behaupten, dass ich die richtige Antwort kenne, aber ich kenne eine falsche: Das ist nicht irgendein von Microsoft-Versionen Windows. Das am weitesten verbreitete Betriebssystem ist einem bescheidenen Produkt von RSA Data Security, Inc. voraus. - ein Programm, das den RSA-Public-Key-Verschlüsselungsalgorithmus implementiert, benannt nach seinen Autoren - den amerikanischen Mathematikern Rivest, Shamir und Adelman.

Tatsache ist, dass der RSA-Algorithmus in die meisten verkauften Betriebssysteme sowie in viele andere Anwendungen integriert ist verschiedene Geräte- von Chipkarten bis Handys. Insbesondere existiert es auch in Microsoft Windows, was bedeutet, dass es offensichtlich weiter verbreitet ist als dieses beliebte Betriebssystem. Um beispielsweise Spuren von RSA in einem Browser zu erkennen Internet Explorer(ein Programm zum Anzeigen von www-Seiten im Internet), öffnen Sie einfach das Menü "Hilfe" (Hilfe), rufen Sie das Untermenü "Über Internet Explorer" auf und sehen Sie sich eine Liste der verwendeten Produkte von Drittanbietern an. Ein weiterer verbreiteter Browser, Netscape Navigator, verwendet ebenfalls den RSA-Algorithmus. Im Allgemeinen ist es schwierig, ein bekanntes Hightech-Unternehmen zu finden, das keine Lizenz für dieses Programm kaufen würde. Bis heute hat RSA Data Security, Inc. hat bereits über 450 Millionen(!) Lizenzen verkauft.

Warum ist der RSA-Algorithmus so wichtig?

Stellen Sie sich vor, Sie müssen schnell eine Nachricht mit einer weit entfernten Person austauschen. Dank der Entwicklung des Internets ist ein solcher Austausch heute für die meisten Menschen verfügbar - Sie benötigen lediglich einen Computer mit Modem oder Netzwerkkarte. Wenn Sie Informationen über das Netzwerk austauschen, möchten Sie Ihre Nachrichten natürlich vor Außenstehenden geheim halten. Es ist jedoch unmöglich, eine ausgedehnte Kommunikationsleitung vollständig vor Abhören zu schützen. Das bedeutet, dass Nachrichten beim Senden verschlüsselt und beim Empfang entschlüsselt werden müssen. Aber wie vereinbaren Sie und Ihr Gesprächspartner, welchen Schlüssel Sie verwenden? Wenn Sie den Schlüssel auf derselben Leitung an die Chiffre senden, kann ein lauschender Angreifer ihn leicht abfangen. Sie können den Schlüssel natürlich auch über eine andere Kommunikationsleitung versenden, zB per Telegramm. Doch ein solches Verfahren ist meist umständlich und zudem nicht immer zuverlässig: Es kann auch eine andere Leitung abgehört werden. Es ist gut, wenn Sie und Ihr Adressat im Voraus wussten, dass Sie Verschlüsselungen austauschen würden, und sich deshalb die Schlüssel im Voraus gegenseitig übergeben. Aber was ist, wenn Sie beispielsweise einem potenziellen Geschäftspartner ein vertrauliches kommerzielles Angebot senden oder ein Produkt, das Ihnen gefällt, in einem neuen Online-Shop mit einer Kreditkarte kaufen möchten?

In den 1970er Jahren wurden Verschlüsselungssysteme vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen, wobei zwei Arten von Schlüsseln für dieselbe Nachricht verwendet wurden: offen (keine geheime Speicherung erforderlich) und geschlossen (streng geheim). Der öffentliche Schlüssel wird verwendet, um die Nachricht zu verschlüsseln, und der private Schlüssel wird verwendet, um sie zu entschlüsseln. Sie schicken Ihrem Korrespondenten den öffentlichen Schlüssel, und er verschlüsselt seine Nachricht damit. Alles, was ein Angreifer, der den öffentlichen Schlüssel abgefangen hat, tun kann, ist, seinen Brief damit zu verschlüsseln und an jemanden zu senden. Aber er wird nicht in der Lage sein, die Korrespondenz zu entziffern. Da Sie den privaten Schlüssel kennen (er wird zunächst bei Ihnen gespeichert), können Sie die an Sie adressierte Nachricht problemlos lesen. Um die Antwortnachrichten zu verschlüsseln, verwenden Sie den von Ihrem Korrespondenten gesendeten öffentlichen Schlüssel (und er behält den entsprechenden privaten Schlüssel für sich).

Ein solches kryptografisches Schema wird im RSA-Algorithmus verwendet - dem am weitesten verbreiteten Verschlüsselungsverfahren mit öffentlichem Schlüssel. Darüber hinaus wird die folgende wichtige Hypothese verwendet, um ein Paar öffentlicher und privater Schlüssel zu erstellen. Wenn es zwei große gibt (für deren Eingabe mehr als hundert Dezimalstellen erforderlich sind) einfach Zahlen M und K, dann wird es nicht schwierig sein, ihr Produkt N=MK zu finden (dafür ist nicht einmal ein Computer erforderlich: eine ziemlich genaue und geduldige Person kann solche Zahlen mit Stift und Papier multiplizieren). Aber um das umgekehrte Problem zu lösen, d. h. eine große Zahl N zu kennen, zerlegen Sie sie in einfache Faktoren M und K (die sogenannten Faktorisierungsproblem) - nahezu unmöglich! Ein Angreifer, der beschließt, den RSA-Algorithmus zu „knacken“ und die damit verschlüsselten Informationen auszulesen, steht vor diesem Problem: Um den privaten Schlüssel herauszufinden, muss man in Kenntnis des öffentlichen Schlüssels M oder K berechnen.

Um die Gültigkeit der Hypothese über die praktische Komplexität der Faktorisierung großer Zahlen zu überprüfen, wurden und werden spezielle Wettbewerbe durchgeführt. Der Datensatz ist die Zerlegung einer nur 155-stelligen (512-Bit) Zahl. Die Berechnungen wurden 1999 sieben Monate lang parallel auf vielen Rechnern durchgeführt. Wenn diese Aufgabe auf einem modernen Personal Computer ausgeführt würde, würde dies etwa 35 Jahre Computerzeit in Anspruch nehmen! Berechnungen zeigen, dass selbst mit tausend modernen Workstations und dem besten heute bekannten Rechenalgorithmus eine 250-stellige Zahl in etwa 800.000 Jahren und eine 1000-stellige Zahl in 10 25 (!) Jahren faktorisiert werden kann. (Zum Vergleich: Das Alter des Universums beträgt ~10 10 Jahre.)

Daher galten kryptografische Algorithmen wie RSA, die mit ausreichend langen Schlüsseln arbeiten, als absolut zuverlässig und wurden in vielen Anwendungen eingesetzt. Und bis dahin war alles in Ordnung ...bis Quantencomputer auftauchten.

Es stellt sich heraus, dass Sie mit den Gesetzen der Quantenmechanik Computer bauen können, für die das Faktorisierungsproblem (und viele andere!) Nicht schwierig ist. Es wird geschätzt, dass ein Quantencomputer mit nur etwa 10.000 Quantenbits Speicher eine 1.000-stellige Zahl in nur wenigen Stunden in Primfaktoren zerlegen kann!

WIE ALLES BEGANN?

Erst Mitte der 1990er Jahre etablierte sich die Theorie der Quantencomputer und des Quantencomputings als neues Wissenschaftsgebiet. Wie es bei großartigen Ideen oft der Fall ist, ist es schwierig, einen Pionier hervorzuheben. Anscheinend war der ungarische Mathematiker I. von Neumann der erste, der auf die Möglichkeit der Entwicklung der Quantenlogik aufmerksam gemacht hat. Allerdings waren damals nicht nur Quanten-, sondern auch gewöhnliche, klassische Computer noch nicht geschaffen. Und mit dem Aufkommen der letzteren erwiesen sich die Hauptanstrengungen der Wissenschaftler in erster Linie auf die Suche und Entwicklung neuer Elemente für sie (Transistoren und dann integrierte Schaltkreise) und nicht auf die Schaffung grundlegend unterschiedlicher Computergeräte.

In den 1960er Jahren versuchte der amerikanische Physiker R. Landauer, der bei der IBM Corporation arbeitete, die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Welt auf die Tatsache zu lenken, dass Berechnungen immer eine Art physikalischer Prozess sind, was bedeutet, dass es unmöglich ist, die Grenzen von zu verstehen unsere Rechenfähigkeiten, ohne anzugeben, welcher physischen Implementierung sie entsprechen. Leider war damals die vorherrschende Ansicht unter Wissenschaftlern, dass Berechnungen ein abstraktes logisches Verfahren seien, das von Mathematikern und nicht von Physikern untersucht werden sollte.

Mit der Verbreitung von Computern kamen Wissenschaftler, die sich mit Quantenobjekten beschäftigten, zu dem Schluss, dass es praktisch unmöglich ist, den Zustand eines sich entwickelnden Systems direkt zu berechnen, das aus nur einigen Dutzend wechselwirkenden Teilchen besteht, wie z. B. einem Methan (CH 4)-Molekül. Dies erklärt sich dadurch, dass z Gesamte Beschreibung Für ein komplexes System ist es notwendig, eine (bezogen auf die Anzahl der Teilchen) exponentiell große Anzahl von Variablen, die sogenannten Quantenamplituden, im Computerspeicher zu halten. Es entstand eine paradoxe Situation: Wenn man die Evolutionsgleichung kennt, alle Potenziale der Wechselwirkung von Teilchen untereinander und den Anfangszustand des Systems mit ausreichender Genauigkeit kennt, ist es praktisch unmöglich, seine Zukunft zu berechnen, selbst wenn das System nur aus besteht 30 Elektronen in einem Potentialtopf und ein Supercomputer mit RAM, dessen Anzahl an Bits gleich der Anzahl an Atomen im sichtbaren Bereich des Universums (!) ist. Und gleichzeitig kann man, um die Dynamik eines solchen Systems zu untersuchen, einfach ein Experiment mit 30 Elektronen aufbauen und sie in ein bestimmtes Potential und einen Anfangszustand versetzen. Darauf machte insbesondere der russische Mathematiker Yu I. Manin aufmerksam, der 1980 auf die Notwendigkeit hinwies, eine Theorie über Quantencomputer zu entwickeln. Das gleiche Problem untersuchten in den 1980er Jahren der amerikanische Physiker P. Benev, der eindeutig zeigte, dass ein Quantensystem Berechnungen durchführen kann, sowie der englische Wissenschaftler D. Deutsch, der theoretisch einen universellen Quantencomputer entwickelte, der sein klassisches Gegenstück übertrifft .

Der Physik-Nobelpreisträger R. Feynman, der den regelmäßigen Lesern von Science and Life gut bekannt ist, hat viel Aufmerksamkeit auf das Problem der Entwicklung von Quantencomputern gelenkt. Dank seiner maßgeblichen Anziehungskraft hat sich die Zahl der Spezialisten, die sich mit dem Quantencomputing befasst haben, um ein Vielfaches erhöht.

Dabei blieb lange Zeit unklar, ob die hypothetische Rechenleistung eines Quantencomputers genutzt werden könnte, um die Lösung praktischer Probleme zu beschleunigen. Aber 1994 verblüffte der amerikanische Mathematiker, ein Mitarbeiter von Lucent Technologies (USA), P. Shor, die wissenschaftliche Welt, indem er einen Quantenalgorithmus vorschlug, der eine schnelle Faktorisierung großer Zahlen ermöglicht (die Bedeutung dieses Problems wurde bereits in der Einleitung diskutiert). ). Verglichen mit der besten heute bekannten klassischen Methode beschleunigt der Quantenalgorithmus von Shor die Berechnungen um ein Vielfaches, und je länger die faktorisierbare Zahl ist, desto größer ist der Geschwindigkeitsgewinn. Der schnelle Faktorisierungsalgorithmus ist von großem praktischem Interesse für verschiedene spezielle Dienste, die Banken von unverschlüsselten Nachrichten angesammelt haben.

1996 schlug Shors Kollege bei Lucent Technologies, L. Grover, einen Quantenalgorithmus vor schnelle Suche in einer ungeordneten Datenbank. (Ein Beispiel für eine solche Datenbank ist Telefonbuch, in der die Namen der Abonnenten nicht alphabetisch, sondern willkürlich angeordnet sind.) Die Aufgabe, das optimale Element aus zahlreichen Optionen zu finden und auszuwählen, ist bei wirtschaftlichen, militärischen, technischen Problemen und bei Computerspielen sehr verbreitet. Der Algorithmus von Grover erlaubt es nicht nur, den Suchprozess zu beschleunigen, sondern auch die Anzahl der Parameter, die bei der Auswahl des Optimums berücksichtigt werden, ungefähr zu verdoppeln.

Die eigentliche Entwicklung von Quantencomputern wurde im Wesentlichen durch das einzige ernsthafte Problem behindert – Fehler oder Interferenzen. Tatsache ist, dass die gleichen Störungen den Prozess des Quantencomputings viel intensiver stören als klassische. Wege zur Lösung dieses Problems wurden 1995 von P. Shor skizziert, der ein Schema zur Codierung von Quantenzuständen und zur Korrektur von Fehlern in ihnen entwickelte. Leider ist das Thema Fehlerkorrektur in Quantencomputern so wichtig wie schwer in diesem Artikel zu behandeln.

GERÄT EINES QUANTENCOMPUTERS

Bevor wir beschreiben, wie ein Quantencomputer funktioniert, erinnern wir uns an die Hauptmerkmale von Quantensystemen (siehe auch "Wissenschaft und Leben" Nr. 8, 1998; Nr. 12, 2000).

Um die Gesetze der Quantenwelt zu verstehen, sollte man sich nicht direkt auf Alltagserfahrungen verlassen. In gewohnter Weise (im Alltagsverständnis) verhalten sich Quantenteilchen nur dann, wenn wir sie ständig „ausspionieren“, oder genauer gesagt, ständig messen, in welchem ​​Zustand sie sich befinden. Aber sobald wir uns "abwenden" (aufhören zu beobachten), gehen Quantenteilchen sofort von einem völlig bestimmten Zustand in mehrere verschiedene Hypostasen gleichzeitig über. Das heißt, ein Elektron (oder irgendein anderes Quantenobjekt) befindet sich teilweise an einem Punkt, teilweise an einem anderen, teilweise an einem dritten usw. Dies bedeutet nicht, dass es wie eine Orange in Segmente unterteilt ist. Dann wäre es möglich, einen Teil des Elektrons zuverlässig zu isolieren und seine Ladung oder Masse zu messen. Aber die Erfahrung zeigt, dass sich das Elektron nach der Messung immer an einem einzigen Punkt als „heil und gesund“ herausstellt, obwohl es davor Zeit hatte, fast überall gleichzeitig vorbeizuschauen. Dieser Zustand eines Elektrons, wenn es sich gleichzeitig an mehreren Punkten im Raum befindet, wird als bezeichnet Überlagerung von Quantenzuständen und werden üblicherweise durch die 1926 vom deutschen Physiker E. Schrödinger eingeführte Wellenfunktion beschrieben. Der Absolutwert der Wellenfunktion an jedem Punkt, quadriert, bestimmt die Wahrscheinlichkeit, an diesem Punkt zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Teilchen zu finden. Nach der Messung der Position eines Teilchens zieht sich seine Wellenfunktion sozusagen zusammen (kollabiert) bis zu dem Punkt, an dem das Teilchen detektiert wurde, und beginnt sich dann wieder auszubreiten. Die Eigenschaft von Quantenteilchen, sich gleichzeitig in vielen Zuständen zu befinden, heißt Quantenparallelismus, wurde erfolgreich im Quantencomputing eingesetzt.

Quantenbit

Die Grundeinheit eines Quantencomputers ist ein Quantenbit oder kurz Qubit(q-Bits). Dabei handelt es sich um ein Quantenteilchen, das zwei Grundzustände besitzt, die mit 0 und 1 oder, wie in der Quantenmechanik üblich, mit und bezeichnet werden. Zwei Werte eines Qubits können beispielsweise dem Grund- und angeregten Zustand eines Atoms, der Aufwärts- und Abwärtsrichtung des Spins des Atomkerns, der Stromrichtung in einem supraleitenden Ring, zwei möglichen Positionen entsprechen ein Elektron in einem Halbleiter und so weiter.

Quantenregister

Das Quantenregister ist fast genauso aufgebaut wie das klassische. Dies ist eine Kette von Quantenbits, über die logische Ein- und Zwei-Bit-Operationen ausgeführt werden können (ähnlich der Verwendung von NOT-, 2AND-NOT- usw. Operationen in einem klassischen Register).

Die Grundzustände eines aus L Qubits gebildeten Quantenregisters umfassen wie beim klassischen alle möglichen Folgen von Nullen und Einsen der Länge L. Insgesamt kann es 2 L verschiedene Kombinationen geben. Sie können als eine Aufzeichnung von Zahlen in binärer Form von 0 bis 2 L -1 betrachtet und bezeichnet werden. Allerdings schöpfen diese Grundzustände (im Gegensatz zum klassischen) nicht alle möglichen Werte des Quantenregisters aus, da es auch Überlagerungszustände gibt, die durch komplexe Amplituden definiert sind, die mit der Normierungsbedingung verbunden sind. Die meisten möglichen Werte des Quantenregisters (mit Ausnahme der Grundwerte) haben einfach kein klassisches Analogon. Die Zustände des klassischen Registers sind nur ein jämmerlicher Schatten der gesamten Fülle an Zuständen eines Quantencomputers.

Stellen Sie sich vor, dass eine äußere Beeinflussung des Registers erfolgt, beispielsweise werden elektrische Impulse auf einen Teil des Raums angewendet oder Laserstrahlen gerichtet. Handelt es sich um ein klassisches Register, so verändert ein Impuls, der als Rechenoperation aufgefasst werden kann, L Variablen. Wenn dies ein Quantenregister ist, kann sich derselbe Impuls gleichzeitig in Variablen umwandeln. Ein Quantenregister ist also prinzipiell in der Lage, Informationen um ein Vielfaches schneller zu verarbeiten als sein klassisches Pendant. Dies zeigt sofort, dass kleine Quantenregister (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass es eine Klasse von Problemen gibt, für die Quantenalgorithmen im Vergleich zu klassischen Algorithmen keine signifikante Beschleunigung bieten. Einer der ersten, der dies zeigte, war der russische Mathematiker Yu. Ozhigov, der eine Reihe von Beispielen für Algorithmen baute, die auf einem Quantencomputer grundsätzlich nicht um einen einzigen Taktzyklus beschleunigt werden.

Dennoch besteht kein Zweifel daran, dass Computer, die nach den Gesetzen der Quantenmechanik arbeiten, eine neue und entscheidende Stufe in der Evolution von Computersystemen darstellen. Es bleibt nur, sie zu bauen.

QUANTENCOMPUTER HEUTE

Prototypen von Quantencomputern existieren bereits heute. Zwar wurden bisher nur kleine Register, bestehend aus nur wenigen Quantenbits, experimentell aufgebaut. So kündigte kürzlich eine Gruppe um den amerikanischen Physiker I. Chang (IBM) die Montage eines 5-Bit-Quantencomputers an. Das ist zweifellos ein großer Erfolg. Leider sind die bestehenden Quantensysteme noch nicht in der Lage, verlässliche Berechnungen zu liefern, da sie entweder unzureichend steuerbar oder sehr anfällig für Rauschen sind. Es gibt jedoch keine physikalischen Verbote für den Bau eines effizienten Quantencomputers, es müssen lediglich technologische Schwierigkeiten überwunden werden.

Es gibt mehrere Ideen und Vorschläge, wie man zuverlässige und leicht handhabbare Quantenbits herstellen kann.

I. Chang entwickelt die Idee, die Spins der Kerne einiger organischer Moleküle als Qubits zu nutzen.

Russischer Forscher M. V. Feigelman, der am Institut für Theoretische Physik arbeitet. L. D. Landau, Russische Akademie der Wissenschaften, schlägt vor, Quantenregister aus supraleitenden Miniaturringen zusammenzubauen. Jeder Ring spielt die Rolle eines Qubits, und die Zustände 0 und 1 entsprechen der Richtung des elektrischen Stroms im Ring – im und gegen den Uhrzeigersinn. Solche Qubits können durch ein Magnetfeld geschaltet werden.

Am Institut für Physik und Technologie der Russischen Akademie der Wissenschaften schlug eine Gruppe unter der Leitung des Akademiemitglieds K. A. Valiev zwei Optionen für die Platzierung von Qubits in Halbleiterstrukturen vor. Im ersten Fall übernimmt ein Elektron die Rolle eines Qubits in einem System aus zwei Potentialtöpfen, die durch eine Spannung erzeugt werden, die an Mini-Elektroden auf der Halbleiteroberfläche angelegt wird. Die Zustände 0 und 1 sind die Positionen des Elektrons in einer dieser Vertiefungen. Das Qubit wird geschaltet, indem die Spannung an einer der Elektroden geändert wird. In einer anderen Version ist das Qubit der Kern eines Phosphoratoms, das an einer bestimmten Stelle in den Halbleiter eingebettet ist. Zustände 0 und 1 - die Richtung des Kernspins entlang oder gegen das äußere Magnetfeld. Die Steuerung erfolgt durch die gemeinsame Wirkung von Magnetimpulsen mit Resonanzfrequenz und Spannungsimpulsen.

Es wird also rege geforscht und es ist davon auszugehen, dass in sehr naher Zukunft – in zehn Jahren – ein leistungsfähiger Quantencomputer entstehen wird.

EIN BLICK IN DIE ZUKUNFT

Daher ist es sehr gut möglich, dass Quantencomputer in Zukunft mit traditionellen mikroelektronischen Technologieverfahren hergestellt werden und viele Steuerelektroden enthalten, die einem modernen Mikroprozessor ähneln. Um das für den normalen Betrieb eines Quantencomputers entscheidende Rauschen zu reduzieren, müssen die ersten Modelle höchstwahrscheinlich mit flüssigem Helium gekühlt werden. Es ist wahrscheinlich, dass die ersten Quantencomputer sperrige und teure Geräte sein werden, die nicht auf einen Schreibtisch passen und mit einem großen Stab von Systemprogrammierern und Hardwaretechnikern in weißen Kitteln besetzt sind. Zu ihnen werden zunächst nur staatliche Strukturen Zugang haben, dann reiche Handelsorganisationen. Aber die Ära der konventionellen Computer begann ähnlich.

Und was passiert mit klassischen Computern? Werden sie sterben? Kaum. Sowohl klassische als auch Quantencomputer haben ihre eigenen Anwendungen. Obwohl sich das Verhältnis auf dem Markt offenbar immer noch allmählich in Richtung letzterer verschieben wird.

Die Einführung von Quantencomputern wird nicht zur Lösung grundsätzlich unlösbarer klassischer Probleme führen, sondern nur einige Berechnungen beschleunigen. Außerdem wird die Quantenkommunikation möglich – die Übertragung von Qubits über eine Distanz, wodurch eine Art Quanteninternet entstehen wird. Die Quantenkommunikation wird eine (durch die Gesetze der Quantenmechanik) vor Abhören geschützte Verbindung aller untereinander bieten. Ihre in Quantendatenbanken gespeicherten Informationen werden besser als bisher vor dem Kopieren geschützt. Unternehmen, die Programme für Quantencomputer herstellen, können diese vor jeglicher, auch illegaler, Vervielfältigung schützen.

Zum tieferen Verständnis dieses Themas können Sie den Übersichtsartikel von E. Riffel, V. Polak „Fundamentals of Quantum Computing“ lesen, der in der russischen Zeitschrift „Quantum Computers and Quantum Computing“ (Nr. 1, 2000) veröffentlicht wurde. (Dies ist übrigens die erste und bisher einzige Zeitschrift weltweit, die sich dem Quantencomputing widmet. Weitere Informationen dazu finden Sie im Internet unter http://rcd.ru/qc.). Nach Beherrschung dieser Arbeit sind Sie in der Lage, wissenschaftliche Artikel zum Thema Quantencomputing zu lesen.

Eine etwas größere mathematische Vorbereitung erfordert die Lektüre des Buches von A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly „Classical and Quantum Computing“ (Moskau: MTsNMO-Chero, 1999).

Eine Reihe grundlegender Aspekte der Quantenmechanik, die für das Quantencomputing wesentlich sind, werden in dem Buch "Quantum Teleportation - an gewöhnliches Wunder" von V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev (Izhevsk: RHD, 2000) analysiert.

Der RCD-Verlag bereitet die Veröffentlichung einer Übersetzung von A. Steens Rezension über Quantencomputer als separates Buch vor.

Die folgende Literatur wird nicht nur in kognitiver, sondern auch in historischer Hinsicht nützlich sein:

1) Yu.I.Manin. Berechenbar und nicht berechenbar.

M.: Sov. Rundfunk, 1980.

2) I. von Neumann. Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik.

Moskau: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulation der Physik am Computer // Quantencomputer und Quantencomputing:

Sa. in 2 Bänden - Izhevsk: RHD, 1999. Vol. 2, p. 96-123.

4) R. Feynmann. Quantenmechanische Computer

// Ebd., p. 123.-156.

Siehe in einem Raum zum gleichen Thema

Um das Wesen der Quanten mehr oder weniger vollständig zu enthüllen Computertechnologie Lassen Sie uns zunächst auf die Geschichte der Quantentheorie eingehen.
Es entstand dank zweier Wissenschaftler, deren Forschungsergebnisse mit Nobelpreisen ausgezeichnet wurden: der Entdeckung des Quanten durch M. Planck im Jahr 1918 und durch A. Einstein des Photons im Jahr 1921.
Das Geburtsjahr der Idee eines Quantencomputers war 1980, als Benioff in der Praxis erfolgreich die Richtigkeit der Quantentheorie demonstrieren konnte.
Nun, der erste Prototyp eines Quantencomputers wurde 1998 von Gershenfeld und Chuang am Massachusetts Institute of Technology (MTI) entwickelt. Dieselbe Gruppe von Forschern erstellte in den nächsten zwei Jahren fortschrittlichere Modelle.

Für einen Laien ist ein Quantencomputer etwas absolut Phantastisches, es ist eine Rechenmaschine, vor der ein gewöhnlicher Computer wie ein Abakus vor einem Computer ist. Und das ist natürlich noch weit davon entfernt, realisiert zu werden.
Für eine Person, die mit Quantencomputern in Verbindung gebracht wird, ist dies ein Gerät, dessen allgemeine Funktionsprinzipien mehr oder weniger klar sind, aber es gibt viele Probleme, die gelöst werden müssen, bevor es "in Hardware" implementiert werden kann, und jetzt viele Labors herum Welt diese versuchen, Hindernisse zu überwinden.
Auf dem Gebiet der Quantentechnologie gab es in der Vergangenheit bereits Fortschritte von privaten Unternehmen, darunter IBM und DWays.
Sie berichten auch heute noch regelmäßig über die neuesten Entwicklungen in diesem Bereich. Der größte Teil der Forschung wird von japanischen und amerikanischen Wissenschaftlern durchgeführt. Japan gibt im Streben nach der Weltführerschaft im Bereich Hardware und Software enorme Summen für Entwicklungen in diesem Bereich aus. Laut dem Vizepräsidenten von Hewlett-Packard werden bis zu 70 % der gesamten Forschung im Land der aufgehenden Sonne durchgeführt. Quantencomputer sind einer der Schritte, die von ihrem entschlossenen Unternehmen unternommen werden, um die Führung auf dem Weltmarkt zu übernehmen.

Was erklärt den Wunsch, diese Technologien zu beherrschen? Ihre unbestreitbaren gewichtigen Vorteile gegenüber Halbleitercomputern!

WAS IST ES?

Ein Quantencomputer ist ein Rechengerät, das auf der Grundlage der Quantenmechanik arbeitet.
Bis heute ist ein vollwertiger Quantencomputer ein hypothetisches Gerät, das angesichts der verfügbaren Daten in der Quantentheorie nicht erstellt werden kann.

Ein Quantencomputer verwendet zur Berechnung keine klassischen Algorithmen, sondern komplexere Verfahren der Quantennatur, die auch Quantenalgorithmen genannt werden. Diese Algorithmen nutzen quantenmechanische Effekte: Quantenverschränkung und Quantenparallelität.

Um zu verstehen, warum überhaupt ein Quantencomputer benötigt wird, muss man sich das Funktionsprinzip vorstellen.
Wenn ein gewöhnlicher Computer mit sequentiellen Operationen mit Nullen und Einsen arbeitet, verwendet ein Quantencomputer Ringe aus einem supraleitenden Film. Strom kann durch diese Ringe in verschiedene Richtungen fließen, sodass eine Kette solcher Ringe gleichzeitig viel mehr Operationen mit Nullen und Einsen ausführen kann.
Die hohe Leistung ist der Hauptvorteil eines Quantencomputers. Leider unterliegen diese Ringe schon geringsten äußeren Einflüssen, wodurch sich die Stromrichtung ändern kann und sich die Berechnungen in diesem Fall als falsch herausstellen.

DER UNTERSCHIED EINES QUANTUM COMPUTERS VON EINEM REGELMÄSSIGEN COMPUTER

Der Hauptunterschied zwischen Quantencomputern und gewöhnlichen Computern besteht darin, dass Daten nicht mit Hilfe von „Bits“, sondern mit „Qubits“ – einfach gesagt „Quantenbits“ – gespeichert, verarbeitet und übertragen werden. Wie ein gewöhnliches Bit kann sich ein Qubit in den üblichen Zuständen „|0>“ und „|1>“ befinden und außerdem in einem Superpositionszustand A·|0> + B·|1> , wobei A und B beliebige komplexe Zahlen sind, die die Bedingung | erfüllen A |2 + | B|2 = 1.

Arten von Quantencomputern

Es gibt zwei Arten von Quantencomputern. Beide basieren auf Quantenphänomenen, nur von anderer Ordnung.

Computer, die auf der Quantisierung des magnetischen Flusses auf Verletzungen der Supraleitung basieren - Josephson-Übergänge. Lineare Verstärker, Analog-Digital-Wandler, SQUIDs und Korrelatoren werden bereits auf Basis des Josephson-Effekts hergestellt.Die gleiche Elementbasis wird im Projekt verwendet, um einen Petaflop-Computer (1015ops/s) zu erstellen. Experimentell erreicht Taktfrequenz 370 GHz, die zukünftig auf 700 GHz gesteigert werden können, jedoch ist die Zeit der Dephasierung der Wellenfunktion bei diesen Geräten vergleichbar mit der Schaltzeit einzelner Röhren, und zwar bei neuen Quantenprinzipien Die uns bereits bekannte Elementbasis wird implementiert - Flipflops, Register und andere logische Elemente.

Eine andere Art von Quantencomputern, auch quantenkohärente Computer genannt, erfordert die Aufrechterhaltung der Kohärenz der Wellenfunktionen der verwendeten Qubits während der gesamten Rechenzeit – von Anfang bis Ende (ein Qubit kann jedes quantenmechanische System mit zwei dedizierten Energieniveaus sein). Infolgedessen ist die Rechenleistung von kohärenten Quantencomputern für einige Aufgaben proportional zu 2N, wobei N die Anzahl der Qubits im Computer ist. Letztere Art von Geräten ist gemeint, wenn man von Quantencomputern spricht.

QUANTUM COMPUTER JETZT

Aber heute werden kleine Quantencomputer gebaut. Besonders aktiv in dieser Richtung ist die Firma D-Wave Systems, die bereits 2007 einen Quantencomputer mit 16 Qubits geschaffen hat. Dieser Computer hat die Aufgabe, Gäste an den Tisch zu setzen, erfolgreich bewältigt, da sich einige von ihnen nicht mochten. Nun setzt die Firma D-Wave Systems die Entwicklung von Quantencomputern fort.

Einer Gruppe von Physikern aus Japan, China und den Vereinigten Staaten ist es erstmals gelungen, einen Quantencomputer auf Basis der von-Neumann-Architektur praktisch zu bauen – also mit der physikalischen Trennung von Quantenprozessor und Quantenspeicher. Derzeit verwenden Physiker für die praktische Umsetzung von Quantencomputern (Computer, die auf den ungewöhnlichen Eigenschaften von Objekten der Quantenmechanik basieren) alle möglichen exotischen Objekte und Phänomene - Ionen, die in einer optischen Falle gefangen sind, Kernspinresonanz. Im Rahmen neue Arbeit Wissenschaftler setzten auf supraleitende Miniaturschaltkreise – die Möglichkeit, mit solchen Schaltkreisen einen Quantencomputer zu realisieren, wurde 2008 in Nature beschrieben.

Der von Wissenschaftlern zusammengebaute Computer bestand aus einem Quantenspeicher, dessen Rolle zwei Mikrowellenresonatoren spielten, einem Prozessor mit zwei durch einen Bus verbundenen Qubits (der Resonator spielte auch seine Rolle, und die Qubits waren supraleitende Schaltkreise) und Geräten für Löschen von Daten. Mit diesem Computer haben Wissenschaftler erkannt zwei Hauptalgorithmen- die sogenannte Quanten-Fourier-Transformation und Verknüpfung mit Hilfe von Toffoli-Quantenlogikelementen:

Der erste Algorithmus ist ein Quantenanalog der diskreten Fourier-Transformation. Sein Unterscheidungsmerkmal ist eine viel kleinere Zahl (in der Größenordnung von n2). funktionale Elemente bei der Implementierung des Algorithmus im Vergleich zum Analogen (der Ordnung n 2n). Die diskrete Fourier-Transformation wird in einer Vielzahl von Bereichen menschlicher Aktivität verwendet - von der Forschung Differentialgleichung in partiellen Ableitungen vor der Datenkomprimierung.

Toffoli-Quantenlogik-Elemente wiederum sind Grundelemente, aus denen Sie mit einigen zusätzlichen Anforderungen beliebige erhalten können Boolesche Funktion(Programm). Eine Besonderheit dieser Elemente ist die Reversibilität, die es unter anderem aus physikalischer Sicht ermöglicht, die Wärmeentwicklung des Geräts zu minimieren.

Laut Wissenschaftlern hat das von ihnen geschaffene System einen bemerkenswerten Vorteil – es ist leicht skalierbar. Somit kann es als eine Art Baustein für zukünftige Computer dienen. Laut den Forschern zeigen die neuen Ergebnisse das Versprechen deutlich neue Technologie.

Ein Quantencomputer ist nicht nur ein Computer der nächsten Generation, er ist viel mehr. Nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Anwendung der neuesten Technologien, sondern auch unter dem Gesichtspunkt ihrer unbegrenzten, unglaublichen, fantastischen Möglichkeiten, die nicht nur die Welt der Menschen verändern, sondern sogar ... eine andere Realität schaffen können.

Wie Sie wissen, verwenden moderne Computer einen Speicher, der im Binärcode dargestellt wird: 0 und 1. Genau wie im Morsecode - ein Punkt und eine Beschriftung. Mit Hilfe von zwei Zeichen können Sie beliebige Informationen verschlüsseln, indem Sie ihre Kombinationen variieren.

Es gibt Milliarden dieser Bits im Speicher eines modernen Computers. Aber jeder von ihnen kann sich in einem von zwei Zuständen befinden – entweder null oder eins. Wie eine Glühbirne: entweder an oder aus.

Ein Quantenbit (Qubit) ist das kleinste Informationsspeicherelement im Computer der Zukunft. Die Informationseinheit in einem Quantencomputer kann nun nicht nur null oder eins sein, sondern Beides zur selben Zeit.

Eine Zelle führt zwei Aktionen aus, zwei – vier, vier – sechzehn usw. Deshalb können Quantensysteme doppelt so schnell und mit großen Informationsmengen arbeiten wie moderne.

Erstmals haben Wissenschaftler des Russian Quantum Center (RQC) und des Laboratory of Supraconductor Metamaterials ein Qubit (Q-Bit) „vermessen“.

Auf der technischen Seite ist ein Qubit ein Metallring mit Schnitten von wenigen Mikrometern Durchmesser, der auf einem Halbleiter abgeschieden wird. Der Ring wird auf ultratiefe Temperaturen gekühlt, um ein Supraleiter zu werden. Wir nehmen an, dass der durch den Ring fließende Strom im Uhrzeigersinn fließt - dies ist 1. Gegen - 0. Das heißt, zwei gewöhnliche Zustände.

Mikrowellenstrahlung wurde durch den Ring geleitet. Am Austritt dieser Strahlung aus dem Ring wurde die Phasenverschiebung des Stroms gemessen. Es stellte sich heraus, dass dieses ganze System sowohl in zwei Haupt- als auch in anderen angeordnet sein kann Mischzustand: beides gleichzeitig!!! In der Wissenschaft wird dies als Superpositionsprinzip bezeichnet.

Ein Experiment russischer Wissenschaftler (ähnlich durchgeführt von Wissenschaftlern aus anderen Ländern) hat bewiesen, dass ein Qubit das Recht auf Leben hat. Die Schaffung eines Qubits führte zu der Idee und brachte Wissenschaftler dem Traum näher, einen optischen Quantencomputer zu schaffen. Es bleibt nur, es zu entwerfen und zu erstellen. Aber nicht alles ist so einfach...

Schwierigkeiten, Probleme bei der Erstellung eines Quantencomputers

Wenn es zum Beispiel erforderlich ist, in einem modernen Computer eine Milliarde Optionen zu berechnen, dann muss er eine Milliarde solcher Zyklen „scrollen“. Es gibt einen grundlegenden Unterschied zu einem Quantencomputer, er kann alle diese Optionen gleichzeitig berechnen.
Eines der Hauptprinzipien, nach denen ein Quantencomputer funktionieren wird, ist das Prinzip der Superposition, und man kann es nicht anders als magisch nennen!
Dies bedeutet, dass dieselbe Person gleichzeitig an verschiedenen Orten sein kann. Physiker scherzen: "Wer von der Quantentheorie nicht geschockt ist, hat sie nicht verstanden."

Das Erscheinungsbild von Quantencomputern, die jetzt geschaffen werden, unterscheidet sich auffallend von klassischen. Sie sehen aus wie ... ein Mondschein noch:

Ein solches Design, bestehend aus Kupfer- und Goldteilen, Kühlschlangen und anderen charakteristischen Details, passt natürlich nicht zu seinen Schöpfern. Eine der Hauptaufgaben der Wissenschaftler ist es, es kompakt und billig zu machen. Damit dies geschehen kann, müssen mehrere Probleme gelöst werden.

Das erste Problem ist die Instabilität von Superpositionen

Alle diese Quantenüberlagerungen sind sehr "sanft". Sobald man sie anschaut, sobald sie anfangen, mit anderen Objekten zu interagieren, fallen sie sofort zusammen. Sie werden klassisch. Dies ist eines der wichtigsten Probleme beim Bau eines Quantencomputers.

Das zweite Problem - starke Kühlung ist erforderlich

Das zweite Hindernis besteht darin, einen stabilen Betrieb eines Quantencomputers zu erreichen. in der Form, wie wir sie heute haben, bedarf es einer starken Kühlung. Stark, das ist die Schaffung von Geräten, in denen die Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten wird - minus 273 Grad Celsius! Daher sehen die Prototypen solcher Computer mit ihren Kryo-Vakuum-Installationen jetzt sehr schwerfällig aus:

Wissenschaftler sind sich jedoch sicher, dass bald alle Technische Probleme gelöst werden und eines Tages werden Quantencomputer mit enormer Rechenleistung moderne ersetzen.

Einige technische Lösungen zur Problemlösung

Bis heute haben Wissenschaftler eine Reihe bedeutender Lösungen für die oben genannten Probleme gefunden. Diese technologischen Entdeckungen, das Ergebnis komplexer und manchmal langer, harter Arbeit von Wissenschaftlern, verdienen allen Respekt.

Der beste Weg, um die Funktionsweise eines Qubits zu verbessern … Diamanten

Alles ist dem berühmten Lied über Mädchen und Diamanten sehr ähnlich. Die Hauptsache, an der die Wissenschaftler jetzt arbeiten, ist die Erhöhung Lebenszeit qubit, sowie einen Quantencomputer zum Laufen zu bringen bei normalen Temperaturen. Ja, die Kommunikation zwischen Quantencomputern erfordert Diamanten! Für all dies war es notwendig, künstliche Diamanten mit extrem hoher Transparenz herzustellen und zu verwenden. Mit ihrer Hilfe konnten sie die Lebensdauer eines Qubits auf zwei Sekunden verlängern. Diese bescheidenen Errungenschaften, zwei Sekunden der Lebensdauer eines Qubits und der Betrieb eines Computers bei Raumtemperatur, sind in der Tat eine Revolution in der Wissenschaft.

Die Essenz des Experiments des französischen Wissenschaftlers Serge Haroche basiert auf der Tatsache, dass er der ganzen Welt zeigen konnte, dass Licht (ein Quantenphotonenfluss), das zwischen zwei speziell von ihm geschaffenen Spiegeln hindurchgeht, seinen Quantenzustand nicht verliert.

Indem er das Licht 40.000 km zwischen diesen Spiegeln reisen ließ, stellte er fest, dass alles geschieht, ohne den Quantenzustand zu verlieren. Licht besteht aus Photonen, und bisher konnte niemand herausfinden, ob sie ihren Quantenzustand verlieren, wenn sie eine bestimmte Strecke zurücklegen. Nobelpreisträger Serge Haroche: Ein Photon befindet sich gleichzeitig an mehreren Orten, wir haben es geschafft, es einzufangen.“ Tatsächlich das ist das Superpositionsprinzip. „In unserer großen Welt ist das unmöglich. Und in der Mikrowelt gelten andere Gesetze“, sagt Arosh.

Im Inneren des Resonators befanden sich klassische Atome, die gemessen werden konnten. Aus dem Verhalten von Atomen lernte der Physiker, die schwer fassbaren Quantenteilchen zu identifizieren und zu messen. Vor Haroches Experimenten glaubte man, dass die Beobachtung von Quanten unmöglich sei. Nach dem Experiment fingen sie an, über die Eroberung von Photonen zu sprechen über die Annäherung an das Zeitalter der Quantencomputer.

Warum sich viele auf die Schaffung eines vollwertigen Quantengenerators freuen, während andere davor Angst haben

Quantencomputer werden der Menschheit große Chancen eröffnen

Der Quantencomputer wird der Menschheit grenzenlose Möglichkeiten eröffnen. Es hilft zum Beispiel dabei, einen künstlichen Verstand zu erschaffen, von dem Science-Fiction-Autoren schon so lange schwärmen. Oder das Universum simulieren. Ganz. Nach den bescheidensten Prognosen können Sie damit über die Grenzen des Möglichen hinausblicken. Stellen wir uns eine Welt vor, in der Sie absolut alles simulieren können, was Sie wollen: ein Molekül entwerfen, superstarkes Metall, sich schnell zersetzendes Plastik, Heilmittel für unheilbare Krankheiten entwickeln. Die Maschine wird unsere gesamte Welt vollständig bis zum letzten Atom modellieren. Sie können sogar eine andere Welt simulieren, sogar eine virtuelle.

Ein Quantencomputer könnte die Waffe der Apokalypse sein

Viele Menschen, die sich mit der Essenz der Quantentechnologie beschäftigt haben, haben aus verschiedenen Gründen Angst davor. Schon jetzt machen Computerisierung und alle computerbezogenen Technologien dem Laien Angst. Es genügt, an die Skandale zu erinnern, wie spezielle Dienste mit Hilfe von integrierten Programmen in PCs und sogar HaushaltsgeräteÜberwachung und Datenerhebung über ihre Verbraucher organisieren. In vielen Ländern wurden beispielsweise bekannte Brillen verboten – schließlich sind sie ein ideales Werkzeug für verdeckte Aufnahmen und Überwachung. Sicherlich ist schon jetzt jeder Einwohner eines Landes und noch mehr ein Benutzer des Internets in einer Art Datenbank aufgeführt. Außerdem, und das ist durchaus realistisch, können bestimmte Dienste jede seiner Aktionen im Internet berechnen.

Aber es wird keine Geheimnisse für Quantencomputer geben!Überhaupt keine. Die gesamte Computersicherheit basiert auf sehr langen Passwortnummern. Ein normaler Computer würde eine Million Jahre brauchen, um an den Schlüssel des Codes zu kommen. Aber mit Hilfe von Quanten kann es jeder sofort tun. Es stellt sich heraus, dass die Welt völlig unsicher wird: Immerhin in moderne Welt alles wird von Computern gesteuert: Banküberweisungen, Flugzeugflüge, Börsen, Atomraketen! Es stellt sich also heraus: Wem die Informationen gehören, dem gehört die Welt. Wer zuerst ist, ist Gott. Ein Quantencomputer wird stärker als jedes Waffensystem. Auf der Erde könnte ein neues Wettrüsten beginnen (oder hat bereits begonnen), nur jetzt kein nukleares, sondern ein computergestütztes.

Gott segne uns, damit wir sicher herauskommen...

Die Menschheit steht, wie vor 60 Jahren, wieder einmal kurz vor einem grandiosen Durchbruch auf dem Gebiet der Computertechnologien. Quantencomputer werden bald die heutigen Computer ersetzen.

Wie viel Fortschritt wurde gemacht

Bereits 1965 sagte Gordon Moore, dass sich in einem Jahr die Anzahl der Transistoren, die in einen Silizium-Mikrochip passen, verdoppelt. Dieses Fortschrittstempo hat sich in letzter Zeit verlangsamt, und Verdopplungen treten seltener auf – einmal alle zwei Jahre. Selbst bei diesem Tempo werden Transistoren in naher Zukunft die Größe eines Atoms erreichen. Dann gibt es eine Grenze, die nicht überschritten werden kann. Vom Standpunkt der physikalischen Struktur des Transistors aus kann es nicht weniger als atomare Mengen sein. Eine Vergrößerung des Chips löst das Problem nicht. Der Betrieb von Transistoren ist mit der Freisetzung von Wärmeenergie verbunden, und Prozessoren benötigen ein hochwertiges Kühlsystem. Auch die Multicore-Architektur löst das Problem des weiteren Wachstums nicht. Der Höhepunkt in der Entwicklung moderner Prozessortechnologie wird bald erreicht sein.
Entwickler erkannten dieses Problem zu einer Zeit, als PCs gerade erst begannen, Benutzern zur Verfügung zu stehen. 1980 formulierte einer der Begründer der Quanteninformatik, der sowjetische Professor Juri Manin, die Idee des Quantencomputings. Ein Jahr später schlug Richard Feiman das erste Modell eines Computers mit einem Quantenprozessor vor. Die theoretischen Grundlagen, wie Quantencomputer aussehen sollten, wurden von Paul Benioff formuliert.

Das Funktionsprinzip eines Quantencomputers

Um zu verstehen, wie der neue Prozessor funktioniert, bedarf es zumindest oberflächlicher Kenntnisse der Prinzipien der Quantenmechanik. Es macht keinen Sinn, hier mathematische Layouts zu geben und Formeln abzuleiten. Dem Laien genügt es, sich mit den drei Besonderheiten der Quantenmechanik vertraut zu machen:

• Der Zustand oder die Position eines Teilchens wird nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit bestimmt.
• Wenn ein Teilchen mehrere Zustände haben kann, dann ist es in allen möglichen Zuständen gleichzeitig. Das ist das Superpositionsprinzip.
• Der Prozess der Zustandsmessung des Teilchens führt zum Verschwinden der Überlagerung. Charakteristischerweise unterscheidet sich das durch die Messung gewonnene Wissen über den Zustand des Teilchens von dem tatsächlichen Zustand des Teilchens vor den Messungen.

Aus der Sicht des gesunden Menschenverstandes - völliger Unsinn. In unserer gewöhnlichen Welt können diese Prinzipien wie folgt dargestellt werden: Die Tür zum Zimmer ist geschlossen und gleichzeitig offen. Geschlossen und gleichzeitig geöffnet.

Dies ist der auffällige Unterschied zwischen den Berechnungen. Ein herkömmlicher Prozessor arbeitet in seinen Aktionen Binärcode. Computerbits können nur in einem Zustand sein – sie haben einen logischen Wert von 0 oder 1. Quantencomputer arbeiten mit Qubits, die gleichzeitig einen logischen Wert von 0, 1, 0 und 1 haben können. Für bestimmte Aufgaben werden sie gegenüber herkömmlichen Computern einen Vorteil von mehreren Millionen Dollar haben. Heute gibt es bereits Dutzende Beschreibungen von Arbeitsalgorithmen. Programmierer erstellen speziellen Programmcode, der nach neuen Rechenprinzipien arbeiten kann.

Wo wird der neue Computer eingesetzt?

Ein neuer Ansatz für den Rechenprozess ermöglicht es Ihnen, mit riesigen Datenmengen zu arbeiten und sofortige Rechenoperationen durchzuführen. Mit dem Aufkommen der ersten Computer hegten einige Menschen, darunter auch Staatsmänner, große Skepsis gegenüber ihrem Einsatz in der Volkswirtschaft. Es gibt auch heute noch Menschen, die an der Bedeutung grundlegend neuer Computergenerationen zweifeln. Lange Zeit weigerten sich Fachzeitschriften, Artikel über Quantencomputing zu veröffentlichen, da sie diesen Bereich als einen gängigen Betrugsversuch zur Täuschung von Investoren betrachteten.

Die neue Art des Rechnens wird die Voraussetzungen für grandiose wissenschaftliche Entdeckungen in allen Branchen schaffen. Die Medizin wird viele problematische Probleme lösen, die sich in letzter Zeit ziemlich angesammelt haben. Es wird möglich sein, Krebs in einem früheren Stadium der Krankheit als jetzt zu diagnostizieren. Die chemische Industrie wird in der Lage sein, Produkte mit einzigartigen Eigenschaften zu synthetisieren.

Ein Durchbruch in der Raumfahrt lässt Sie nicht warten. Flüge zu anderen Planeten werden so alltäglich wie tägliche Fahrten durch die Stadt. Das dem Quantencomputing innewohnende Potenzial wird unseren Planeten sicherlich bis zur Unkenntlichkeit verändern.

Andere Unterscheidungsmerkmal Was Quantencomputer haben, ist die Fähigkeit des Quantencomputings, schnell den richtigen Code oder die richtige Chiffre zu finden. normaler Rechner führt sequentiell eine mathematische Optimierungslösung durch, wobei eine Option nach der anderen durchlaufen wird. Ein Quantenkonkurrent arbeitet mit dem gesamten Datenfeld auf einmal und wählt die am besten geeigneten Optionen blitzschnell in beispiellos kurzer Zeit aus. Bankgeschäfte werden im Handumdrehen entschlüsselt, was modernen Computern nicht möglich ist.

Der Bankensektor muss sich jedoch keine Sorgen machen – sein Geheimnis wird durch das Quantenverschlüsselungsverfahren mit dem Messparadoxon gerettet. Wenn Sie versuchen, den Code zu öffnen, wird das übertragene Signal verzerrt. Die erhaltenen Informationen ergeben keinen Sinn. Die Geheimdienste, für die Spionage alltäglich ist, interessieren sich für die Möglichkeiten des Quantencomputings.

Designschwierigkeiten

Die Schwierigkeit liegt darin, die Bedingungen zu schaffen, unter denen sich ein Quantenbit unendlich lange in einem Zustand der Überlagerung befinden kann.

Jedes Qubit ist ein Mikroprozessor, der nach den Prinzipien der Supraleitung und den Gesetzen der Quantenmechanik arbeitet.

Um die mikroskopischen Elemente der Logikmaschine herum werden eine Reihe einzigartiger Umgebungsbedingungen geschaffen:

• Temperatur 0,02 Grad Kelvin (-269,98 Grad Celsius);
• Schutzsystem gegen magnetische und elektrische Strahlung (reduziert die Auswirkungen dieser Faktoren um das 50.000-fache);
• Wärmeabfuhr- und Vibrationsdämpfungssystem;
• Luftverdünnung um das 100-Milliardenfache unter Atmosphärendruck.

Eine geringfügige Umgebungsabweichung führt dazu, dass die Qubits vorübergehend ihren Überlagerungszustand verlieren, was zu einer Fehlfunktion führt.

Dem Planeten voraus

All dies könnte der Kreativität des entzündeten Geistes eines Science-Fiction-Autors zugeschrieben werden, wenn Google nicht zusammen mit der NASA im vergangenen Jahr einen D-Wave-Quantencomputer von einem kanadischen Forschungsunternehmen gekauft hätte, dessen Prozessor 512 enthält Qubits.

Mit seiner Hilfe wird der Marktführer im Bereich Computertechnologie Probleme des maschinellen Lernens beim Sortieren und Analysieren großer Datenfelder lösen.

Eine wichtige aufschlussreiche Aussage wurde von Snowden gemacht, der die Vereinigten Staaten verlassen hat - die NSA plant auch, einen eigenen Quantencomputer zu entwickeln.

2014 - der Beginn der Ära der D-Wave-Systeme

Der erfolgreiche kanadische Athlet Geordie Rose begann nach einem Vertrag mit Google und der NASA mit dem Bau eines Prozessors mit 1000 Qubits. Das zukünftige Modell wird den ersten kommerziellen Prototypen in Bezug auf Geschwindigkeit und Rechenvolumen um mindestens das 300.000-fache übertreffen. Der Quantencomputer, dessen Foto sich unten befindet, ist die weltweit erste kommerzielle Version einer grundlegend neuen Computertechnologie.

Angeregt, sich in der wissenschaftlichen Entwicklung zu engagieren, wurde er durch seine Bekanntschaft an der Universität mit den Arbeiten von Colin Williams zum Quantencomputing. Ich muss sagen, dass Williams heute in der Rose Corporation als Business Project Manager arbeitet.

Durchbruch oder wissenschaftliche Täuschung

Rose selbst weiß nicht genau, was Quantencomputer sind. In zehn Jahren hat sich sein Team von der Entwicklung eines 2-Qubit-Prozessors zum heutigen ersten kommerziellen Abkömmling entwickelt.

Von Beginn seiner Forschung an strebte Rose danach, einen Prozessor mit einer Mindestanzahl von 1.000 Qubits zu entwickeln. Und er muss eine kommerzielle Option gehabt haben – zu verkaufen und Geld zu verdienen.

Viele, die Roses Besessenheit und seinen Geschäftssinn kennen, versuchen, ihn der Fälschung zu bezichtigen. Angeblich wird der gewöhnlichste Prozessor für Quanten ausgegeben. Dies wird durch die Tatsache erleichtert, dass sich die phänomenale Geschwindigkeit der neuen Technik bei der Durchführung bestimmter Arten von Berechnungen zeigt. Ansonsten verhält er sich wie ein ganz gewöhnlicher Computer, nur sehr teuer.

Wann werden sie erscheinen

Es gibt nicht lange zu warten. Die von den gemeinsamen Prototypenkäufern organisierte Forschungsgruppe wird in Kürze über die Forschungsergebnisse zu D-Wave berichten.
Vielleicht kommt bald die Zeit, in der Quantencomputer unser Verständnis der Welt um uns herum verändern werden. Und die gesamte Menschheit wird in diesem Moment eine höhere Stufe ihrer Evolution erreichen.