"الكمبيوتر الكلاسيكي سوف يتحلل الرقم إلى 2048 بت في 1،000،000،000،000 سنة. كمبيوتر كمي - في 10 ثوانٍ "
—
- يعد إنشاء الكمبيوتر الكمي أحدالمشاكل الأساسية لفيزياء القرن الحادي والعشرين. في الأسبوع الماضي ، مُنحت حتى جائزة نوبل لعلماء الفيزياء لإثباتهم التشابك الكمومي ، وهو المبدأ الكامن وراء أجهزة الكمبيوتر الكمومية. إذا كنت تعرف قانون مور (عدد الترانزستورات على شريحة دائرة متكاملة يتضاعف كل عامين - محرر) ، فهذا يعني أنه في السنوات الأخيرة لم يعد يتحقق ، وحتى مصنعي المعالجات الدقيقة ابتعدوا عن شيء مثل التقنية معالجة. نانومترات ، التي يتحدث عنها الجميع الآن ، هي أكثر من شيء تسويقي.
يوجد الآن فرع تطوير جديد في الطباعة الحجرية -الأشعة فوق البنفسجية الشديدة ، حيث تتألق بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر. هذا طول موجي قياسي يمكن الحصول عليه بثبات وصنع شرائح في حد 2-3 نانومتر ، مما يقلل من حد الانعراج باستخدام الحيل البصرية المختلفة. لكن ما يجب فعله بعد ذلك غير واضح. طريق مسدود ممكن في اختزال الترانزستورات في أفق 5-10 سنوات.
دانيلا شابوشنيكوف
هذا هو المكان الذي يمكن أن يساعد فيه الاختلاف الأساسي.الحوسبة الكمومية والكلاسيكية. الحسابات الكلاسيكية متسلسلة ، وتسمح لك تلك الكمومية بشكل طبيعي بإجراء حسابات متوازية تمامًا. أي أن كل بت كمي يمكن أن يحسب بالتوازي مع البتات الكمومية الأخرى في النظام. في هذه الحالة ، يمكن أن يكون للبت عدة حالات في نفس الوقت - يكون كلاهما صفر وواحد. أو حتى نظام متعدد المستويات ، ولكن التيار الرئيسي الآن هو كيوبت ، وله مستويين. تزداد قوة الحوسبة أضعافًا مضاعفة مع إضافة الكيوبتات إلى النظام (2n). وفي النظام المعتاد ، ينمو تربيعًا (n2).
العلم الحديث في مرحلة الفهم ،ما هي ميكانيكا الكم. جميع قوانين الجسيمات ، تفاعل الذرات مع بعضها موصف بقوانين ميكانيكا الكم. هذا العلم يختلف عما جاء قبله. على سبيل المثال ، في ميكانيكا الكم يوجد مبدأ التراكب ، والذي بسببه ينمو حجم مساحة الدولة بشكل كبير.
لا يستطيع الكمبيوتر الكلاسيكي فعل ذلك.محاكاة. الكمبيوتر الكمي نفسه مبني على مثل هذه الظواهر وهو قادر على العمل مع مثل هذه الأنظمة. بالإضافة إلى ذلك ، يوجد في النظام الميكانيكي الكمومي اتساعات احتمالية بأرقام مركبة - لا تمتلك أجهزة الكمبيوتر العادية هذا.
إذا أخذنا مشكلة توسيع بعض الأرقام إلى2048 بت ، فإن الخوارزمية الكلاسيكية ستحللها في ألف خطوة وفي 1،000،000،000،000 سنة. وخوارزمية شور ، إذا كان هناك جهاز كمبيوتر كمي بالعدد الصحيح من الكيوبتات ، فستقوم بذلك في 107 خطوات - حوالي 10 ثوانٍ. حتى الآن ، لا توجد حواسيب كمومية كهذه ، لكن تلك القادرة بالفعل على فعل ما سيستغرقه الكمبيوتر الكلاسيكي وقتًا طويلاً للقيام به.
- هل تبرر الحواسيب الكمومية الآمال المعلقة عليها؟
دعونا نفهم أولاً ما يتطلبه إنشاء كمبيوتر كمي. صاغ الفيزيائي ديفيد دي فينتشنزو بشكل صحيح خمسة معايير أساسية:
- حدد ما هو كيوبت. إنها مختلفة ، اليوم هناك العديد من المنصات المعروفة - على الذرات والأيونات والموصلات الفائقة والفوتونات.
- كن قادرًا على إدخال كيوبت في التراكب.افهم كيفية جعل كيوبت يساوي صفرًا وواحدًا في نفس الوقت. في كل منصة ، تعد مقدمة التراكب مهمة منفصلة ، ويمكن القيام بذلك من خلال مبادئ فيزيائية مختلفة.
- من الضروري إنشاء الكيوبتات والتشابك الكمي بينهما ، حتى نتمكن من التحكم فيها ، وبناء بوابات تستند إليها.
- حافظ على هذه الحالة المتماسكة لأطول فترة ممكنة.
- قم بإجراء قياسات على جهاز الكمبيوتر الكمي الخاص بنا.
وراء كل من هذه الظواهر هناك الكثير من الهندسةالصعوبات. على سبيل المثال، إذا قمت بقياس الكيوبت، فسوف تتغير حالته ولا يمكن استنساخه. أو أن الضوضاء والموجات الكهرومغناطيسية والجسيمات لها تأثير سيء على النظام، لذلك تقوم معظم المنصات بتبريد النظام بأكمله إلى درجات حرارة منخفضة لتقليل تأثير الضوضاء والغبار. لكن العمل في مجال التجميد أكثر صعوبة بكثير. كل هذا يعقد إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية، لذلك يبلغ الحد الأقصى الآن حوالي 130 كيوبت. على سبيل المثال، أصدرت شركة IBM نظامًا بسعة 128 كيوبت.
هناك العديد من التعقيدات الهندسية وراء كل خطوة في تطوير الكمبيوتر الكمومي.
لكن ليس هناك ماديًا فحسب ، بل منطقيًا أيضًاكيوبت. ماهو الفرق؟ يجب أن تكون دقة الحوسبة الكمومية حوالي 99.9999999999999٪ - ثم نعتبرها عالية جدًا. لكنها اليوم تطفو من 90 إلى 99٪ ، وهذه معلمات منخفضة للغاية ، ومن الصعب حسابها بالضبط بمساعدتهم ، وستكون نسبة الأخطاء عالية. لتحقيق المستوى المطلوب ، يقومون بعمل كيوبت منطقي ، أي أنهم يصنعون كيوبت منطقيًا واحدًا من عدد كبير من الكيوبتات الفيزيائية ، وبروتوكولات تصحيح أخطاء البرنامج ، وخوارزمية عليها ، واتضح أن هذا كيوبت واحد بدقة عالية معدل.
لذلك، إذا عدنا إلى الكيوبتات المادية،والتي يجب أن يُصنع منها حاسوب كمي - الصناعة في مرحلة مبكرة، تقريبًا عند مستوى عشرة كيوبتات منطقية. وفي السنوات المقبلة، نتوقع أن يكون من الممكن تحقيق مستوى مائة كيوبت منطقي. وهذا سيجعل من الممكن بالفعل القيام بأشياء مثيرة للاهتمام - تحسين المسار، والاختبارات السريرية، وإنشاء البيانات السريرية الاصطناعية، وتقريب المحاكاة الكمومية، وتحسين المحافظ المالية. للمقارنة، لاختراق خوارزميات RSA، تحتاج إلى حوالي ألف كيوبت منطقية.
هنا نحن بحاجة إلى إجراء استطراد صغير ولنقول أنه يوجد اليوم صعوبة أخرى في الحوسبة الكمومية - حتى يتم اختراع الذاكرة الكمومية. لذلك، في السنوات العشر القادمة، ستعمل الحوسبة الكمومية جنبًا إلى جنب مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
الهدف الاستراتيجي طويل المدى هو إنشاء كمبيوتر كمي عالمي. يتطلب هذا أكثر من 10000 كيوبت منطقي ، وتحكمًا موثوقًا به للبوابات متعددة الكيوبتات ، وذاكرة كمومية.
ماذا ستتغير الحواسيب الكمومية؟
- يمكنهم حل مجموعة كبيرة من المشاكل— على سبيل المثال، للعلوم الحيوية. في الوقت الحالي، لا يمكننا نمذجة حتى المركبات الجزيئية المعقدة بشكل معتدل. ولهذا السبب يصنع العلماء جزيئات اصطناعية ويقومون بالتجربة باستمرار. عمليات المحاكاة محدودة للغاية بسبب حجم الأنظمة الجزيئية ومعلمات الدقة. ولهذا السبب، يستغرق إنتاج دواء جديد عشر سنوات. والكمبيوتر الكمي الذي يمكنه محاكاة نظام ميكانيكي الكم سوف يسرع العملية بشكل جذري.
أو يحاولون القيام بطي البروتين الآنالأشعة السينية ، رنين مغناطيسي صعب. وإذا كان هناك كمبيوتر كمي ، فسيكون قادرًا على محاكاة هذا النظام ، وسنعمل على تبسيط حياتنا في صناعة الأدوية. كما سيتسارع تطوير مواد جديدة لرحلات الفضاء والمحركات وأنظمة التوصيل الفائق. سيكون هناك إلكتروليتات جديدة للبطاريات ، والتي كانت عند مستوى 200-250 واط / ساعة لكل كيلوغرام من حيث كثافة الطاقة لكل كتلة لمدة 20 عامًا. لا يمكننا أن نفعل ما هو أفضل ، لأننا لا نمثل بشكل جيد حتى الآن.
من المستحيل حتى سرد كل شيء في مقابلة واحدةتلك التطبيقات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يمكن تخيلها. حتى لو كان بإمكانه ببساطة تسريع بعض العمليات من العمليات المهمة (مثل تحويل فورييه)، فسيكون هذا بالفعل تقدمًا جديًا. وهذه ليست سوى خطوة واحدة نحو إنشاء كمبيوتر كمي عالمي. لهذا السبب هناك مثل هذا الضجيج.
— لكن لا يمكن استخدامها إلا في حدود العلم؟
- لا ، في أي نوع من التحسين - على سبيل المثال ، حيث يتم استخدام نظرية الرسم البياني. يتم استخدامها بالفعل لتحسين المحافظ المالية ، والطرق ، وتحسين خوارزميات الذكاء الاصطناعي.
"Qubits جيدة ، لكن هذا لا يعني سرعة ودقة الحساب"
- هل هناك مشاكل أخرى ليس من الواضح كيفية حلها؟ ما الذي يمكن أن يوقف التقدم؟
- العامل الرئيسي هو إنشاء كيوبتات بحجم كبيرnumber وربطها ، عمر النظام بأكمله. على سبيل المثال ، إذا كان عمر النظام 0.001 ثانية ، فقد لا يكون لديك الوقت لحساب شيء مهم. نحن بحاجة إلى التفكير في كيفية الحفاظ على جودة الحسابات وتوسيع نطاقها.
لنأخذ شركة IonQ - لقد استثمروا فيهاصناديق الاستثمار المحترمة من جميع أنحاء العالم ، حتى تم طرحها للجمهور. إنهم يصنعون أنظمة تحتوي على أيونات ، والمشكلة هي أن هناك مصائد أيونية ، لكن هناك حدًا لعدد الأيونات التي يمكن التقاطها. ونحن بحاجة إلى التوصل إلى آلية لربط الفخاخ ببعضها البعض. لا تزال هناك مشاكل كبيرة مع هذا - إنه يعيق بشكل كبير توسيع نطاق النظام. منصات أخرى لديها مشاكل خطيرة مماثلة.
لا تزال هناك مشاكل مع المعدات - في بعض الأحيان تحتتحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى ابتكار أجهزة جديدة. على سبيل المثال ، البصريات الخاصة ، والليزر ، ومعدات التفريغ ، والغرف المبردة. هناك العديد من المشاكل ، ولكن هذا هو طريق التطور - لقد تجاوزته الإلكترونيات الدقيقة بالفعل. هذا أمر طبيعي: الصناعة تتكيف مع كل عملية جديدة وتبتكر معادن موصلة جديدة واكتشافات أخرى. كل ما في الأمر أن النظام بأكمله لا يزال في مرحلة مبكرة من النضج.
تكمن المشكلة الرئيسية في إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية في إنشاء وحدات كيوبت بأعداد كبيرة وربطها وعمر النظام بأكمله
- باعتبارهم من غير المتخصصين المهتمينأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، لفهم ما إذا كان الاكتشاف الجديد يمثل حقًا خطوة للأمام لهذه الصناعة أو خبرًا آخر من أجل النقرات؟ ما الذي يجب الانتباه إليه؟ على سبيل المثال ، هل عدد البتات هو مؤشر؟
- من الأفضل محاولة معرفة المزيدمستوى عميق. إذا كنت لا تفهم على الإطلاق ، فإن هذه المعايير ستكشف بشكل سطحي للغاية جوهر التقدم ، وفي بعض الأحيان تضللك. كما هو الحال ، على سبيل المثال ، مع عدد الكيوبتات - في الواقع ، هذا جيد ، لكنه لا يوضح مقدار ما يمكن للنظام أن يحسبه وبأي دقة.
بالنسبة لي ، فإن عدد الكيوبتات المنطقية المترابطة ودقة الحساب وعمر النظام والقدرة على حساب الخوارزميات العملية مهمة.
- إن تطور الحواسيب الكمومية وقت طويل ،باهظ الثمن وصعب. لذلك ، يبدو أن عددًا محدودًا جدًا من المنظمات تقوم بذلك. هل هذا يعني أن مثل هذه الأجهزة لن تعمل إلا لصالح الشركات والدول؟
- أولئك الذين صنعوا آلة تعمل بشكل أو بآخر ،عادة ما يكون مفتوحًا للوصول إلى السحابة. ويمكنك كتابة الدوائر الكمومية الخاصة بك وحساب الخوارزميات. يهتم كل مطور بزيادة عدد المهام العملية التي يمكن القيام بها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بهم ، وبالتالي يتم تقليل التكلفة.
بناءً على عدد الاستثمارات في هذا القطاع، يمكن للمرء القيام بهاالاستنتاج هو أن هناك تقدما. وهذا عامل غير مباشر - إذا استثمر مئات المستثمرين ونمت الصناعة، فهذا يعني الكثير. ومنذ عام 2019، ارتفع عدد الاستثمارات - من 300 مليون دولار إلى 2.3 مليار دولار. ويبدو أننا قريبون من الحلول التي ستصبح عملية.
ولكن في نفس الوقت هناك 80 منظمة فقطصنع حواسيب كمومية. لكن الأرقام تشير إلى أنه تم استثمار 1.5 مليار في الأجهزة ، من بينها 12 شركة حصلت على نصيب الأسد. هناك حاجة إلى المتخصصين هنا في فيزياء الكم والرياضيات والمهندسين مطلوبين بشدة. حقيقة مثيرة للاهتمام: تعتبر المدرسة السوفيتية قوية هنا. تحدثنا إلى العديد من 260 شركة نشطة في هذا المجال - 20٪ منها لديها مهندسين أو فيزيائيين أو رياضيين روس.
"عدد البتات لا يوضح المقدار الذي يمكن للنظام حسابه وبأية دقة"
"العلماء الروس يتخلفون 3-5 سنوات عن علماء العالم"
- وماذا عن تقنيات الكم داخل روسيا؟
- ليس صحيحا.تمتلك روسيا برنامجًا وخارطة طريق لتطوير التقنيات الكمية بميزانية تبلغ حوالي مليار دولار حتى عام 2024. ينقسم البرنامج إلى عدة خرائط طريق - الحوسبة الكمية (تحت إشراف روساتوم) ، والاتصالات (السكك الحديدية الروسية ومركز المقاييس) وأجهزة الاستشعار (روستيك). Gazprombank أيضًا في هذه اللعبة بأكملها ، لأنهم المستثمر الرئيسي في مركز الكم. على سبيل المثال ، ظهر بالفعل خط اتصال كمي خاص بين موسكو وسانت بطرسبرغ - وهذا هو البروتوكول الرئيسي للتشفير الكمومي اليوم.
ربما يكون اللاعبون الرئيسيون في مجال الحوسبة الكمومية هم RCC وFIAN وجامعة موسكو الحكومية.
ما هي التطورات التي يستحقون الحديث عنها؟
- وفقًا لخارطة الطريق ، فإنهم يصنعون الكمأجهزة الكمبيوتر على منصات مختلفة - الذرات والأيونات والفوتونات والموصلات الفائقة. حسب مشاعري ، فإنهم يتأخرون بمقدار 3-5 سنوات عن الشركات العالمية. لكن لديهم طاقم عمل جاد ونهج - سيطورون بالتأكيد شيئًا مفيدًا.
- يخشى الباحثون أن تخرج التكنولوجيا عن نطاق السيطرة؟ هل يحاولون تنظيمها بالفعل؟
- ما زلنا في طريقنا إلى التنظيم ، مع اهتمام الجميعإنشاء الأجهزة. بمجرد ظهور شيء خطير ، سوف ينتهي بالقيود. لكن الجميع يخافون على بياناتهم. على سبيل المثال ، من الممكن الآن تأمين البيانات باستخدام التشفير الكمي وتقليل احتمالية تمكن الكمبيوتر الكمي من كسرها. ولكن إذا قام شخص ما بنسخ البيانات وينتظر ظهور جهاز كمبيوتر كمي ، فسيكون قادرًا على فك تشفيرها لاحقًا. الآن هذا هو الشاغل الرئيسي.
قراءة المزيد:
المنجنيق يرسل أقمار ناسا إلى السماء
عاصفة مغناطيسية عملاقة تقترب من الأرض
أعد تكوين الشمس على الأرض: كيف حل الفيزيائيون المشكلة الرئيسية للاندماج الحراري النووي