Cos'è un computer quantistico
La principale differenza tra i computer quantistici e i transistor tradizionali,
In un computer classico, un bit può memorizzaresolo un numero: zero o uno. La fisica quantistica, tuttavia, consente una sovrapposizione di stati. Un bit quantistico può essere zero e uno stato contemporaneamente, e questo apre incredibili opportunità per il calcolo ultraveloce.
Per questo ha bisogno di migliaia di superpotentiprocessori. Di conseguenza, i calcoli, che richiederanno un potente computer da gioco alla settimana, il supercomputer si esibirà in un giorno. Tuttavia, è importante che i programmi funzionino correttamente, tenendo conto delle caratteristiche tecniche della macchina. Altrimenti, ciò che funziona correttamente su 100 processori rallenterà molto di 200.
I computer quantistici memorizzano ed elaborano i datiutilizzando quantum bits - qubit. Quest'ultimo non solo può accendersi e spegnersi, ma anche essere in uno stato transitorio, o anche essere acceso e spento allo stesso tempo. Continuando l'analogia con le lampadine: un qubit è come una luce che hai spento, ma continua comunque a lampeggiare. O il gatto di Schrödinger, che è sia vivo che morto.
Poiché le lampadine di un computer quantistico non bruciano contemporaneamente, si risparmia moltoPertanto, risolve compiti complessi molto più velocemente di un dispositivo classico molto potente.
Nel 2001, Isaac Chuang, capoIl gruppo di ricerca di laboratorio IBM, professore a contratto del MIT e pioniere nel campo dell'informatica quantistica, ha costruito un computer quantistico basato su una singola molecola. I risultati, pubblicati su Nature, rappresentano la prima implementazione sperimentale dell'algoritmo di Shor, un algoritmo di fattorizzazione quantistica (scomposizione di un numero in fattori primi) che consente di fattorizzare un numero nel tempo.
Quando hai troppi atomi lo èsembra una grande foresta. Era molto difficile controllare un atomo con quello precedente. La sfida è implementare [l’algoritmo] in un sistema sufficientemente isolato: allo stesso tempo, deve rimanere quantomeccanico abbastanza a lungo da poter effettivamente implementare l’intero algoritmo.
Nome e cognome
I computer quantistici hanno un aspetto diverso dai computer ordinari. Si tratta di grandi cilindri di metallo con fili intrecciati che vengono calati in unità di refrigerazione.
Possono essere utilizzati per diversi compiti,compresi calcoli in chimica e fisica o per creare nuovi materiali. Un altro campo di applicazione di un computer quantistico è la crittografia e le questioni di sicurezza. Questi problemi sono sentiti più acutamente dalle organizzazioni finanziarie e dalle banche, il che non sorprende: recentemente ci sono stati scandali per fughe di notizie e hack.
Le capacità di un computer quantistico lo consentirannoottenere l'accesso a qualsiasi informazione, quindi è il momento di pensare a proteggerla con l'aiuto di tecnologie pertinenti o utilizzando un computer quantistico per creare una crittografia migliorata.
Cosa significa "superiorità quantistica"?
La supremazia quantistica è la capacità di risolvere un problema che va oltre le capacità dei più moderni supercomputer.
Negli ultimi anni sono stati compiuti progressi significativiraggiunto nello sviluppo di una piattaforma superconduttrice. L'essenza della superiorità quantistica sta nel fatto che un computer quantistico risolve rapidamente un problema per il quale un supercomputer classico impiega un tempo enorme.
La prima svolta è avvenuta alla fine di ottobre 2019,quando Google ha annunciato di aver sviluppato il computer quantistico Google Sycamore: secondo i loro dati, il sistema ha affrontato un compito in 200 secondi che richiederebbe circa 10mila anni di lavoro dei supercomputer classici. Questo è ciò che hanno chiamato il termine "superiorità quantistica".
Tuttavia, il lavoro dell'azienda è stato accolto con una quotascetticismo e concorrenti di IBM hanno calcolato che in effetti il problema utilizzato può essere risolto in un paio di giorni - abbastanza per un vantaggio, ma non per una superiorità a tutti gli effetti.
La prossima pietra miliare nello sviluppo dei computer quantisticiè caduto all'inizio di dicembre 2020. Il 4 dicembre si è saputo che gli scienziati cinesi hanno creato un prototipo di un computer quantistico "Jiuzhang", che ha affrontato l'algoritmo di verifica standard 10 miliardi di volte più veloce di Sycamore, un prototipo a 53 qubit di un computer quantistico di Google. L'azienda ha affermato che il suo sviluppo ha anche raggiunto l'eccellenza quantistica.
Gli scienziati hanno testato l'abilità computazionale"Jiuzhang" utilizzando lo speciale algoritmo GBS. Il sistema lo ha affrontato 100 trilioni di volte più velocemente del più potente supercomputer esistente. Inoltre, gli sviluppatori hanno affermato che la potenza di calcolo del loro dispositivo è 10 miliardi di volte maggiore di Sycamore.
Nel 2001, Chuang, un pioniere del quantumcomputation, ha progettato un computer quantistico basato su una singola molecola che potrebbe essere tenuta in sovrapposizione e manipolata dalla risonanza magnetica nucleare per moltiplicare il numero 15. I risultati, pubblicati su Nature, hanno rappresentato la prima implementazione sperimentale dell'algoritmo di Shor. Ma il sistema non era scalabile; man mano che venivano aggiunti più atomi, diventava più difficile controllare il sistema.
Come verranno utilizzati i nuovi computer quantistici?
Una delle applicazioni più importanti del quantumcomputer adesso - scomposizione in numeri primi. Il fatto è che tutta la crittografia moderna si basa sul fatto che nessuno può scomporre rapidamente un numero di 30-40 cifre (o più) in fattori primi. Su un normale computer ci vorranno miliardi di anni. Un computer quantistico può farlo in circa 18 secondi.
Se assumiamo il fatto che la presenza di un quantumil computer dopo un po 'diventerà una norma sociale, nel qual caso non ci saranno segreti nell'intero cyberspazio, dal momento che qualsiasi algoritmo di crittografia può essere immediatamente violato e avere accesso a qualsiasi cosa. Questo vale per tutto, dai bonifici bancari ai messaggi nel messenger.
I computer quantistici sono ottimi anche permodellare situazioni complesse, ad esempio, calcolare le proprietà fisiche di nuovi elementi a livello molecolare. Questo, forse, consentirà di trovare più rapidamente nuovi farmaci o di risolvere compiti complessi ad alta intensità di risorse.
cosa altro può fare lui?
- Database e ricerca da loro.
Lavorare con i Big Data diventerà incredibilmente veloce.Shazam, routing, reti neurali, intelligenza artificiale: tutto questo riceverà una spinta incredibile. Sarà inoltre possibile costruire modelli dell'interazione di composti proteici complessi. Questo sarà un passo molto importante per la medicina, poiché aprirà opportunità per creare farmaci futuri, comprendere come i diversi virus ci influenzano e così via.
- Applicazioni alla crittografia.
A causa dell'enorme velocità di decomposizione in semplicemoltiplicatori, un computer quantistico consentirà la decrittazione dei messaggi crittografati dall'algoritmo crittografico RSA ampiamente utilizzato. Fino ad ora, questo algoritmo è considerato relativamente affidabile, poiché un modo efficiente di scomporre i numeri in fattori primi per un computer classico è attualmente sconosciuto. Grazie all'algoritmo quantistico di Shor, questo compito diventa abbastanza fattibile se viene costruito un computer quantistico.
- Ricerca nell'intelligenza artificiale.
I computer quantistici sono, in teoria, una buona soluzioneper esigenze di machine learning. Manipolano grandi quantità di dati in un unico passaggio e sono in grado di simulare una rete neurale di dimensioni esponenziali. Nel 2013, Google Corporation ha annunciato l'apertura di un laboratorio di ricerca quantistica nel campo dell'intelligenza artificiale. Volkswagen sta conducendo ricerche sull'uso dei computer quantistici per sviluppare auto a guida autonoma e nuovi tipi di accumulatori (utilizzando computer quantistici di Google e D-Wave). Nel novembre 2018, la preoccupazione ha annunciato lo sviluppo di un sistema di gestione del traffico (con l'integrazione di veicoli senza pilota), funzionante utilizzando computer quantistici D-Wave.
- Modellazione molecolare.
Si presume che l'utilizzo di quantumi computer saranno in grado di simulare accuratamente le interazioni molecolari e le reazioni chimiche. Le reazioni chimiche sono di natura quantistica. Per i computer classici, è possibile calcolare solo molecole relativamente semplici. Secondo gli esperti, la simulazione su computer quantistici apre nuove prospettive per lo sviluppo dell'industria chimica, in particolare nella creazione di farmaci
E la Russia?
La Russia è attivamente coinvolta nella corsa quantistica, circaQuesto è stato scritto da Nature circa un anno fa. È stata inoltre adottata una "tabella di marcia per lo sviluppo dell'informatica quantistica". In termini di stato attuale, la Russia ha creato elementi chiave per tutte le principali piattaforme di calcolo quantistico.
Il prossimo passo è ridimensionarli edimostrazione di problem solving con l'aiuto di loro. Va notato che il programma si concentra non solo su hardware e processori, ma anche sul software. Il prossimo passo avanti nell'informatica quantistica richiede sicuramente idee originali, un punto di forza tradizionalmente degli scienziati russi.
Alla fine di novembre 2020 se ne è saputocreazione del consorzio National Quantum Laboratory (NKL). Il consorzio, che comprendeva le strutture Rosatom, la Fondazione Skolkovo e le università, esporterà le tecnologie quantistiche e svilupperà le infrastrutture. Ma il compito principale è creare un computer quantistico.
Come parte della "roadmap" "Quantum computing"si prevede di costruire sul territorio di Skolkovo un centro di nanofabbricazione con un'area di 2mila mq. m, oltre a un complesso laboratorio avanzato con una superficie di oltre 3,5mila metri quadrati. m.
Tra i principali indicatori indicati nella sezione "stradamap ", che si prevede di raggiungere, anche attraverso la creazione del NKL, - entro la fine del 2024, i membri del consorzio devono creare sistemi informatici su varie piattaforme quantistiche con una capacità da 30 a 100 qubit, registrare 40 brevetti internazionali per anno.
Leggi anche:
Il ghiacciaio Doomsday si è rivelato più pericoloso di quanto pensassero gli scienziati. Diciamo la cosa principale
Guarda il più grande iceberg mai preso dal cielo
La Cina ha testato per la prima volta il "sole artificiale"