עליונות קוונטית: כיצד מחשבים קוונטיים עובדים ועובדים

מהו מחשב קוונטי

ההבדל העיקרי בין מחשבים קוונטיים למסורתיים, טרנזיסטור,

שכולנו משתמשים בהם עכשיו - כמו שהםלעבוד עם נתונים. המכשירים שאנו רגילים אליהם - מסמארטפונים ומחשבים ניידים ועד מחשב העל השחמט כחול עמוק - מאחסנים הכל בסיביות. זהו השם שניתן ליחידת המידע הקטנה ביותר שיכולה לקבל רק שני ערכים: אפס או אחד.

במחשב קלאסי, ביט אחד יכול לאחסןרק מספר: אפס או אחד. עם זאת, פיזיקה קוונטית מאפשרת סופרפוזיציה של מצבים. ביט קוונטי יכול להיות באפס ומצב אחד בו זמנית - וזה פותח הזדמנויות מדהימות למחשוב מהיר במיוחד.

בשביל זה הוא זקוק לאלפי חזקים-עלמעבדים. כתוצאה מכך, את החישובים, שייקח מחשב גיימינג חזק בשבוע, מבצע מחשב העל ביום. עם זאת, חשוב שהתוכניות יעבדו כראוי, תוך התחשבות בתכונות הטכניות של המכונה. אחרת, מה שעובד כראוי על 100 מעבדים יאט מאוד ב 200.

מחשבים קוונטיים מאחסנים ומעבדים נתוניםבאמצעות ביטים קוונטיים - קווביטים. האחרון לא יכול רק להדליק ולכבות, אלא גם להיות במצב חולף, או אפילו להפעיל ולכבות בו זמנית. המשך האנלוגיה עם נורות: קוביט הוא כמו אור שכיבית, אך הוא עדיין ממשיך למצמץ. או החתול של שרדינגר, שהוא גם חי וגם מת.

מכיוון שהאורות במחשב קוונטי דולקים וכיבויים בו זמנית, הדבר חוסך זמן רב. לכן, הוא פותר בעיות מורכבות הרבה יותר מהר אפילו ממכשיר קלאסי חזק מאוד.

בשנת 2001, אייזק צ'ואנג, ראשקבוצת המחקר של מעבדת IBM, פרופסור עזר מ-MIT וחלוצה בתחום המחשוב הקוונטי, בנתה מחשב קוונטי המבוסס על מולקולה אחת. התוצאות, שפורסמו ב-Nature, ייצגו את היישום הניסיוני הראשון של האלגוריתם של שור - אלגוריתם של פירוק קוונטי (המחזק מספר לגורמים ראשוניים) המאפשר לחלק מספר בזמן.

כשיש לך יותר מדי אטומים זה כןנראה כמו יער גדול. היה קשה מאוד לשלוט באטום אחד עם הקודם. האתגר הוא ליישם את [האלגוריתם] במערכת מבודדת מספיק: במקביל, היא חייבת להישאר מכאנית קוונטית מספיק זמן כדי שתוכל ליישם את האלגוריתם כולו.

שם פרטי שם משפחה

מחשבים קוונטיים נראים שונים ממחשבים רגילים. מדובר בגלילי מתכת גדולים עם חוטים מפותלים שמורידים ליחידות קירור.

הם יכולים לשמש למשימות שונות,כולל חישובים בכימיה ופיזיקה או ליצירת חומרים חדשים. תחום יישום נוסף של מחשב קוונטי הוא נושאי קריפטוגרפיה ואבטחה. נושאים אלה מורגשים בצורה החריפה ביותר על ידי ארגונים פיננסיים ובנקים, וזה לא מפתיע: לאחרונה היו שערוריות על הדלפות ופריצות.

היכולות של מחשב קוונטי יאפשרוקבל גישה לכל מידע, אז הגיע הזמן לחשוב על הגנה עליו בעזרת טכנולוגיות רלוונטיות, או שימוש במחשב קוונטי ליצירת הצפנה משופרת.

מה הפירוש של "עליונות קוונטית"?

עליונות קוונטית היא היכולת לפתור בעיה שהיא מעבר ליכולות של מחשבי העל המודרניים ביותר.

בשנים האחרונות הייתה התקדמות משמעותיתמושגת בפיתוח פלטפורמת מוליך-על. המהות של עליונות קוונטית נעוצה בעובדה שמחשב קוונטי פותר ביעילות בעיה שבגינה מחשב-על קלאסי לוקח זמן עצום.

פריצת הדרך הראשונה אירעה בסוף אוקטובר 2019,כאשר גוגל הודיעו כי פיתחו את המחשב הקוונטי Google Sycamore: על פי הנתונים שלהם, המערכת התמודדה עם משימה תוך 200 שניות שתצריך כ -10 אלף שנות עבודה של מחשבי-על קלאסיים. זה מה שכינו את המונח "עליונות קוונטית".

עם זאת, עבודת החברה נתקלה במניהספקנות, ומתחרים מיבמ חישבו כי למעשה ניתן לפתור את הבעיה בה נעשה שימוש תוך כמה ימים - מספיק ליתרון, אך לא לעליונות מן המניין.

אבן הדרך הבאה בפיתוח מחשבים קוונטייםנפל בתחילת דצמבר 2020. ב -4 בדצמבר נודע כי מדענים סינים יצרו אב טיפוס של מחשב קוונטי "ג'יוזאנג", שהתמודד עם אלגוריתם האימות הסטנדרטי פי 10 מיליארד מהר יותר מאשר השקמה, אב-טיפוס של 53 קילו-ביט של מחשב קוונטי מגוגל. החברה מסרה כי התפתחותה השיגה גם מצוינות קוונטית.

מדענים בדקו יכולת חישובית"Jiuzhang" באמצעות האלגוריתם המיוחד של GBS. המערכת התמודדה איתה פי 100 טריליון פעמים ממחשב העל החזק ביותר שקיים. בנוסף, המפתחים אמרו שכוח המחשוב של המכשיר שלהם גדול פי 10 מיליארד משקמה.

בשנת 2001 צ'ואנג, חלוץ הקוונטיםחישוב, תכנן מחשב קוונטי המבוסס על מולקולה אחת שניתן היה להחזיק בסופרפוזיציה ולתמרן באמצעות תהודה מגנטית גרעינית כדי להכפיל את המספר 15. התוצאות, שפורסמו ב- Nature, ייצגו את היישום הניסיוני הראשון של האלגוריתם של שור. אך המערכת לא הייתה ניתנת להרחבה; ככל שנוספו אטומים נוספים, נעשה קשה יותר לשלוט במערכת.

כיצד ישתמשו במחשבי הקוונטים החדשים?

אחד היישומים החשובים ביותר של הקוונטיםמחשב עכשיו - פירוק למספרים ראשוניים. העובדה היא שכל הצפנה המודרנית מבוססת על העובדה שאיש אינו יכול לפרק במהירות מספר של 30-40 ספרות (או יותר) לגורמים ראשוניים. במחשב טיפוסי זה ייקח מיליארדי שנים. מחשב קוונטי יכול לעשות זאת תוך כ- 18 שניות.

אם נניח את העובדה שנוכחות קוונטיתמחשב לאחר זמן מה יהפוך לנורמה חברתית, ובמקרה זה לא יהיו סודות במרחב הסייבר כולו, מכיוון שכל אלגוריתם הצפנה יכול להיות פריצה מיידית ולקבל גישה לכל דבר. זה חל על הכל - מהעברות בנקאיות ועד להודעות במסנג'ר.

מחשבים קוונטיים מעולים גם עבורדוגמנות מצבים מורכבים, למשל, חישוב התכונות הפיזיקליות של יסודות חדשים ברמה המולקולרית. זה, אולי, יאפשר למצוא מהר יותר תרופות חדשות או לפתור משימות מורכבות עתירות משאבים.

מה עוד הוא יכול לעשות?

• מאגרי מידע וחיפוש לפיהם.

העבודה עם ביג דאטה תהפוך למהירה להפליא.Shazam, ניתוב, רשתות עצביות, בינה מלאכותית - כל זה יקבל דחיפה מדהימה. כמו כן, ניתן יהיה לבנות מודלים של אינטראקציה של תרכובות חלבון מורכבות. זה יהיה צעד חשוב מאוד לרפואה, פתיחת הזדמנויות ליצירת תרופות עתידיות, הבנה כיצד וירוסים שונים משפיעים עלינו וכו'.

• יישומים לקריפטוגרפיה.

בגלל המהירות העצומה של הפירוק לפשוטהמכפילים המחשב הקוונטי יאפשר פענוח הודעות המוצפנות על ידי אלגוריתם ההצפנה RSA הנפוץ. עד כה, אלגוריתם זה נחשב אמין יחסית, מכיוון שכרגע לא ידוע על דרך יעילה להכניס מספרים לגורמים ראשוניים למחשב קלאסי. הודות לאלגוריתם הקוונטי של שור, משימה זו הופכת ליתכנה למדי אם נבנה מחשב קוונטי.

• מחקר בבינה מלאכותית.

בתיאוריה, מחשבים קוונטיים מתאימים היטבלצרכי למידת מכונה. הם מבצעים מניפולציה בכמויות גדולות של נתונים במעבר יחיד ומסוגלים לדמות רשת עצבית בגודל אקספוננציאלי. בשנת 2013 הודיעה תאגיד גוגל על ​​פתיחת מעבדה לחקר קוונטים בתחום הבינה המלאכותית. פולקסווגן עורכת מחקר על השימוש במחשבים קוונטיים לפיתוח מכוניות עם נהיגה עצמית וסוגים חדשים של סוללות אחסון (באמצעות מחשבים קוונטיים של גוגל ו- D-Wave). בנובמבר 2018 הודיע ​​הקונצרן על פיתוח מערכת ניהול תעבורה (עם שילוב של כלי רכב בלתי מאוישים בה), העובדת באמצעות מחשבים קוונטיים של D-Wave.

• דוגמנות מולקולרית.

ההנחה היא כי שימוש בקוונטיםמחשבים יאפשרו לדמות במדוייק אינטראקציות מולקולריות ותגובות כימיות. תגובות כימיות הן אופי קוונטי. במחשבים קלאסיים ניתן לחשב רק מולקולות פשוטות יחסית. לדברי מומחים, סימולציה במחשבים קוונטיים פותחת סיכויים חדשים להתפתחות התעשייה הכימית, במיוחד ביצירת תרופות.

ומה עם רוסיה?

רוסיה מעורבת באופן פעיל במירוץ הקוונטי, בערךזה נכתב על ידי טבע לפני כשנה. כמו כן אומצה "מפת דרכים לפיתוח מחשוב קוונטי". מבחינת המצב הנוכחי, רוסיה יצרה אלמנטים מרכזיים לכל פלטפורמות המחשוב הקוונטיות הגדולות.

השלב הבא הוא קנה המידה שלהםהדגמה של פתרון בעיות בעזרתם. יש לציין כי התוכנית מתמקדת לא רק בחומרה ומעבדים, אלא גם בתוכנה. פריצת הדרך הבאה בתחום המחשוב הקוונטי דורשת בהחלט רעיונות מקוריים - נקודה חזקה באופן מסורתי של מדענים רוסים.

בסוף נובמבר 2020 נודע על כךהקמת קונסורציום המעבדה הקוונטית הלאומית (NKL). הקונסורציום, שכלל מבני Rosatom, קרן Skolkovo ואוניברסיטאות, ייצא טכנולוגיות קוונטיות ויפתח תשתיות. אבל המשימה העיקרית היא ליצור מחשב קוונטי.

כחלק מ"מפת הדרכים "" מחשוב קוונטי "מתוכנן לבנות מרכז ייצור ננו בשטח של אלפיים מטרים רבועים בשטח סקולקובו. מ ', כמו גם מתחם מעבדה מתקדם בשטח של יותר מ -3.5 אלף מ"ר. M.

בין המדדים העיקריים המצוינים ב"דרךמפה ", המתוכננות להיות מושגות, כולל באמצעות הקמת ה- NCL, - עד סוף 2024 על חברי הקונסורציום ליצור מערכות מחשוב בפלטפורמות קוונטיות שונות עם קיבולת של 30 עד 100 קוביות, ולרשום 40 פטנטים בינלאומיים לשנה.

קרא גם:

קרחון יום הדין התגלה כמסוכן יותר ממה שחשבו המדענים. אנחנו מספרים את העיקר

ראה את הקרחון הגדול ביותר שנלקח אי פעם מהאוויר

סין בדקה לראשונה "שמש מלאכותית"