“Klasik bir bilgisayar, bir sayıyı 1.000.000.000.000 yıl içinde 2.048 bite ayrıştırır. Bir kuantum bilgisayar - 10 saniyede "
—
— Kuantum bilgisayarın yaratılması,XXI yüzyılın fiziğinin temel sorunları. Geçen hafta, kuantum bilgisayarların ardındaki ilke olan kuantum dolaşıklığını gösterdikleri için fizikçilere Nobel Ödülü bile verildi. Moore yasasını biliyorsanız (entegre devre çipindeki transistör sayısı her iki yılda bir ikiye katlanır - ed.), o zaman son yıllarda yerine getirilmeyi bıraktı ve mikroişlemci üreticileri bile teknik bir şeyden uzaklaştı. işlem. Şu anda herkesin bahsettiği nanometreler daha çok bir pazarlama işi.
Artık litografide yeni bir geliştirme dalı var -13,5 nm dalga boyunda parladıkları aşırı ultraviyole. Bu, kararlı bir şekilde elde edilebilen ve 2-3 nm sınırında çipler yapan, çeşitli optik hilelerle kırınım sınırını azaltan rekor bir dalga boyudur. Ama bundan sonra ne yapılacağı belli değil. 5-10 yıllık ufukta transistörlerin azalmasında bir çıkmaz mümkündür.
Danila Shaposhnikov
Temel farkın yardımcı olabileceği yer burasıdır.kuantum ve klasik hesaplama. Klasik olanlar sıralıdır ve kuantum olanlar doğal olarak tamamen paralel hesaplamalar yapmanıza izin verir. Yani her bir kuantum biti, sistemin diğer kuantum bitleriyle paralel olarak hesaplanabilir. Bu durumda, bir bit aynı anda birkaç duruma sahip olabilir - hem sıfır hem de bir olabilir. Hatta çok seviyeli bir sistem, ama şimdi ana akım bir kübit, iki seviyesi var. Hesaplama gücü, sisteme kübitlerin (2n) eklenmesiyle katlanarak artar. Ve olağan sistemde, ikinci dereceden büyür (n2).
Modern bilim anlama aşamasındadır,kuantum mekaniği nedir. Parçacıkların tüm yasaları, atomların birbirleriyle etkileşimi kuantum mekaniği yasalarıyla açıklanır. Bu bilim, kendisinden önce gelenlerden farklıdır. Örneğin, kuantum mekaniğinde, durum uzayının boyutunun katlanarak büyümesi nedeniyle süperpozisyon ilkesi vardır.
Klasik bir bilgisayar bunu yapamaz.benzetmek. Bir kuantum bilgisayarın kendisi bu tür fenomenler üzerine kuruludur ve bu tür sistemlerle çalışabilir. Artı, kuantum mekanik sistemde karmaşık sayılarla olasılık genlikleri vardır - sıradan bilgisayarlarda buna sahip değildir.
Bir sayıyı genişletme problemini ele alırsak2048 bit, daha sonra klasik algoritma onu bin adımda ve 1.000.000.000.000 yılda ayrıştıracaktır. Ve Shor'un algoritması, eğer doğru sayıda kübite sahip bir kuantum bilgisayar olsaydı, bunu 107 adımda, yani yaklaşık 10 saniyede yapardı. Şimdiye kadar böyle bir kuantum bilgisayar yok, ancak klasik bir bilgisayarın yapması çok zaman alacak olanı zaten yapabilenler.
- Kuantum bilgisayarlar, üzerlerine yerleştirilmiş olan umutları haklı çıkaracak mı?
Önce bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için ne gerektiğini anlayalım. Fizikçi David di Vincenzo beş temel kriteri doğru bir şekilde ifade etti:
- Bir kübitin ne olduğunu tanımlayın. Farklılar, bugün iyi bilinen birkaç platform var - atomlar, iyonlar, süper iletkenler, fotonlar.
- Bir kübiti bir süperpozisyona sokabilme.Bir kübitin aynı anda hem sıfır hem de bir olmasını nasıl sağlayacağınızı anlayın. Platformların her birinde süperpozisyona giriş ayrı bir görevdir ve bu farklı fiziksel prensiplerle yapılabilir.
- Aralarında kübitler ve kuantum dolaşıklığı oluşturmak, onları kontrol edebilmek, onlara dayalı kapılar inşa etmek gerekiyor.
- Bu tutarlı durumu mümkün olduğunca uzun süre koruyun.
- Kuantum bilgisayarımızda ölçümler yapın.
Bu olayların her birinin arkasında çok sayıda mühendislik yatıyor.zorluklar. Örneğin bir kübiti ölçerseniz durumu değişir ve klonlanamaz. Veya gürültü, elektromanyetik dalgalar, parçacıklar sistem üzerinde kötü bir etkiye sahiptir, bu nedenle çoğu platform gürültü ve tozun etkisini en aza indirmek için tüm sistemi düşük sıcaklıklara soğutur. Ancak kriyojenikte çalışmak çok daha zordur. Bütün bunlar kuantum bilgisayarların oluşturulmasını zorlaştırıyor, dolayısıyla artık maksimum 130 kübit var. Örneğin IBM, 128 kübitlik bir sistem yayınladı.
Kuantum bilgisayarın geliştirilmesindeki her adımın arkasında birçok mühendislik karmaşıklığı vardır.
Ancak sadece fiziksel değil, aynı zamanda mantıksalkübitler. Fark ne? Kuantum hesaplamanın doğruluğu yaklaşık %99,999999999999999 olmalıdır - o zaman bunun çok yüksek olduğunu düşünüyoruz. Ancak bugün% 90'dan 99'a yüzüyor, bunlar çok düşük parametreler, onların yardımıyla tam olarak hesaplamak zor, hata yüzdesi yüksek olacak. İstenilen seviyeye ulaşmak için mantıksal kübitler yaparlar, yani çok sayıda fiziksel kübitten bir mantıksal kübit yaparlar, program hata düzeltme protokolleri, üzerinde bir algoritma ve bunun yüksek doğrulukta bir kübit olduğu ortaya çıkar. oran.
Bu nedenle fiziksel kübitlere dönersek,Bunlardan bir kuantum bilgisayar yapılması gerekiyor; endüstri erken bir aşamada, yaklaşık olarak on mantıksal kubit seviyesinde. Önümüzdeki yıllarda 100 mantıksal kübit seviyesine ulaşılmasını bekliyoruz. Bu zaten ilginç şeylerin yapılmasına olanak tanıyacak - rota optimizasyonu, klinik testler, klinik verilerin sentetik olarak oluşturulması, kuantum simülasyonlarının yakınlaştırılması, finansal portföylerin optimizasyonu. Karşılaştırma yapmak gerekirse, RSA algoritmalarını kırmak için yaklaşık bin mantıksal kübite ihtiyacınız var.
Burada küçük bir inceleme yapmamız gerekiyor veBugün kuantum hesaplamada art arda bir zorluk daha olduğunu söylemek için - kuantum belleği icat edilene kadar. Dolayısıyla önümüzdeki 10 yılda kuantum hesaplama klasik bilgisayarlarla birlikte çalışacak.
Stratejik uzun vadeli hedef, evrensel bir kuantum bilgisayar yaratmaktır. Bu, 10.000'den fazla mantıksal kübit, çoklu kübit kapılarının güvenilir kontrolü ve kuantum belleği gerektirir.
Kuantum bilgisayarlar neyi değiştirecek?
— Çok çeşitli sorunları çözebilirler— örneğin, biyobilimler için. Şu anda orta derecede karmaşık moleküler bileşikleri bile modelleyemiyoruz. Bilim adamlarının sentetik moleküller üretmelerinin ve sürekli deney yapmalarının nedeni budur. Simülasyonlar, moleküler sistemlerin boyutu ve doğruluk parametreleri nedeniyle ciddi şekilde sınırlıdır. Bu nedenle yeni bir ilacın yaratılması on yıl sürüyor. Ve kuantum mekaniksel bir sistemi simüle edebilen bir kuantum bilgisayar, süreci radikal bir şekilde hızlandıracaktır.
Ya da şimdi protein katlama yapmaya çalışıyorlar.X-ışınları, zorlu manyetik rezonanslar. Ve eğer bir kuantum bilgisayar varsa, bu sistemi simüle edebilecek ve biz de ilaç yaratmada hayatımızı kolaylaştıracağız. Uzay uçuşları, motorlar ve süper iletken sistemler için yeni malzemelerin geliştirilmesi de hızlanacak. 20 yıldır kütle başına enerji yoğunluğu olarak kilogram başına 200-250 Wh düzeyinde olan piller için yeni elektrolitler olacak. Daha iyisini yapamayız, çünkü henüz iyi bir model değiliz.
Her şeyi tek bir röportajda listelemek bile imkansızkuantum bilgisayarların hayal edilebilecek uygulamaları. Önemli operasyonların birkaç sürecini (Fourier dönüşümü gibi) hızlandırabilse bile, bu zaten ciddi bir ilerleme olacaktır. Ve bu, evrensel bir kuantum bilgisayarı yaratma yolunda yalnızca bir adımdır. Bu yüzden bu kadar heyecan var.
— Peki ama bunlar yalnızca bilimin sınırları dahilinde mi kullanılabilir?
- Hayır, her türlü optimizasyonda - örneğin, grafik teorisinin kullanıldığı durumlarda. Halihazırda finansal portföyleri, rotaları optimize etmek ve AI algoritmalarını optimize etmek için kullanılıyorlar.
“Kubitler iyidir, ancak bu, hesaplamanın hızı ve doğruluğu anlamına gelmez”
- Nasıl çözüleceği net olmayan başka sorunlar var mı? İlerlemeyi ne durdurabilir?
- Ana olan, büyük boyutlu kübitlerin oluşturulmasıdır.sayısı ve bunların bağlayıcılığı, tüm sistemin ömrü. Örneğin, sistem ömrü 0,001 saniye ise, önemli bir şeyi hesaplamak için zamanınız olmayabilir. Hesaplamaların kalitesini nasıl koruyacağımızı düşünmemiz ve bunları ölçeklendirmemiz gerekiyor.
IonQ şirketini ele alalım - ona yatırım yaptılardünyanın her yerinden saygın yatırım fonları, hatta halka açıldı. İyonlu sistemler yapıyorlar ve sorun şu ki iyon tuzakları var, ancak yakalanabilecek iyon sayısının bir sınırı var. Ve tuzakları birbirine bağlamak için bir mekanizma bulmamız gerekiyor. Bununla ilgili hala büyük sorunlar var - sistemin ölçeklenmesini büyük ölçüde engelliyor. Diğer platformlarda da benzer ciddi sorunlar var.
Ekipmanla ilgili hala sorunlar var - bazenkuantum bilgisayarların yeni cihazlar icat etmesi gerekiyor. Örneğin, özel optikler, lazerler, vakum ekipmanları, kriyojenik odalar. Pek çok sorun var, ancak bu gelişme yolu - mikroelektronik bunu çoktan geçti. Bu normaldir: endüstri her yeni sürece uyum sağlar ve yeni iletken metaller ve diğer keşifler icat eder. Sadece tüm sistem henüz olgunlaşmanın erken bir aşamasında.
Kuantum bilgisayarların yaratılmasındaki ana sorun, çok sayıda kübitlerin oluşturulması ve bunların bağlanması, tüm sistemin ömrüdür.
- İlgilenen uzman olmayanlar olarakkuantum bilgisayarları, yeni bir keşfin gerçekten bu endüstri için bir adım mı yoksa tıklama uğruna başka bir haber mi olduğunu anlamak için? Nelere dikkat edilmeli? Örneğin, kübit sayısı bir gösterge midir?
- Daha fazlasını anlamaya çalışmak daha iyidirderin seviye. Eğer hiç anlamıyorsanız, bu ölçütler ilerlemenin özünü çok yüzeysel olarak ortaya koyacak ve hatta bazen sizi yanıltacaktır. Örneğin, kübit sayısı ile - aslında, bu iyidir, ancak sistemin ne kadarını ve hangi doğrulukla hesaplayabileceğini söylemez.
Benim için birbirine bağlı mantıksal kübitlerin sayısı, hesaplamanın doğruluğu, sistemin ömrü ve pratik algoritmaları hesaplama yeteneği önemlidir.
— Kuantum bilgisayarların gelişimi uzun bir süredir,pahalı ve zor. Bu nedenle, çok sınırlı sayıda kuruluş bunu yapıyor gibi görünüyor. Bu, bu tür cihazların sadece şirketler ve devletlerin yararına çalışacağı anlamına mı geliyor?
- Az veya çok çalışan makine yapanlar,genellikle ona açık bulut erişimi. Ve kendi kuantum devrelerinizi yazabilir ve algoritmaları hesaplayabilirsiniz. Her geliştirici, kuantum bilgisayarlarında yapılabilecek pratik görevlerin sayısını artırmakla ilgilenir, böylece maliyet düşer.
Sektördeki yatırım sayısına göre;sonuç, ilerleme olduğudur. Bu dolaylı bir parametredir; eğer yüzlerce yatırımcı yatırım yaparsa ve sektör büyürse, bu çok şey ifade eder. Ve 2019'dan bu yana yatırımların sayısı artıyor - 300 milyon dolardan 2,3 milyar dolara. Görünüşe göre pratik hale gelecek çözümlere çok yakınız.
Ancak aynı zamanda sadece 80 organizasyon var.kuantum bilgisayarları yapın. Ama rakamlar donanıma 1,5 milyar yatırım yapıldığını söylüyor, bunlardan 12 şirket aslan payını aldı. Burada kuantum fiziğinde, matematikte uzmanlara ihtiyaç var, mühendisler büyük talep görüyor. İlginç bir gerçek: Sovyet okulu burada güçlü olarak kabul edilir. Bu alandaki 260 aktif şirketin çoğuyla görüştük - bunların %20'sinde Rus mühendis, fizikçi veya matematikçi var.
“Kbit sayısı sistemin ne kadarını ve hangi doğrulukla hesaplayabildiğini söylemez”
"Rus bilim adamları dünya bilim adamlarının 3-5 yıl gerisinde"
- Peki ya Rusya içindeki kuantum teknolojileri?
- Tam olarak değil.Rusya'nın kuantum teknolojilerinin geliştirilmesi için 2024 yılına kadar yaklaşık 1 milyar dolarlık bir bütçesi olan bir programı ve yol haritası var. Program birkaç yol haritasına bölünmüştür - kuantum hesaplama (Rosatom tarafından denetlenir), iletişim (Rus Demiryolları ve Metroloji Merkezi) ve sensörler (Rostec). Gazprombank da bu oyunun içinde, çünkü kuantum merkezindeki ana yatırımcı onlar. Örneğin, Moskova ve St. Petersburg arasında özel bir kuantum iletişim hattı zaten ortaya çıktı - bu, bugün kuantum kriptografisi için ana protokoldür.
Muhtemelen kuantum hesaplamanın ana oyuncuları RCC, FIAN ve Moskova Devlet Üniversitesi'dir.
Hangi gelişmelerden bahsetmeye değer?
- Yol haritasına göre kuantum yapıyorlarfarklı platformlardaki bilgisayarlar - atomlar, iyonlar, fotonlar, süper iletkenler. Hislerime göre dünya şirketlerinin 3-5 yıl gerisindeler. Ama ciddi bir kadroları ve yaklaşımları var - kesinlikle faydalı bir şeyler geliştirecekler.
— Araştırmacılar teknolojinin kontrolden çıkmasından mı korkuyor? Zaten düzenlemeye mi çalışıyorlar?
- Herkes endişeliyken biz hala düzenleme yolundayızdonanım oluşturma. Ciddi bir şey ortaya çıkar çıkmaz, kısıtlamalara gelecek. Ama herkes verileri için korkuyor. Örneğin, verileri kuantum şifreleme ile güvence altına almak ve bir kuantum bilgisayarın bunları kırabilme olasılığını azaltmak artık mümkün. Ancak birisi verileri kopyalamışsa ve bir kuantum bilgisayarın ortaya çıkmasını bekliyorsa, daha sonra şifresini çözebilecektir. Şimdi asıl endişe bu.
Daha fazla oku:
Mancınık NASA uydularını gökyüzüne gönderir
Dev bir manyetik fırtına Dünya'ya yaklaşıyor
Dünya'da Güneşi Yeniden Yarat: Fizikçiler termonükleer füzyonun ana problemini nasıl çözdüler?