Kvantu datora darba jēdziens un princips

Kvantu datora tēma nesen ir kļuvusi ļoti populāra, un, runājot par tehnoloģiju sasniegumu, tas neatzīst, bet ne tik sen, pētījumu panākumi kvantu aprēķinu jomā bija kaut kas no daudzām fantastikas. Jauni termini ielauzās informācijas straumē un tagad ne mazāk kā mākslīgais intelekts un mašīnu apgūšana. Lai arī pētījums tika veikts nevis pirmajā desmitgadē, tas bija īpaši auglīgs attiecībā uz notikumiem un turīgie notikumi bija pagājušajā gadā, kad IBM parādīja pasaulei pirmo komerciālo kvantu datoru, un Google paziņoja par kvantu pārākuma sasniegšanu.

Revolucionārie atklājumi mūsdienu fizikā, kas nodrošināja jaunu skaitļošanas tehnoloģiju attīstības kārtu, var bez pārspīlējumiem mainīt pasauli un sniegt cilvēcei milzīgas priekšrocības, pienācīgi lietojot. Ja jūs interesē šī tēma un vēlaties saprast, kas ir kvantu datori, pēc kāda principa viņi strādā un kāpēc tie vispār ir nepieciešami, tad šajā materiālā mēs par to runāsim pēc iespējas skaidrāk, neiedziļinoties kvantu izpētē Mehānika un kvantu pasaules struktūra.

Kas ir kvantu dators

Šodien jau pastāv šaubas, vai ir kvantu dators, nav. Ja vēl nesen tas bija tikai zinātnieku fantāzijas auglis, tagad viņš ir kļuvis par pilnīgi taustāmu objektu, un mēs varam redzēt, kā izskatās sistēmas praktiskā ieviešana.

Ja jūs runājat vienkāršā izteiksmē, kāds ir kvantu dators, tad tas ir datortehnoloģijas līdzeklis, kas savā darbā izmanto kvantu mehānikas likumus. Mašīna veic noteiktus uzdevumus efektīvāk nekā vienkāršs dators, kas glabā datus bitos.

KK izmanto kvantu algoritmus, kas izmanto tādus efektus kā superpozīcija un kvantu apjukums. Aprēķiniem tiek izmantoti kubi (kvantu daļiņas), kas var būt divos apstākļos vienlaikus. Tas ir, ja bits pieņem vienu no divām iespējamām vērtībām- 0 vai 1, tad kubs ir gan 0, gan 1 vienlaikus, kas ļauj KC apstrādāt datus un veikt matemātiskus uzdevumus tūkstošiem reižu ātrāk nekā parasti. Viņam nav jāsakārto kombinācijas, tāpat kā viņš, ieskaitot superdatoru, kvantu sistēmu. Atbilde tiek aprēķināta ar zibens ātrumu. Šīs iespējas paver ceļu šodien neiespējamu problēmu risināšanai vai lielām laika izmaksām.

Jaunas paaudzes datoru izveidošanas vēsture datēta ar tālu 1981. gadā, kad viņi pirmo reizi runāja par kvantu sistēmu izmantošanu aprēķiniem. Tad tas vēl nebija tālu no fiziskās ieviešanas, pirmais KK strādājošais algoritms parādījās tikai 1994. gadā, un pirmā 2 kubica mašīna tika izveidota 1998. gadā Kalifornijas universitātē Bērklijā. Gadu desmitiem eksperimentālos paraugus ir izveidojušas zinātnieku grupas no dažādām valstīm, bet IBM un Google ir guvuši vislielākos panākumus šajā jomā.

Vadošo uzņēmumu sacensības notiek pilnā sparā. 2020. gada jūnijā Honeywell saņēma ziņojumu, ka šodien ir izveidots visspēcīgākais kvantu dators. Uzņēmums apgalvo, ka izveidotā ierīce ir divreiz lielāka nekā IBM un Google Quantum Systems, dažu minūšu laikā atrisināšanas uzdevumi, kuriem parastiem datoriem būtu nepieciešami gadu tūkstošiem gadu. Honeywell attīstība ir iespaidīga ar ierakstu veiktspējas indikatoru 64 kvantu apjomos. Sistēmas kodols ir tērauda sfēra, kas ir basketbola lielums, kas atdzesēts ar šķidru hēliju līdz -262,7 ° C temperatūrai. Tas satur jonu slazdus, ​​kas veidojas no atomiem, tie pārtrauc kustību zemas temperatūras ietekmē, un tos kontrolē ar lāzera impulsiem.

Kāpēc jums ir nepieciešams kvantu dators

Ātra lielu datu masīvu apstrāde, izmantojot jaunas tehnoloģijas, var palīdzēt atrisināt daudzas problēmas un ietekmēt dažādas jomas. Piemēram, KC tikai dažās sekundēs tiks galā ar skaitļu sadalīšanos, kas sastāv no daudzām zīmēm, par vienkāršiem faktoriem (pats process nav sarežģīts, bet prasa lielas laika izmaksas, šeit balstās mūsdienu kriptogrāfija) , arī atrisināt vairākas līdzīgas problēmas. Turklāt tehnoloģija ir piemērota arī sarežģītu situāciju modelēšanai, ieskaitot elementu fizikālo īpašību aprēķināšanu molekulārā līmenī.

Kvantu datoru galvenās jomas:

• globālā optimizācija;
• DNS molekulu modelēšana;
• jaunu materiālu radīšana;
• narkotiku radīšana;
• mašīnmācīšanās uzlabošana;
• Kriptogrāfijas un šifrēšanas uzdevumi (ieskaitot šifrēšanas algoritmu uzlaušanas un piekļuves iegūšanu jebkādai informācijai).

Šajā posmā kvantu datorus izceļas ar darba sarežģītību un nestabilitāti, tāpēc līdz šim ir iespējams izstrādāt tikai augstas veiktspējas sistēmas, ieslodzītas par vienu algoritmu un paredzēts ļoti šauram uzdevumu lokam.

Kāda ir atšķirība starp kvantu datoru no parastā

30 gadus kopš “kvantu aprēķinu” jēdziena zinātniski attīstība ļāva šāda veida skaitļošanas sistēmām kļūt par realitāti, kaut arī parastam lietotājam nepieejamas. Kvantu datoru pamatā ir unikāla uzvedība, kas principā atšķiras no standarta, pazīstamu mašīnu darbiem, un to apraksta kvantu mehānika.

Ierīces dažu sekunžu laikā spēj risināt matemātiskas problēmas, kuru risinājums parastā datorā būtu ilgojies par miljardiem gadu. Saskaņā ar Google teikto, Sycamore Quantum Machine vairāk nekā trīs minūtes ir pabeiguši aprēķinus, par kuriem standarta superdatoram būtu 10 000 gadu laikā - to sauc par skaļu terminu “kvantu pārākums”.

Parastais dators, ar kuru ir pazīstams ikviens mūsdienu cilvēks, kā arī viedtālrunis, planšetdators vai klēpjdators, informācija bitos, kas pieņem vērtību 0 vai 1, un jūs varat sniegt visu informāciju, neatkarīgi no tā, vai tas ir teksts vai attēls, ir vienumi un vienības. Kvantu datora pamatteka atšķirība un priekšrocības izmantotajā darbības blokā, ko sauc par kubu (vai kvantu bitu). Cubit var būt nenoteiktības stāvoklī, citiem vārdiem sakot, vienlaikus atrasties dažādos stāvokļos, pēc analoģijas ar Šrēdingera kaķi (superpozīcijas parādība).

Kvantu dators ir daudzkārt ātrāks un jaudīgāks nekā parasti, lai gan tas nav piemērots lielākajai daļai ikdienas uzdevumu, jo tā darbības princips būs ļoti atšķirīgs.

Kā ir nākotnes dators

Tagad sīkāk apsveriet, no kā sastāv augstā -tech sistēma. Kā mēs jau uzzinājām, kvantu datorā minimālā informācijas vienība parastā datorā ir nedaudz, kas vērtība ir 1 vai 0 (ieslēgta vai izslēgta) - tie ir klucīši, kas var ņemt visas vērtības. Tajā pašā laikā kvantu daļiņas ir atkarīgas no mērījumiem, kas nozīmē informācijas trūkumu par kubu līdz mērīšanas brīdim, mērīšanas process ietekmē arī kvantu bitu vērtību, kas var šķist dīvaini, bet tas tieši tā ir.

Pateicoties šai kubu īpašībai (vienlaicīga uzturēšanās visos apstākļos), līdz tika izmērīta daļiņa, dators uzreiz pārvar iespējamās risinājuma iespējas, ņemot vērā pieejamo savienojumu starp kubiem. Tādējādi lēmums ir pazīstams, tiklīdz tika ievadīti sākotnējie dati, tas ir, superpozīcija nosaka aprēķinu paralēlību, kas dažkārt paātrina algoritmu darbību.

Kvantu datora ierīce ietver:

• Datora pārvaldīšana;
• pulsa ģenerators, kas ietekmē kubus;
• Valsts reģistrs;
• PROCESORS;
• Kuba mērīšanas ierīce.

Lai strādātu starp atomiem, tiek nodrošināts kvantu savienojums, un jo vairāk saišu veidojas kubi, jo mazāka būs sistēmas stabilitāte. Kvantu pārākumam par standarta datoru tam būs nepieciešami vismaz 49 kubi, un šajā gadījumā sistēmas stabilitāte jau ir apšaubīta. Kad tiek izveidotas daudzas atkarības, jebkura ārēja ietekme var tās ietekmēt.

KC attiecību trausluma dēļ, kas sastāv no vairākiem galvenajiem līmeņiem, ietver atomu dzesēšanu līdz gandrīz absolūtai nullei, kas ļauj aizsargāt no ārējiem procesiem, šī iemesla dēļ ierīce ar kvantu procesora aizsardzību aizņem lielu apjomu no vietas.

KK darbības princips

Parastā datoru, klēpjdatoru, viedtālruņu vai planšetdatoru darba shēma, izmantojot digitālo principu, ir balstīta uz klasisko algoritmu izmantošanu, kas radikāli atšķiras no kvantu datora darbības principa. Tātad, parastais dators parādīs tādu pašu rezultātu neatkarīgi no tā, cik reizes veikt aprēķinu, opcijas tiek aprēķinātas secīgi.

Kvantu dators izmanto pilnīgi atšķirīgu - varbūtības darbības principu. Noteiktā nozīmē sistēma jau satur visus iespējamos risinājumus. Aprēķinu rezultāts ir visticamākā atbilde, nevis nepārprotama, kamēr katra turpmākā kvantu algoritma palaišana pieauga pareizas atbildes iegūšanas varbūtība, kas nozīmē, ka pēc 3-4 ātra palaišanas jūs varat būt pārliecināti, ka mēs nonācām pie Pareizs lēmums, piemēram, šifrēšanas atslēga.

Kvantu sistēmās, kas savā darbā izmanto kubus, palielinoties daļiņu skaitam, tas aug eksponenciāli un vienlaicīgi apstrādāto vērtību skaits.

Runājot par kvantu datora darbību, ir vērts pieminēt kubu savienojumu. Vairāku kubu klātbūtnē sistēmā mainās arī viena pārējā daļiņu izmaiņas. Skaitļošanas jauda tiek sasniegta ar paralēliem aprēķiniem.

Neskatoties uz vairāku miljardu dollar investīcijām, kvantu tehnoloģijas attīstās diezgan lēni. Tas ir saistīts ar lielu skaitu grūtību, ar kurām zinātniekiem bija jāsaskaras pētniecības procesā, ieskaitot nepieciešamību veidot zemas temperatūras sarkofāgus ar maksimālu kameras izolāciju ar procesoru no visām iespējamām ārējām ietekmēm, lai saglabātu sistēmas kvantu īpašības. Turklāt pētniekiem ir uzdevums risināt kļūdas, jo kvantu procesiem un aprēķiniem ir varbūtējs raksturs un tie nevar būt simtprocentīgi patiesi.

Stabilu sistēmu uzbūve ir arī tālu no ideāla, un, ieviešot kvantu datoru fiziskā līmenī, tiek izmantoti vairāki risinājumi, kas izmanto dažādas tehnoloģijas. Tātad pilnīga izvilkta universāla kvantu datora izveidošana joprojām ir nākotnē, kaut arī ne tik tālu, cik tas šķita pirms pieciem gadiem. Lielākie uzņēmumi, piemēram, IBM, Google, Intel, Microsoft, ir iesaistīti tā izveidē, kas ir devuši lielu ieguldījumu tehnoloģiju attīstībā, kā arī dažās valstīs, kurām šim jautājumam ir stratēģiska nozīme.