Новости науки: научные открытия, достижения науки, открытия ученых, космос, черные дыры, кометы, океаны и земля
Навигация

Ученые раскрыли секреты работы квантовых компьютеров

Эти устройства, с которыми исследователи экспериментировали в течение многих лет, радикально отличаются от сегодняшних электронно-вычислительных машин. В начале 80-х годов прошлого века нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard P. Feynman) из Калифорнийского технологического института, известный как автор «Фейнмановских лекций по физике», увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа – квантовом.





Идеи Фейнмана сыграли свою важную роль. Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на самом современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью «компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся законам квантовой механики».



Кроме Фейнмана, идеи квантовых вычислений пропагандировали такие физики-теоретики, как Поль Бениофф (Paul Benioff) из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе; Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета в Англии и Чарльз Беннетт (Charles Bennett) из исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Ватсона (T. J. Watson) в Йорктаун-Хайтсе (штат Нью-Йорк). Не стоит забывать также и о российском математике Ю. И. Манине, чей первый труд по квантовому компьютингу появился еще в 1980 г. Он высказал предположение, что «квантовый шум», в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превращающийся в препятствие для их нормальной работы, можно попытаться использовать для конструирования компьютеров нового типа, считающих по новым, «квантовым» алгоритмам.



Однако в те годы идея квантового компьютера казалась настолько фантомной, что о реализации ее на практике писали разве что фантасты. Только после 1994 г., когда Питер Шор (Peter Shor) из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных ПК, наступил перелом в сознании скептиков. Но больше всех всполошились специалисты по вопросам компьютерной безопасности – взломать защиту многих криптосистем, имея квантовый компьютер, как оказалось, не составляет особого труда. Таким образом, Питер Шор, а затем и Лов Гровер (Lov Grover) из научного центра Bell Labs со своим алгоритмом быстрого поиска в неупорядоченной базе данных инициировали лавину новых исследований в области квантовых вычислений во всем мире. Среди ведущих мировых ученых, активно воплощающих идеи квантового компьютинга в жизнь, следует отметить прежде всего доктора Айзека Чуанга (Isaac Chuang) из центра IBM Алмейден (IBM's Almaden Research Center, Сан-Хосе, Калифорния). Возглавляемые им команды специалистов создали в 1998 г. в Калифорнийском университете Беркли первый в мире двухкубитовый квантовый компьютер, в следующем году – трехкубитовый образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а позднее был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 7 кубит. Ученые в центре IBM Алмейден выполнили одно из наиболее сложных квантовокомпьютерных вычислений. Они создали 7-кубитовый квантовый компьютер из миллиарда миллиардов изготовленных по заказу молекул, который с помощью алгоритма Шора решил простую версию математической проблемы, лежащую в основе многих из сегодняшних криптографических систем защиты данных.



Принцип работы такого компьютера связан с таинственными и пока непостижимыми для большинства людей квантовыми свойствами атомов и элементарных частиц. Квантовый компьютер, в частности, может быть основан на свойствах спинов электронов и атомных ядер. Когда спин частицы расположен вдоль выделенного направления, атом может быть «считан» как 1, а обратное направление вниз будет соответствовать 0. Это аналогично традиционному транзистору, для которого ноль и единица соответствуют открытому и закрытому состояниям. Но что делает рассматриваемый компьютер уникальным, так это тот факт, что квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в когерентном (запутанном – entangled state) состоянии, в котором частицы все-таки зависят друг от друга. В обычном ПК изменение состояния отдельного бита никак не связано с изменением состояния всех остальных битов, разве что только одного. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния всех других. Это и приводит к квантовому параллелизму вычислений. Благодаря данному эффекту такой компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений, подобных сложным алгоритмам для криптографии или поискам в гигантских массивах данных, квантовый компьютер может использовать «в тандеме» сотни атомов. На классической машине это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно.



Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты. Обычный бит – это классическая система, у которой есть только два состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита – это множество из двух элементов, например из нуля и единицы. Кубит же – это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо -1/2). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче.



В квантовой механике есть несколько основных положений, среди которых для квантовых вычислений наиболее важен принцип суперпозиции. Применяя этот принцип, например к электрону, получаем, что возможно его смешанное состояние, когда оба состояния со спином, направленным вверх или вниз, присутствуют с некоторой вероятностью. Существенное значение в процессе выполнения квантовых вычислительных операций, кроме того, имеют состояния, представляющие собой когерентную интерференцию между множеством суперпозиций. Данная особенность квантовых вычислений называется квантовым параллелизмом. Этим они принципиально отличаются от операций над классическими булевыми состояниями. Квантовый параллелизм – главное преимущество квантовых вычислений по сравнению с цифровыми классическими. Например, в случае системы из двух кубитов мы как бы оперируем одновременно со всеми возможными ее состояниями: 00, 01, 11, 10 – что соответствует четырем вычислительным потокам. 16 кубитов позволят реализовать уже 65 536 таких потоков!



Канадская компания D-Wave в середине февраля прошлого года продемонстрировала первый квантовый компьютер Orion в Компьютерном музее в Калифорнии (Computer History Museum in Mountain View).



Компьютер D-Wave's построен на кремниевом чипе, который содержит 16 кубитов (эквивалентных битам в обычном компьютере), соединенных друг с другом. Каждый кубит состоит из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Электрический ток, протекающий по катушке, генерирует магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызывает изменение состояния кубита. Поскольку известно, как ниобий реагирует на магнитные поля, и параметры магнитных полей можно легко измерить, то их изменения, вызванные ниобием, могут быть переведены в результат, который и является решением задачи. «Кубиты ведут себя согласно некоторому своду правил, – сказал один из основателей компании Джорди Роуз (Geordie Rose). – Квантовые вычисления – это перевод квантовых законов в формат, который мы можем понять».



Сейчас Orion – доказательство работоспособности концепции квантового компьютера – демонстрация того, как будет выглядеть конечный продукт. На ней была показана программа для решения проблемы Sudoku (Судоку – головоломка, которая стала популярной в 1986 г. в Японии, а в 2005 г. – во всем мире. Ее часто называют «кубиком Рубика XXI в.». Относится к классу трудно решаемых задач).


Автор: Сергей Малеков
(Источник: Science.YoRead.ru)

Читайте также:
- Ученые назвали симптомы компьютерной зависимости
- Раскрыт секрет идеальной формы канализационных люков
- Ученые выяснили происхождение воды на Земле
- Приближение отпуска делает человека счастливым
- Ученые подсчитали количество зависимых от компьютера людей

Для печати


Поиск по Сайту