Քվանտային հաշվիչների առաջընթացների շարք
Սովորական համակարգիչը, որն այժմ կոչվում է դասական կամ ավանդական համակարգիչ, աշխատում է 0-ի և 1-ի (զրո և մեկ) հիմնական հասկացության վրա: Երբ մենք հարցնում ենք համակարգիչ մեզ համար առաջադրանք կատարելու համար, օրինակ՝ մաթեմատիկական հաշվարկ կամ հանդիպման ամրագրում կամ առօրյա կյանքի հետ կապված որևէ բան, այս առաջադրանքը տվյալ պահին փոխարկվում է (կամ թարգմանվում) 0-ի և 1-ի տողի (որն այնուհետև կոչվում է մուտքագրում), այս մուտքագրումը մշակվում է ալգորիթմի միջոցով (սահմանվում է որպես կանոնների մի շարք, որոնք պետք է հետևվեն համակարգչում առաջադրանքը կատարելու համար): Այս մշակումից հետո վերադարձվում է 0-երի և 1-երի նոր տողը (կոչվում է ելք), որը կոդավորում է ակնկալվող արդյունքը և հետ է թարգմանվում ավելի պարզ օգտագործողի համար հարմար տեղեկատվության՝ որպես «պատասխան» այն բանի, թե ինչ է օգտատերը ցանկանում անել համակարգիչը: . Հետաքրքրաշարժ է, որ անկախ նրանից, թե որքան խելացի կամ խելացի ալգորիթմը կարող է երևալ և ինչպիսի դժվարության մակարդակով էլ լինի առաջադրանքը, համակարգչային ալգորիթմն անում է միայն այս մի բանը` մանիպուլյացիայով բիթերի շարանը, որտեղ յուրաքանչյուր բիթ կամ 0 է կամ 1: մանիպուլյացիա տեղի է ունենում համակարգչի վրա (ծրագրային ապահովման վերջում) և մեքենայի մակարդակում այն ներկայացված է էլեկտրական սխեմաներով (համակարգչի մայր տախտակի վրա): Սարքավորման տերմինաբանության մեջ, երբ հոսանքն անցնում է այս էլեկտրական սխեմաների միջով, այն փակ է և բաց է, երբ հոսանք չկա:
Դասական ընդդեմ քվանտային համակարգիչ
Հետևաբար, դասական համակարգիչներում բիթը մեկ տեղեկատվություն է, որը կարող է գոյություն ունենալ երկու հնարավոր վիճակներում՝ 0 կամ 1: Այնուամենայնիվ, եթե խոսենք դրա մասին. քվանտ համակարգիչներ, նրանք սովորաբար օգտագործում են քվանտային բիթեր (նաև կոչվում են «qubits»): Սրանք քվանտային համակարգեր են երկու վիճակով, սակայն, ի տարբերություն սովորական բիթերի (պահվում են որպես 0 կամ 1), քյուբիթները կարող են շատ ավելի շատ տեղեկատվություն պահել և կարող են գոյություն ունենալ այս արժեքների ցանկացած ենթադրության մեջ: Ավելի լավ բացատրելու համար քյուբիթը կարելի է համարել որպես երևակայական գունդ, որտեղ քյուբիթը կարող է լինել ոլորտի ցանկացած կետ: Կարելի է ասել, որ քվանտային հաշվարկն օգտվում է ենթաատոմային մասնիկների հնարավորությունից՝ գոյություն ունենալ մեկից ավելի վիճակում ցանկացած ժամանակ և դեռևս փոխադարձ բացառող լինել: Մյուս կողմից, դասական բիթը կարող է լինել միայն երկու վիճակում, օրինակ՝ ոլորտի երկու բևեռների վերջում: Սովորական կյանքում մենք ի վիճակի չենք տեսնել այս «գերդիրքը», քանի որ երբ համակարգը դիտարկվում է ամբողջությամբ, այդ սուպերպոզիցիաները անհետանում են, և դա է պատճառը, որ նման սուպերպոզիցիաների ըմբռնումը անհասկանալի է:
Սա նշանակում է համակարգիչների համար, որ քվանտային համակարգիչները, որոնք օգտագործում են քուբիթներ, կարող են պահել հսկայական քանակությամբ տեղեկատվություն՝ օգտագործելով ավելի քիչ էներգիա, քան դասական համակարգիչը, և այդպիսով գործողությունները կամ հաշվարկները կարող են համեմատաբար ավելի արագ կատարել քվանտային համակարգչի վրա: Այսպիսով, դասական համակարգիչը կարող է վերցնել 0 կամ 1, այս համակարգչում երկու բիթ կարող է լինել չորս հնարավոր վիճակներում (00, 01, 10 կամ 11), բայց ցանկացած պահի ներկայացված է միայն մեկ վիճակ: Մյուս կողմից, քվանտային համակարգիչը աշխատում է մասնիկների հետ, որոնք կարող են լինել սուպերպոզիցիայի մեջ՝ թույլ տալով երկու քյուբիթներին ներկայացնել նույն չորս վիճակները միաժամանակ՝ սուպերպոզիցիայի հատկության պատճառով, որն ազատում է համակարգիչները «երկուական սահմանափակումից»: Սա կարող է համարժեք լինել չորս համակարգիչների, որոնք միաժամանակ աշխատում են, և եթե ավելացնենք այս քյուբիթները, քվանտային համակարգչի հզորությունը երկրաչափականորեն աճում է: Քվանտային համակարգիչները նաև օգտվում են քվանտային ֆիզիկայի մեկ այլ հատկությունից, որը կոչվում է «քվանտային խճճվածություն», որը սահմանել է Ալբերտ Էյնշտեյնը, խճճվածությունը մի հատկություն է, որը թույլ է տալիս քվանտային մասնիկներին միանալ և հաղորդակցվել՝ անկախ իրենց գտնվելու վայրից։ տիեզերք այնպես, որ մեկի վիճակի փոփոխությունը կարող է ակնթարթորեն ազդել մյուսի վրա: «Գերտեղակայման» և «խճճվածության» երկակի հնարավորությունները սկզբունքորեն բավականին հզոր են: Հետևաբար, այն, ինչին կարող է հասնել քվանտային համակարգիչը, աներևակայելի է դասական համակարգիչների համեմատությամբ: Այս ամենը շատ հուզիչ և պարզ է թվում, այնուամենայնիվ, այս սցենարում խնդիր կա: Քվանտային համակարգիչը, եթե մուտքագրում է քյուբիթները (ենթադրյալ բիթ), նրա ելքը նույնպես կլինի քվանտային վիճակում, այսինքն՝ ելք, որն ունի գերադրված բիթներ, որոնք նույնպես կարող են շարունակաբար փոխվել՝ կախված նրանից, թե որ վիճակում է գտնվում: Այն իսկապես թույլ է տալիս մեզ ստանալ ամբողջ տեղեկատվությունը, և, հետևաբար, քվանտային հաշվարկների արվեստի ամենամեծ մարտահրավերը այս քվանտային արդյունքից նույնքան շատ տեղեկատվություն ստանալու ուղիներ գտնելն է:
Քվանտային համակարգիչն այստեղ կլինի:
Քվանտային համակարգիչները կարող են սահմանվել որպես հզոր մեքենաներ՝ հիմնված քվանտային մեխանիկայի սկզբունքների վրա, որոնք բոլորովին նոր մոտեցում են ցուցաբերում տեղեկատվության մշակման հարցում: Նրանք ձգտում են բացահայտել բնության բարդ օրենքները, որոնք միշտ եղել են, բայց սովորաբար թաքնված են մնացել: Եթե նման բնական երևույթները հնարավոր լինի ուսումնասիրել, ապա քվանտային հաշվարկը կարող է գործարկել նոր տիպի ալգորիթմներ՝ տեղեկատվության մշակման համար, և դա կարող է հանգեցնել նորարարական առաջընթացի նյութագիտության, դեղերի հայտնաբերման, ռոբոտաշինության և արհեստական ինտելեկտի ոլորտում: Քվանտային համակարգչի գաղափարն առաջարկվել է ամերիկացի տեսական ֆիզիկոս Ռիչարդ Ֆեյնմանի կողմից դեռևս 1982 թվականին: Իսկ այսօր տեխնոլոգիական ընկերությունները (ինչպիսիք են IBM, Microsoft, Google, Intel) և ակադեմիական հաստատություններ (ինչպես MIT-ը և Փրինսթոնի համալսարանը) աշխատում են քվանտի վրա: համակարգչային նախատիպեր՝ հիմնական քվանտային համակարգիչ ստեղծելու համար: International Business Machines Corp.-ն (IBM) վերջերս ասել է, որ իր գիտնականները կառուցել են հզոր քվանտային հաշվողական հարթակ, և այն կարող է հասանելի լինել մուտքի համար, սակայն նշում է, որ այն բավարար չէ առաջադրանքների մեծ մասը կատարելու համար: Նրանք ասում են, որ ներկայումս մշակվող 50 կուբիթանոց նախատիպը կարող է լուծել բազմաթիվ խնդիրներ, որոնք այսօր անում են դասական համակարգիչները, իսկ ապագայում 50-100 քյուբիթանոց համակարգիչները մեծապես կլրացնեն բացը, այսինքն՝ ընդամենը մի քանի հարյուր քյուբիթ ունեցող քվանտային համակարգիչը կկարողանա լուծել: կատարել միաժամանակ ավելի շատ հաշվարկներ, քան հայտնիների մեջ կան ատոմներ տիեզերք. Իրատեսորեն ասած, ճանապարհը, որտեղ քվանտային համակարգիչը կարող է իրականում գերազանցել դասական համակարգչին դժվար առաջադրանքների ժամանակ, ծանրաբեռնված է դժվարություններով և մարտահրավերներով: Վերջերս Intel-ը հայտարարեց, որ ընկերության նոր 49-կիուբիթանոց քվանտային համակարգիչը քայլ էր դեպի այս «քվանտային գերակայություն», որը մեծ առաջընթաց էր ընկերության համար, ով ընդամենը 17 ամիս առաջ ցուցադրել էր 2-բիթանոց քվանտային համակարգ: Նրանց առաջնահերթությունն է շարունակել ընդլայնել նախագիծը՝ հիմնվելով այն գիտակցության վրա, որ քյուբիթների քանակի ընդլայնումը բանալին է քվանտային համակարգիչների ստեղծման համար, որոնք կարող են իրական արդյունքներ ապահովել:
Նյութը առանցքային է քվանտային համակարգիչ կառուցելու համար
Նյութական սիլիցիումը տասնամյակներ շարունակ հաշվարկման անբաժանելի մասն է եղել, քանի որ դրա հիմնական հնարավորությունների համախումբը այն լավ պիտանի է դարձնում ընդհանուր (կամ դասական) հաշվարկների համար: Այնուամենայնիվ, ինչ վերաբերում է քվանտային հաշվարկներին, ապա սիլիցիումի վրա հիմնված լուծումները չեն ընդունվել հիմնականում երկու պատճառով. նախ դժվար է կառավարել սիլիցիումով արտադրված քյուբիթները, և երկրորդը, դեռևս պարզ չէ, թե արդյոք սիլիցիումի քյուբիթները կարող են մեծանալ, ինչպես մյուսները: լուծումներ։ Intel-ը շատ վերջերս զարգացել է լուրջ առաջընթացի մեջ1 նոր տեսակի քյուբիթ, որը հայտնի է որպես «սպին քուբիթ», որն արտադրվում է սովորական սիլիցիումի վրա: Սպին քյուբիթները շատ նման են կիսահաղորդչային էլեկտրոնիկայի, և նրանք հաղորդում են իրենց քվանտային հզորությունը՝ օգտագործելով մեկ էլեկտրոնի պտույտը սիլիկոնային սարքի վրա և վերահսկելով շարժումը մանր, միկրոալիքային իմպուլսներով: Երկու հիմնական առավելությունները, որոնք հանգեցրին Intel-ին այս ուղղությամբ շարժվելուն, հետևյալն են՝ նախ Intel-ը որպես ընկերություն արդեն մեծ ներդրումներ է կատարել սիլիցիումի արդյունաբերության մեջ և, հետևաբար, ունի համապատասխան փորձ սիլիցիումի ոլորտում: Երկրորդը, սիլիցիումի քյուբիթներն ավելի շահավետ են, քանի որ դրանք ավելի փոքր են, քան սովորական քյուբիթները, և ակնկալվում է, որ դրանք պահպանում են համահունչությունը ավելի երկար ժամանակով: Սա առաջնային նշանակություն ունի, երբ քվանտային հաշվողական համակարգերը պետք է մեծացվեն (օրինակ՝ 100-քյուբիթից մինչև 200-կիուբիթ): Intel-ը փորձարկում է այս նախատիպը, և ընկերությունն ակնկալում է արտադրել չիպեր, որոնք ունեն հազարավոր փոքր քուբիթ զանգվածներ, և նման արտադրությունը, երբ մեծաքանակ արվում է, կարող է շատ լավ լինել քվանտային համակարգիչները մեծացնելու համար և կարող է լինել իրական խաղերի փոխարկիչ:
Վերջերս հրապարակված հետազոտության մեջ գիտությունՖոտոնային բյուրեղների համար նոր նախագծված օրինաչափություն (այսինքն՝ բյուրեղային ձևավորում, որն իրականացվել է ֆոտոնիկ չիպի վրա) մշակվել է Մերիլենդի համալսարանի (ԱՄՆ) թիմի կողմից, որը, ըստ նրանց, ավելի հասանելի կդարձնի քվանտային համակարգիչները։2. Այս ֆոտոնները հայտնի լույսի ամենափոքր քանակությունն են, և այդ բյուրեղները ամրացված են անցքերով, ինչը հանգեցնում է լույսի փոխազդեցության: Տարբեր անցքերի ձևանմուշները փոխում են լույսի ճկման և ցատկումը բյուրեղի միջով, և այստեղ ստեղծվեցին հազարավոր եռանկյուն անցքեր: Միայնակ ֆոտոնների նման օգտագործումը կարևոր է քվանտային համակարգիչների ստեղծման գործընթացի համար, քանի որ համակարգիչներն այնուհետև հնարավորություն կունենան հաշվարկել մեծ թվեր և քիմիական ռեակցիաներ, որոնք ներկայիս համակարգիչները չեն կարողանում անել: Չիպի դիզայնը հնարավորություն է տալիս ֆոտոնների տեղափոխումը քվանտային համակարգիչների միջև առանց կորուստների: Այս կորուստը նաև դիտվել է որպես մեծ մարտահրավեր քվանտային համակարգիչների համար, և այդպիսով այս չիպը հոգում է խնդիրը և թույլ է տալիս արդյունավետ երթուղի: քվանտ տեղեկատվություն մի համակարգից մյուսը:
Ապագա
Քվանտային համակարգիչները խոստանում են հաշվարկներ կատարել ցանկացած սովորական սուպերհամակարգիչից շատ ավելին: Նրանք ունեն նոր նյութերի հայտնաբերումը հեղափոխելու ներուժ՝ հնարավորություն տալով նմանեցնել նյութի վարքը մինչև ատոմային մակարդակ: Այն նաև հույս է ներշնչում արհեստական ինտելեկտի և ռոբոտաշինության համար՝ տվյալների ավելի արագ և արդյունավետ մշակմամբ: Առևտրային առումով կենսունակ քվանտային հաշվողական համակարգի տրամադրումը կարող է իրականացվել առաջիկա տարիներին ցանկացած խոշոր կազմակերպությունների կողմից, քանի որ այս հետազոտությունը դեռևս ավարտված չէ և արդար խաղ է բոլորի համար: Առաջիկա հինգից յոթ տարիների ընթացքում սպասվում են հիմնական հայտարարություններ, և իդեալականորեն, եթե հաշվի առնենք առաջընթացների շարքը, ինժեներական խնդիրները պետք է լուծվեն, և 1 միլիոն կամ ավելի քյուբիթանոց քվանտային համակարգիչը պետք է իրականություն լինի:
***
{Դուք կարող եք կարդալ հետազոտական հոդվածի բնօրինակը` սեղմելով ներքևում նշված DOI հղումը` մեջբերված աղբյուրների ցանկում:}
Աղբյուրը (ներ)
1. Castelvecchi D. 2018. Սիլիկոնը գրավում է իր դիրքերը քվանտային հաշվողական մրցավազքում: Բնություն. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Տոպոլոգիական քվանտային օպտիկայի ինտերֆեյս: Գիտություն. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
