Kvant prosessoru: təsvir, əməliyyat prinsipi

Kvant hesablamaları haqqında ən azı nəzəriyyə, bir neçə on ildir danışırıq. Klassik olmayan mexanikanı potensial olaraq unimaginable məlumatların həcmini işləyən müasir tipli maşınlar böyük bir irəliləyişə çevrilmişdir. Geliştiricilərin fikrincə, onların tətbiqi, bəlkə də, yaradılmış ən mürəkkəb texnologiyadır. Quantum prosessorları insanlığın yalnız 100 il əvvəl öyrəndiyi maddələr səviyyəsində fəaliyyət göstərir. Belə hesablamaların potensialı böyükdür. Quanta'nın qəribə xüsusiyyətlərini istifadə edərək hesablamaları sürətləndirəcək, klassik kompüterlər üçün hazırda çatışmazlığı olan bir çox vəzifə həll ediləcəkdir. Və yalnız kimya və materialşünaslıq sahəsində deyil. Wall Street də maraq göstərir.

Gələcəyə investisiyalar

CME Qrupu, kvant tipli prosessorlar üçün proqram hazırlayan Vankuver şirkəti 1QB İnformasiya Texnologiyaları Incinə investisiya qoydu. İnvestorların fikrincə, belə hesablamalar böyük həcmdə vaxt həssas məlumatlarla işləyən sənaye sahələrinə ən böyük təsir göstərə bilər. Belə istehlakçılara nümunə maliyyə qurumlarıdır. Goldman Sachs D-Dalğa Sistemlərinə sərmayə qoyur və In-Q-Tel CIA tərəfindən maliyyələşdirilir. Birincisi, "kvant tənliyi" adlanan şeyi işləyən maşınlar istehsal edir, yəni kvant prosessorunun köməyi ilə aşağı səviyyəli optimallaşdırma məsələlərini həll edir. İntel də bu texnologiyaya investisiya qoyur, baxmayaraq ki, onun tətbiqi gələcək məsələsidir.

Niyə bu lazımdır?

Kvant hesablamasının nə qədər maraqlı olduğunun səbəbi maşınla öyrənmə ilə ideal birləşmədədir. Hal-hazırda, bu hesablamalar üçün əsas tətbiqdir. Qismən bir kvant kompyuteri fikri - fiziki qurğuların həlli üçün istifadə edilməsi nəticəsində yaranır. Bəzən bu konsepsiya oyun Angry Birds nümunəsi ilə izah olunur. Çatışan obyektlərin çəkisi və qarşılıqlı təsirini simulyasiya etmək üçün, planşetin CPU riyazi tənliklərdən istifadə edir. Kvant prosessorları bu cür yanaşma əleyhinədirlər. Bir neçə quşu "atırlar" və nə baş verdiyini görürlər. Mikroçip vəzifəsini qeyd edir: onlar quşlardır, atılır, optimal traektoriya nədir? Sonra mümkün olan bütün həllər, yaxud ən azından onların çox böyük bir kombinasiyası sınaqdan keçirilir və cavab verilir. Kvant kompüterində problem fizika işi qanunları deyil, riyaziyyatçı tərəfindən həll edilmir.

Necə işləyir?

Dünyamızın əsas bina blokları kvant mexanikidir. Moleküllərə baxdıqda, onların meydana gəlməsi və sabit qalması səbəbi onların elektron orbitallerinin qarşılıqlı təsiridir. Bütün kvant mexanik hesablamalar hər birində mövcuddur. Onların sayı simulyasiya elektronlarının sayının artmasına qədər artmaqdadır. Məsələn, 50 elektron üçün mümkün variantlar 50-ci gücündə 2 var. Bu, çox böyük sayda, belə ki , bu gün hesablaya bilməzsiniz. İnformasiya nəzəriyyəsinin fizika ilə əlaqəsi bu problemlərin həll yolunu göstərə bilər. 50 kbit kompüter bunu edə bilər.

Yeni bir dövrün şəfəqi

1QBit-in prezidenti və həmtəsisçisi Landon Downes görə, kvant prosessoru subatomik dünyanın hesablama gücünü istifadə etmək imkanı verir və yeni materiallar əldə etmək və ya yeni dərmanlar yaratmaq üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir. Kəşflər paradiqmasını yeni bir dizayn dövrünə keçid var. Məsələn, kvant hesablamaları karbon və azotun atmosferdən çıxarılmasına imkan verən katalizatorları simulyasiya etmək üçün istifadə edilə bilər, beləliklə qlobal istiləşməni dayandırmağa kömək edir.

Tərəqqi ön planda

Bu texnologiyanın inkişaf etdirən cəmiyyəti son dərəcə həyəcanlı və aktiv işlə məşğuldur. Dünyadakı komandalar kvant məlumatlarının işlənməsinə müxtəlif yanaşmalardan istifadə edən startups, korporasiyalar, universitetlər və hökumət laboratoriyalarında maşın qurur. Qabit çipsləri və qabaritlərin yüksək səviyyədə aparılması, Maryland Universitetindən və Amerika Birləşmiş Ştatlarının Standartlar və Texnologiya Milli İnstitutunun tədqiqatçıları tərəfindən yaradılıb. Microsoft, Stalin Q adlı bir topoloji yanaşma hazırlamışdır ki, mövcudluğu hələ qəti sübut edilməmiş abelian anyonu istifadə etməkdir.

Gələcək sıçrayış ili

Və bu, yalnız başlanğıcdır. May 2017-ci ilin sonu etibarilə, klassik kompüterdən daha sürətli və ya daha yaxşı bir şey edə bilən kvant tipli prosessorların sayı sıfırdır. Belə bir hadisə "kvant üstünlüyü" quracaq, lakin indiyə qədər baş verməyib. Bu, hətta bu il də baş verə bilər. Ən çox insanın fikrincə, sevimli favorit Santa Barbara Kaliforniya Universitetinin fizika professoru John Martini tərəfindən idarə olunan Google komandasıdır. Onun məqsədi 49-bit CPU köməyi ilə hesablama üstünlüyünə nail olmaqdır. 2017-ci ilin may ayının sonunda komanda klassik superkompüterin sökülməsi üçün 22 mərhələli bir çipi müvəffəqiyyətlə aralıq bir addım olaraq sınadı.

Bütün bunlar necə başladı?

İnformasiya işləyib hazırlamaq üçün kvant mexanikasının istifadə edilməsi ideyası onilliklər ərzində olmuşdur. Əsas hadisələrdən biri 1981-ci ildə, IBM və MİT birgə mütəmadi fizika üzrə konfrans təşkil edərkən meydana gəldi. Məşhur fizik Richard Feynman kvant kompüter qurmağı təklif etdi. Onun sözlərinə görə, modelləşdirmək üçün kvant mexanikası vasitələrindən istifadə etmək lazımdır. Və bu böyük bir vəzifədir, çünki bu qədər sadə görünmür. Bir kvant prosessorunda fəaliyyət prinsipi atomların bir çox qəribə xüsusiyyətlərinə əsaslanır - superpozisiya və çöküntü. Bir parçacıq eyni anda iki dövlətdə ola bilər. Lakin, ölçüldükdə, onlardan yalnız birində olacaq. Ehtimal nəzəriyyəsi baxımından istisna olmaqla, hansıları təxmin etmək mümkün deyil. Bu təsir, Schrodinger pişik ilə eyni zamanda canlı və ölü olan müşahidəçi qədər gizlədilənə qədər olan düşüncə təcrübəsinin əsasını təşkil edir. Gündəlik həyatda heç bir şey belə deyil. Buna baxmayaraq, XX əsrin əvvəlindən etibarən aparılan təxminən 1 milyon təcrübə süperpozisiyanın mövcud olduğunu göstərir. Və növbəti addım bu konsepsiyanı necə istifadə edəcəyini müəyyənləşdirəcəkdir.

Kvant prosessoru: işin təsviri

Klassik bitlər 0 və ya 1 dəyərini ala bilər. "Mantıksal qapılar" (AND, OR, NOT, və s.) Vasitəsilə xəttlərini atarsanız, nömrələri çarpar, şəkillər çəkə və s .. Kubit 0, 1 və ya hər ikisini eyni anda. Demək olar ki, 2 qubit qarışdırılıb, onda bu onları tamamilə əlaqələndirir. Kvant tipli bir prosessor məntiqi qapılardan istifadə edə bilər. T. n. Hadamard valve, misal üçün, qubitin mükəmməl bir süperpozisiya halına gətirir. Üstünlük və çılpaqlıq ağıllıca yerləşdirilən kvant qapıları ilə birləşdirildikdə, subatomik hesablamalar potensialı açılmağa başlayır. 2 qubit 4 dövləti araşdırmağa imkan verir: 00, 01, 10 və 11. Kvant prosessorunun prinsipi mantıksal əməliyyatın icrası bir anda bütün mövqelərlə işləməyə imkan verəcəkdir. Mövcud dövlətlərin sayı qub sayıların gücünə 2 təşkil edir. Beləliklə, əgər 50 qubit universal kvant kompüteri qursaq, nəzəri olaraq bütün eyni zamanda 1,125 katrilyon kombinatı araşdırmaq mümkündür.

Kudits

Rusiyada kvant prosessoru bir qədər fərqli görünür. MİPT və Rus Quantum Mərkəzinin alimləri müxtəlif "enerji" səviyyələrində olan bir neçə "virtual" qubit olan "kudit" yaratdılar.

Amplitudes

Kvant tipli bir prosessor kvant mexanikasının amplitüdlərə əsaslanan üstünlüyə malikdir. Amplitudalar ehtimala bənzəyir, lakin onlar da mənfi və kompleks ədədlər ola bilər. Beləliklə, bir hadisə ehtimalını hesablamaq lazımdırsa, onların inkişafı üçün bütün mümkün variantların amplitudalarını əlavə edə bilərsiniz. Kvant hesablama ideyası müdaxilə nümunəsini düzəltməyə çalışmaqdır ki yanlış cavabların bəzi yolları pozitiv amplitudadır, bəziləri isə mənfi olur və buna görə bir-birlərini kompensasiya edəcəkdir. Düzgün cavab verən yollar bir-biri ilə mərhələdə olan amplitudalara malik olacaqdır. Hiylə nədir ki, əvvəlcədən cavab vermədən hər şeyi təşkil etməlidir. Beləliklə, kvant dövlətlərinin müsbət və mənfi amplitudlar arasında müdaxilə potensialı ilə birlikdə eksponentliyi bu tip hesablamalara üstünlük verir.

Şorun alqoritmi

Kompüterin həll edə bilməyəcəyi bir çox vəzifə var. Məsələn, şifrələmə. Problem 200 rəqəmli rəqəmin sadə çarpanlarını tapmaq asan olmadığıdır. Laptop əla proqram ilə işləyən olsa da, cavab tapmaq üçün bir neçə il gözləməli ola bilər. Buna görə, kvant hesablamalarında başqa bir alqoritm 1994-cü ildə MIT-in riyaziyyat professoru Peter Shore tərəfindən nəşr olunmuş alqoritmdir. Onun metodu bir kvant kompüterinin köməyi ilə çox sayda çarpan tapmaqdır. Əslində, alqoritm sahələri düzgün cavabla göstərən əməliyyatlar həyata keçirir. Bundan sonrakı il, Shor, kvant səhv düzəldilməsi üsulunu tapdı. Sonra bir çoxları bunun bəzi hallarda daha güclü ola biləcəyi bir hesablama üsuludur. Bundan sonra fiziklər arasında qubit və mantıksal qapıları yaratmaq üçün maraq bir artım oldu. İndi, artıq iki on il sonra, insanlıq tam hüquqlu kvant kompüter yaratmağın kənarında.