Женская логика: квантовый компьютер

      Комментарии к записи Женская логика: квантовый компьютер отключены

Женская логика: квантовый компьютер

    Кубит — сверхпроводящий квантовый интерферометр (SQUID) Исаак Чуанг «загружает» квантовый компьютер Кубиты — атомы в сложной молекуле в компьютере IBM Визулизация принципа суперпозиции на примере спинов: по окончании ее разрушения спин выясняется в одном из двух состояний В качестве кубита употребляется микросхема с так называемой квантовой точкой

Квантовый компьютер — это порождение квантового мира, живущего по законам квантовой механики, каковые на первый взгляд смогут показаться весьма необычными. Но нам ничего не остается, не считая как поверить в справедливость этих законов, потому, что именно на их базе выстроено и трудится множество окружающих нас сейчас устройств — к примеру, томографы и лазеры.

Одно из главных положений, которое в противном случае как волшебным не назовешь, — принцип суперпозиции. Содержится он в следующем: в случае если субатомная частица может быть в нескольких состояниях, то она находится во всех этих состояниях в один момент. Принцип суперпозиции легко показать на примере всем известного электрона.

Электрон имеет некую внутреннюю чёрта, именуемую поясницей. Электрон может быть в двух состояниях — «спин вверх» (Spin Up) и «спин вниз» (Spin Down). В соответствии с принципом суперпозиции он будет в обоих состояниях сходу, каждое из которых присутствует со своей возможностью (эти возможности не обязательно равны, но сумма их — неизменно 1).

Отечественный жизненный опыт подсказывает, что в окружающем макромире не бывает суперпозиции: чашка с кофе стоит неизменно или слева, или справа от вас, а настольная лампа неизменно или горит, или нет.

В микромире действует еще один необычный принцип — любое измерение, создаваемое над частицей, оказывает на нее необратимое действие: суперпозиция состояний вероятна лишь до тех пор, пока не произведено измерение. Когда мы «знаем», что электрон находится, к примеру, в состоянии «спин вверх», суперпозиция исчезает.

Регистры

Простые компьютеры хранят данные в ячейках, любая из которых или имеет заряд, или нет. Любая такая ячейка соответствует минимальной единице информации — биту. Бит предположительно составит нулю либо единице. Хороший пример бита — это рубильник, что включает электролампу. Его значение или 0 (лампа отключена), или 1 (лампа включена).

В квантовом компьютере аналогом бита есть кубит (квантовый бит), что благодаря принципу суперпозиции будет в двух состояниях в один момент. Как в хороших, так и в квантовых компьютерах биты либо кубиты объединены в последовательности — регистры. Простой кожный покров регистр может хранить 4 значения — 00, 01, 10 либо 11, но лишь одно из них в этот конкретный момент времени. А вот в двухкубитовом регистре в один момент находятся все 4 вероятных значения. (По большому счету в регистре размером N кубитов в один момент «живут» все вероятные 2n значений.)

И как же оно трудится

Начальные условия задаются установкой кубитов в необходимые состояния. Как и в хорошем компьютере, тут за каждой командой стоит последовательность логических операций, каковые реализуются через действие на кубиты (к примеру, «переворот» поясницы радиочастотными импульсами соответствует операции отрицания в простом компьютере). А считывание результатов — это «считывание» состояния кубитов.

Из-за чего он трудится так скоро

Допустим, вы желаете совершить какое-то воздействие над каждым из 4 вероятных чисел в регистре из 2 битов на простом компьютере. Ответ данной задачи потребует 4 шага, делаемых последовательно, потому, что в 2 простых бита в любой момент времени записано лишь 1 из 4 вероятных чисел. Мы должны их последовательно перебрать и над каждым выполнить нужную операцию.

В квантовом компьютере с регистром из 2 кубитов задача будет решена за один ход, поскольку воздействие производится сходу над всеми числами, каковые в один момент сохраняются в регистре. Это именуется «квантовый параллелизм». Как раз квантовый параллелизм разрешает сделать кое-какие вычисления намного более действенными если сравнивать с вычислениями на хорошем компьютере.

Квантовые методы

Предстоящее перемещение по пути создания квантового компьютера продемонстрировало, что, не обращая внимания на плодотворность идеи кубитов, праздновать победу еще рано. Тот самый квантовый параллелизм, что разрешает достигнуть фантастической производительности, порождает и новые неприятности: интересующий нас итог действия над квантовым регистром в конечном итоге оказывается «запрятан» в суперпозиции.

В случае если «» ответ, он окажется «первым попавшимся» из всех вероятных (в совокупности с N состояниями верный ответ будет выведен с возможностью 1/N). Более того, в ходе «считывания» суперпозиция разрушается и совокупность делается негодной для предстоящих вычислений. И лишь заново настроив совокупность, возможно опять постараться взять верный ответ.

Целый выигрыш в быстродействии, что дает квантовый параллелизм, теряется!

Появился вопрос — как же скоро взять итог, что будет верным с приемлемой возможностью? Первым на него ответил американский математик Питер Шор в первой половине 90-ых годов двадцатого века. Он напечатал работу, в которой обрисовал квантовый метод разложения на множители солидного числа (метод факторизации).

Операции в этом методе подобраны так, что неправильные результаты вполне возможно взаимоуничтожаются, и потому возможность верного ответа возрастает.

Для чего нужна факторизация

Задача факторизации, кажущаяся на первый взгляд чисто теоретической, имеет ответственное практическое приложение. Дело в том, что один из самых распространенных сейчас способов шифрования с открытым ключом — RSA — выстроен на весьма несложном утверждении: в случае если у вас имеется два несложных числа (M и N), то вычислить их произведение (К) неприятности не воображает. Но вот, зная K, отыскать M и N — задача, на сегодня разрешимая лишь методом прямого перебора всех вероятных чисел.

А вдруг M и N — большие простые числа (более 100 цифр), то мощность (а скорее — немощность) сегодняшних компьютеров делает ее неразрешимой. К примеру, дабы посредством простого компьютера разложить на простые множители 250-значное число, потребуются многие тысячи лет. Другими словами метод Шора, по сути, имеется не что иное, как метод взлома шифров.

Так, определилась совершенная область для применения квантового компьютера — криптография.

Ходят слухи, что сразу после публикации доклада Шора Агентство нацбезопасности США (NSA) запустило проект построения квантового компьютера, по масштабам сопоставимый с проектом создания ядерной бомбы. Это в полной мере возможно — так как задачи криптографии воображают интерес прежде всего для разведслужб, накопивших огромное количество информации, расшифровать которую существующими методами вряд ли удастся в обозримое время.

Препятствия

Итак, мысль обоснована, методы придуманы, и на пути создания действующего квантового компьютера остались лишь технические неприятности: выбрать способ управления и метод реализации состояниями и надежно изолировать всю эту конструкцию от окружающего мира, дабы избежать влияния случайных внешних факторов. Последняя задача особенно сложна, но имеется надежда, что она все-таки разрешима посредством новейших технологий. Возможность квантовых вычислений показана уже в нескольких лабораториях мира.

На практике

Эра соперничества квантового и хорошего компьютеров еще не наступила, поскольку преимущество квантового вычислителя делается заметным, лишь если он состоит по крайней мере из 1000 кубитов. Сейчас о тысячах нет и речи: рекорд является собственностью фирмы IBM, которой удалось сделать семикубитную машину.

На прошлой странице изображена искусственно созданная молекула. Она складывается из 5 атомов углерода и 2 атомов фтора и трудится как семикубитный регистр. Атомы смогут быть в состояниях «спин вверх» и «спин вниз».

Управление поясницами осуществляется при помощи радиочастотных импульсов. В декабре 2001 года IBM при помощи собственной автомобили удалось разложить на множители число 15. Ответ «3 и 5» был «считан» прибором для измерения ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

«Не страшно, что ответ может показаться тривиальным. До сих пор никому не получалось выполнить так сложное квантовое вычисление: на протяжении опыта поддерживался беспрецедентный уровень управления 7 поясницами», — заявил по окончании обнародования результатов Набиль Амер, сотрудник исследовательской лаборатории. А начальник проекта, доктор наук Массачусетского технологического университета Исаак Чуанг вычисляет: «Следующая отечественная задача — запустить квантовый компьютер в производство».

Что дальше?

Не все разделяют оптимизм Чуанга. Одни считают, что квантовый компьютер так и останется игрушкой для физиков, другие — что это необычное устройство не так уж и необходимо в реальности, а единственная польза от него — прибыль от проведения множества и издания книг научных конференций.

В случае если же квантовый компьютер выстроят, сегодняшние способы шифрования с открытыми ключами прекратят быть действенными. Остается сохранять надежду, что в этом случае нас спасет второе приложение квантовой механики — квантовая криптография.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№4, февраль 2003).

ЗАЧЕМ НУЖЕН КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР? | IQ


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: