Короткий опис:

Квантова запутаність. Квантовий компютер. Телепортація.

Квантова запутаність. Квантовий компютер.Телепортація. Компанія Google, НАСА і Університетська Асоціація космічних досліджень (Space Research Universities Association) використовують перший квантовий комп"ютер D-Wave One B даний час область квантових обчислень вважається майбутнім галузі обробки даних. Квантові обчислювальні системи майбутнього будуть володіти обчислювальною потужністю в тисячі разів перевершує потужність сучасних суперкомп"ютерів, споживаючи при цьому на порядки менші кількості електричної енергії.

В даний час вже існують перші робочі квантові комп"ютери, розвиток яких іде бурхливим темпом, а перший з них, D-Wave One, з моменту його першої появи два роки тому вже подвоїв свою обчислювальну потужність. Нагадаємо нашим читачам, що квантові обчислення відрізняються від класичних обчислень рівнем їх фундаментальної реалізації. У традиційних комп"ютерах використовуються біти, здатні оперувати двома значеннями, логічної 1 і 0. Основою квантових комп"ютерів є квантові біти, кубіти, які завдяки ефектів квантової механіки можуть перебувати і в третьому стані, у стані квантової суперпозиції, коли їх значення дорівнює 1 і 0 одночасно. Крім того, відмінності між звичайними і квантовими комп"ютерами стосуються і методів організації обчислень. Наприклад, традиційний комп"ютер вирішує задачі математичної оптимізації послідовно, прораховуючи один варіант за іншим, а квантовий комп"ютер оцінює відразу весь масив рішень, вибираючи з нього найбільш оптимальні варіанти, що дозволяє знайти не тільки єдине найкраще рішення, але і десятки тисяч близьких альтернативних варіантів вирішення задачі за короткий час. Коли перший квантовий комп"ютер D-Wave One (DW1) вперше дебютував у травні 2011 року, в його складі налічувалося 128 квантових бітів, оточених спеціалізованими чіпами і електричними ланцюгами, що забезпечують функціонування квантового біта. При вирішенні завдань певного роду за допомогою технології адіабатних квантових обчислень цей комп"ютер у багато разів перевершував найпотужніші суперкомп"ютери. Однак, нещодавно випущений квантовий комп"ютер D-Wave Two (DW2), що володіє 512 квантовими бітами, змушує його попередника "нервово палити в сторонці

Кожен кубіт є крихітним мікропроцесором, які працюють за допомогою ефектів надпровідності і квантової механіки. Можливості квантових обчислювальних систем безпосередньо пов"язані з кількістю пов"язаних один з одним кубітів. Якщо зв"язати всі 509 кубітів комп"ютера D-Wave Two, які беруть безпосередню участь в обчисленнях, один з одним, то її продуктивність буде вище на 100 порядків, ніж продуктивність його попередника. Однак, компонування кубітів нового комп"ютера дозволяє зв"язати один кубіт тільки з вісьмома сусідніми кубітами. Незважаючи на це, комп"ютер DW2 приблизно в 300 тисяч разів більш потужним, ніж комп"ютер DW1.
При проведенні тестів, в яких були задіяні 439 кубіт для вирішення спеціалізованих оптимізаційних алгоритмів CPLEX, комп"ютер DW2 знайшов 100 варіантів рішень за півсекунди, що 3600 разів швидше, ніж необхідно суперкомп"ютерові, який витрачає на це близько півгодини часу.
Для того, щоб досягти повного використання квантових ефектів, кубіти комп"ютера DW2 перебувають у надзвичайних умовах навколишнього середовища. Їх температура становить 0.02 К, що в 150 разів холодніше, ніж температура в міжзоряному космічному просторі. Глибина вакууму, в якому знаходяться кубіти комп"ютера в 100 мільярдів разів нижча, ніж атмосферний тиск при стандартних умовах. Завдяки використанню системи захисту, зовнішнє магнітне і електричне вплив на кубіти знижено в 50 тисяч разів. Примітним є той факт, що для створення наднизької температури і глибокого вакууму потрібно всього 15.5 кіловат електричної енергії, а сам комп"ютер займає лише 10 квадратних метрів площі, що абсолютно незрівнянно з тисячами кіловат і величезними просторами, займаними суперкомп"ютерами та супутньою інфраструктурою.
Компанія Google, НАСА і Університетська Асоціація космічних досліджень, та Google закупили DW2, заплативши 15 мільйонів доларів.

Дослідники у галузі квантової фізики француз Серж Арош і американець Девід Вайленд, працюючи у своїх країнах, незалежно один від одного “відкрили спосіб вимірювання стану квантів без їх руйнування”. Завдяки їхньому винаходу у недалекому майбутньому можна буде створити найточніший годинник у світі і комп’ютер такої потужності, яку навіть важко уявити.

 Квант - це часточка або порція різних видів енергії. Скажімо, часточка світла називається фотоном. Те, що ядро атома має якийсь магнітний момент, відомо зі школи. Це саме можна сказати і про електрон... Оцей магнітний момент є вектором, а будь-який вектор має напрямок. Енергія різних векторних станів різна. Тому її можна використовувати як умовний нуль чи одиничку.

 Що дає нам один біт? Нуль- одиничка, так - ні, так - ні... Це електроніка. А тут спускаємось на рівень атомів і молекул або до фотона, кванта світла. Він має дві поляризації і, знову ж таки, одна буде умовним нулем, а друга - одиничкою. Квантові комп’ютери оперуватимуть не бітами, а кубітами (кубіт - це одниця квантової інформації, квантовий біт). Кубіт - це теж, образно кажучи, комірка пам’яті.

Теоретично квантовий комп’ютер буде здатний в одну мить проводити мільйон обчислень, в той час як класичний - тільки одне, тобто потенційна обчислювальна потужність квантового комп’ютера перевищує потужність класичних комп’ютерів приблизно в 10 у 80-му ступені разів. Уявіть собі суму доларів - одиниця і 80 нулів! Для кращого розуміння цього астрономічного числа наводять таке порівняння: звичайний комп’ютер, рівний за обчислювальною потужністю квантовому, має бути розміром із Всесвіт! Або можна сказати і так: один квантовий комп’ютер зможе замінити усі теперішні машини світу!

 Вайленд і Арош домоглися того, що взаємодію поля і речовини стало можливо спостерігати на суто квантовому рівні, використовуючи одиночні атоми і фотони. Вони їх “заманили” і “закрили” у пастках-резонаторах неймовірно високої якості, виміряли їхній квантовий стан, тобто вони тепер точно знають, де є умовний нуль і одиничка.

  Квантовий комп’ютер зможе набагато ефективніше вирішувати завдання в галузі дискретної оптимізації, для яких не пристосовані звичайні комп’ютери з бінарною логікою. Наприклад, це можуть бути завдання маршрутизації і навігації усіх видів транспорту, аналіз фінансових ризиків, моделювання світової економіки з метою уникнення світових фінансово-економічних кризових явищ, розпізнавання образів, класифікації зображень, декодування найскладніших секретних кодів у режимі реального часу (один з моментів забезпечення національної безпеки), моделювання клімату, довготривалих прогнозів погоди, розрахунків термоядерного синтезу, створення нових продуктів генної інженерії, моделювання галактики з її 100 мільярдами зірок...

 Якщо через років 10-15 з’являться квантові комп’ютери, то що буде з величезною кількістю класичних комп’ютерів? Нічого катастрофічного у найближчому майбутньому з парком звичних для нас персональних машин не станеться. Вони ще тривалий час будуть виконувати ті завдання, для яких створені. Проте найскладніші завдання сучасності виконуватимуть квантові гіперкомп’ютери. У перспективі — створення значно потужнішого квантового Інтернету на основі квантової телепортації.

 Квантова телепортація? Це вже фантастика! Перенесення предметів з одного місця в інше без видимого докладання до них фізичних сил?  Ніякої фантастики! Квантова телепортація являє собою миттєве перенесення не об’єкта, а лише невідомого квантового стану одного об’єкта на інший квантовий об’єкт. В результаті отримуємо ідентичний стан іншого об’єкта в іншому місці. Така технологія дозволить здійснювати обмін інформацією у квантовому комп’ютері.

- А якщо говорити про перспективи надточних годинників? Відкриття нобелівських лауреатів Ароша і Вайленда вже подарувало світові оптичний годинник, у якому два іони разом вимірюють час у сто разів точніше, аніж нинішній годинник на радіоактивниму елементі цезію. До того ж атомний годинник - це, по суті, ціла лабораторія зі складним обладнанням. А оптичний годинник можна довести до розміру побутового наручного годинника...

Квантові комп’ютери, на думку багатьох експертів, це майбутнє ІT та обчислювальної техніки. І хоча поки немає навіть єдиного стандарту для них, ряд технологічних компаній експериментує з ними. Так, компанія Intel вже в 2015 році виділила на дослідження в області розробки квантових обчислювачів $50 млн. На поточний момент у компанії вже створено кілька досвідчених версій. Як повідомляється, Intel працює за двома напрямками в цій галузі. Перше — це класичні суперпроводимые квантові комп’ютери, а друге — спінові кубіти на кремнієвій основі.