Квантовите компютри са реалност, свиквайте

Да поговорим за извличане на изчислителна мощност от самата материя …

Квантовият компютър е неизбежно постижение в съвременният свят, поради няколко причини. На първо място е проблемът, с който ще се сблъскаме до 10-15 години – силициевата технология достига своя физически праг на възможности. Миниатюризацията на транзисторите скоро ще достигне размерите на атома. Това ще е сериозно препятствие за правилната работа на гейтовете в самия елемент – на границата между физичната реалност и света на квантовата механика; там, където се случват доста странни неща.

Добре дошли в царството на неопределеността

Щем-нещем трябва да се научим да използваме тези чудати закони на квантовата механика. Въпрос на време е да пренесем световната изчислителна мощност в самата структура на материята – където градивни частици ще играят ролята на компютърни елементи. В следствие от закона на Мур – резултат от едно забележителното наблюдение, направено от Гордън Мур през 1965-а – става ясно, че броят на транзисторите върху един чип се удвоява на всеки 18 – 24 месеца. Този закон и до днес е в сила, почти. Понастоящем типичният размер на елементите е от порядъка на 15-45 нанометра. Като екстраполираме закона на Мур може да оценим, че около 2025 година за складиране на 1 бит информация ще е необходим елемент с размерите на атом. Оттук нататък квантовите ефекти неизбежно ще станат определящи, защото физични елементи с такива размери няма как да съществуват.

Неопределеността на квантовата механика създава много нови възможности

Квантовият компютър се основава на това, че в квантовата механика са възможни суперпозиции при състоянията на частиците. За носител на информация се използва спина на частиците. Спинът на една частица се определя от ориентацията на оста й на въртене. В квантовата механика частиците не разкриват позицията си – суперпозиция – докато не бъдат измерени или наблюдавани.

За логическа 1-ца се приема спин с ориентация от 90 до 180 градуса – всичко в този диапазон. Говорим за вероятностна 1-ца в проценти (на практика е дори по-шантаво от колкото звучи).

Целта е да се състави поредица квантово заплетени частици в суперпозиция.

В една такава система, ако входните данни променят състоянието на някои от частиците, това ще се отрази на всички – в следствие от ефекта на квантовото заплитане частиците ще реагират по съответния логичен начин. Още по-забавното е, че нищо от това не се случва преди момента на започване на измерването – докато не проверим резултата частиците са в суперпозиция. Тази неопределеност позволява съществуването на всички възможни отговори докато не изискаме допустим резултат.

Смахнато, нали? Но има нещо натурално в този начин на екстраполация. Извличане на изчислителна мощност от самата материя: от законите за определеност и неопределеност на материята; намиране на решението въз основа на следствието от намерението.

Ако с такава верига кюбити се извърши някаква последователност на унитарни преобразования, то ще бъде реализирана процедура на обработка на информацията [записана в двоични числа], като паралелно ще бъдат обработени всичките 2n варианта на входните данни.

По-простичко казано, представете си неопределеност от поредица кюбити, която при подадени данни реагира и се наглася така, че предварително заплетената логика да остане – нещо като матрица или дори сметало. Самата концепция се различава много от тази при двоичната система, като повече наподобява проверка на всички вероятности едновременно, вместо логично пресмятане чрез последователни итерации – нещо като изчисляване на вероятности в паралелни вселени, като при това времето за извършване на операциите не е фактор. Задаваш въпрос и директно получаваш отговор, при това от фундаменталната логиката на самата материя.

Задачите, които могат да бъдат решени на класически компютър за експоненциално голямо време, на квантов компютър могат да бъдат решени за полиномиално голямо време- т.е. извеждане резултат на момента. С помощта на такъв род операции може, например, да се намери периодът на периодична функция или да се разложи на множители много голямо число. Последната задача представлява особена ценност, понеже нейното решение би позволило лесно да се разшифроват класическите кртиптографски алгоритми. Разшифроването на такива ключове с помощта на класически компютри, макар и възможно по принцип, изисква толкова много време, че практически е неизпълнимо.

Ето нещо интересно! 10 кюбита предлагат 1024 паралелни възможности, 11 кюбита предлагат 2048 възможности, а 12 кюбита – 4096. Преди да достигнете до 512 кюбита ще имате възможност да пресмятате повече възможности от броя на атомите във видимата Вселена – ето това се нарича изчислителна мощност.

Бъдещето на хибридните системи

Тъй като квантовият компютър е изключително ефективен за пресмятане на вероятности, фина оптимизация и разшифроване на кодове, той би бил полезен в съответните ситуации изискващи такъв тип изчисления. Но той не би се справил с работата на обикновен компютър.

От къде идва разликата? Един съвременен процесор има тактова честота, която е в състояние да раздели секундата на повече от 2 000 000 000 равни части, и във всеки един момент да приложи своя набор от логики и инструкции? Процесорът може да оперира в реално време. Квантовият компютър от друга страна очаква инструкция (правилно зададен въпрос) и съответно връща целия резултат наведнъж. Докато класическият процесор нагъва времето със своята тактова честота, за да приложи максимално много операции, квантовия компютър връща отговора на момента на измерване, при това с една операция.

За да можем да използваме квантовата изчислителна мощност ще е необходимо да се създадат хибридни системи – двоична и квантова, които взаимно да се допълват. Най-практично би било да се създаде процесор с допълнителни квантови инструкции, които да се използват само при необходимост. А пък кой знае, може да се измислят квантови инструкции, които изцяло да заместят познатия ни процесор.

Реалността днес

Google вече използва квантова мощност

Интернет гигантът вече разчита на ресурсите на квантов компютър, за да разшири функционалността на своите авангардни разработки. По-рано тази година компанията създаде Квантова лаборатория по изкуствен интелект – Quantum Artificial Intelligence Lab, на базата оборудване от D’Wave. Проектът е ориентиран за изследване на възможностите на квантовата компютърна архитектура и тайните на космоса, съвместно с NASA. Квантовият компютър на Google оперира с 512 кюбита и работи при температура близка до абсолютната нула.

NSA и апетитът им за изчислителна мощност

Агенцията за национална сигурност на САЩ също разработва квантов компютър. С 512 кюбита квантова изчислителна мощност биха разбили за миг всеки криптиращ механизъм познат в днешната дигитална ера. Криптирането на целия Интернет, за което настояват Google и други ИТ гиганти, вече се насочва към алгоритми, които не могат да бъдат разбити с квантови компютри.

Изследват се и други, по-екзотични възможности за предаване на информация. Квантовото заплитане позволява мигновено предаване на информация, без значение от разстоянието – като единствено изпращача и получателя могат да имат достъп до тази информацията. Веднъж синхронизирана, една такава система за комуникация, не е ограничена от скоростта на светлината.

IBM със скок пред всички

Дълго време изследователите от IBM работеха над проблема за квантовата декохерентност – възникването на грешки в изчисленията, дължащи се на влиянието на фактори като топлина, електромагнитни излъчвания, дефекти в материалите и други. Сега инженерите на компанията са постигнали минимално необходимото за реализиране на действащ квантов компютър.

Главно направление в тяхната работа е било увеличаването на времевия период, в който кюбитът може трайно да съхранява своите квантово-механични свойства. Според Матиас Щефен – един от учените на IBM, участващи в проекта за създаване на квантов компютър, вече е достигнат етапът, в който квантовите изчисления могат да престанат да бъдат само обект на лабораторни изследвания.

Освен това изследователите от IBM работят съвместно с учени от Университета Йейл над „триизмерен“ кюбит [3D qubit], чиито брой на едновременни състояния би бил по-голям от броя на квантовите състояния на обикновения кюбит. При това инженерите вече са реализирали една от бъдещите основни логически операции при квантовите компютри – controlled-NOT [CNOT]. Налице са всички основания да очакваме, че IBM ще успее да повтори историята отпреди повече от половин век, като отново създаде компютъра, в едно различно направление.

D’Wave – „Ерата на квантовите компютри вече започна“

През 2006-а D’Wave беше първата компания, която демонстрира публично мощността на квантовата изчислителна машина – D’Wave One. Днес D’Wave Two е вече факт с изчислителна мощност над 3 600 пъти по-голяма от най-мощният супер компютър в момента – машината разполага с набор от 512 кюбита. D’Wave Two е и машината в лабораторията на Google, която ще се опитва да „разбие“ тайната на космоса.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *