الإنسانية، مثل 60 عاما مضت، مرة أخرى على وشك تحقيق تقدم كبير في مجال تقنيات الحوسبة. قريبا جدا ليحل محل اليوم أجهزة الكمبيوترسوف تأتي أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

إلى أي مدى وصل التقدم؟

في عام 1965، قال جوردون مور إنه في غضون عام يتضاعف عدد الترانزستورات التي يمكن تركيبها على شريحة السيليكون الدقيقة. وقد تباطأ معدل التقدم هذا في الآونة الأخيرة، وأصبحت المضاعفة تحدث بشكل أقل تواترا - مرة كل عامين. وحتى هذه الوتيرة ستسمح للترانزستورات بالوصول إلى حجم الذرة في المستقبل القريب. التالي هو الخط الذي لا يمكن تجاوزه. من وجهة نظر البنية الفيزيائية للترانزستور، لا يمكن بأي حال من الأحوال أن يكون أصغر من الكميات الذرية. زيادة حجم الشريحة لا يحل المشكلة. يتضمن تشغيل الترانزستورات إطلاق الطاقة الحرارية، وتحتاج المعالجات نظام الجودةتبريد. كما أن البنية متعددة النواة لا تحل مشكلة المزيد من النمو. الوصول إلى الذروة في التطور التكنولوجي المعالجات الحديثةسيحدث قريبا.
لقد فهم المطورون هذه المشكلة في الوقت الذي كان فيه المستخدمون قد بدأوا للتو في امتلاك أجهزة كمبيوتر شخصية. في عام 1980، صاغ أحد مؤسسي علم المعلومات الكمومية، البروفيسور السوفييتي يوري مانين، فكرة الحوسبة الكمومية. وبعد مرور عام، اقترح ريتشارد فايمان النموذج الأول لجهاز كمبيوتر مزود بمعالج كمي. اساس نظرىصاغ بول بينيوف الشكل الذي يجب أن تبدو عليه أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

كيف يعمل الحاسوب الكمي

لفهم كيف يعمل المعالج الجديديجب أن يكون لديك على الأقل معرفة سطحية بمبادئ ميكانيكا الكم. ليس هناك فائدة من إحضاره إلى هنا تخطيطات رياضيةواستخلاص الصيغ. ويكفي للشخص العادي أن يتعرف على السمات المميزة الثلاث لميكانيكا الكم:

• يتم تحديد حالة أو موضع الجسيم فقط بدرجة معينة من الاحتمال.
• إذا كان الجسيم يمكن أن يكون له عدة حالات، فإنه يكون في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد. هذا هو مبدأ التراكب.
• تؤدي عملية قياس حالة الجسيم إلى اختفاء التراكب. ومن المميز أن المعرفة المتعلقة بحالة الجسيم التي يتم الحصول عليها عن طريق القياس تختلف عن الحالة الحقيقية للجسيم قبل القياسات.

من وجهة نظر الفطرة السليمة - محض هراء. وفي عالمنا العادي، يمكن تمثيل هذه المبادئ بالطريقة الآتية: باب الغرفة مغلق وفي نفس الوقت مفتوح. مغلقة ومفتوحة في نفس الوقت.

هذا هو الفرق المذهل بين الحسابات. يعمل المعالج التقليدي بالرمز الثنائي. يمكن أن تكون البتات الحاسوبية في حالة واحدة فقط، أي أن تكون قيمتها المنطقية 0 أو 1. تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام الكيوبتات، التي يمكن أن تكون قيمتها المنطقية 0 و1 و0 و1 في الوقت نفسه. ولحل بعض المشكلات، سيكون لديهم ميزة تقدر بملايين الدولارات على أجهزة الحوسبة التقليدية. يوجد اليوم بالفعل العشرات من الأوصاف لخوارزميات العمل. يقوم المبرمجون بإنشاء خاص كود البرنامجوالتي يمكن أن تعمل وفقًا لمبادئ الحسابات الجديدة.

أين سيتم استخدام الكمبيوتر الجديد؟

يتيح لك النهج الجديد في عملية الحوسبة العمل مع كميات هائلة من البيانات وإجراء عمليات حسابية فورية. مع ظهور أجهزة الكمبيوتر الأولى، كان لدى بعض الناس، بما في ذلك المسؤولون الحكوميون، شكوك كبيرة بشأن استخدامها في الاقتصاد الوطني. لا يزال هناك أشخاص اليوم تساورهم الشكوك حول أهمية أجهزة الكمبيوتر للجيل الجديد بشكل أساسي. لفترة طويلة جدًا، رفضت المجلات التقنية نشر مقالات حول الحوسبة الكمومية، معتبرة هذا المجال بمثابة حيلة احتيالية شائعة لخداع المستثمرين.

إن الطريقة الجديدة للحوسبة ستخلق الشروط المسبقة للاكتشافات العلمية العظيمة في جميع الصناعات. سوف يحل الطب العديد من القضايا الإشكالية، والتي تراكمت مؤخرا كثيرا. سيصبح من الممكن تشخيص السرطان في مرحلة مبكرة من المرض أكثر من الآن. ستكون الصناعة الكيميائية قادرة على تصنيع منتجات ذات خصائص فريدة.

لن يستغرق التقدم في مجال الملاحة الفضائية وقتًا طويلاً. سوف تصبح الرحلات الجوية إلى الكواكب الأخرى شائعة مثل الرحلات اليومية حول المدينة. من المؤكد أن الإمكانات التي تكمن في الحوسبة الكمومية ستحول كوكبنا إلى ما هو أبعد من التعرف عليه.

آخر سمة مميزةما تمتلكه أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو قدرة الحوسبة الكمومية على العثور بسرعة الرمز المطلوبأو التشفير. يقوم الكمبيوتر العادي بتنفيذ حل التحسين الرياضي بشكل متسلسل، ويجرب خيارًا تلو الآخر. ويعمل المنافس الكمي مع مجموعة كاملة من البيانات في وقت واحد، ويختار الخيارات الأكثر ملاءمة بسرعة البرق وفي وقت قصير غير مسبوق. عمليات البنكسيتم فك تشفيرها في غمضة عين، وهو أمر لا يمكن الوصول إليه بواسطة أجهزة الكمبيوتر الحديثة.

ومع ذلك، لا داعي للقلق على القطاع المصرفي، إذ سيتم حفظ سره من خلال طريقة التشفير الكمي مع مفارقة القياس. عند محاولة فتح الكود، سيحدث تشويه إشارة مرسلة. المعلومات الواردة لن يكون لها أي معنى. تهتم الأجهزة السرية، التي يعتبر التجسس بالنسبة لها ممارسة شائعة، بإمكانيات الحوسبة الكمومية.

صعوبات التصميم

وتكمن الصعوبة في خلق الظروف التي يمكن في ظلها أن تظل البتة الكمومية في حالة تراكب إلى أجل غير مسمى.

كل كيوبت عبارة عن معالج دقيق يعمل وفقًا لمبادئ الموصلية الفائقة وقوانين ميكانيكا الكم.

حول العناصر المجهرية للآلة المنطقية، أ خط كاملظروف فريدة من نوعها بيئة:

• درجة الحرارة 0.02 درجة كلفن (-269.98 درجة مئوية)؛
• نظام الحماية ضد الإشعاع المغناطيسي والكهربائي (يقلل من تأثير هذه العوامل بمقدار 50 ألف مرة)؛
• نظام إزالة الحرارة وتخميد الاهتزاز.
• خلخلة الهواء أقل 100 مليار مرة من الضغط الجوي.

يؤدي الانحراف الطفيف في البيئة إلى فقدان الكيوبتات لحالة التراكب الخاصة بها على الفور، مما يؤدي إلى حدوث خلل.

قبل بقية الكوكب

كل ما سبق يمكن أن يُعزى إلى إبداع العقل المحموم لكاتب قصص الخيال العلمي، إذا شركة جوجلولم تشتر مع وكالة ناسا العام الماضي من شركة الأبحاث الكندية الكمبيوتر الكمي D-Wave، الذي يحتوي معالجه على 512 كيوبت.

بمساعدتها، الشركة الرائدة في السوق تكنولوجيا الكمبيوترسوف يحل القضايا التعلم الاليفي فرز وتحليل مجموعات البيانات الكبيرة.

كما أدلى سنودن، الذي غادر الولايات المتحدة، ببيان كاشف مهم - حيث تخطط وكالة الأمن القومي أيضًا لتطوير جهاز الكمبيوتر الكمي الخاص بها.

2014 - بداية عصر أنظمة D-Wave

بدأ الرياضي الكندي الناجح جوردي روز، بعد صفقة مع جوجل وناسا، في بناء معالج بسعة 1000 كيوبت. سيتجاوز النموذج المستقبلي النموذج الأولي التجاري الأول بما لا يقل عن 300 ألف مرة في سرعة وحجم العمليات الحسابية. الكمبيوتر الكمي، الصورة الموجودة أدناه، هي الخيار التجاري الأول في العالم من حيث المبدأ تكنولوجيا جديدةالعمليات الحسابية.

وقد دفعه إلى الانخراط في التطوير العلمي من خلال معرفته في الجامعة بأعمال كولن ويليامز في مجال الحوسبة الكمومية. يجب القول أن ويليامز يعمل اليوم في شركة روز كمدير مشروع تجاري.

اختراق أو خدعة علمية

روز نفسه لا يعرف تمامًا ما هي أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وفي غضون عشر سنوات، انتقل فريقه من إنشاء معالج 2 كيوبت إلى أول من بنات أفكار تجارية اليوم.

منذ بداية بحثه، سعى روز إلى إنشاء معالج به الحد الأدنى للكميةالكيوبتات في 1000. وكان عليه بالتأكيد أن يكون لديه خيار تجاري - من أجل البيع وكسب المال.

يحاول الكثيرون، الذين يعرفون هوس روز وفطنته التجارية، اتهامه بالتزوير. يُزعم أن المعالج الأكثر شيوعًا يتم تقديمه على أنه كمي. ومما يسهل ذلك أيضًا حقيقة الأداء الهائل تكنولوجيا جديدةيتجلى عند الأداء أنواع معينةالعمليات الحسابية. خلاف ذلك، فإنه يتصرف مثل جهاز كمبيوتر عادي تماما، فقط باهظ الثمن.

متى سوف تظهر

ليس هناك وقت طويل للانتظار. سيقوم فريق البحث، المنظم من قبل المشترين المشتركين للنموذج الأولي، بتقديم تقرير عن نتائج البحث على D-Wave في المستقبل القريب.
ربما سيأتي قريبًا الوقت الذي ستحدث فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية ثورة في فهمنا للعالم من حولنا. وسوف تصل البشرية جمعاء في هذه اللحظة إلى المزيد مستوى عالتطورها.

تزداد كمية المعلومات في العالم سنوياً بنسبة 30%. وفي السنوات الخمس الماضية وحدها، كانت الإنسانية كذلك أنتجتبيانات أكثر مما كانت عليه في كل التاريخ السابق. بدأت أنظمة إنترنت الأشياء في الظهور حيث يقوم كل مستشعر بإرسال واستقبال كمية كبيرةبيانات كل ثانية، ويتوقع المحللون أن عدد الأشياء المتصلة بالإنترنت سيتجاوز قريبا عدد المستخدمين البشريين. يجب تخزين هذه الكميات الهائلة من المعلومات في مكان ما ومعالجتها بطريقة ما.

توجد الآن بالفعل أجهزة كمبيوتر عملاقة بسعة تزيد عن 50 بيتافلوب (1 بيتافلوب = 1 ألف تريليون عملية في الثانية). ومع ذلك، عاجلا أم آجلا، سنصل إلى الحد المادي للقوة المحتملة للمعالجات. بالطبع، ستظل أجهزة الكمبيوتر العملاقة قادرة على النمو في الحجم، لكن هذا ليس حلاً للمشكلة، لأن الحجم سيصل في النهاية إلى حدوده. وفقًا للعلماء، سيتوقف تطبيق قانون مور قريبًا وستحتاج البشرية إلى أجهزة جديدة أكثر قوة وتقنيات معالجة البيانات. لذلك، تعمل شركات تكنولوجيا المعلومات الكبيرة بالفعل على إنشاء نوع ثوري جديد تمامًا من أجهزة الكمبيوتر، وستكون قوتها أكبر بمئات المرات مما لدينا اليوم. هذا هو الكمبيوتر الكمي. يعد الخبراء أنه بفضل ذلك، قد يكون من الممكن العثور على علاج للسرطان، والعثور على المجرمين على الفور من خلال تحليل لقطات الكاميرا، ومحاكاة جزيئات الحمض النووي. من الصعب الآن حتى تخيل المشكلات الأخرى التي سيكون قادرًا على حلها.

وتحاول مايكروسوفت أن تكون في طليعة التطور في هذا المجال، حيث ظلت تدرسه لمدة عشرين عاما، لأن من يكون أول من ابتكر حاسوبا كميا سيحصل على جائزة لا يمكن إنكارها. ميزة تنافسية. علاوة على ذلك، فإن الشركة لا تعمل فقط على إنشاء الأجهزة، ولكنها قدمت مؤخرًا لغة برمجة يمكن للمطورين استخدامها. في الواقع، عدد قليل جدًا من الناس يمكنهم التفاخر بأنهم يفهمون مبادئ تشغيل هذا الجهاز الثوري؛ بالنسبة لمعظمنا هو شيء من الخيال العلمي. إذن ما هو؟

واحد من الأجزاء الأكثر أهميةالكمبيوتر الذي تعتمد عليه قوته بشكل مباشر هو المعالج، والذي يتكون بدوره من عدد كبير من الترانزستورات. الترانزستورات هي أبسط أجزاء النظام، فهي تشبه إلى حد ما المفاتيح ويمكن أن تكون في وضعين فقط: إما "تشغيل" أو "إيقاف". ومن مجموع هذه الأحكام أن الكود الثنائي، مكونة من أصفار وواحدات، والتي تعتمد عليها جميع لغات البرمجة.

وفقا لذلك، كلما كان الكمبيوتر أقوى، كلما زاد عدد الترانزستورات اللازمة لتشغيله. يقوم المصنعون باستمرار بتقليل أحجامهم، في محاولة لاستيعاب أكبر عدد ممكن من المعالجات. على سبيل المثال، في اكس بوكس ​​الجديديحتوي X واحد على المليارات منهم.

الآن حجم الترانزستور الواحد هو 10 ملم، أي جزء من مائة ألف من المليمتر. ولكن في يوم من الأيام سيتم الوصول إلى الحد المادي، الذي لا يمكن ببساطة صنع الترانزستور أصغر منه. من أجل تجنب الأزمة في تطوير تكنولوجيا المعلومات، يعمل العلماء على إنشاء جهاز كمبيوتر سيعمل على مبدأ مختلف تماما - الكم. يمكن للترانزستورات التي يتكون منها الكمبيوتر الكمي أن تكون في موقعين في وقت واحد: "تشغيل" و"إيقاف"، وبالتالي يمكن أن تكون واحدة وصفر في نفس الوقت، وهذا ما يسمى "التراكب".

إذا أخذنا 4 ترانزستورات قياسية (بتات)، فيمكنهم، بالعمل معًا، إنشاء 16 مجموعة مختلفة من الآحاد والأصفار. بالدور.

إذا أخذنا بعين الاعتبار 4 ترانزستورات كمومية (qubits)، فيمكن أن تكون جميعها 16 مجموعة في نفس الوقت. هذا توفير كبير للمساحة والوقت!

لكن، بالطبع، إنشاء الكيوبتات أمر صعب للغاية. يتعين على العلماء أن يتعاملوا مع الجسيمات دون الذرية التي تخضع لقوانين ميكانيكا الكم، وتتطور بشكل كامل نهج جديدإلى البرمجة واللغة.

يخرج أنواع مختلفةكيوبت على سبيل المثال، يعمل خبراء مايكروسوفت على إنشاء كيوبتات طوبولوجية. فهي هشة بشكل لا يصدق ويمكن تدميرها بسهولة بأدنى حد موجات صوتيةأو الإشعاع الحراري. ل عملية مستقرةيجب أن تكون درجة حرارتهم دائمًا -273 درجة مئوية. ومع ذلك، لديهم أيضًا عدد من المزايا مقارنة بالأنواع الأخرى: المعلومات المخزنة فيها خالية من الأخطاء عمليًا، وبالتالي، فإن الكمبيوتر الكمي الذي تم إنشاؤه على أساس الكيوبتات الطوبولوجية سيكون نظامًا موثوقًا للغاية.

يتكون الكمبيوتر الكمي من مايكروسوفت من ثلاثة مستويات رئيسية: المستوى الأول هو الكمبيوتر الكمي نفسه، الذي يحتوي على الكيوبتات ويقع باستمرار عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق؛ المستوى التالي - الكمبيوتر المبرد - هو أيضًا مطلقًا نوع جديدجهاز كمبيوتر يتحكم في الكم ويعمل عند درجة حرارة -268 درجة مئوية؛ المستوى الأخير- جهاز كمبيوتر يمكن لأي شخص استخدامه بالفعل ويتحكم في النظام بأكمله. أجهزة كمبيوتر مماثلةسيكون أقوى بما يتراوح بين 100 إلى 300 مرة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدمًا الموجودة اليوم.

اليوم، أصبح العالم أقرب من أي وقت مضى إلى اختراع كمبيوتر كمي حقيقي: هناك فهم لمبدأ تشغيله، والنماذج الأولية. وفي اللحظة التي تصبح فيها قدرة أجهزة الكمبيوتر التقليدية على معالجة جميع المعلومات الموجودة على الأرض غير كافية، سيظهر كمبيوتر كمي، مما يمثل ثورة كاملة عهد جديدالتقنيات الرقمية.

29 يناير 2017

بالنسبة لي، عبارة "الكمبيوتر الكمي" يمكن مقارنتها، على سبيل المثال، بـ "محرك الفوتون"، أي أنها شيء معقد ورائع للغاية. ومع ذلك، فأنا أقرأ الآن في الأخبار: "يتم بيع الكمبيوتر الكمي لمن يريده". والغريب، هل يقصدون الآن بهذا التعبير شيئًا آخر، أم أنه مجرد تزييف؟

دعونا نلقي نظرة فاحصة...

كيف بدأ كل شيء؟

لم يتم تأسيس نظرية الحواسيب الكمومية والحوسبة الكمومية إلا في منتصف التسعينيات. منطقة جديدةعلوم. كما هو الحال غالبًا مع الأفكار العظيمة، من الصعب تحديد المنشئ. من الواضح أن عالم الرياضيات المجري ج. فون نيومان كان أول من لفت الانتباه إلى إمكانية تطوير المنطق الكمي. ومع ذلك، في ذلك الوقت، لم يتم إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية فحسب، بل أيضًا أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية العادية. ومع ظهور الأخير، كانت الجهود الرئيسية للعلماء تهدف في المقام الأول إلى إيجاد وتطوير عناصر جديدة لهم (الترانزستورات، ثم الدوائر المتكاملة)، وليس لإنشاء أجهزة حوسبة مختلفة بشكل أساسي.

في ستينيات القرن الماضي، حاول الفيزيائي الأمريكي ر. لانداور، الذي كان يعمل في شركة IBM، لفت انتباه العالم العلمي إلى حقيقة أن الحسابات هي دائمًا وسيلة العملية الجسديةمما يعني أنه من المستحيل فهم حدود قدراتنا الحاسوبية دون تحديدها التنفيذ الماديكانت المباراة. لسوء الحظ، في ذلك الوقت، كانت وجهة النظر السائدة بين العلماء هي أن الحساب كان نوعًا من الإجراءات المنطقية المجردة التي يجب أن يدرسها علماء الرياضيات، وليس الفيزيائيون.

ومع انتشار أجهزة الكمبيوتر، توصل علماء الكم إلى استنتاج مفاده أنه من المستحيل عمليا إجراء حساب مباشر لحالة نظام متطور يتكون من بضع عشرات فقط من الجسيمات المتفاعلة، مثل جزيء الميثان (CH4). ويفسر ذلك حقيقة أن ل وصف كامل نظام معقدمن الضروري تخزين عدد كبير جدًا (من حيث عدد الجزيئات) من المتغيرات في ذاكرة الكمبيوتر، ما يسمى السعات الكمومية. ونشأ موقف متناقض: معرفة معادلة التطور، ومعرفة الدقة الكافية لجميع إمكانات تفاعل الجسيمات مع بعضها البعض و الحالة الأوليةالنظام، يكاد يكون من المستحيل حساب مستقبله، حتى لو كان النظام يتكون من 30 إلكترونًا فقط في بئر محتملة، وكمبيوتر فائق مزود بـ كبشحيث أن عدد البتات منها يساوي عدد الذرات الموجودة في المنطقة المرئية من الكون (!). وفي الوقت نفسه، لدراسة ديناميات مثل هذا النظام، يمكنك ببساطة إجراء تجربة مع 30 إلكترونًا، ووضعها في حالة محتملة ومبدئية معينة. وهذا، على وجه الخصوص، لاحظه عالم الرياضيات الروسي يو. مانين، الذي أشار في عام 1980 إلى الحاجة إلى تطوير نظرية الكم أجهزة الحوسبة. في الثمانينيات، تمت دراسة نفس المشكلة من قبل الفيزيائي الأمريكي ب. بينيف، الذي أظهر بوضوح أن النظام الكمي يمكنه إجراء العمليات الحسابية، وكذلك العالم الإنجليزي د. دويتش، الذي طور نظريًا حاسوبًا كميًا عالميًا يتفوق على حاسوبه الكمي. نظيره الكلاسيكي.

جذب الحائز اهتمامًا كبيرًا بمشكلة تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية جائزة نوبلفي الفيزياء ر. فاينمان. بفضل دعوته الموثوقة، زاد عدد المتخصصين الذين اهتموا بالحوسبة الكمومية عدة مرات.

أساس خوارزمية شور: قدرة البتات الكمومية على تخزين قيم متعددة في وقت واحد)

ومع ذلك، ظل من غير الواضح لفترة طويلة ما إذا كان من الممكن استخدام قوة الحوسبة الافتراضية للكمبيوتر الكمي لتسريع حل المشكلات العملية. لكن في عام 1994، فاجأ عالم الرياضيات الأمريكي، وهو موظف في شركة لوسنت تكنولوجيز (الولايات المتحدة الأمريكية) ب. شور العالم العلمي، يقترح خوارزمية كمومية تسمح بالتحليل السريع أعداد كبيرة(أهمية هذه المهمة سبق أن نوقشت في المقدمة). بالمقارنة مع أفضل طريقة كلاسيكية معروفة اليوم، توفر خوارزمية شور الكمومية تسارعًا متعددًا للعمليات الحسابية، وكلما زاد الرقم المُعامل، زادت السرعة. تعتبر خوارزمية التحليل السريع ذات أهمية عملية كبيرة لمختلف وكالات الاستخبارات التي جمعت بنوكًا من الرسائل غير المشفرة.

في عام 1996، اقترح زميل شور في شركة لوسنت تكنولوجيز إل. جروفر خوارزمية كمومية. بحث سريعفي قاعدة بيانات غير مرتبة. (مثال على قاعدة البيانات هذه هو سجل الهاتف، حيث لا يتم ترتيب ألقاب المشتركين أبجديًا، ولكن بطريقة تعسفية.) غالبًا ما توجد مهمة البحث واختيار العنصر الأمثل من بين العديد من الخيارات في المشكلات الاقتصادية والعسكرية والهندسية وألعاب الكمبيوتر. لا تسمح خوارزمية Grover بتسريع عملية البحث فحسب، بل تتيح أيضًا مضاعفة عدد المعلمات التي يتم أخذها في الاعتبار تقريبًا عند اختيار الخيار الأمثل.

تم إعاقة الإنشاء الحقيقي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل أساسي بواسطة الوحيد مشكلة خطيرة- أخطاء أو تدخل. والحقيقة هي أن نفس المستوى من التداخل يفسد عملية الحوسبة الكمومية بشكل مكثف أكثر بكثير من الحوسبة الكلاسيكية.

إذا قلت بكلمات بسيطة، الذي - التي: " ينتج النظام الكمي نتيجة صحيحة فقط مع بعض الاحتمالات. بمعنى آخر، إذا حسبت 2+2، فإن الرقم 4 لن يأتي إلا بدرجة معينة من الدقة. لن تحصل أبدًا على 4 بالضبط. منطق معالجه لا يشبه على الإطلاق المعالج الذي اعتدنا عليه.

هناك طرق لحساب النتيجة بدقة محددة مسبقًا، وبطبيعة الحال مع زيادة وقت الكمبيوتر.
تحدد هذه الميزة قائمة المهام. ولم يتم الإعلان عن هذه الميزة، ويتكون لدى الجمهور انطباع بأن الكمبيوتر الكمي هو نفس جهاز الكمبيوتر العادي (نفس 0 و1)، ولكنه سريع ومكلف فقط. هذا غير صحيح في الأساس.

نعم، وشيء آخر - بالنسبة للكمبيوتر الكمي والحوسبة الكمومية بشكل عام، خاصة من أجل استخدام "قوة وسرعة" الحوسبة الكمومية، هناك حاجة إلى خوارزميات ونماذج خاصة تم تطويرها خصيصًا لخصائص الحوسبة الكمومية. ولذلك، فإن صعوبة استخدام الكمبيوتر الكمي لا تكمن فقط في توفر الأجهزة، ولكن أيضًا في تطوير طرق حسابية جديدة غير مستخدمة حتى الآن. "

الآن دعونا نعود إلى التنفيذ العمليالكمبيوتر الكمي: معالج D-Wave التجاري بقدرة 512 كيوبت موجود بالفعل منذ بعض الوقت، بل وقد تم بيعه!!!

الآن، يبدو أن هذا اختراق حقيقي!!! وتشهد مجموعة من العلماء ذوي السمعة الطيبة في مجلة Physical Review ذات السمعة الطيبة بشكل مقنع أن تأثيرات التشابك الكمي قد تم اكتشافها بالفعل في D-Wave.

على التوالى، هذا الجهازله كل الحق في أن يطلق عليه جهاز كمبيوتر كمومي حقيقي، فهو يسمح من الناحية المعمارية بزيادة عدد الكيوبتات بشكل كامل، وبالتالي، لديه آفاق رائعة للمستقبل... (T. Lanting et al. التشابك في التلدين الكمي) المراجعة الفيزيائية X 4، 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

صحيح، في وقت لاحق قليلا، مجموعة أخرى من العلماء ذوي السمعة الطيبة في مجلة العلوم التي لا تقل شهرة، الذين درسوا نفس الشيء نظام الكمبيوترقام D-Wave بتقييمه عمليًا بحتًا: مدى جودة أداء هذا الجهاز لوظائفه الحاسوبية. وتوضح هذه المجموعة من العلماء، تمامًا وبشكل مقنع مثل المجموعة الأولى، أنه في اختبارات التحقق الحقيقية المناسبة لهذا التصميم على النحو الأمثل، لا يوفر الكمبيوتر الكمي D-Wave أي زيادة في السرعة مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية والكلاسيكية. (تي إف رونو، إم ترويير وآخرون. تعريف واكتشاف تسريع الكم. العلوم، يونيو 2014 المجلد. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

في الواقع، لم تكن هناك مهام لـ "آلة المستقبل" باهظة الثمن ولكن المتخصصة حيث يمكنها إثبات تفوقها الكمي. وبعبارة أخرى، فإن المعنى الحقيقي للجهود الباهظة الثمن لإنشاء مثل هذا الجهاز هو موضع شك كبير...
وكانت النتائج على النحو التالي: الآن المجتمع العلميلم يعد هناك شك في ذلك في معالج الكمبيوتر عمل موجة Dتحدث العناصر فعليًا بناءً على التأثيرات الكمومية الحقيقية بين البتات الكمومية.

ولكن (وهذا أمر خطير للغاية ولكن) دلائل الميزاتفي تصميم معالج D-Wave بحيث لا توفر كل فيزياء الكم الخاصة به أثناء التشغيل الحقيقي أي مكاسب مقارنة بجهاز كمبيوتر قوي عادي يحتوي على برنامج خاص مصمم لحل مشكلات التحسين.

ببساطة، لم يقتصر الأمر على أن العلماء الذين اختبروا تقنية D-Wave حتى الآن لم يتمكنوا من رؤية مشكلة واحدة في العالم الحقيقي حيث يمكن للكمبيوتر الكمي أن يثبت بشكل مقنع تفوقه الحسابي، ولكن حتى الشركة المصنعة نفسها ليس لديها أي فكرة عما قد تكون عليه هذه المشكلة. ..

الأمر كله يتعلق بميزات تصميم معالج D-Wave بسعة 512 بت، والذي يتم تجميعه من مجموعات مكونة من 8 بت. في الوقت نفسه، ضمن هذه المجموعات المكونة من 8 كيوبتات، تتواصل جميعها مباشرة مع بعضها البعض، ولكن بين هذه المجموعات تكون الاتصالات ضعيفة جدًا (من الناحية المثالية، يجب أن تتواصل جميع البتات الكمومية للمعالج مباشرة مع بعضها البعض). هذا، بالطبع، يقلل بشكل كبير جدًا من تعقيد بناء معالج كمي... ولكن هذا يؤدي إلى الكثير من المشكلات الأخرى التي تؤدي في النهاية إلى معدات التبريد، وهي مكلفة للغاية في التشغيل، مما يؤدي إلى تبريد الدائرة إلى درجة منخفضة للغاية درجات الحرارة.

إذن ماذا يقدمون لنا الآن؟

أعلنت شركة D-Wave الكندية عن بدء مبيعات حاسوبها الكمي D-Wave 2000Q، الذي أعلنت عنه في سبتمبر من العام الماضي. التمسك ب التناظرية الخاصةقانون مور الذي ينص على عدد الترانزستورات لكل دارة متكاملةيتضاعف كل عامين، وضعت D-Wave 2048 كيوبت على وحدة المعالجة الكمية (QPU). ديناميات النمو في عدد البتات الكمومية على وحدة المعالجة المركزية السنوات الاخيرةيبدو مثل هذا:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

علاوة على ذلك، على عكس المعالجات التقليدية ووحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات، فإن مضاعفة الكيوبتات لا تصاحبها زيادة في الأداء بمقدار 1000 ضعف، بل بزيادة قدرها 1000 ضعف. بالمقارنة مع جهاز كمبيوتر ذو بنية تقليدية وتكوين وحدة معالجة مركزية أحادية النواة ووحدة معالجة رسومات 2500 نواة، فإن الفرق في الأداء يتراوح من 1000 إلى 10000 مرة. كل هذه الأرقام مثيرة للإعجاب بالتأكيد، ولكن هناك بعض "التحفظات".

أولاً، جهاز D-Wave 2000Q مكلف للغاية - 15 مليون دولار، وهو جهاز ضخم ومعقد إلى حد ما. دماغه عبارة عن وحدة معالجة مركزية مصنوعة من معدن غير حديدي يسمى النيوبيوم، والذي تحدث خصائصه فائقة التوصيل (الضرورية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية) في الفراغ عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق أقل من 15 ملي كلفن (أي أقل بـ 180 مرة من درجة الحرارة في الفضاء الخارجي).

ويتطلب الحفاظ على درجة حرارة منخفضة للغاية قدرًا كبيرًا من الطاقة، تصل إلى 25 كيلووات. ولكن لا يزال هذا، وفقًا للشركة المصنعة، أقل 100 مرة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية ذات الأداء المماثل. وبالتالي فإن أداء D-Wave 2000Q لكل واط من استهلاك الطاقة أعلى 100 مرة. إذا تمكنت الشركة من الاستمرار في اتباع "قانون مور"، فإن هذا الاختلاف في أجهزة الكمبيوتر المستقبلية سوف ينمو بشكل كبير، مع الحفاظ على استهلاك الطاقة عند المستوى الحالي.

أولاً، أجهزة الكمبيوتر الكمومية لها غرض محدد للغاية. في حالة D-Wave 2000Q نحن نتحدث عنحول ما يسمى أجهزة الكمبيوتر الأدياباتيكية وحل مشاكل التطبيع الكمي. وهي تنشأ بشكل خاص في المجالات التالية:

التعلم الالي:

كشف الشذوذات الإحصائية
- إيجاد النماذج المضغوطة
- التعرف على الصور والأنماط
- تدريب الشبكات العصبية
- التحقق من البرامج والموافقة عليها
- تصنيف البيانات غير الهيكلية
- تشخيص الأخطاء في الدائرة

الأمن والتخطيط

الكشف عن الفيروسات واختراق الشبكات
- توزيع الموارد وإيجادها الطرق المثلى
- تحديد العضوية في مجموعة
- تحليل خصائص الرسم البياني
— تحليل الأعداد الصحيحة (يستخدم في التشفير)

النماذج المالية

الكشف عن عدم استقرار السوق
— تطوير استراتيجيات التداول
- تحسين مسارات التداول
- تحسين تسعير الأصول والتحوط
- تحسين المحفظة

الرعاية الصحية والطب

كشف الاحتيال (ربما يتعلق بالتأمين الصحي)
— توليد العلاج الدوائي المستهدف (“المستهدف الجزيئي”).
— تحسين علاج [السرطان] باستخدام العلاج الإشعاعي
- إنشاء نماذج البروتين.

كان المشتري الأول لـ D-Wave 2000Q هو TDS (أنظمة الدفاع المؤقتة)، وهي شركة تعمل في مجال الأمن السيبراني. بشكل عام، يتم استخدام منتجات D-Wave من قبل شركات ومؤسسات مثل Lockheed Martin وGoogle ومركز أبحاث NASA Ames والجامعة. جنوب كاليفورنياومختبر لوس ألاموس الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

وبالتالي، نحن نتحدث عن نادرة (D-Wave هي الشركة الوحيدة في العالم التي تنتج عينات تجارية من أجهزة الكمبيوتر الكمومية) والتكنولوجيا باهظة الثمن مع تطبيق ضيق ومحدد إلى حد ما. لكن معدل نمو إنتاجيتها مذهل، وإذا استمرت هذه الديناميكيات، فبفضل أجهزة الكمبيوتر الثابتة في D-Wave (والتي قد تنضم إليها شركات أخرى بمرور الوقت)، يمكننا أن نتوقع اختراقات حقيقية في العلوم والتكنولوجيا في السنوات المقبلة. من المثير للاهتمام بشكل خاص الجمع بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتكنولوجيا الواعدة والمتطورة بسرعة مثل الذكاء الاصطناعي - خاصة وأن متخصصًا موثوقًا مثل آندي روبن يرى المستقبل في هذا.

نعم، بالمناسبة، هل تعلم أن شركة IBM سمحت لمستخدمي الإنترنت بالاتصال بالكمبيوتر الكمي العالمي الذي صنعته مجانًا وتجربة الخوارزميات الكمومية. لن يكون الجهاز قويًا بما يكفي لكسر أنظمة تشفير المفتاح العام، ولكن إذا أتت خطط IBM بثمارها، فستظهر أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر تطوراً في الأفق.

يحتوي الكمبيوتر الكمي الذي أتاحته شركة IBM على خمس كيوبتات: أربعة منها تستخدم للعمل مع البيانات، والخامسة تستخدم لتصحيح الأخطاء أثناء العمليات الحسابية. تصحيح الأخطاء هو الابتكار الرئيسي الذي يفخر به مطوروه. سيجعل من السهل زيادة عدد الكيوبتات في المستقبل.

تؤكد شركة IBM أن حاسوبها الكمي عالمي وقادر على تنفيذ أي خوارزميات كمومية. وهذا ما يميزه عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكاظمية التي تعمل شركة D-Wave على تطويرها. تم تصميم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأدياباتيكية للبحث حل مثاليوظائف وليست مناسبة لأغراض أخرى.

يُعتقد أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية العالمية ستجعل من الممكن حل بعض المشكلات التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية حلها. معظم مثال مشهورتتضمن مثل هذه المشكلة تحليل الأعداد إلى عوامل أولية. قد يستغرق الكمبيوتر العادي، حتى لو كان سريعًا جدًا، مئات السنين للعثور على العوامل الأولية لعدد كبير. سيجدها الكمبيوتر الكمي باستخدام خوارزمية شور بنفس سرعة ضرب الأعداد الصحيحة.

إن استحالة تحليل الأعداد بسرعة إلى عوامل أولية هي الأساس أنظمة التشفيرمع المفتاح العام. إذا تعلموا إجراء هذه العملية بالسرعة التي وعدت بها الخوارزميات الكمومية، فسيتعين عليهم نسيان معظم التشفير الحديث.

على الكم كمبيوتر آي بي إميمكنك تشغيل خوارزمية Shor، ولكن حتى يكون هناك المزيد من الكيوبتات، سيكون هذا قليل الفائدة. وعلى مدى السنوات العشر المقبلة سوف يتغير هذا. بحلول عام 2025، تخطط شركة IBM لبناء حاسوب كمي يحتوي على ما بين خمسين إلى مائة كيوبت. وفقًا للخبراء، حتى مع وجود خمسين كيوبتًا، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على حل بعض المشكلات العملية.

إليك بعض المعلومات الأكثر إثارة للاهتمام حول تكنولوجيا الكمبيوتر: اقرأ كيف، ولكن اتضح أيضًا أن ذلك ممكن وما هو عليه

إن الإنسانية، كما كانت قبل 60 عاما، على وشك تحقيق طفرة كبيرة في مجال تكنولوجيا الحوسبة. قريبًا جدًا، ستحل أجهزة الكمبيوتر الكمومية محل أجهزة الكمبيوتر الحالية.

إلى أي مدى وصل التقدم؟

في عام 1965، قال جوردون مور إنه في غضون عام يتضاعف عدد الترانزستورات التي يمكن تركيبها على شريحة السيليكون الدقيقة. وقد تباطأ معدل التقدم هذا في الآونة الأخيرة، وأصبحت المضاعفة تحدث بشكل أقل تواترا - مرة كل عامين. وحتى هذه الوتيرة ستسمح للترانزستورات بالوصول إلى حجم الذرة في المستقبل القريب. التالي هو الخط الذي لا يمكن تجاوزه. من وجهة نظر البنية الفيزيائية للترانزستور، لا يمكن بأي حال من الأحوال أن يكون أصغر من الكميات الذرية. زيادة حجم الشريحة لا يحل المشكلة. يرتبط تشغيل الترانزستورات بإطلاق الطاقة الحرارية، وتحتاج المعالجات إلى نظام تبريد عالي الجودة. كما أن البنية متعددة النواة لا تحل مشكلة المزيد من النمو. سيتم الوصول إلى الذروة في تطوير تكنولوجيا المعالجات الحديثة قريبًا.
لقد فهم المطورون هذه المشكلة في الوقت الذي كان فيه المستخدمون قد بدأوا للتو في امتلاك أجهزة كمبيوتر شخصية. في عام 1980، صاغ أحد مؤسسي علم المعلومات الكمومية، البروفيسور السوفييتي يوري مانين، فكرة الحوسبة الكمومية. وبعد مرور عام، اقترح ريتشارد فايمان النموذج الأول لجهاز كمبيوتر مزود بمعالج كمي. الأساس النظري لما ينبغي أن تبدو عليه أجهزة الكمبيوتر الكمومية صاغه بول بينيوف.

كيف يعمل الحاسوب الكمي

لفهم كيفية عمل المعالج الجديد، يجب أن يكون لديك على الأقل معرفة سطحية بمبادئ ميكانيكا الكم. ليس هناك فائدة من إعطاء التخطيطات والصيغ الرياضية هنا. ويكفي للشخص العادي أن يتعرف على السمات المميزة الثلاث لميكانيكا الكم:

• يتم تحديد حالة أو موضع الجسيم فقط بدرجة معينة من الاحتمال.
• إذا كان الجسيم يمكن أن يكون له عدة حالات، فإنه يكون في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد. هذا هو مبدأ التراكب.
• تؤدي عملية قياس حالة الجسيم إلى اختفاء التراكب. ومن المميز أن المعرفة المتعلقة بحالة الجسيم التي يتم الحصول عليها عن طريق القياس تختلف عن الحالة الحقيقية للجسيم قبل القياسات.

من وجهة نظر الفطرة السليمة - محض هراء. في عالمنا العادي، يمكن تمثيل هذه المبادئ على النحو التالي: باب الغرفة مغلق، وفي نفس الوقت مفتوح. مغلقة ومفتوحة في نفس الوقت.

هذا هو الفرق المذهل بين الحسابات. يعمل المعالج التقليدي بالرمز الثنائي. يمكن أن تكون البتات الحاسوبية في حالة واحدة فقط، أي أن تكون قيمتها المنطقية 0 أو 1. تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام الكيوبتات، التي يمكن أن تكون قيمتها المنطقية 0 و1 و0 و1 في الوقت نفسه. ولحل بعض المشكلات، سيكون لديهم ميزة تقدر بملايين الدولارات على أجهزة الحوسبة التقليدية. يوجد اليوم بالفعل العشرات من الأوصاف لخوارزميات العمل. يقوم المبرمجون بإنشاء كود برنامج خاص يمكنه العمل وفقًا لمبادئ الحساب الجديدة.

أين سيتم استخدام الكمبيوتر الجديد؟

يتيح لك النهج الجديد في عملية الحوسبة العمل مع كميات هائلة من البيانات وإجراء عمليات حسابية فورية. مع ظهور أجهزة الكمبيوتر الأولى، كان لدى بعض الناس، بما في ذلك المسؤولون الحكوميون، شكوك كبيرة بشأن استخدامها في الاقتصاد الوطني. لا يزال هناك أشخاص اليوم تساورهم الشكوك حول أهمية أجهزة الكمبيوتر للجيل الجديد بشكل أساسي. لفترة طويلة جدًا، رفضت المجلات التقنية نشر مقالات حول الحوسبة الكمومية، معتبرة هذا المجال بمثابة حيلة احتيالية شائعة لخداع المستثمرين.

إن الطريقة الجديدة للحوسبة ستخلق الشروط المسبقة للاكتشافات العلمية العظيمة في جميع الصناعات. سوف يحل الطب العديد من القضايا الإشكالية، والتي تراكمت مؤخرا كثيرا. سيصبح من الممكن تشخيص السرطان في مرحلة مبكرة من المرض أكثر من الآن. ستكون الصناعة الكيميائية قادرة على تصنيع منتجات ذات خصائص فريدة.

لن يستغرق التقدم في مجال الملاحة الفضائية وقتًا طويلاً. سوف تصبح الرحلات الجوية إلى الكواكب الأخرى شائعة مثل الرحلات اليومية حول المدينة. من المؤكد أن الإمكانات التي تكمن في الحوسبة الكمومية ستحول كوكبنا إلى ما هو أبعد من التعرف عليه.

ميزة أخرى مميزة تمتلكها أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي قدرة الحوسبة الكمومية على العثور بسرعة على الكود أو التشفير المطلوب. يقوم الكمبيوتر العادي بتنفيذ حل التحسين الرياضي بشكل متسلسل، ويجرب خيارًا تلو الآخر. ويعمل المنافس الكمي مع مجموعة كاملة من البيانات في وقت واحد، ويختار الخيارات الأكثر ملاءمة بسرعة البرق وفي وقت قصير غير مسبوق. سيتم فك تشفير المعاملات المصرفية في غمضة عين، وهو أمر لا يمكن الوصول إليه بواسطة أجهزة الكمبيوتر الحديثة.

ومع ذلك، لا داعي للقلق على القطاع المصرفي، إذ سيتم حفظ سره من خلال طريقة التشفير الكمي مع مفارقة القياس. عند محاولة فتح الرمز، سيتم تشويه الإشارة المرسلة. المعلومات الواردة لن يكون لها أي معنى. تهتم الأجهزة السرية، التي يعتبر التجسس بالنسبة لها ممارسة شائعة، بإمكانيات الحوسبة الكمومية.

صعوبات التصميم

وتكمن الصعوبة في خلق الظروف التي يمكن في ظلها أن تظل البتة الكمومية في حالة تراكب إلى أجل غير مسمى.

كل كيوبت عبارة عن معالج دقيق يعمل وفقًا لمبادئ الموصلية الفائقة وقوانين ميكانيكا الكم.

يتم إنشاء عدد من الظروف البيئية الفريدة حول العناصر المجهرية للآلة المنطقية:

• درجة الحرارة 0.02 درجة كلفن (-269.98 درجة مئوية)؛
• نظام الحماية ضد الإشعاع المغناطيسي والكهربائي (يقلل من تأثير هذه العوامل بمقدار 50 ألف مرة)؛
• نظام إزالة الحرارة وتخميد الاهتزاز.
• خلخلة الهواء أقل 100 مليار مرة من الضغط الجوي.

يؤدي الانحراف الطفيف في البيئة إلى فقدان الكيوبتات لحالة التراكب الخاصة بها على الفور، مما يؤدي إلى حدوث خلل.

قبل بقية الكوكب

كل ما سبق يمكن أن يعزى إلى إبداع العقل المحموم لكاتب قصص الخيال العلمي إذا لم تكن Google، مع وكالة ناسا، قد اشترت العام الماضي جهاز كمبيوتر كمي D-Wave من شركة أبحاث كندية، يحتوي معالجه على 512 كيوبت.

وبمساعدتها، ستقوم الشركة الرائدة في سوق تكنولوجيا الكمبيوتر بحل مشكلات التعلم الآلي في فرز وتحليل كميات كبيرة من البيانات.

كما أدلى سنودن، الذي غادر الولايات المتحدة، ببيان كاشف مهم - حيث تخطط وكالة الأمن القومي أيضًا لتطوير جهاز الكمبيوتر الكمي الخاص بها.

2014 - بداية عصر أنظمة D-Wave

بدأ الرياضي الكندي الناجح جوردي روز، بعد صفقة مع جوجل وناسا، في بناء معالج بسعة 1000 كيوبت. سيتجاوز النموذج المستقبلي النموذج الأولي التجاري الأول بما لا يقل عن 300 ألف مرة في سرعة وحجم العمليات الحسابية. الكمبيوتر الكمي، الموضح في الصورة أدناه، هو أول نسخة تجارية في العالم لتقنية حوسبة جديدة بشكل أساسي.

وقد دفعه إلى الانخراط في التطوير العلمي من خلال معرفته في الجامعة بأعمال كولن ويليامز في مجال الحوسبة الكمومية. يجب القول أن ويليامز يعمل اليوم في شركة روز كمدير مشروع تجاري.

اختراق أو خدعة علمية

روز نفسه لا يعرف تمامًا ما هي أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وفي غضون عشر سنوات، انتقل فريقه من إنشاء معالج 2 كيوبت إلى أول من بنات أفكار تجارية اليوم.

منذ بداية بحثه، سعى روز إلى إنشاء معالج يحتوي على حد أدنى لعدد الكيوبتات يبلغ ألفًا. وكان عليه بالتأكيد أن يكون لديه خيار تجاري - من أجل البيع وكسب المال.

يحاول الكثيرون، الذين يعرفون هوس روز وفطنته التجارية، اتهامه بالتزوير. يُزعم أن المعالج الأكثر شيوعًا يتم تقديمه على أنه كمي. ومما يسهل ذلك أيضًا حقيقة أن التكنولوجيا الجديدة تظهر أداءً استثنائيًا عند إجراء أنواع معينة من العمليات الحسابية. خلاف ذلك، فإنه يتصرف مثل جهاز كمبيوتر عادي تماما، فقط باهظ الثمن.

متى سوف تظهر

ليس هناك وقت طويل للانتظار. سيقوم فريق البحث، المنظم من قبل المشترين المشتركين للنموذج الأولي، بتقديم تقرير عن نتائج البحث على D-Wave في المستقبل القريب.
ربما سيأتي قريبًا الوقت الذي ستحدث فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية ثورة في فهمنا للعالم من حولنا. وستصل البشرية جمعاء في هذه اللحظة إلى مستوى أعلى من تطورها.

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بثورة حقيقية، ليس فقط في مجال الحوسبة، ولكن أيضًا في مجالها الحياه الحقيقيه. تمتلئ وسائل الإعلام بالعناوين الرئيسية حول كيفية تدمير أجهزة الكمبيوتر الكمومية للتشفير الحديث وقوتها الذكاء الاصطناعيفبفضلهم سيزداد حجمه.

على مدى السنوات العشر الماضية، انتقلت أجهزة الكمبيوتر الكمومية من النظرية البحتة إلى الأمثلة العملية الأولى. صحيح أن الطريق ما زال طويلاً قبل الثورة الموعودة، وقد لا يكون تأثيرها في النهاية شاملاً كما يبدو الآن.

كيف يعمل الكمبيوتر الكمي؟

الكمبيوتر الكمي هو جهاز يستخدم ظاهرتي التراكب الكمي والتشابك الكمي. العنصر الرئيسي في مثل هذه الحسابات هو الكيوبت، أو البت الكمومي. وراء كل هذه الكلمات تكمن الرياضيات والفيزياء المعقدة للغاية، ولكن إذا قمت بتبسيطها قدر الإمكان، فستحصل على شيء كهذا.

في أجهزة الكمبيوتر العاديةنحن نتعامل مع البتات. البت هي وحدة قياس المعلومات في النظام الثنائي. يمكن أن تأخذ القيمة 0 و 1، وهي مريحة جدًا ليس فقط لـ عمليات رياضية، ولكن أيضًا بالنسبة للقيم المنطقية، حيث يمكن ربط الصفر بالقيمة "خطأ" والواحد بـ "صحيح".

تعتمد المعالجات الحديثة على الترانزستورات وعناصر أشباه الموصلات التي يمكن أن تمر أو لا تمر كهرباء. بمعنى آخر، تنتج قيمتين، 0 و1. وبالمثل، في ذاكرة الفلاش، يمكن لترانزستور البوابة العائمة تخزين الشحنة. إذا كان موجودًا نحصل على واحد، وإذا لم يكن موجودًا نحصل على صفر. نفس الطريقةيعمل المغناطيسي أيضًا التسجيل الرقمي، فقط حامل المعلومات هو الجسيم المغناطيسي، إما أن يكون له شحنة أو لا يكون له شحنة.

عند الحساب نقرأ قيمة البت (0 أو 1) من الذاكرة ثم نمرر التيار عبر الترانزستور واعتمادا على تمريره أم لا نحصل على الخرج قليلا جديدة، وربما يكون له معنى مختلف.

ما هي الكيوبتات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية؟ في الكمبيوتر الكمي، العنصر الرئيسي هو الكيوبت - البت الكمي. وعلى عكس البت العادي، فهو في حالة تراكب كمي، أي أن له قيمة كل من 0 و1، وأي مزيج منهما في أي وقت. إذا كان هناك عدة كيوبتات في النظام، فإن تغيير واحدة منها يستلزم أيضًا تغيير جميع الكيوبتات الأخرى.

هذا يسمح لك بحساب كل شيء مرة واحدة الخيارات الممكنة. يقوم المعالج التقليدي، بحساباته الثنائية، بحساب الخيارات بالتسلسل. في البداية سيناريو واحد، ثم آخر، ثم ثالث، وهكذا. لتسريع الأمور، بدأوا في استخدام تعدد العمليات، وإجراء العمليات الحسابية بالتوازي، والجلب المسبق، للتنبؤ بخيارات التفرع المحتملة وحسابها مسبقًا. في الحاسوب الكمي، يتم كل هذا بالتوازي.

مبدأ الحساب مختلف أيضًا. بمعنى ما، يحتوي الكمبيوتر الكمي بالفعل على جميع الحلول الممكنة للمشكلة؛ ومهمتنا هي فقط قراءة حالة الكيوبتات و... الاختيار من بينها الخيار الصحيح. وهنا تبدأ الصعوبات. هذا هو مبدأ تشغيل الكمبيوتر الكمي.

إنشاء جهاز كمبيوتر الكم

ماذا ستكون الطبيعة الفيزيائية للكمبيوتر الكمي؟ لا يمكن تحقيق الحالة الكمومية إلا في الجسيمات. لا يمكن بناء الكيوبت من عدة ذرات، مثل الترانزستور. وحتى الآن لم يتم حل هذه المشكلة بشكل كامل. هناك عدة خيارات. يتم استخدام حالات شحن الذرات، على سبيل المثال، وجود أو عدم وجود إلكترون النقطة المعتادة، العناصر فائقة التوصيل، الفوتونات، الخ.

مثل هذه "الأمور الدقيقة" تفرض قيودًا على قياس حالة الكيوبتات. الطاقات منخفضة للغاية، وهناك حاجة إلى مكبرات الصوت لقراءة البيانات. لكن مكبرات الصوت يمكن أن تؤثر على النظام الكمي وتغير حالاته، ومع ذلك، ليس فقط هم، ولكن حتى حقيقة الملاحظة يمكن أن يكون لها أهمية.

تتضمن الحوسبة الكمومية سلسلة من العمليات التي يتم إجراؤها على واحد أو أكثر من الكيوبتات. وهذا بدوره يؤدي إلى تغييرات في النظام بأكمله. وتتمثل المهمة في اختيار الحالة الصحيحة من حالاتها، والتي تعطي نتيجة الحسابات. في هذه الحالة، يمكن أن يكون هناك أي عدد من الدول الأقرب إلى هذا الأمر قدر الإمكان. وبناء على ذلك، فإن دقة مثل هذه الحسابات ستختلف دائما تقريبا عن الوحدة.

وبالتالي، يتطلب الكمبيوتر الكمي الكامل تطورات كبيرة في الفيزياء. بالإضافة إلى ذلك، فإن برمجة الحاسوب الكمي ستكون مختلفة عما هو موجود الآن. وأخيرًا، لن تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من حل المشكلات التي لا يمكن حلها بواسطة الحواسيب التقليدية، ولكنها يمكنها تسريع حلول تلك المشكلات التي يمكنها التعامل معها. صحيح، مرة أخرى، ليس كل شيء.

حساب الكيوبت، الكمبيوتر الكمي الكيوبت

تدريجيًا، تتم إزالة المشاكل الموجودة في الطريق إلى الكمبيوتر الكمومي. تم بناء الكيوبتات الأولى في بداية القرن. وتسارعت العملية في بداية العقد. اليوم، أصبح المطورون قادرين بالفعل على إنتاج معالجات بعشرات الكيوبتات.

كان الإنجاز الأخير هو إنشاء معالج Bristlecone في أحشاء Google. وفي مارس 2018، أعلنت الشركة أنها تمكنت من بناء معالج 72 كيوبت. على ماذا المبادئ الماديةلا يقول Google ذلك. ومع ذلك، يُعتقد أن 49 كيوبت كافية لتحقيق "التفوق الكمي"، عندما يبدأ الكمبيوتر الكمي في التفوق على الكمبيوتر التقليدي. وتمكنت جوجل من استيفاء هذا الشرط، لكن نسبة الخطأ البالغة 0.6% لا تزال أعلى من النسبة المطلوبة البالغة 0.5%.

في خريف عام 2017، أعلنت شركة IBM عن إنشاء نموذج أولي لمعالج كمي 50 كيوبت. يتم اختباره. ولكن في عام 2017، فتحت شركة IBM معالجها ذو الـ 20 كيوبت من أجل حوسبة سحابية. في مارس 2018، تم إطلاق نسخة أصغر من IBM Q، ويمكن لأي شخص إجراء تجارب على مثل هذا الكمبيوتر. وبناءً على نتائجهم، تم بالفعل نشر 35 ورقة علمية.

في بداية الذكرى العاشرة، ظهرت الشركة السويدية D-Wave في السوق، والتي وضعت أجهزة الكمبيوتر الخاصة بها على أنها الكم. لقد أثارت الكثير من الجدل، حيث أعلنت عن إنشاء آلات ذات 1000 كيوبت، في حين كان القادة المعترف بهم "يصلحون" ببضعة كيوبت فقط. بيعت أجهزة كمبيوتر من مطورين سويديين بمبلغ يتراوح بين 10 إلى 15 مليون دولار، لذلك لم يكن اختبارها بهذه السهولة.

إن حواسيب D-Wave ليست كمومية بالمعنى الحقيقي للكلمة، ولكنها تستخدم بعض التأثيرات الكمومية التي يمكن استخدامها لحل بعض مشاكل التحسين. بمعنى آخر، ليست كل الخوارزميات التي يمكن تنفيذها على جهاز كمبيوتر كمي تتلقى تسارعًا كميًا على D-Wave. استحوذت Google على أحد أنظمة السويديين. ونتيجة لذلك، تعرف الباحثون على أجهزة الكمبيوتر على أنها "كمية محدودة". اتضح أن الكيوبتات يتم تجميعها في مجموعات من ثمانية، أي أنها عدد حقيقيأقل بشكل ملحوظ مما هو معلن.

الكمبيوتر الكمي في روسيا

تسمح مدرسة الفيزياء القوية تقليديًا للشخص بتقديم مساهمة كبيرة في الحل مشاكل جسديةلإنشاء جهاز كمبيوتر الكم. وفي يناير 2018، ابتكر الروس مضخم إشارة لجهاز كمبيوتر كمي. وبالنظر إلى أن مكبر الصوت نفسه قادر على التأثير على حالة الكيوبتات من خلال تشغيله، فإن مستوى الضوضاء الذي يولده يجب أن يختلف قليلاً عن "الفراغ". وهذا ما نجح في تحقيقه علماء روس من مختبر "المواد فائقة التوصيل" التابع لـ NUST MISIS ومعهدين تابعين للأكاديمية الروسية للعلوم. تم استخدام الموصلات الفائقة لإنشاء مكبر الصوت.

كما تم إنشاء مركز كمي في روسيا. هذه دولة غير دولة منظمة بحثية، تعمل في مجال البحث في مجال فيزياء الكم. وهي تعمل أيضًا على حل مشكلة إنشاء الكيوبتات. خلف المركز يقف رجل الأعمال سيرجي بيلوسوف والأستاذ بجامعة هارفارد ميخائيل لوكين. تحت قيادته، تم بالفعل إنشاء معالج 51 كيوبت في جامعة هارفارد، والذي كان لبعض الوقت قبل الإعلان عن Bristlecon أقوى جهاز كمبيوتر كمي في العالم.

أصبح تطوير الحوسبة الكمومية جزءًا من برنامج الدولة للاقتصاد الرقمي. وفي 2018-20، سيتم تخصيص دعم الدولة للعمل في هذا المجال. تنص خطة العمل على إنشاء جهاز محاكاة كمي باستخدام ثمانية كيوبتات فائقة التوصيل. وبعد ذلك، سيتم تحديد مسألة توسيع نطاق هذه التكنولوجيا.

بالإضافة إلى ذلك، قبل عام 2020 في روسيا سوف يقومون باختبار آخر تكنولوجيا الكم: بناء الكيوبتات على ذرات محايدة وأيونات مشحونة في الفخاخ.

أحد أهداف البرنامج هو إنشاء أجهزة التشفير الكمي والاتصالات الكمومية. سيتم إنشاء مراكز توزيع للمفاتيح الكمومية، والتي ستقوم بتوزيعها على المستهلكين - البنوك ومراكز البيانات والمؤسسات الصناعية. من المعتقد أن الكمبيوتر الكمي الكامل يمكنه كسر أي شيء خوارزمية حديثةالتشفير.

مؤخراً

لذلك، لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية تجريبية. ومن غير المرجح أن يوفر حاسوب كمي مكتمل إمكانات عالية حقًا القدرة الحاسوبية، سوف تظهر قبل العقد القادم. لا يزال إنتاج الكيوبتات وبناء أنظمة مستقرة منها بعيدًا عن الكمال.

اذا حكمنا من خلال حقيقة ذلك المستوى الجسديتمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية العديد من الحلول التي تختلف في التكنولوجيا، وربما في التكلفة، ولن يتم توحيدها لمدة 10 سنوات أخرى. وقد تستغرق عملية التوحيد وقتًا طويلاً.

بالإضافة إلى ذلك، من الواضح بالفعل أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستظل على الأرجح أجهزة "مجزأة" ومكلفة للغاية خلال العقد المقبل. ومن غير المرجح أن ينتهي بهم الأمر في جيبك مستخدم بسيط، ولكن من المتوقع أن تظهر قائمة أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

ومن المحتمل أن يتم تقديم أجهزة الكمبيوتر الكمومية في نموذج "سحابي"، حيث يمكن للباحثين والمنظمات المهتمين استخدام مواردها.