Людство, як і 60 років тому, знову стоїть на порозі грандіозного прориву в сфері обчислювальних технологій. Вже дуже скоро на зміну сьогоднішнім обчислювальним машинам прийдуть квантові комп`ютери.
До чого дійшов прогрес
У далекому 1965 році Гордон Мур говорив, що за рік кількість транзисторів, що вміщаються в кремнієвому мікрочіпі, збільшується вдвічі. Цей темп прогресу останнім часом сповільнилося, і подвоєння відбувається рідше - раз на два роки. Навіть такий темп в найближчому майбутньому дозволить досягти транзисторів розмірів з атом. Далі - рубіж, який переступити неможливо. З точки зору фізичної будови транзистора він ніяк не може бути менше атомарних величин. Збільшення розмірів чіпа проблему не знімає. Робота транзисторів пов`язана з виділенням теплової енергії, і процесори потребують якісної системі охолодження. Багатоядерна архітектура також не вирішує питання подальшого зростання. Досягнення піку в розвитку технології сучасних процесорів відбудеться вже скоро.
Розробники прийшли до розуміння цієї проблеми в той час, коли у користувачів тільки почали з`являтися персональні комп`ютери. У 1980 році один із засновників квантової інформатики, радянський професор Юрій Манін, сформулював ідею квантових обчислень. Уже через рік Річард Фейман запропонував першу модель комп`ютера з квантовим процесором. Теоретичні основи того, як повинні виглядати квантові комп`ютери, сформулював Пол Бениофф.
Принцип роботи квантового комп`ютера
Щоб розуміти, як працює новий процесор, необхідно мати хоча б поверхневі знання принципів квантової механіки. Немає сенсу наводити тут математичні розкладки і виводити формули. Обивателю досить ознайомитися з трьома визначальними ознаками квантової механіки:
- Стан або положення частинки визначається тільки з будь-якої часткою ймовірності.
- Якщо частка може мати кілька станів, то вона і знаходиться відразу у всіх можливих станах. Це принцип суперпозиції.
- Процес вимірювання стану частинки призводить до зникнення суперпозиції. Характерно, що отримане виміром знання про стан частинки відрізняється від реального стану частинки до проведення замірів.
З точки зору здорового глузду - повна нісенітниця. У нашому звичайному світі ці принципи можна представити таким чином: двері в кімнату закрита, і в той же час відкрита. Закрита і відкрита одночасно.
В цьому і укладена разючу відмінність обчислень. Звичайний процесор оперує в своїх діях бінарним кодом. Комп`ютерні біти можуть перебувати тільки в одному стані - мати логічне значення 0 або 1. Квантові комп`ютери оперують кубитами, які можуть мати логічне значення 0, 1, 0 і 1 відразу. Для вирішення певних завдань вони будуть мати багатомільйонне перевага в порівнянні з традиційними обчислювальними машинами. Сьогодні вже є десятки описів алгоритмів роботи. Програмісти створюють особливий програмний код, який зможе працювати за новими принципами обчислень.
Де буде застосовуватися нова обчислювальна машина
Новий підхід в процесі обчислень дозволяє працювати з величезними масивами даних і виконувати моментальні обчислювальні операції. З появою перших ЕОМ деякі люди, включаючи державних діячів, мали великий скепсис щодо застосування їх в народному господарстві. Є й сьогодні люди, повні сумнівів щодо важливості комп`ютерів принципово нового покоління. Дуже тривалий час технічні журнали відмовлялися друкувати статті про квантових обчисленнях, вважаючи цей напрямок звичайної шахрайської прийомом для обдурювання інвесторів.
Новий спосіб обчислень створить передумови для наукових грандіозних відкриттів у всіх галузях. Медицина вирішить багато проблемних питань, яких накопичилося останнім часом досить багато. Стане можливим діагностика ракових захворювань на більш ранньому етапі захворювання, ніж зараз. Хімічна промисловість зможе синтезувати продукти з унікальними властивостями.
Прорив в космонавтиці не змусить себе чекати. Польоти до інших планет стануть таким же повсякденним дією, як і щоденні поїздки по місту. Потенціал, який закладений в квантових обчисленнях, безумовно, перетворить нашу планету до невпізнання.
Інша відмінна риса, якою володіють квантові комп`ютери, це здатність квантового обчислення швидко підібрати потрібний код або шифр. Звичайний комп`ютер виконує рішення математичної оптимізації послідовно, перебираючи один варіант за іншим. Квантовий конкурент працює відразу з усім масивом даних, блискавично вибираючи найбільш підходящі варіанти за безпрецедентно короткий час. Банківські операції будуть розшифровані в одну мить, що сучасним обчислювальним машинам недоступно.
Однак банківський сектор може не переживати - його таємницю врятує метод квантового шифрування з парадоксом вимірювання. При спробі розкрити код відбудеться спотворення переданого сигналу. Отримана інформація не матиме ніякого сенсу. Секретні служби, шпигунство для яких - звичайна справа, зацікавлені в можливості квантових обчислень.
труднощі конструювання
Складність полягає в створенні умов, при яких квантовий біт зможе нескінченно довго перебувати в стані суперпозиції.
Кожен кубіт є мікропроцесор, який працює на принципах надпровідності і законах квантової механіки.
Навколо мікроскопічних елементів логічної машини створюється цілий ряд унікальних умов навколишнього середовища:
- температура 0,02 градуса за Кельвіном (-269,98 за Цельсієм);
- система захисту від магнітного і електромагнітного випромінювання (знижує вплив цих факторів в 50 тисяч разів);
- система відводу тепла і гасіння вібрацій;
- розрідження повітря нижче атмосферного тиску в 100 мільярдів разів.
Невелике відхилення навколишнього середовища викликає миттєву втрату кубитами стану суперпозиції, що призводить до збою в роботі.
Попереду планети всієї
Все вищеописане можна було б віднести до творчості запаленого розуму письменника фантастичних оповідань, якби компанія Google спільно з NASA не набула в минулому році у канадської дослідницької корпорації квантовий комп`ютер D-Wave, процесор якого містить 512 кубітів.
З його допомогою лідер на ринку комп`ютерних технологій буде вирішувати питання машинного навчання в сортуванні і аналізі великих масивів даних.
Важливе викривальне заяву зробив і залишив США Сноуден - АНБ також планує розробити свій квантовий комп`ютер.
2014-початок ери D-Wave systems
Успішний канадський спортсмен Джорді Роуз після угоди з Google і NASA приступив до побудови процесора в 1000 кубітів. Майбутня модель за швидкістю і обсягами обчислень перевершить перший комерційний прототип мінімум в 300 тисяч разів. Квантовий комп`ютер, фото якого розташоване нижче, є першим в світі комерційним варіантом принципово нової технології обчислень.
Зайнятися науковими розробками його спонукало знайомство в університеті з працями Коліна Вільямса з квантових обчислень. Треба сказати, що Вільямс сьогодні працює в корпорації Роуза керівником бізнес-проектів.
Прорив або науковий обман
Що таке квантові комп`ютери, до кінця не знає і сам Роуз. За десять років його команда пройшла шлях від створення процесора в 2 кубіта до сьогоднішнього першого комерційного дітища.
З самого початку досліджень Роуз прагнув створити процесор з мінімальною кількістю кубітів в 1 тисячу. І він обов`язково повинен був мати комерційний варіант - щоб продати і заробити грошей.
Багато, знаючи одержимість і комерційну хватку Роуза, намагаються звинуватити його в підробці. Нібито за квантовий видається самий звичайний процесор. Цьому сприяє і те, що феноменальне швидкодію нова техніка проявляє при виконанні певних типів обчислень. В іншому ж поводиться як цілком пересічний комп`ютер, тільки дуже дорогий.
Коли ж вони з`являться
Чекати залишилося недовго. Дослідницька група, організована спільними набувачами прототипу, в недалекому майбутньому дасть відповідь про результат досліджень на D-Wave.
Можливо, скоро гряде час, в якому квантові комп`ютери перевернуть наше уявлення про навколишній світ. І все людство в цей момент вийде на більш високий рівень своєї еволюції.
