Kartais mes matome naujienų apie kvantinių skaičiavimų flurry. Ši tema skiriama daug dėmesio: viena bendrovė pareiškė, kad ji turi šifravimo algoritmą, kad jums netrukus reikia, nes kvantiniai kompiuteriai daro šiuolaikinius šifravimo algoritmus nenaudingas.
Asmens smalsūs tokie pareiškimai kelia klausimų. Kas yra kvantiniai skaičiavimai (1 pav.)? Tai yra tikra? Jei taip, kaip tai veikia? Ir kaip tai susiję su kriptografija? Tada atsiranda daugiau asmeninių klausimų. Ar kvantinės skaičiavimai gali pakeisti savo dizaino metodus? Turėčiau ištirti šią medžiagą?
Net menininkų vizualizavimui, kvantiniai skaičiavimo elementai nėra panašūs į nieko iš skaitmeninio aparatūros pasaulio.
1 pav. - kvantinių skaičiavimo elementų vizualizavimas
Pasirodo, kad tai nėra pernelyg paprasti klausimai studijuoti. Atitinkama literatūra daugiausia susijusi su vienu iš dviejų žanrų. Pirmasis skirtas plataus skaitytojo auditorijai ir atsižvelgiama į kvantinę mechaniką kaip velnišką sistemą: tamsus, galbūt pavojingas ir visiškai neaiškus. Perskaitę tokią literatūrą, sunku padaryti išvadas.
Antrasis žanras yra visiškai kitoks, bet lygiai taip pat kaip "naudinga", parašyta ekspertų, siekiant nustebinti kitus ekspertus. Šis žanras pasižymi tokių terminų naudojimu kaip turtinga mašina, Richard Feynman, Hilbertovo erdvės ir Adamaro konversijos, visų pirmiau minėtų ir maždaug 75 žodžių, po kurio painiojama su nepažįstama ir nepaaiškinama terminologija. Žinoma, jūs visi gerai prisimenate, o tai reiškia | 0\u003e!
Trys lygiagrečios visatos
Viena iš priežasčių, kodėl ši tema yra tokia sudėtinga, yra tai, kad kvantiniai skaičiavimai apima tris disciplinas su labai skirtinga terminologija ir interesais. Visa tai prasidėjo su teoriniais fizikais. Atgal 1980 m. Fizikas Paul Benioffas ( Paulius. Benioff.) Iš Nacionalinės argono laboratorijos aprašyta, kaip kai kurie kvantiniai mechaniniai efektai gali būti naudojami tvinimo mašiniam įgyvendinimui. Po dvejų metų garsus fizikas Richardas Feynman taip pat iškėlė kompiuterio klausimą naudojant kvantinę elgesį.
Tačiau idėja buvo paimta visiškai kitokia grupė: kompiuterių specialistai ir matematikai. Fizikos vartojimas Pagrindinės kvantinės bitų (quibit) ir grįžtamųjų vieningųjų transformacijų idėjos (kurias jie vadinami kvantiniais vožtuvais ar kuventiliais), kompiuteriniai specialistai tiriami, kurie skaičiavimai gali būti atliekami, jei egzistavo idealūs kvantiniai ir kvantiniai vožtuvai. Jie nustatė atvejus, kai tokie tariami kompiuteriai gali būti daug greičiau nei paprasti skaitmeniniai kompiuteriai.
Šis rezultatas paskatino fizikų eksperimentuotojus - trečiąją grupę - pradėti bandymus sukurti fizinius prietaisus, kurie gali būti apytiksliai už puikių kubelių ir kvantinių vožtuvų. Tai buvo ilgas, išteklius intensyvūs tyrimai, kurie dar neįrodyta, kad tikrai darbinis kvantinis kompiuteris yra fiziškai įmanoma. Tačiau tokia galimybė yra labai skatinama.
Kai kurie paaiškinimai
Taigi, kas yra šis įsivaizduojamas kompiuteris, kuris mus domina? Pirmiausia paaiškinkime kai kuriuos nesusipratimus. Kvantinis kompiuteris nėra įprastas kompiuteris, kuris imituoja kvantinius mechaninius reiškinius. Jis taip pat nėra paprastas skaitmeninis kompiuteris, pastatytas iš kai kurių tranzistorių (Moore įstatymo pabaigos eros), todėl mažai, kad jie saugo ar perjungia individualų energijos kiekį.
Vietoj to, kvantiniai kompiuteriai yra mašinos, pagrįstos unikaliu kvantinės mechanikos elgesiu ir visiškai skiriasi nuo klasikinių sistemų elgesio. Vienas iš šių skirtumų yra dalelių ar dalelių grupės gebėjimas tam tikrais atžvilgiais yra tik dviejuose diskretiose kvantinėse pagrindinėse valstybėse - paskambinkime į 0 ir 1. Apsaugos be juokingų skliaustų (kvantinės teorijos pavadinimai - pridėjo Vertėjas) tokio pobūdžio pavyzdžiai gali būti nugara. Elektronų, fotono poliarizacija arba kvantinė taško mokestis.
Antra, kvantiniai skaičiavimai priklauso nuo superpozicijos savybių - contrictic dozės gebėjimas būti tam tikru deriniu abiejų bazinių sąlygų 0 ir 1 tuo pačiu metu, kol bus atliktas matavimas. Kai tik matuojate tokią būseną, ji virsta 0 arba 1, o visa kita informacija išnyksta. Kvantinė mechanika teisingai apibūdina tokią bendrą būseną kaip dviejų pagrindinių valstybių sumą, kurių kiekvienas yra padaugintas iš kai kurio sudėtingo koeficiento. Bendra šių koeficientų vertė visada yra lygi 1. Tokia valstybė gali būti atstovaujama kaip vienas vektorius, pradedant nuo koordinatės pradžioje ir baigiant kažkur sferoje, vadinamoje blusų sferoje, kuri parodyta 2 paveiksle. Pagrindinis punktas Čia yra tai, kad kvadratas (modulis - pridėjo vertėjas) kompleksinio koeficiento bazinės būsenos 0 yra tikimybė, kad dėl matavimo rezultatas, quit bus aptikta bazinėje būsenoje 0, panaši į bazinę būseną 1. Ir kai matuojate, visada gausite arba tikrai sąlyga 0, arba tiksliai sąlyga 1.
2 paveikslas - blusų sfera yra vienas iš būdų, kaip vizualizuoti kvantinę superpoziciją Kuboje Tai (superpozicijų turtas - pridėtas vertėjas) yra svarbus, nes jis leidžia qubit būti abiem valstybių 0 ir 1 tuo pačiu metu. Todėl registras, sudarytas iš N kubelių vienu metu "turi" visus galimus dvejetainius numerius N bitų ilgio. Tai leidžia "Quantum" kompiuterį atlikti vieną operaciją ne tik su vienu N-bitų sveiku skaičiumi, bet ir su visais galimais N-bitų sveikaisiais skaičiais nedelsiant - labai reikšmingas lygiagretumas kaip N didėjimas.
Trečia, kvantiniai skaičiavimai priklauso nuo kvantinės vožtuvo gebėjimo pakeisti šiuos koeficientus ir todėl tikimybė, kad matavimo tam tikras skaičius yra nuspėjamas. Jei pradėsite nuo valstybės, kurioje visi visos qbians koeficientai yra lygūs, ir tada matuokite visus registro kubelius, lygiai priklausysite nuo bet kokios dalies tarp vienos nulio eilutės ir vieno vienetų eilutės, imtinai. Tačiau palaikyti šią pradinę būseną per kruopščiai pasirinktą kvantinių vožtuvų seką, kvantinis kompiuteris gali pakeisti šiuos koeficientus tokiu būdu, kad būsena, kad jūs greičiausiai matuojate produkcijoje, bus kai kurių skaičiavimo rezultatas, pavyzdžiui, tai yra labai Tikėtina, kad jūs matuojate skaičiaus bitus, kad tai yra tiksli aikštė.
Kompiuteris popieriuje
Bet ką visa tai turi daryti su tikru skaičiavimu? Norėdami atsakyti į šį klausimą, turime atidėti mūsų dėmesį nuo fizikų teoretikų kompiuterių specialistų ir matematikų. Norint gauti praktinius rezultatus, turime sugebėti išversti Kuba registruotis į konkrečią valstybių superpoziciją. Mums reikia kvantinių vožtuvų, galbūt laidų ir tam tikrų išvesties įrenginių.
Visa tai lengva kompiuterių specialistams - jie tiesiog gali manyti, kad šios idėjos jau yra įtvirtintos realiame gyvenime. Tačiau jie turės nuolaidų dėl kvantinės mechanikos. Norint nepažeisti kvantinės fizikos įstatymų, kompiuterių specialistai turėtų reikalauti, kad kvantiniai vožtuvai būtų grįžtami - galite įdėti į rezultatus ir gauti reikiamus įvesties vertes į įvestį. Ir jie reikalauja, kad kvantiniai vožtuvai yra vieningos transformacijos. Pagal matricos algebra tai reiškia, kad kai jūs praleidžiate qubbit sąlygą per kvantinį vožtuvą, būseną, kurį gausite, matuojate 0 arba 1, ir tikimybių iš kvadratų (modulių - pridėtos moduliai Šių koeficientų vertėjas išliks vienodos vienybės.
Atkreipkite dėmesį, kad šie kvantiniai vožtuvai, net ir teoriškai, nėra labai panašūs į įprastinius loginius elementus. Pavyzdžiui, dauguma Būlio funkcijų nėra grįžtama. Neįmanoma išvesti į loginio elemento įvestį, o ne, jei produkcija nėra lygi 0. Ir, žinoma, loginiai elementai veikia tik su vienetais ir nuliais (1 ir 0 nurodyta), o kvantiniai vožtuvai dirba, sukasi Vektorius blusų sferos viduje. Tiesą sakant, tarp jų nėra nieko bendro.
Kompiuteriniai specialistai sužinojo, kad labai mažas kvantinių vožtuvų rinkinys yra pakankamai mažas kvantinių vožtuvų rinkinys, tik šiuo metu kvantinių vožtuvų rinkinys ir vienas du kartus kvantinis vožtuvas. Dažniausias dviejų pakopų kvantinio vožtuvo pavyzdys yra "kontroliuojamas" (Сontrolled ne - cnot). Ši grįžtama funkcija arba paverčia vektorinę būseną qubit, arba palieka jį nepakitusi, priklausomai nuo antrosios qubit. Jis yra gana panašus į kvantinę analogiją su "išskyrus arba".
Galimi privalumai
Mes vis dar neatsakėme į klausimą, kaip jis gali būti naudojamas. Atsakymas yra tai, kad kartu sujungiate pakankamai kiekio kvantinių vožtuvų, ir jei galite virti įkrovimus, vaizduojančius visus galimus numerius savo įvesties zonoje, tada į kvantinės vožtuvo masyvo, tu, teoriškai, gali matuoti bitus, kurie atstovauja naudingos funkcijos vertės.
Pateikite pavyzdį. 1994 m. Matematikos Peter Shore, "Bell Labs" sukūrė faktoriaus algoritmą (skilimas dėl paprastų veiksnių, kuriuos vertėjas pridėta), naudojant kvantinių paprogramines. Šis faktoringas yra gyvybiškai svarbi problema taikomojoje matematikoje, nes nėra analitinio sprendimo: vienintelis būdas yra bandymų ir klaidų metodas, o algoritmas gali greičiau pasirenkant atitinkamus bandymų numerius sumaniai. Atitinkamai, kai įvedate įvesties numerį labai didelis, bandymų ir klaidų skaičius tampa didžiulis. Tai nėra atsitiktinai, kad tai yra kriptografinių algoritmų, tokių kaip RSA, pagrindas. RSA ir šifrai, pagrįsti elipsinėmis kreivėmis, sunku įsilaužti, ypač todėl, kad taip sunku faktorizuoti didžiulius numerius.
"Shor" algoritmas sujungė kai kuriuos tradicinius skaičiavimus su dviem kvantinėmis funkcijomis, kurios tiesiogiai pagreitina algoritmą pagal mėginių ėmimo ir klaidų metodą, iš tiesų, tuo pačiu metu sujungiant visus galimus numerius, algoritmo veikimo demonstravimas parodytas 3 paveiksle. . Atlikta viena iš šių kvantinių funkcijų. Modulinė erekcija ir kiti pratimai kvantinės versijos Furlier Greitas transformacijos (BPF). Dėl priežasčių, kurios galėjo mylėti tik matematikas, jei mes pristatėme N qubits rinkinį, paruoštas taip, kad kartu jie atstovauja visus galimus dvejetainius numerius į ilgio n, tada kvantinių vožtuvų, įvairių būsenų superpozicijoje bus tarpusavyje kompensuoti vieni kitiems Dviejų nuoseklių šviesos spindulių trukdymas - ir mes pasiliekame tam tikra valstybės struktūra savaitgalio registre.
3 pav. "Shuran" algoritmas priklauso nuo kvantinių subroutinų, skirtų modulinei BPF statybai. (Brėžinys TYSON WILLIAMS) Ši procedūra nesuteikia paprasto daugiklio - tai tik tarpinis žingsnis, leidžiantis apskaičiuoti galimą paprastą daugiklį. Šis skaičiavimas atliekamas matuojant qubits ", - atkreipiame dėmesį į tai, kad čia esame galimybės, bet ne tikslumo, matuoti labiausiai tikėtiną kiekvieno quit - ir tada įsitikinkite, kad rezultatas yra teisingas, tai yra būtina gaminti daug paprastų skaičiavimų įprastu procesoriumi (CPU).
Visa tai gali atrodyti beviltiškai sudėtinga ir neįmanoma. Tačiau kvantinės statybos iki laipsnio ir kvantinės BPF gebėjimas dirbti vienu metu su visais galimais numerių 2 laipsniais, kad būtų galima rasti didžiausią paprastą veiksnį, daro kranto algoritmą greičiau nei įprastiniai skaičiavimai dideliems skaičiavimams, net jei naudojate gana lėtai teorinius kvantinius subroutinus.
"Shor" algoritmas yra ryškus kvantinės skaičiavimo pavyzdys, nes jis vienu metu panašus į įprastus skaičiavimus ir yra potencialiai svarbus. Bet jis nėra vienas. Nacionalinis institutas JAV standartai ir technologijos (NIST) palaiko didelę kvantinių skaičiavimo algoritmų biblioteką savo zoologijos soduose kvantinių algoritmų, matematikos.nist.gov/quantum/zoo/.
Ar šie algoritmai yra tik matematiniai pratimai? Vis dar yra per anksti ginčytis. Tačiau praktikoje mokslininkai tikrai sukūrė laboratorinius kvantinius skaičiuotuvus su keliais darbo kubeliais. Šios mašinos sėkmingai susilpnino numerį 15 dėl paprastų veiksnių (pirmą kartą tai buvo padaryta IBM 2001 m.), Tikimasi, kad tai bus 3 ir 5, o dabartinis pasaulio įrašas yra 21 numeris (pagamintas iš bendros komandos kelios institucijos 2012 m.). Taigi mažais skaičiais idėja veikia. Šio požiūrio tinkamumą dideliais kiekiais gali būti tikrinami tik esant mašinoms su daugeliu qubits. Ir tai perduoda klausimą į praktinę plokštumą.
Kelias į įgyvendinimą
Norėdami sukurti veiksmingus kvantinių skaičiavimo įrenginius, turite atlikti keletą įgyvendinimo priemonių. Turime sukurti darbuotojų kubelius - ne tik penkis, bet tūkstančius. Turime organizuoti konstrukciją iš kvantinių vožtuvų ir laidų ekvivalento - jei tik negalime priversti vožtuvų tiesiogiai veikti į būseną į įvesties kvantinį registrą. Visa tai yra sudėtingos užduotys, o jų sprendimo tvarkaraštis yra nenuspėjamas.
Deja, problemos yra susijusios su naujomis problemomis, kaip ir kvantinės mechanikos ir klasikinės fizikos įstatymais. Galbūt svarbiausia ir mažiausiai pažįstami jų yra vadinama decocherence. Kvitų vaidmuo yra laikyti fizinį objektą - pavyzdžiui, jonų, fotonų paketą ar elektroną - vietoje, kad galėtume jį paveikti ir galiausiai matuoti kiekį, pvz., Įkrovimą ar nugara. Norint, kad ši vertė elgtųsi kvantumui, o ne klasikiniu, turėtume galėti apriboti savo būklę dviejų grynų pagrindinių būsimų, kad mes vadinamais 0 ir 1.
Tačiau kvantinių sistemų pobūdis yra toks, kad sujungtų juos su aplinkais aplink juos, žymiai didinant galimų pagrindinių būsenų skaičių. Fizikai vadina tokį grynų būsenų neryškumą su decogeneriu. Analogija gali būti nuosekli lazerinis spindulys šviesos gidu, sklaida ant medžiagos heterogeniškumas ir kvėpavimas nuo dviejų režimų superpozicijos į visiškai nenuoseklią šviesą. Fizinės qubit kūrimo užduotis yra kuo ilgesnė, kad būtų išvengta deferingumo.
Tiesą sakant, tai reiškia, kad net vienas quit yra sudėtingas laboratorinis įrankis, galbūt naudojant lazerius arba aukšto dažnio radijo siųstuvus, tiksliai valdomus elektrinius ir magnetiniai laukai, tikslūs matmenys, specialios medžiagos ir galbūt, kriogeninis aušinimas. Jo naudojimas iš esmės yra sudėtinga eksperimentinė procedūra. Net ir su visomis šiomis pastangomis šiandien tai yra "tol, kol įmanoma" yra matuojamas dešimtys mikrosekundžių. Taigi, jūs turite labai mažai laiko atlikti kvantinę kompiuterinį, prieš jūsų qubits prarasti savo nuoseklumą. Tai yra, kol informacija išnyksta.
Šiandien šie apribojimai pašalina didelių kvantinių registrų ar skaičiavimų, kuriems reikalingi daugiau nei kelios mikrosekundės. Nepaisant to, šiuo metu tai yra mikroelektronikos tyrimas kuriant daug plačiau qubits ir kvantinių vožtuvų.
Tačiau šis darbas yra šiek tiek nenuosekimas, nes nėra tikrumo apie tai, kas fizinis reiškinys yra naudoti kvantinių valstybių saugojimui. Yra kubo dizaino, kuris kviečiamas fotonų poliarizacija, elektronų, užfiksuotų kvantiniais taškais, švarus super aušinamų jonų sukimasis spąstais, į prietaisą, vadinamą transmisija ir kai kurie kiti metodai.
Kvandeno tipą, kurį pasirinksite, natūraliai lemia kvantinių vožtuvų įgyvendinimą. Pavyzdžiui, galite naudoti radijo impulsų sąveiką su vidiniais nugarais molekulių į spąstus arba sijų sijų su fotonų režimais bangledžių sąveika. Akivaizdu, kad bylos tvarinys yra gilios eksperimentinės fizikos srityje. Ir, kaip jau minėta, qubits arba kvantinių vožtuvų įgyvendinimas reikalauja naudoti daug skirtingų įrenginių, nuo skaitmeninės logikos lazeriai arba radijo siųstuvai, antenos ir kriogeniniai aušintuvai.
Klaviruotojo įgyvendinimas taip pat priklauso nuo to, kaip matuojamas quit valstija. Jums gali prireikti subtilaus fotometro arba bolometro, atsparumo tiltu arba bet kurio kito neįtikėtinai jautrumo įtaiso matuoti kubelius ir vertimą superpozicijos būseną į bazinę būseną. Be to, šis Kubos būklės matavimo procesas sukelia kita nepažįstama tradicinio skaičiavimo problema: neteisingas atsakymas.
Abejonė
Yra dvi pagrindinės problemos, susijusios su pagrindinės qbit "būklės gavybos. Pirma, jūs matuojate kvantinę superpoziciją, o ne klasikinę vertę. Darant prielaidą, kad quibit lieka nuosekli, gausite vieną ar daugiau pagrindinių valstybių, bet jūs negalite būti tikri, ką tiksliai gausite iš anksto: galite būti tikri, kad tikimybė, kad gausite tam tikrą būseną Kvadratas (modulis - pridėta vertėjas) šios valstybės koeficientas superpozicijoje. Jei matuojate quit tiksliai tą pačią būklę šimtą kartų, gausite nulio ir vienetų paskirstymą, kuris konverdo koeficientų kvadratus (modulius).
Taigi, jūs nežinote, ar pagrindinė būsena iš tikrųjų matuojama tam tikru bandymu, turi didžiausią tikimybę. Po to, kai laikėte kvantinę išvesties registrą, matuojant bitus, taip įrengiant juos visus pagrindinėse valstybėse - turite tris parinktis. Jūs galite abejoti, kad turite teisingą atsakymą ir tęskite toliau. Galite patikrinti tradicinį skaičiavimą, kaip ir Shura algoritmas, kad sužinotumėte, ar jūsų manoma, kad teisingas sprendimas. Arba galite pakartoti daug kartų, nuosekliai arba lygiagrečiai skaičiuoti ir imtis labiausiai paplitęs rezultatas. Taip pat galite organizuoti savo skaičiavimus taip, kad atsakymas būtų pagrindinių valstybių tikimybių pasiskirstymas, o ne konkretus dvejetainis skaičius. Šiuo atveju taip pat būtina pakartoti ..
Tai pasakytina net teoriškai tobulam kvantiniam kompiuteriui. Tačiau faktiniame įgyvendinime yra kita problema: geras senas klasikinis triukšmas. Net jei viskas vyksta gerai, nėra kubelių apdailos, o skaičiavimas yra skirtas gauti atsakymą su labai dideliu tikimybe, vis dar stebite kubelius, bandydami matuoti labai mažai fizinius kiekius. Triukšmas vis dar yra. Vėlgi, vienintelis sprendimas yra klaidos aptikimas tolesniu skaičiavimu arba skaičiavimais, kiek esate pasiruošę priimti likusį netikrumą. Garantuoto teisingo atsakymo sąvoka yra svetima į labai esmę kvantinės skaičiavimo.
Jei visa tai nepadeda rausvos ateities kvantinės skaičiavimo vaizdinės, tada jis turėtų būti labai rimtai. Yra ieškantis geriausio pasirinkimo qubits įgyvendinimui, nors atsakymas gali būti priklausomas nuo algoritmo. "Microelectronics" specialistai dirba kvantinių komponentų miniatizavimu pagal naujas medžiagas ir struktūras, kurios leistų sukurti labai didelius kvantinių skaičiavimo įrenginių masyvus ir kurie gali būti masiškai pagaminti kaip tradicinių procesorių lustai. Kompiuteriniai specialistai vystosi surinkėjų ir kompiliatorių prototipus, kurie gali konvertuoti algoritmą į kvantinių registrų ir kvantinių vožtuvų konkrečioje technologijoje.
Tai verta? Čia yra vienas faktas. Shore skaičiavo, kad kuklus hibridas, tai yra, kvantinis plius įprasta, kompiuteris gali įveikti galingas RSA šifravimo algoritmas greičiau nei įprastas kompiuteris gali užšifruoti jį. Panašūs rezultatai buvo gauti už tokias užduotis kaip rūšiavimo ir atskleisti kitas panašias sudėtingas matematines užduotis. Taigi, šioje srityje yra pakankamai perspektyvų, kad mokslininkai neprarastų entuziazmo. Bet tai būtų malonu matyti visa tai gyvenime.
Richard Feynman pastebėjo, kad tam tikri kvantiniai mechaniniai procesai negali būti veiksmingai imituojami klasikiniame kompiuteryje. Ši pastaba lėmė bendresnę patvirtinimą, kad kvantiniai procesai yra efektyvesni atlikti skaičiavimus nei klasikinis. Ši prielaida patvirtino Peter Shor, kuris sukūrė kvantinis algoritmas Sveikų skaičių skilimas dėl paprastų polinominio laiko veiksnių.
Kvantinėse sistemose skaičiavimo erdvė eksponentiškai didėja su sistemos dydžiu, kuris leidžia eksponentiškai lygiagrečiai. Šis lygiagretumas gali sukelti kvantinių algoritmų, kurie yra eksponentiškai greičiau nei klasikinis.
Tik iki dešimtojo dešimtmečio vidurio kvantinių kompiuterių ir kvantinių skaičiavimų teorija buvo sukurta kaip nauja mokslo sritis. Matyt, pirmasis atkreipė dėmesį į galimybę plėtoti Vengrijos matematiko I. von Quantum logiką. Von Neuman. Tačiau tuo metu ne tai, kad kvantinė, bet ir paprasti, klasikiniai, kompiuteriai dar nebuvo sukurti. Ir su pastarųjų atėjimu pagrindinės mokslininkų pastangos pirmiausia buvo nukreiptos į naujų elementų paiešką ir plėtrą (tranzistoriai ir integriniai grandynai), o ne sukurti iš esmės kitų kompiuterių įtaisų.
1960-aisiais Amerikos fizikas R. Landaueris bandė atkreipti dėmesį į tai, kad skaičiavimai visada yra fizinis procesas, todėl neįmanoma suprasti mūsų skaičiavimo galimybių ribų nenurodant, kokio fizinio įgyvendinimo jie atitinka. Deja, tuo metu tarp mokslininkų pažvelgti į skaičiavimą kaip tam tikrą abstrakčią loginę procedūrą, mokytis matematikų, o ne fizikams.
Kadangi kompiuteriai yra platinami, mokslininkai, dalyvaujantys kvantiniuose objektuose, sudarytais praktiniu nesugebėjimu tiesiogiai apskaičiuoti besivystančios sistemos būklę, kurią sudaro tik kelios dešimtys sąveikos dalelės, pavyzdžiui, metano molekulės 4. Tai paaiškinama tuo, kad visiškam sudėtingos sistemos aprašymui būtina išlaikyti kintamųjų skaičių, vadinamąjį kvantinę amplitudes kompiuterio atmintyje. Įvyko paradoksali situacija: evoliucijos lygties evoliucija, žinant pakankamai tiksliai visų dalelių sąveikos potencialą vieni su kitais ir pradine sistema, beveik neįmanoma apskaičiuoti savo ateities, net jei sistema susideda iš Tik 30 elektronų potencialioje duobėje, ir yra superkompiuteris su RAM, kurio bitai yra lygūs atomų skaičiaus matomame visatos regione. Tuo pačiu metu, mokytis tokios sistemos dinamiką, galite tiesiog įdėti eksperimentą su 30 elektronų, pateikdami juos į nurodytą potencialą ir pradinę būseną. Tai visų pirma atkreipė Rusijos matematiko Yu dėmesį. I. Manin, nurodydamas 1980 m., Reikia plėtoti kvantinių skaičiavimo įrenginių teoriją. Devintajame dešimtmetyje Amerikos fizikas P. Benev buvo tiriamas ta pati problema, kuri aiškiai parodė, kad kvantinė sistema gali atlikti skaičiavimus, taip pat anglų mokslininkas D. Doych, teoriškai sukūrė universalų kvantinį kompiuterį, pranašesnį į klasikinį analoginį.
Daug dėmesio į kvantinių kompiuterių kūrimo problemą pritraukė R. Feynmaną. Dėl savo autoritetingo skambučio, specialistų, kurie atkreipė dėmesį į kvantinių skaičiavimų, skaičius daug kartų padidėjo.
Nepaisant to, ilgą laiką jis liko neaišku, ar hipotetinė skaičiavimo galia kvantinio kompiuterio gali būti naudojamas paspartinti praktinių užduočių sprendimą. 1994 m. Amerikos matematikų P. Shor pasiūlė kvantinį algoritmą, kuris leidžia greitai faktoringo didelius skaičius. Palyginti su geriausiais šiandieniniais klasikiniais metodais, kvantinės kranto algoritmas suteikia daugybę skaičiavimų pagreičio, o kuo ilgesnis maksimalus pelnas. Klasikinio algoritmo atveju akconizuojamo skaičiaus padidėjimas lemia eksponentinį reikiamus išteklius. Pavyzdžiui, skilimo 500 skaitmenų numeriai, 100 milijonų kartų yra 100 milijonų kartų daugiau iteracijų nei už 250 skaitmenų numerį. Sekso algoritmui reikalingų išteklių tūris auga tik polinominiu būdu - 500 skaitmenų numerį reikalauja tik 8 kartus daugiau žingsnių nei 250 skaitmenų.
Pasirodo, kad naudojant kvantinės mechanikos įstatymus galima statyti tokius kompiuterius, kuriems faktoringo užduotis (ir daugelis kitų!) Nebus daug sunkumų. Remiantis skaičiavimais, kvantinis kompiuteris su atmintimi su tik apie 10 tūkst. Kvantinių bitų tūrio gali suskaidyti 1000 skaitmenų numerį paprastais multiplikatoriais vos keliomis valandomis! Pavyzdžiui, greitesnis faktoringo algoritmas reiškia didžiulį praktinį susidomėjimą įvairiomis specialiomis paslaugomis, kurios sukaupė ne klasifikuotų pranešimų bankai.
1997 m. L. GewPrew pasiūlė kvantinį algoritmą greita paieška Netvarkingoje duomenų bazėje. (Tokios duomenų bazės pavyzdys yra telefonų knyga, kurioje abonentų pavadinimai yra ne abėcėlės tvarka, bet savavališkas būdas.) Ieškomo užduoties užduotis, optimalaus elemento pasirinkimas tarp daugelio galimybių yra labai dažnai randamas ekonominiu, kariniu atveju , Inžinerinės užduotys kompiuteriniuose žaidimuose. "Grangovers" algoritmas leidžia ne tik paspartinti paieškos procesą, bet ir padidinti apie du kartus didesnį parametrų skaičių, į kurį buvo atsižvelgta renkantis optimalų.
Nekilnojamasis kvantinių kompiuterių kūrimas neleidžia rimtai problemai - klaidų ar trukdžių. Faktas yra tai, kad tas pats trukdžių lygis yra daug intensyvesnis grobia kvantinės skaičiavimo procesą nei klasikinis procesas. Būdai, kaip išspręsti šią problemą, 1995 m., P. Shor, kuriant kvantinių valstybių kodavimo schemą ir klaidų korekciją.
Laikas, ko reikia norint įgyvendinti tam tikrus skaičiavimus, gali būti sumažintas naudojant lygiagrečius perdirbėjus. Norint pasiekti eksponentinį sumažinimą, reikia eksponentiškai padidinti procesorių skaičių ir, atitinkamai, fizinės erdvės tūrį. "Quantum" sistemoje eksponentiniam sumažėjimui reikalingas tik linijinis reikalingos fizinės erdvės apimties padidėjimas. Šis reiškinys yra tiesiogiai susijęs su kvaleliu (Doych ir Josh, 1992).
Yra dar viena svarbi funkcija. Nors kvantinė sistema atlieka skaičiavimus, prieiga prie rezultatų yra ribotas. Prieigos prie rezultatų procesas yra matavimo procesas, kuris perturbs kvantinę būseną, iškreipia jį. Gali atrodyti, kad čia situacija yra dar blogesnė nei klasikinių skaičiavimų. Pasirodo, kad mes galime tik apsvarstyti vienos iš lygiagrečių procesų vykdymo rezultatus, o nuo matavimo yra tikimybinis, tada mes negalime net pasirinkti, kurio proceso mes gauname rezultatas.
Tačiau per pastaruosius kelerius metus žmonės atrado nestandartinius būdus, kaip sumaniai išspręsti matavimo problemą naudoti kvantinės lygiagretumo naudą. Ši tokio pobūdžio manipuliacijos neturi analogų klasikinėje teorijoje ir reikalauti naudoti netradicinius programavimo metodus. Vienas iš šių metodų yra kontroliuoti kvantinę būseną taip, kad būtų galima gauti bendrą visų gautų vertybių turtą, pvz., Simetriją ar funkcijų laikotarpį. Šis metodas naudojamas skilimo algoritme, skirtų "Shor" daugiklio. Su kitokiu požiūriu kvantinės valstybės perskaičiuojamos siekiant padidinti interesų skaičiavimų skaitymo tikimybę. Šis priėmimas naudojamas GROVERA paieškos algoritme
Tokiu būdu galima atskleisti "kvantinės lygiagretumo" koncepcijos turinį: "Duomenys skaičiavimo procese yra kvantinė informacija, kuri proceso pabaigoje konvertuojama į klasikinį galutinio kiekio būklę Registruotis. Kvantinių algoritmų laimėjimas pasiekiamas dėl to, kad naudojant vieną kvantinę operaciją, daug koeficientų kvantinės valstybės superpozicijos, kuri virtualioje formoje yra klasikinė informacija, yra konvertuojama vienu metu. "
Pagal kvantinę painiavą, kuri taip pat vadinama "kvantinės superpozicija", paprastai suprantama: "Įsivaizduokite atomą, kurią tam tikru metu gali būti atliekamas radioaktyvusis skilimas. Arba negalėjo tikėtis, kad šis atomas yra tik du galimos valstybės: "Dezintegracija" ir "nesumažėja", ... / Bet į kvantinę mechaniką atomu gali būti tam tikra kombinuota sąlyga - "skilimas - ne skilimas", tai nėra nei vienas ar kitas, bet kaip jei tarp. Ši būsena vadinama "superpozicija".
Pagrindinės charakteristikos kvantinių kompiuterių teoriškai leidžia jiems įveikti kai kuriuos apribojimus, atsirandančius dėl klasikinių kompiuterių veikimo.
Teorija
Kubilas
"Quantum Computing" idėja, kurią pirmą kartą išreiškė YU. I. Manin ir R. Feynman yra tai, kad kvantinė sistema nuo L. Dviejų lygių kvantiniai elementai (kubeliai) turi 2 L. tiesiškai nepriklausomos valstybės, todėl dėl kvantinės superpozicijos principo, 2 L. -Hell Hilbert valstybinė erdvė. Veikimas kvantiniuose skaičiavimuose atitinka šią erdvę. Taigi, kvantinis skaičiavimo įrenginio dydis L. CUBE gali atlikti lygiagrečiai 2 L. Operacijos.
Tarkime, kad yra vienas quit. Tokiu atveju po matavimo, vadinamosios klasikinės formos, rezultatas bus 0 arba 1. Iš tikrųjų kvantinis objektas yra iš tikrųjų, todėl dėl netikrumo principo gali būti 0, ir 1 su tam tikra tikimybe. Jei quibit yra 0 (arba 1) su 100% tikimybe, jo būklė žyminama simboliu | 0\u003e (arba | 1\u003e) - į Diraco pavadinimą. | 0\u003e ir | 1\u003e yra pagrindinės valstybės. Bendru atveju, kvantinė būklė qubbit yra tarp pagrindinio ir užregistruoto, jei | a.| ² ir | b.| ² - tikimybės 0 arba 1 priemonė; ; |. a.|² + | b.| ² \u003d 1. Be to, iš karto po matavimo qubbit patenka į pagrindinę kvantinę būseną, panašią į klasikinį rezultatą.
Yra quit į kvantinę būseną 
Šiuo atveju tikimybė gauti matuojant šiuo atveju, kai matuojama, mes gavome 0 nuo 64% tikimybės. Tada kvantiniai šuoliai į naują kvantinę būseną 1 * | 0\u003e + 0 * | 1\u003e \u003d 0\u003e, ty su kita šio qubit dimensija, mes gauname 0 su šimtu procentų tikimybės. Taip yra dėl to, kad "Dirakovsky" statuso vektorius nepriklauso nuo laiko, tai yra platinama pagrindinių būsenų sumos, kuriose yra ne laiko koeficientai.
Mes duodame du pavyzdžius iš kvantinės mechanikos paaiškinti: 1) fotonas yra dviejų poliarizacijų superpozicijos būklės; Matavimo laikai ir amžinai sukasi fotono būseną tam tikra poliarizacija; 2) radioaktyvus atomas turi tam tikrą pusę gyvenimo; Matavimas gali atskleisti, kas dar nėra žlugo, tačiau tai nereiškia, kad jis niekada nebus kampanijos.
Pasukkime į dviejų qubians sistemą. Kiekvieno iš jų matavimas gali duoti 0 arba 1. Klasikinių narių 4 sistema: 00, 01, 10 ir 11. Panašūs į jų pagrindines kvantines valstybes: | 00\u003e, 01\u003e, | 10\u003e ir | 11\u003e. Galiausiai, bendra sistemos būklė turi formą. Dabar | a.| ² - 00 matavimo tikimybė ir tt Atkreipkite dėmesį, kad | a.|²+| b.|²+| c.|²+| d.| ² \u003d 1 kaip visiškas tikimybė.
Apskritai, sistemos nuo L. Ji turi 2 kubelius L. Klasikinės valstybės (00000 ... (L-Zeros), ... 00001 (L-numeriai), ..., 11111 ... (L-vienetai)), kurių kiekvienas gali būti matuojamas tikimybėmis 0-100% .
Taigi, viena operacija qubs grupėje veikia visas vertes, kad ji gali imtis, skirtingai nuo klasikinio bitų. Tai užtikrina precedento neturintį skaičiavimo lygiagretumą.
Skaičiavimas. \\ T
Supaprastinta skaičiavimo schema kvantiniame kompiuteryje atrodo taip: kubo sistema yra imtasi, kai pradinė būsena yra įrašyta. Tada sistemos ar jos posistemių būklė skiriasi nuo pagrindinių kvantinių operacijų. Pabaiga matuojama, ir tai yra kompiuterio rezultatas.
Pasirodo, kad dėl bet kokio pakankamai dviejų pagrindinių operacijų skaičiavimo. "Quantum" sistema suteikia rezultatą tik su tikimybe, kuri yra teisinga. Bet dėl \u200b\u200bnedidelio operacijų padidėjimo algoritme, galimas savavališkai, kad būtų galima gauti teisingą rezultatą vienam.
Naudojant pagrindines kvantines operacijas, galima imituoti įprastinių loginių elementų veikimą, iš kurių yra atlikti paprasti kompiuteriai. Todėl bet kokia užduotis, kurios buvo išspręstos dabar, kvantinis kompiuteris išspręs ir beveik tuo pačiu metu. Todėl nauja skaičiavimų schema bus ne silpnesnė už dabartinį.
Kas yra "Quantum Computer" geresnis klasikinis? Dauguma šiuolaikinių kompiuterių veikia pagal tą pačią schemą: N atminties bitai saugomi ir kiekvieną kartą pasikeičia procesorius. Kvantiniu atveju NS sistema yra valstybėje, kuri yra visų pagrindinių valstybių superpozicija, todėl sistemos keitimo problemos visi 2 N. Pagrindinės valstybės tuo pačiu metu. Teoriškai, nauja schema gali dirbti toli (per eksponentinį skaičių) greičiau nei klasikinis. Beveik (kvantinė) algoritmas, skirta pagrindinei paieškai duomenų bazėje, rodo kvadratinį galios padidėjimą prieš klasikinius algoritmus. Nors gamtoje nėra.
Algoritmai
Buvo įrodyta, kad ne dėl bet kokio algoritmo yra įmanoma "kvantinis pagreitis".
Kvantinė teleportacija
Teleportacijos algoritmas įgyvendina tikslią vieno qbit (arba sistemos) valstybės perdavimą į kitą. Paprasčiausia schema naudoja 4 qubbs: šaltinį, imtuvą ir du pagalbinius. Atkreipkite dėmesį, kad dėl algoritmo veikimo, pradinė šaltinio būklė žlunga - tai yra generalinio veiksmo pavyzdys klonavimo neįmanoma - Neįmanoma sukurti tikslios kvantinės būklės kopijos, nepažeidžiant originalo. Tiesą sakant, tai yra gana lengva sukurti tas pačias būsenas kubeliuose. Pavyzdžiui, 3 kvapių matavimas, kiekvienas iš jų perkelsime į pagrindines būsenas (0 arba 1) ir bent du iš jų jie sutampa. Nebus kopijuojama savavališkas Būklė ir teleportacija - šios operacijos pakeitimas.
"Teleportation" leidžia perkelti sistemos kvantinę būseną naudojant įprastinius klasikinius komunikacijos kanalus. Taigi, tai yra įmanoma, visų pirma, siekiant gauti su juo susijusios būklės sistemos, susidedančios iš posistemių nuotoliniu būdu dideliu atstumu.
Kvantinių kompiuterių taikymas
Specifiškumo taikymas
Gali atrodyti, kad kvantinis kompiuteris yra analoginio kompiuterijos mašina. Bet tai nėra taip: iš esmės tai yra skaitmeninis įrenginys, bet su analoginiu prigimtimi.
Pagrindinės problemos, susijusios su kvantinių kompiuterių kūrimu ir naudojimu:
- būtina užtikrinti didelį matavimo tikslumą;
- išorinis poveikis gali sunaikinti kvantinę sistemą arba prisidėti prie jo.
Paraiškos kriptografijai
Dėl didžiulio skilimo greičio dėl paprastų veiksnių, kvantinis kompiuteris leis iššifruoti pranešimus, užšifruotus populiarios asimetrinio kriptografinio algoritmo pagalba atveria naujas funkcijas pranešimų perdavimo srityje. Tokio pobūdžio prototipų sistemos yra kuriamos.
Pardavimai.
Kanados kompanija "D-Wave" 2007 m. Vasario mėn. Sudarė kvantinio kompiuterio pavyzdį, kurį sudaro 16 kubelių (prietaisas buvo vadinamas "Orion"). Tačiau informacija apie šį prietaisą neatitiko griežtų tikslaus mokslinio bendravimo reikalavimų; Naujienos negavo mokslinio pripažinimo. Be to, bendrovės tolesni planai (sukurti 1024 kubinių kompiuterių jau artimiausioje ateityje) sukėlė skepticizmą iš ekspertų bendruomenės narių.
2007 m. Lapkričio mėn. Ta pati D bangos kompanija parodė 28 kubinių kompiuterių pavyzdį internete konferencijoje, skirtoje superkompiuteriams. Šis demonstravimas taip pat sukėlė tam tikrą skepticizmą.
2008 m. Gruodžio mėn. Bendrovė surengė paskirstyto skaičiavimo projektą [El. Pašto saugoma](A.diabatija. Qu.antimas A.lgoritmai), kuriuose yra išbandyti algoritmai, optimizuojant skaičiavimus "Adiabatic Superlaidering Quantum" kompiuterių D banga.
Taip pat žiūrėkite
Pastabos
Literatūra
- Kilimų s.Ya. Kvantai ir informacija / pažanga optika. - 2001. - Vol. 42. - P. 1-90.
- Kilimas S. Ya. Kvantinė informacija / fizinių mokslų sėkmė. - 1999. - T. 169. - C. 507-527.
- Kvantiniai skaičiavimai ir prieš. Ed. Sadovnichny V. A.
- Kvantinis kompiuteris ir kvantiniai skaičiavimai. Ed. Sadovnichny V. A.
- K. A. Valiev, Kokin A. A. Quantum Computers: viltis ir realybė. Maskva, Izhevsk: Reguliarus ir chaotiškas dinamika, 2004 320 p. ISBN 5-93972-024-2.
Nuorodos. \\ T
- Kvantinis kompiuteris ir jos puslaidininkių pagrindinė bazė
- Kitaev, A., Shen, A., Sloggy, M. Klasikiniai ir kvantiniai skaičiavimai
- Qwiki (anglų kalba) ir quaniki (anglų kalba) - Wiki ištekliai apie kvantinę informatiką
- QCL programavimo kalba kvantinių kompiuterių (ENG.)
- Kursas "Šiuolaikinės užduotys teorinės informatikos" (paskaitos apie kvantinių skaičiavimų: įvadas, tiekimo kodavimas, kvantinė teleportacija, Simon ir kranto algoritmai)
- INFUTURE.RU: ateities kvantiniai kompiuteriai - trofiniuose skaičiavimuose
- Valiev K. A. "Kvantiniai kompiuteriai ir kvantiniai skaičiavimai" UFN 175 3 (2005)
Wikimedia fondas. 2010 m.
- Kvantinės atskyrimo efektas
- Kvantinis matmenų poveikis
Žiūrėkite, kas yra "kvantiniai skaičiavimai" kituose žodynuose:
Kvantiniai kompiuteriai - 3 kvantinė registro kubinė prieš 3 bitų paprastą kvantinę kompiuterį hipotetinį kompiuterinį įrenginį, kuris atliekant kvantinius algoritmus žymiai naudoja kvantinį mechaninį poveikį, pvz., ... ... Vikipedija
Topologinės kvantinės lauko teorijos - Quantum Mechanich. Arba kvantinės teorijos, visos koreliacijos funkcijos RYY nepriklauso nuo koordinačių ir metrikų pasirinkimo tiek laiko erdvėje ir kitose erdvėse, dalyvaujančiose teorijos apibrėžime. Tai leidžia jums naudoti ... ... Fizinė enciklopedija
Kvantinis kompiuteris - 3 kvantinė registro kubinė prieš 3 bitų tradicinio kvantinio kompiuterinio skaičiavimo įrenginio pagal kvantinės mechaniką. Kvantinis kompiuteris iš esmės skiriasi nuo klasikinių kompiuterių, dirbančių su ... Vikipedija
Kandidatas iš fizinių ir matematinių mokslų L. Fedichin (fizinis ir technologinis institutas Rusijos mokslų akademijos.
Naudojant kvantinės mechanikos įstatymus, galite sukurti iš esmės naują kompiuterinių mašinų tipą, kuris išspręs kai kurias užduotis, netaikomas netgi galingiausiems šiuolaikiniams superkompiuteriams. Smarkiai padidinkite daugelio sudėtingų skaičiavimo greitį; Pranešimai, siunčiami per kvantinės bendravimo linijas, negali būti nei perimti ar kopijuoti. Šiandien buvo sukurti šių kvantinių kompiuterių prototipai.
Amerikos matematikas ir Vengrijos kilmės fizikas Johann Von Neuman (1903-1957).
"American Philips Finman Phillips" (1918-1988).
Amerikos matematikos Peter Shore, specialistas kvantinės skaičiavimo. Siūloma kvantinės algoritmas greitai faktologui.
Kvantinis bitas arba qubit. Teigia ir atsako, pavyzdžiui, branduolinio branduolinio branduolio branduolio branduolio branduolio arba žemyn.
Kvantinis registras - kvantinių bitų grandinė. Vieno ar dviejų kanalų kvantiniai vožtuvai atlieka logines operacijas.
Įvadas arba šiek tiek apie informacijos apsaugą
Ką manote apie tai, kokia programa pasaulyje pardavė didžiausią licencijų skaičių? Aš nenoriu primygtinai reikalauti, kad žinau teisingą atsakymą, bet aš tikrai žinau, kad tai neteisingai: nebet kuri iš "Microsoft Windows" versijų. Dažniausia operacinė sistema yra prieš kuklią RSA duomenų saugumo produktą, Inc. - programa, kuri įgyvendina atvirą raktų šifravimo algoritmą, pavadintas po jo autorių - Amerikos matematikai RiVesta, Shamir ir Adelman.
Faktas yra tai, kad RSA algoritmas yra įterptas daugelyje parduotų operacinių sistemų, taip pat daugelyje kitų programų, naudojamų įvairiuose įrenginiuose - nuo protingo į mobiliuosius telefonus. Visų pirma ji taip pat turi "Microsoft Windows", o tai reiškia, kad jis yra platinamas sąmoningai platesnis šis populiarus operacinė sistema. Norėdami aptikti RSA pėdsakus, pavyzdžiui, "Internet Explorer" naršyklėje (programoje peržiūrėti WWW puslapius internete), pakanka atidaryti meniu "Pagalba", įveskite meniu "Apie" Internet Explorer "ir peržiūrėti naudotų produktų sąrašą kitų įmonių. Kita bendra "Netscape Navigator" naršyklė taip pat naudoja RSA algoritmą. Apskritai, sunku rasti gerai žinomą įmonę, dirbančią aukštųjų technologijų srityje, kuri neperka šios programos licencijos. Iki šiol RSA duomenų saugumas, Inc. Parduota daugiau nei 450 mln. (!) Licencijų.
Kodėl toks svarbus RSA algoritmas?
Įsivaizduokite, kad jums reikia greitai keistis pranešimu su asmeniu, kuris yra toli. Dėka interneto plėtros, toks birža tapo prieinama šiandien daugumai žmonių - tai tik būtina turėti kompiuterį su modemu ar tinklo kortele. Žinoma, keičiantis informaciją tinkle, norėtumėte išgelbėti mūsų pranešimus paslaptyje nuo nepažįstamų žmonių. Tačiau neįmanoma visiškai apsaugoti išplėstinės komunikacijos linijos nuo klausymo. Taigi, siunčiant pranešimus, jie turi būti užšifruoti, o gavus - iššifruoti. Bet kaip jūs ir jūsų pašnekovas sutinkate, kaip jūs naudojate raktą? Jei siunčiate raktą į tos pačios linijos šifrą, klausymo užpuolikas bus lengvai užfiksuotas. Žinoma, galite perkelti raktą kitai bendravimo eilutei, pvz., Siųsti jį į telegramą. Tačiau šis metodas paprastai yra nepatogu ir be to, tai ne visada yra patikima: taip pat gali būti girdimas kita linija. Na, jei jūs ir jūsų adresatas iš anksto žinojo, kad galėtumėte keistis šifruotojais, todėl jūs laikinai perkeltumėte į vienas kitą raktus. Ir kaip būti, pavyzdžiui, jei norite siųsti konfidencialią komercinį pasiūlymą į galimą verslo partnerį arba įsigyti kredito kortelę kredito kortele, prekės, kaip ir naujoje internetinėje parduotuvėje?
1970, šifravimo sistemos, kurios naudoja dviejų tipų raktus už tą patį pranešimą buvo pasiūlyta išspręsti šią problemą už tą patį pranešimą: atidaryti (nereikalaujant saugojimo paslaptyje) ir uždarytas (griežtai paslaptis). Viešasis raktas padeda užšifruoti pranešimą ir uždarytas - už jo iššifravimą. Siunčiate korespondentinį atvirą klavišą, ir jis šifruoja savo žinutę. Viskas, ką užpuolikas gali padaryti, sulaikyti viešąjį raktą, yra užšifruoti juos savo laišką ir siųsti jį kitam. Bet tai negalės iššifruoti korespondenciją. Jūs, žinant uždarą klavišą (tai iš pradžių saugoma su jumis), galite lengvai perskaityti jums adresuotą pranešimą. Norėdami užšifruoti atsakymo pranešimus, naudosite atvirą raktą, kurį siunčia jūsų korespondentas (ir atitinkamas uždaras raktas, jis palieka save).
Tiesiog tokia kriptografinė diagrama ir yra naudojama RSA algoritme - labiausiai paplitęs atviro rakto šifravimo metodas. Be to, kita svarbi hipotezė naudojama atviru ir privačių raktų porai sukurti. Jei yra du dideli (reikalaujantys daugiau nei šimtas dešimtainių skaitmenų jūsų įrašui) paprasta numeriai m ir k, tada surasti savo darbą n \u003d MK nebus daug darbo (už tai net nereikia turėti kompiuterio: gana tvarkingas ir paciento žmogus Gebės dauginti tokius numerius naudodami rankeną ir popierių). Bet norėdami išspręsti atvirkštinę problemą, tai yra, žinant didelį skaičių n, suyra su paprastais multiplikatoriais M ir K (vadinamasis užduočių faktorius) - Beveik neįmanoma! Tai yra su šia problema, kad užpuolikas susidurs, kuris nusprendė "įsilaužti" RSA algoritmas ir perskaityti informaciją užšifruotą su juo: išsiaiškinti uždarą klavišą, žinant atvirą, turės apskaičiuoti M arba K.
Norėdami išbandyti hipotezės teisingumą apie praktinį suskaidymo sudėtingumą keliais numeriais, taip pat buvo surengti specialūs konkursai. Įrašas laikomas tik 155 skaitmenų (512 bitų) numerių skaidymu. Skaičiavimai buvo atlikta lygiagrečiai daugelyje kompiuterių per septynis mėnesius nuo 1999 m. Jei ši užduotis buvo atlikta šiuolaikiniame asmeniniame kompiuteryje, tai būtų būtina maždaug 35 metų staklės! Skaičiavimai rodo, kad su net tūkstančiais šiuolaikinių darbo vietų ir geriausių skaičiavimo algoritmų, žinomų šiandien, vienas 250 skaitmenų skaičius gali būti suskaidytas dėl veiksnių apie 800 tūkstančių metų, ir 1000 skaitmenų - 10 25 (!) Metų . (Palyginimui, visatos amžius yra ~ 10 10 metų.)
Todėl kriptografiniai algoritmai, panašūs į RSA, veikia pakankamai ilgų raktų, buvo visiškai patikimi ir naudojami daugelyje programų. Ir viskas buvo gera iki to paties ... tol, kol pasirodė kvantiniai kompiuteriai.
Pasirodo, kad naudojant kvantinės mechanikos įstatymus galima statyti tokius kompiuterius, kuriems faktoringo užduotis (ir daugelis kitų!) Nebus daug sunkumų. Remiantis skaičiavimais, kvantinis kompiuteris su atmintimi su tik apie 10 tūkst. Kvantinių bitų tūrio gali suskaidyti 1000 skaitmenų numerį paprastais multiplikatoriais vos keliomis valandomis!
Kaip viskas prasidėjo?
Tik iki dešimtojo dešimtmečio vidurio kvantinių kompiuterių ir kvantinių skaičiavimų teorija buvo sukurta kaip nauja mokslo sritis. Kaip dažnai atsitinka su puikiomis idėjomis, sunku pabrėžti atradiklį. Matyt, pirmasis atkreipė dėmesį į galimybę plėtoti Vengrijos matematiko I. von Quantum logiką. Von Neuman. Tačiau tuo metu ne tai, kad kvantinė, bet ir paprasti, klasikiniai, kompiuteriai dar nebuvo sukurti. Ir su pastarųjų atėjimu pagrindinės mokslininkų pastangos pirmiausia buvo skirtas naujų elementų paieškai ir tobulinimui (tranzistoriai ir integriniai grandynai), o ne sukurti iš esmės kitų kompiuterių įtaisų.
1960 m., Amerikos fizikas R. Landauer, kuris dirbo "IBM Corporation", bandė atkreipti mokslo pasaulio dėmesį į tai, kad skaičiavimai visada yra fizinis procesas, o tai reiškia, kad neįmanoma suprasti mūsų skaičiavimo galimybių ribų, \\ t nenurodant, kokio fizinio įgyvendinimo jie atitinka. Deja, tuo metu tarp mokslininkų pažvelgti į skaičiavimą kaip tam tikrą abstrakčią loginę procedūrą, mokytis matematikų, o ne fizikams.
Kadangi kompiuteriai yra platinami, mokslininkai, dalyvaujantys kvantiniuose objektuose, sudarytuose praktiniame nesugebėjimui tiesiogiai apskaičiuoti besivystančios sistemos būklę, kurią sudaro tik kelios dešimties sąveikos dalelės, pvz., Metano molekulės (CH4). Tai paaiškinama tuo, kad visiškam sudėtingos sistemos aprašymui būtina išlaikyti kintamųjų skaičių, vadinamąjį kvantinę amplitudes kompiuterio atmintyje. Įvyko paradoksali situacija: evoliucijos lygties evoliucija, žinant pakankamai tiksliai visų dalelių sąveikos potencialą vieni su kitais ir pradine sistema, beveik neįmanoma apskaičiuoti savo ateities, net jei sistema susideda iš Tik 30 elektronų potencialioje duobėje, ir yra superkompiuteris su RAM, kurio bitų skaičius yra lygus atomų skaičiui matomame visatos regione (!). Ir tuo pačiu metu, studijuoti tokios sistemos dinamiką, galite tiesiog įdėti eksperimentą su 30 elektronų, pateikdami juos į nurodytą potencialą ir pradinę būseną. Tai visų pirma atkreipė Rusijos matematiko Yu dėmesį. I. Manin, nurodydamas 1980 m., Reikia plėtoti kvantinių skaičiavimo įrenginių teoriją. Devintajame dešimtmetyje Amerikos fizikas P. Benev buvo tiriamas ta pati problema, kuri aiškiai parodė, kad kvantinė sistema gali atlikti skaičiavimus, taip pat anglų mokslininkas D. Doych, teoriškai sukūrė universalų kvantinį kompiuterį, pranašesnį į klasikinį analoginį.
Daug dėmesio į kvantinių kompiuterių plėtros problemą pritraukė Nobelio fizikos premijos laureatas R. Feyn-Man, gerai susipažinęs su reguliariais skaitytojais "mokslo ir gyvenimo". Dėl savo autoritetingo skambučio, specialistų, kurie atkreipė dėmesį į kvantinių skaičiavimų, skaičius daug kartų padidėjo.
Nepaisant to, ilgą laiką jis liko neaišku, ar hipotetinė skaičiavimo galia kvantinio kompiuterio gali būti naudojamas paspartinti praktinių užduočių sprendimą. Tačiau 1994 m. Amerikos matematikas, "Lucent Technologies" (JAV) P. Shor Shechlomil darbuotojas, siūlantis kvantinį algoritmą, kuris leidžia greitai fokuropizuoti didelius numerius (apie šios užduoties svarbą buvo kalbama įvade). Palyginti su geriausiais šiandieniniais klasikiniais metodais, kvantinės kranto algoritmas suteikia daugybę skaičiavimų pagreičio, o kuo ilgesnis maksimalus pelnas. Greitas faktoriaus algoritmas yra labai svarbus įvairioms specialioms paslaugoms, kurios sukaupė ne išmetamųjų teršalų pranešimų bankus.
1996 m. "Shira" kolega darbe "Lucent Technologies L. Grover" pasiūlė kvantinę algoritmą greitai ieškoti netvarkingoje duomenų bazėje. (Tokios duomenų bazės pavyzdys yra telefonų knyga, kurioje abonentų pavadinimai yra ne abėcėlės tvarka, bet savavališkas būdas.) Ieškomo užduoties užduotis, optimalaus elemento pasirinkimas tarp daugelio galimybių yra labai dažnai randamas ekonominiu, kariniu atveju , Inžinerinės užduotys kompiuteriniuose žaidimuose. "Grangovers" algoritmas leidžia ne tik paspartinti paieškos procesą, bet ir padidinti apie du kartus didesnį parametrų skaičių, į kurį buvo atsižvelgta renkantis optimalų.
Tikras kvantinių kompiuterių kūrimas iš esmės neleido vienintelės rimtos problemos - klaidų ar trukdžių. Faktas yra tai, kad tas pats trukdžių lygis yra daug intensyvesnis grobia kvantinės skaičiavimo procesą nei klasikinis procesas. Būdai, kaip išspręsti šią problemą, 1995 m., P. Shor, kuriant kvantinių valstybių kodavimo schemą ir klaidų korekciją. Deja, klaidų korekcijos tema kvantiniuose kompiuteriuose yra toks pat svarbus kaip sunku jį išdėstyti šiame straipsnyje.
Quantum kompiuterio įrenginys
Prieš pasakydami, kaip įrengtas kvantinis kompiuteris, prisiminkite pagrindines kvantinių sistemų bruožus (taip pat žr. "Mokslas ir gyvenimas" Nr. 8, 1998; 12, 2000).
Suprasti kvantinės pasaulio įstatymus, neturėtų būti tiesiogiai remtis kasdienine patirtimi. Įprastu būdu (kasdieniame prasme), kvantinės dalelės elgiasi tik tuo atveju, jei nuolat "šnipinėjame" už jų, ar kalbant griežčiau, mes nuolat matuojame, kokia sąlyga jie yra. Bet tai yra verta "apsisukti" (sustabdyti stebėjimą), nes kvantinės dalelės nedelsiant išvyksta iš visiškai tam tikros valstybės į keletą skirtingų perlietų. Tai yra, elektronas (arba bet kuris kitas kvantinis objektas) iš dalies bus viename taške, iš dalies kitoje, iš dalies trečiojoje ir tt Tai nereiškia, kad jis yra padalintas į gabalėlį kaip oranžinį. Tada būtų galima patikimai izoliuoti bet kurią elektronų dalį ir išmatuoti jo mokestį ar masę. Tačiau patirtis rodo, kad po to, kai matavus elektroną visada pasirodo esąs "sveiki ir nepatenkinti" viename taške, nepaisant to, kad prieš tai jis sugebėjo aplankyti beveik visur. Ši elektronų būsena, kai ji yra nedelsiant keliais taškais erdvės, vadinamos kvantinės valstybės superpozicija Jie paprastai apibūdina 1926 m. Priimtą bangos funkciją Vokietijos fizikas E. Schrödinger. Bangos funkcijos vertės modulis bet kuriame taške, pastatytam į aikštę, lemia tikimybę rasti dalelę šiuo metu. Matavus savo bangos funkcijos dalelių padėtį, nes ji turėtų būti sugriežtinta (collapsy) iki taško, kur buvo aptikta dalelė, ir tada vėl pradeda nutraukti. Kvantinių dalelių nuosavybė, kurią reikia vienu metu daugelyje valstybių, vadinamų kvalelinė , sėkmingai naudojami kvantinių skaičiavimuose.
Kvantinis bitas
Pagrindinė kvantinio kompiuterio ląstelė yra kvantinė bitai arba sutrumpinta, kubilas(Q-bit). Tai kvantinė dalelė, turinti dvi pagrindines būsenas, kurios yra pažymėtos 0 ir 1 arba, kaip ir kvantinės mechanikai, ir. Dvi kubinių vertės gali atitikti, pavyzdžiui, pagrindinę ir sužadintą atomo būseną, atominės branduolio pusę, dabartinę kryptį superlaidingo žiedo, dviejų galimų elektronų pozicijos puslaidininkiui, ir panašiai.
Kvantinis registras
Kvantinis registras išdėstytas beveik tokiu pačiu kaip klasikiniu. Tai yra kvantinių bitų grandinė, per kurią galima atlikti vienos ir dviejų bitų logines operacijas (pvz., Ne operacijų naudojimas ne, 2 ir ne ir tt klasikiniame registre).
Šv. Jie gali būti laikomi numerių įrašu dvejetainiu forma nuo 0 iki 2 l -1 ir žymi. Tačiau šios pagrindinės valstybės neišnaudoja visas galimas kvantinės registro vertes (o ne klasikiniam), nes taip pat yra sudėtingų amplitudų, susijusių su normalizavimo sąlyga, valstybės. Klasikinis analogas daugeliu galimų kvantinio registro vertes (išskyrus pagrindinius), tiesiog neegzistuoja. Klasikinio registro būklė yra tik apgailėtinas viso kvantinės kompiuterių narių gerovės šešėlis.
Įsivaizduokite, kad registras atliekamas išorinio poveikio, pavyzdžiui, elektros impulsai pateikiami daliai erdvės ar lazerio spindulių siunčiami. Jei tai yra klasikinis registras, pulsas, kuris gali būti vertinamas kaip skaičiavimo operacija, pakeis L kintamuosius. Jei tai yra kvantinis registras, tas pats impulsas vienu metu gali konvertuoti į kintamuosius. Taigi, kvantinis registras iš esmės gali dirbti kartais greičiau nei jos klasikinis analogas. Iš čia iš karto aišku, kad maži kvantiniai registrai (l<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.
Vis dėlto verta pažymėkite, kad yra užduočių klasė, kuriai kvantiniai algoritmai nesuteikia reikšmingo pagreičio, palyginti su klasikine. Vienas iš pirmųjų - parodė Rusijos matematikas Y. Vigi, kuri pastatė nemažai algoritmų pavyzdžių, iš esmės nėra pagreitinta ant kvantinio kompiuterio niekam kitam takui.
Nepaisant to, nėra jokių abejonių, kad kompiuteriai, dirbantys pagal kvantinės mechanikos įstatymus, yra nauja ir lemiama skaičiavimo sistemų raida. Jis lieka tik juos statyti.
Šiandien kvantiniai kompiuteriai
Šiandien yra kvantinių kompiuterių prototipai. Tiesa, iki šiol ji eksperimentiškai gali surinkti tik mažus registrus, kuriuos sudaro tik keli kvantiniai bitai. Taigi, Grupė, kuriai vadovauja Amerikos fizikas I. Chang (IBM), paskelbė 5 bitų kvantinės kompiuterio surinkimą. Be abejo, tai yra labai sėkminga. Deja, esamos kvantinės sistemos dar negali pateikti patikimų skaičiavimų, nes jie nėra valdomi arba yra labai paveikti triukšmo. Tačiau nėra fizinių draudimų efektyvaus kvantinės kompiuterio statybos, tai yra būtina tik įveikti technologinius sunkumus.
Yra keletas idėjų ir pasiūlymų, kaip padaryti patikimus ir lengvai valdomus kvantinius bitus.
I. Chang plėtoja idėją naudoti kai kurių organinių molekulių branduolius kaip nugaros nugarą.
Rusijos tyrėjas M. V. Faigelman, dirbantis teorinės fizikos institute. L. D. Landau RAS siūlo surinkti kvantinius registrus iš miniatiūrinių sėklų žiedų superlaidų. Kiekvienas žiedas atlieka qubit vaidmenį ir nustačius 0 ir 1, atitinka elektrinės srovės kryptį žiede - pagal laikrodžio rodyklę ir prieš jį. Tokius kubelius galite perjungti magnetiniu lauku.
Rusijos mokslų akademijos fizikinio ir technologijos institute, Akademiko K. A. Valier vadovybės vadovaujant pasiūlė dvi galimybes pateikti kubelius puslaidininkių struktūrose. Pirmuoju atveju Kubos vaidmuo atlieka elektroną dviejų potencialių jamų sistemoje, kurią sukūrė įtampa, taikoma mini elektrodams ant puslaidininkio paviršiaus. Sąlygos 0 ir 1 - elektronų padėtis viename iš šių duobių. Perjungia fokusavimą keičiant įtampą viename iš elektrodų. Kitame įgyvendinimo variante kubas yra fosforo atomo branduolys, įterptas tam tikrame slapyvardio taške. SĄLYGOS 0 ir 1 - branduolio sukimo kryptys kartu su išoriniu magnetiniu lauku. Valdymas atliekamas naudojant bendrų rezonansinių dažnių ir įtampos impulsų magnetinių impulsų veikimą.
Taigi, moksliniai tyrimai yra aktyviai vykdomi ir galima daryti prielaidą, kad artimiausioje ateityje - dešimt metų - veiksmingas kvantinis kompiuteris bus sukurtas.
Pažvelkite į ateitį
Taigi, tai yra labai įmanoma, kad ateityje kvantiniai kompiuteriai bus pagaminti naudojant tradicinius mikroelektroninius technologijų metodus ir juose yra keli kontrolės elektrodai, primindami šiuolaikinį mikroprocesorių. Siekiant sumažinti triukšmo lygį, kritiškai normaliai eksploatuoti kvantinį kompiuterį, pirmieji modeliai, matyt, turės atvėsti su skystu helio. Tikriausiai pirmieji kvantiniai kompiuteriai yra didelių ir brangių įtaisų, kurie netelpa ant stalo ir aptarnauja dideliais sistemos programuotojų ir įrangos sąrankos baltais sluoksniais. Tik valstybės struktūros gaus prieigą prie jų, tada turtingos komercinės organizacijos. Tačiau prasidėjo maždaug paprastų kompiuterių era.
Ir kas bus su klasikiniais kompiuteriais? Ar jie suklaidino? Mažai tikėtina. Ir klasikiniams ir kvantiniams kompiuteriams bus prieinami jų programas. Nors, matyt, rinkos santykis vis dar bus palaipsniui perkeliamas į pastarąjį.
Kvantinių kompiuterių įvedimas nesukels iš esmės neišspręstų klasikinių užduočių sprendimo, tačiau paspartins tik kai kuriuos skaičiavimus. Be to, bus įmanoma kvantinis ryšys - QUBS perkėlimas į atstumą, kuris sukels į kvantinį internetą. Kvantinė komunikacija užtikrins, kad apsaugotas (kvantinės mechanikos įstatymai) nuo klausymo visų tų, kurie nori vieni kitiems ryšį. Jūsų saugoma informacija "Quantum" duomenų bazėse bus patikimesnis apsaugotas nuo kopijavimo nei dabar. Įmonės, gaminančios kvantinių kompiuterių programas, galės juos apsaugoti nuo bet kokio, įskaitant neteisėtą, kopijavimą.
Siekiant gilesnio šios temos kūrimo, galite perskaityti E. RIFFEL, V. LENKIJOS "QUANTUM COMPUTING" pagrindus ", paskelbtas žurnale" Kvantiniai kompiuteriai ir kvantiniai skaičiavimai "(Nr. 1, 2000) . (Beje, tai yra pirmasis ir iki šiol vienintelis žurnalas pasaulyje, skirta kvantiniam skaičiavimui. Papildoma informacija apie ją galima rasti internete http://rcd.ru/qc.). Įvaldęs šį darbą, galite skaityti mokslinius straipsnius apie kvantinių skaičiavimų.
Šiek tiek didelis preliminarus matematinis preparatas bus reikalingas skaityti knygą A. Kitaeva, A. Shenya, M. šlaito "klasikiniai ir kvantiniai skaičiavimai" (m.: MCNMO-CHERO, 1999).
Kelyje esančių kvantinių mechanikų aspektai, būtini kvantinių skaičiavimams atlikti, išardant knygoje V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrastaleva "kvantinė teleportacija - paprastas stebuklas" (Izhevsk: RCD, 2000).
Leidykloje RCD ruošiasi išeiti į atskirą knygą. A. styno peržiūra, skirta kvantiniams kompiuteriams.
Kita literatūra bus naudinga ne tik informaciniais, bet ir istoriniais terminais:
1) Yu. I. Manin. Skaičiuojamas ir ne asmuo.
M.: Ov. Radijas, 1980 m.
2) I. von Neuman. Matematiniai kvantinės mechanikos pamatai.
M.: Mokslas, 1964 m.
3) R. Feynman. Fizikos modeliavimas kompiuteriuose // Quantum kompiuterio ir kvantinių skaičiavimams:
Šeštadienis 2 T. - Izhevsk: Rhd, 1999. T. 2, p. 96-123.
4) R. Feynman. Quantum-mechaniniai kompiuteriai
// ibid, s. 123.-156.
Pamatyti tos pačios temos kambaryje.
Dėl to, kad toks modeliavimas yra svarbus, yra tai, kad klasikiniai skaitmeniniai kompiuteriai gali praktiškai daryti viską su daugialypėmis valstybėmis; Daugeliu atvejų klasikiniai skaičiavimų metodai ne tik kiekybiškai įvertinami, bet ir kokybiškai negali apibūdinti molekulių elektroninės struktūros.
Svarbi problema, kuri buvo neseniai išspręsta buvo rasti būdų, kad kvantinis kompiuteris galėtų veiksmingai įvykdyti skaičiavimus ir reikalingą cheminį tikslumą realiam pasauliui. Programa buvo pradėta 20 kubinių IBM procesoriaus.
Kodėl chemija pateko į tokio intereso sritį? Chemija yra viena iš pelningiausių komercinių prašymų dėl kelių priežasčių. Mokslininkai tikisi rasti daugiau energiją taupančių medžiagų, kurios gali būti naudojamos baterijose ar saulės kolose. Taip pat yra nauda aplinkai: Apie du procentai energijos pasaulyje eina į trąšų gamybą, kuri yra siaubingai neveiksminga ir gali būti pagerinta sudėtinga cheminė analizė.
Galiausiai yra asmeninių medicinos programų, su galimybe numatyti, kaip farmaciniai vaistai paveiks žmones pagal jų genetiką. Ilgainiui - gebėjimas kurti vaistą konkrečiam asmeniui už efektyviausią gydymą ir sumažinti šalutinį poveikį.
CQC ir JSR Corp turėjo dvi strategijas, kurios leido mokslininkams atlikti šį proveržį. Pirma, jie naudojo savo CQC kompiliatorių efektyviausia kompiuterio programos transformacija instrukcijoje, kaip manipuliuoti qubit. Toks veiksmingumas yra ypač svarbus šiuolaikinėms mažesnėms mašinoms, kuriose yra svarbi ir yra būtina, o vykdymo greitis yra labai svarbus.
Antra, jie naudojo kvantinę mašinos mokymąsi, specialų mašinų mokymosi, kuri naudoja vektorinius amplitudes, o ne tik tikimybes. Naudojamas kvantinės mašinos mokymosi metodas buvo specialiai sukurtas mažesniems kvantiniams kompiuteriams, su daliniu iškrovimu su tradiciniais procesoriais.
Per ateinančius kelerius metus reikia gerokai pagerinti kvantinę aparatūrą ir programinę įrangą. Kadangi skaičiavimai tampa vis labiau tikslesni, vis daugiau pramonės šakų gali pasinaudoti kvantinių kompiuterių paraiškomis, įskaitant kvantinę chemiją. "Gartner" prognozuoja, kad po ketverių metų 20% korporacijų turės biudžetą kvantiniams skaičiavimams. Po dešimties metų jie taps neatsiejama technologijų komponentas.