Квантовий комп'ютер
Квантовий комп'ютер — фізичний обчислювальний пристрій, функціонування якого ґрунтується на принципах квантової механіки, зокрема, принципі суперпозиції та явищі квантової заплутаності.
Відмінності квантового комп'ютера від класичного
Квантовий комп'ютер відрізняється від звичайного транзисторного комп'ютера зокрема тим, що класичний комп'ютер оперує даними, закодованими у двійкових розрядах (бітах), кожен з яких завжди перебуває в одному з двох станів (0 або 1), коли квантовий комп'ютер використовує квантові біти (кубіти), які можуть знаходитися у суперпозиції станів.
Даний принцип має ряд переваг, так як і для складних обчислень (розкладання великих чисел на прості множники чи моделювання складних процесів ділення ядер чи окремих елементів в режимі реального часу) або створення складної системи шифрування даних. Такі системи шифрування даних зможе розшифрувати тільки квантовий комп'ютер. Звичайним засобам обчислювальної техніки - непідсилу, якраз через цю невизначеність частинки та нестабільність даного стану.
Іншою перевагою квантового комп'ютера над класичним є його швидкість, але ця перевага працює виключно при роботі над складними задачами та з великою кількістю даних.
Інформатико-теоретичною моделлю такого обчислювального пристрою є квантова машина Тюрінга, або універсальний квантовий комп'ютер, яка була розроблена Девідом Дойчем у 1985 році.
Властивості квантових комп'ютерів
Квантові комп'ютери на відміну від класичних володіють рядом особливих властивостей такі як квантова суперпозиція та квантова заплутаність.
Квантова суперпозиція - це, коли частинка має два стани, то вона також одночасно, знаходиться в обох станах. Якщо порівнювати із звичайних комп'ютером то у квантових є ще 3-й стан, коли частинка одночасно є в стані 0 та 1. Але даний стан - є нестабільний, так як якщо спробувати вирахувати, будь яку фізичну величину цієї частинки(масу, імпульс, координату) дана частинка випадкових чином "стає" в один з двох станів - 0 або 1.
Квантова заплутаність - квантовомеханічне явище, при якому квантовий стан двох або більшої кількості об'єктів повинен описуватися у взаємозв'язку один з одним, навіть якщо окремі об'єкти рознесені в просторі. Внаслідок цього виникають кореляції між спостережуваними фізичними властивостями об'єктів. Наприклад, гіпотетично можна так приготувати дві частинки в єдиному квантовому стані, що коли одна частинка спостерігається в стані зі спіном, спрямованим вгору, то спін іншої виявляється спрямованим вниз, і навпаки, і це попри те, що за принципами квантової механіки, передбачити, яка частинка фактично рухатиметься в заданому напрямку, неможливо. Іншими словами, створюється враження, що вимірювання над однією системою миттєво впливають на систему, сплутану з нею. Однак те, що розуміється під інформацією в класичному сенсі, все-таки не може бути передано через заплутаність швидше, ніж зі швидкістю світла.
Існування явища квантової заплутаності дає право говорити про те, що квантовий комп'ютер є набагато потужнішим за класичний, оскільки він здатен розв'язувати певні задачі набагато швидше, ніж це робить класичний комп'ютер. Наприклад, для зберігання N-бітового регістра класичний комп'ютер оперує N класичними бітами.
Квантовий регістр - це об'єднання кубітів в один базис. Так як вони описуються по математичній системі 2^N. В даному випадку значення N - кількість станів. Наприклад, якщо базис має 2 кубіти, тоді регістр буде мати наступні вектори:
Довільний стан квантового регістра матиме вигляд суперпозиції всіх його базисних векторів.
Наприклад, для зберігання N-бітового регістра класичний комп'ютер оперує N класичними бітами. Але аналогічний квантовий регістр описується вектором у 2^N- вимірному просторі, тому має бути задано 2^N комплексних коефіцієнтів. У цьому випадку дуже важливим є той факт, що за великих N значення 2^N є набагато більшим за N тому часто принцип суперпозиції трактується як такий, що дозволяє зберігати в N-кубітовому регістрі одночасно всі 2^N чисел від 0 до 2^N-1.
Однак це твердження вводить в оману: оскільки результатом вимірювання стану квантового регістра завжди є один з його можливих базисних станів, то з допомогою теореми Холево можна довести, що максимально доступна кількість інформації, яку можна добути з одного кубіта, дорівнює одному бітові, як і в класичному випадку. Утім, слушним є твердження, що потужність квантових паралельних обчислень за принципом суперпозиції виходить за рамки можливостей, що надають класичні паралельні обчислення.
Вентилі - інструмент, який дозволяє проводити обчислення на комп'ютерах. Дану особивість мають всі системи, які здатні проводити обчислення
В класичному комп'ютері за допомогою логічних елементів можна виконувати елементарні операції над бітами, а комбінування вентилів дає можливість виконувати більш складні операції, наприклад, додавання двійкових чисел. Фізично логічні вентилі реалізовуються в класичному комп'ютері за допомогою певних пристроїв, зокрема транзисторів, а інформація в свою чергу передається у вигляді електричного сигналу, що проходить через ці пристрої.
Обчислення на квантовому комп'ютері принципово відрізняються від класичних: квантовий вентиль є не просто технічним пристроєм, а являє собою певну елементарну фізичну дію над одним або декількома кубітами. Конкретний вигляд цієї фізичної маніпуляції залежить передусім від фізичної природи кубіта: наприклад, спін електрона може змінити орієнтацію при накладанні магнітного поля, а атом — перейти у збуджений стан під впливом лазерного імпульса. Таким чином, квантові вентилі не являють собою окремі пристрої, а реалізуються як певні маніпуляції над квантовим регістром у необхідний проміжок часу, які зручно зображати у вигляді квантових схем при описі квантових алгоритмів.
Квантові комп'ютери на оптичних чіпах
Вчені центру квантової фотоніки Бристольського університету створили кремнієвий чип, який можна буде використовувати для складних підрахунків та симуляцій з використанням квантових часток у найближчому майбутньому. Вчені вважають що їхній прилад проторює шлях до квантових комп'ютерів — потужного виду комп'ютерів, що використовують квантові біти, а не звичайні біти, що використовуються у сучасних комп'ютерах.
На відміну від звичайних бітів чи транзисторів, які можуть бути представлені одночасно лише в одній з двох форм (1 або 0), кубіт може існувати у кількох формах одночасно і, таким чином, може використовуватись для зберігання та обробки набагато більшого обсягу інформації у більшому ступені.
Технологія, створена у Бристолі використовує дві ідентичні часточки світла (фотони) які рухаються вздовж силіконового чипа в межах експерименту, відомого як рух квантів. Експеримент руху квантів з використанням одного фотону проводився і раніше і він підпадав під модель класичної фізики хвиль. Тим не менш, такого роду експеримент з використанням двох часток було проведено вперше, і результати їх важко переоцінити.
«З використання системи двох часток ми отримуємо можливість виконувати експонентно складніші обчислення ніж досі», говорить професор Джеремі О'Брайєн. «Це — початок досліджень у новій сфері квантової інформаційної науки, що прокладає шлях до квантових комп'ютерів, які допоможуть вирішити складніші наукові завдання.».
Застосування у якості кубітів молекул
Фізики зробили перший крок до створення квантових комп'ютерів на основі окремих молекул, захоплених лазерними пристроями (оптичними пінцетами), повідомляє наукове видання Nature з посиланням на роботи двох окремих команд вчених.
У обох випадках пари молекул монофториду кальцію взаємодіють так, що в результаті виникає квантова заплутаність – вирішальний ефект для квантових обчислень.
"Молекули трохи складніші, а це означає, що вони пропонують нові способи кодування квантової інформації, а також нові способи взаємодії", - сказав співавтор однієї зі статей Лоуренс Чеук, фізик з Прінстонського університету.
Негативні електричні заряди, що переносяться електронами монофториду, групуються в напрямку атома фтору, залишаючи на кальцієвому кінці молекули чистий позитивний заряд. Дослідники змогли змусити дві молекули монофториду кальцію взаємодіяти, "відчуваючи" позитивні та негативні полюси один одного.
"Диполярна взаємодія молекул дає нам додатковий механізм налаштування", - додав співавтор іншої статті Джон Дойл, фізик із Гарвардського університету.
Поки повноцінний квантовий комп'ютер ще не створили, найпотужнішими обчислювальними пристроями у світі залишаються суперкомп'ютери: Frontier розробки США, японський Fugaku та фінський LUMI.
Складність квантових обчислень
Клас складності задач, які можна ефективно розв'язати на квантовому комп'ютері, позначається BQP. Цей клас містить усі задачі, що можна розв'язати на квантовому комп'ютері за поліноміальний час за певної дозволеної обмеженої імовірності помилки.
Оскільки квантові комп'ютери працюють лише за імовірнісними алгоритмами, то клас BQP є квантовим аналогом класу BPP — усі задачі, які можна розв'язати на класичному комп'ютері за поліноміальний час за певної дозволеної обеженої імовірності помилки.
Хоча описаний квантовий комп'ютер може працювати швидше за класичний, він також не здатний розв'язувати задачі, які не можна розв'язати на класичному комп'ютері за наявності достатньої кількості пам'яті та часу (хоча цей об'єм ресурсів може бути недосяжним на практиці).
Класичний комп'ютер може імітувати квантовий комп'ютер, тому описаний квантовий комп'ютер ніколи не зможе розв'язати таку задачу, як, наприклад, проблему зупинки. Існування «стандартних» квантових комп'ютерів не спростовує тези Черча — Тюрінга. Припускалося, що теорії квантової гравітації, такі, як М-теорія та петльова квантова гравітація, дозволяють побудувати навіть швидші комп'ютери. Але в даний час визначення обчислення в квантовій гравітації є відкритою проблемою у зв'язку з проблемою часу: не існує очевидного способу описати, що для спостерігача означає ввести вхідні дані до комп'ютера, а потім отримати результат.
Отже, у якості кубітів використовують різноманітні технології та фізичні процеси, ці дослідження є перспективними та вказують на важливість створення даних пристроїв, які знайдуть себе в застосуванні в різноманітних галузях.