Kwantum-apparaten. Hoe een kwantumcomputer werkt

Om de essentie van kwantumcomputertechnologieën min of meer volledig te onthullen, gaan we eerst in op de geschiedenis van de kwantumtheorie.
Het is ontstaan dankzij twee wetenschappers wier onderzoeksresultaten werden bekroond met Nobelprijzen: de ontdekking van het kwantum door M. Planck in 1918 en de ontdekking van het foton door A. Einstein in 1921.
Het jaar waarin het idee van een kwantumcomputer werd geboren was 1980, toen Benioff met succes de juistheid van de kwantumtheorie in de praktijk kon aantonen.
Welnu, het eerste prototype van een kwantumcomputer werd in 1998 gemaakt door Gershenfeld en Chuang aan het Massachusetts Institute of Technology (MTI). Dezelfde groep onderzoekers creëerde in de komende twee jaar meer geavanceerde modellen.

Voor een niet-specialist is een kwantumcomputer qua schaal absoluut fantastisch; het is een computermachine, waarvoor een gewone computer als een telraam voor een computer staat. En dit is natuurlijk nog lang niet gerealiseerd.
Voor iemand die geassocieerd wordt met kwantumcomputers is dit een apparaat waarvan de algemene werkingsprincipes min of meer duidelijk zijn, maar er zijn veel problemen die moeten worden opgelost voordat het in hardware kan worden geïmplementeerd, en nu zijn er veel laboratoria in de buurt de wereld gebruikt deze obstakels en probeert te overwinnen.
Er zijn in het verleden vooruitgang geboekt op het gebied van de kwantumtechnologie door particuliere bedrijven, waaronder IBM en DWays.
Zij rapporteren vandaag regelmatig over de laatste ontwikkelingen op dit gebied. Het onderzoek wordt voornamelijk uitgevoerd door Japanse en Amerikaanse wetenschappers. Japan besteedt in zijn zoektocht naar wereldleiderschap op het gebied van hardware en software enorme hoeveelheden geld aan ontwikkelingen op dit gebied. Volgens de vice-president van Hewlett-Packard werd tot 70% van al het onderzoek uitgevoerd in het land van de rijzende zon. Kwantumcomputers zijn een van de stappen van hun gefocuste bedrijf om leiderschap te verwerven op de wereldmarkt.

Wat verklaart de wens om deze technologieën onder de knie te krijgen? Hun onmiskenbare aanzienlijke voordelen ten opzichte van halfgeleidercomputers!

WAT IS DIT?

Een kwantumcomputer is een computerapparaat dat werkt op basis van de kwantummechanica.
Tegenwoordig is een kwantumcomputer op volledige schaal een hypothetisch apparaat dat niet kan worden gemaakt op basis van de beschikbare gegevens in de kwantumtheorie.

Een kwantumcomputer gebruikt voor berekeningen geen klassieke algoritmen, maar complexere processen van kwantumaard, ook wel kwantumalgoritmen genoemd. Deze algoritmen maken gebruik van kwantummechanische effecten: kwantumverstrengeling en kwantumparallellisme.

Om te begrijpen waarom een kwantumcomputer überhaupt nodig is, is het noodzakelijk om het principe van de werking ervan voor te stellen.
Terwijl een conventionele computer werkt door opeenvolgende bewerkingen uit te voeren op nullen en enen, gebruikt een kwantumcomputer ringen van supergeleidende film. Door deze ringen kan stroom in verschillende richtingen stromen, zodat een keten van zulke ringen tegelijkertijd veel meer bewerkingen met nullen en enen kan uitvoeren.
Het hoge vermogen is het belangrijkste voordeel van een kwantumcomputer. Helaas zijn deze ringen onderhevig aan zelfs de geringste invloeden van buitenaf, waardoor de richting van de stroom kan veranderen, en in dit geval blijken de berekeningen niet correct te zijn.

VERSCHIL TUSSEN EEN QUANTUMCOMPUTER EN EEN CONVENTIONEEL

Het belangrijkste verschil tussen kwantumcomputers en conventionele computers is dat de opslag, verwerking en overdracht van gegevens niet gebeurt met behulp van ‘bits’, maar van ‘qubits’ – simpel gezegd ‘kwantumbits’. Net als een gewoon bit kan een qubit zich in de bekende toestanden “|0>” en “|1>” bevinden, en daarnaast - in de superpositietoestand A·|0> + B·|1>, waarbij A en B zijn alle complexe getallen die voldoen aan de voorwaarde | EEN |2 + | B |2 = 1.

SOORTEN KWANTUMCOMPUTERS

Er zijn twee soorten kwantumcomputers. Beide zijn gebaseerd op kwantumverschijnselen, alleen van een andere orde.

computers gebaseerd op de kwantisering van magnetische flux op basis van supergeleidingsschendingen - Josephson-overgangen. Het Josephson-effect wordt al gebruikt om lineaire versterkers, analoog-naar-digitaal-omzetters, SQUID's en correlatoren te maken. Dezelfde elementbasis wordt in het project gebruikt om een petaflop-computer (1015 op./s) te maken. Experimenteel is een klokfrequentie van 370 GHz bereikt, die in de toekomst kan worden verhoogd tot 700 GHz. De defaseringstijd van golffuncties in deze apparaten is echter vergelijkbaar met de schakeltijd van individuele kleppen, en in feite met de al bekende. elementbasis is geïmplementeerd op nieuwe kwantumprincipes - flip-flops, registers en andere logische elementen.

Een ander type kwantumcomputers, ook wel kwantumcoherente computers genoemd, vereist het handhaven van de samenhang van de golffuncties van de qubits die gedurende de gehele rekentijd worden gebruikt - van begin tot eind (een qubit kan elk kwantummechanisch systeem zijn met twee specifieke energieniveaus). Als gevolg hiervan is voor sommige problemen de rekenkracht van coherente kwantumcomputers evenredig met 2N, waarbij N het aantal qubits in de computer is. Het is dit laatste type apparaat dat bedoeld wordt als het over kwantumcomputers gaat.

NU QUANTUMCOMPUTERS

Maar tegenwoordig worden er kleine kwantumcomputers gemaakt. Het bedrijf D-Wave Systems werkt bijzonder actief in deze richting, dat in 2007 een kwantumcomputer van 16 qubits creëerde. Deze computer kon met succes de taak van het plaatsen van gasten aan tafel aan, gebaseerd op het feit dat sommigen van hen elkaar niet mochten. Nu zet het bedrijf D-Wave Systems de ontwikkeling van kwantumcomputers voort.

Een groep natuurkundigen uit Japan, China en de VS is er voor het eerst in geslaagd een kwantumcomputer te bouwen met behulp van de von Neumann-architectuur - dat wil zeggen met een fysieke scheiding van de kwantumprocessor en het kwantumgeheugen. Op dit moment gebruiken natuurkundigen voor de praktische implementatie van kwantumcomputers (computers gebaseerd op de ongebruikelijke eigenschappen van objecten uit de kwantummechanica) verschillende soorten exotische objecten en verschijnselen - ionen gevangen in een optische val, nucleaire magnetische resonantie. Voor het nieuwe werk vertrouwden de wetenschappers op miniatuur-supergeleidende circuits - de mogelijkheid om een kwantumcomputer te implementeren die dergelijke circuits gebruikt, werd in 2008 in Nature beschreven.

De door de wetenschappers samengestelde computer bestond uit een kwantumgeheugen, waarvan de rol werd gespeeld door twee microgolfresonatoren, een processor van twee qubits verbonden door een bus (zijn rol werd ook gespeeld door een resonator, en de qubits waren supergeleidende circuits), en apparaten voor het wissen van gegevens. Met behulp van deze computer realiseerden wetenschappers zich twee hoofdalgoritmen- de zogenaamde kwantum Fourier-transformatie en conjunctie met behulp van kwantum Toffoli-logische elementen:

Het eerste algoritme is een kwantumanaloog van de discrete Fourier-transformatie. Het onderscheidende kenmerk is een veel kleiner aantal functionele elementen (in de orde van n2) bij de implementatie van het algoritme vergeleken met zijn analoog (in de orde van n 2n). De discrete Fourier-transformatie wordt gebruikt op verschillende gebieden van menselijke activiteit - van de studie van partiële differentiaalvergelijkingen tot datacompressie.

Op hun beurt zijn Toffoli-kwantumlogische poorten basiselementen waaruit, met enkele aanvullende vereisten, elke Booleaanse functie (programma) kan worden verkregen. Een onderscheidend kenmerk van deze elementen is hun omkeerbaarheid, die het, vanuit natuurkundig oogpunt, onder andere mogelijk maakt de warmteontwikkeling van het apparaat te minimaliseren.

Volgens wetenschappers heeft het systeem dat ze hebben gemaakt één opmerkelijk voordeel: het is gemakkelijk schaalbaar. Het kan dus dienen als een soort bouwsteen voor toekomstige computers. Volgens de onderzoekers tonen de nieuwe resultaten duidelijk de belofte van de nieuwe technologie aan.

Kandidaat voor fysische en wiskundige wetenschappen L. FEDICHKIN (Fysisch en Technologisch Instituut van de Russische Academie van Wetenschappen.

Met behulp van de wetten van de kwantummechanica is het mogelijk een fundamenteel nieuw type computer te creëren waarmee een aantal problemen kan worden opgelost die zelfs voor de krachtigste moderne supercomputers ontoegankelijk zijn. De snelheid van veel complexe berekeningen zal sterk toenemen; berichten die via kwantumcommunicatielijnen worden verzonden, zullen onmogelijk te onderscheppen of te kopiëren zijn. Tegenwoordig zijn er al prototypes van deze kwantumcomputers van de toekomst gemaakt.

Amerikaanse wiskundige en natuurkundige van Hongaarse afkomst Johann von Neumann (1903-1957).

Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Amerikaanse wiskundige Peter Shor, specialist op het gebied van quantum computing. Hij stelde een kwantumalgoritme voor voor snelle factorisatie van grote getallen.

Quantumbit of qubit. Toestanden komen bijvoorbeeld overeen met de richting van de rotatie van de atoomkern naar boven of naar beneden.

Een kwantumregister is een keten van kwantumbits. Kwantumpoorten van één of twee qubit voeren logische bewerkingen uit op qubits.

INLEIDING OF IETS OVER INFORMATIEBESCHERMING

Welk programma heeft volgens jou de meeste licenties ter wereld verkocht? Ik durf niet te beweren dat ik het juiste antwoord weet, maar ik weet zeker één verkeerd antwoord: dit Niet elke versie van Microsoft Windows. Het meest voorkomende besturingssysteem loopt voor op een bescheiden product van RSA Data Security, Inc. - een programma dat het RSA-algoritme voor openbare sleutelversleuteling implementeert, genoemd naar de auteurs ervan: de Amerikaanse wiskundigen Rivest, Shamir en Adelman.

Feit is dat het RSA-algoritme is ingebouwd in de meeste commerciële besturingssystemen, evenals in vele andere toepassingen die op verschillende apparaten worden gebruikt - van smartcards tot mobiele telefoons. Het is met name ook beschikbaar in Microsoft Windows, wat betekent dat het zeker wijdverspreider is dan dit populaire besturingssysteem. Om sporen van RSA te detecteren, bijvoorbeeld in de Internet Explorer-browser (een programma om www-pagina's op internet te bekijken), opent u gewoon het menu "Help", opent u het submenu "Over Internet Explorer" en bekijkt u de lijst met gebruikte producten van andere bedrijven. Een andere veelgebruikte browser, Netscape Navigator, gebruikt ook het RSA-algoritme. Over het algemeen is het moeilijk om een bekend bedrijf te vinden dat op het gebied van geavanceerde technologie werkt en geen licentie voor dit programma zou kopen. Vandaag heeft RSA Data Security, Inc. heeft al meer dan 450 miljoen(!) licenties verkocht.

Waarom was het RSA-algoritme zo belangrijk?

Stel je voor dat je snel een bericht moet uitwisselen met iemand die ver weg is. Dankzij de ontwikkeling van internet is een dergelijke uitwisseling tegenwoordig voor de meeste mensen beschikbaar geworden - je hebt alleen maar een computer met een modem of netwerkkaart nodig. Wanneer u informatie via het netwerk uitwisselt, wilt u uw berichten uiteraard geheim houden voor vreemden. Het is echter onmogelijk om een lange communicatielijn volledig te beschermen tegen afluisteren. Dit betekent dat wanneer berichten worden verzonden, deze moeten worden gecodeerd en wanneer ze worden ontvangen, ze moeten worden gedecodeerd. Maar hoe kunnen u en uw gesprekspartner afspreken welke sleutel u gaat gebruiken? Als u de sleutel naar het cijfer over dezelfde lijn verzendt, kan een afluisterende aanvaller deze gemakkelijk onderscheppen. U kunt de sleutel uiteraard via een andere communicatielijn verzenden, bijvoorbeeld per telegram. Maar deze methode is meestal onhandig en bovendien niet altijd betrouwbaar: de andere lijn kan ook worden afgetapt. Het is goed als jij en je ontvanger vooraf wisten dat jullie encryptie zouden uitwisselen, en elkaar daarom vooraf de sleutels gaven. Maar wat als u bijvoorbeeld een vertrouwelijk commercieel aanbod naar een mogelijke zakenpartner wilt sturen of een product dat u leuk vindt in een nieuwe online winkel wilt kopen met een creditcard?

Om dit probleem op te lossen werden in de jaren zeventig encryptiesystemen voorgesteld die twee soorten sleutels voor hetzelfde bericht gebruiken: openbaar (geen geheimhouding vereist) en privé (strikt geheim). De publieke sleutel wordt gebruikt om het bericht te coderen, en de privésleutel wordt gebruikt om het te decoderen. U stuurt uw correspondent een publieke sleutel, en hij gebruikt deze om zijn bericht te versleutelen. Het enige dat een aanvaller die een openbare sleutel heeft onderschept, kan doen, is zijn e-mail ermee versleutelen en deze naar iemand doorsturen. Maar hij zal de correspondentie niet kunnen ontcijferen. U, die de privésleutel kent (deze wordt in eerste instantie bij u opgeslagen), kunt het aan u geadresseerde bericht gemakkelijk lezen. Om antwoordberichten te versleutelen, gebruikt u de openbare sleutel die door uw correspondent is verzonden (en hij houdt de bijbehorende privésleutel voor zichzelf).

Dit is precies het cryptografische schema dat wordt gebruikt in het RSA-algoritme, de meest gebruikelijke coderingsmethode met openbare sleutels. Om een paar publieke en private sleutels te creëren, wordt bovendien de volgende belangrijke hypothese gebruikt. Als er twee grote zijn (waarvoor meer dan honderd decimalen moeten worden geschreven) eenvoudig getallen M en K, dan zal het vinden van hun product N=MK niet moeilijk zijn (je hebt hiervoor niet eens een computer nodig: een redelijk voorzichtig en geduldig persoon zal dergelijke getallen kunnen vermenigvuldigen met pen en papier). Maar om het omgekeerde probleem op te lossen, dat wil zeggen, als je een groot getal N kent, ontbind je het in priemfactoren M en K (de zogenaamde factorisatie probleem) - bijna onmogelijk! Dit is precies het probleem waarmee een aanvaller te maken krijgt als hij besluit het RSA-algoritme te ‘hacken’ en de daarmee gecodeerde informatie te lezen: om de privésleutel te achterhalen, terwijl hij de publieke sleutel kent, zal hij M of K moeten berekenen. .

Om de geldigheid van de hypothese over de praktische complexiteit van het ontbinden van grote getallen te testen, zijn en worden er nog steeds speciale wedstrijden gehouden. De ontleding van slechts een getal van 155 cijfers (512 bits) wordt als een record beschouwd. De berekeningen werden in 1999 gedurende zeven maanden parallel op veel computers uitgevoerd. Als deze taak op één enkele moderne personal computer zou worden uitgevoerd, zou dit ongeveer 35 jaar computertijd vergen! Uit berekeningen blijkt dat zelfs met duizend moderne werkstations en het beste computeralgoritme dat we vandaag de dag kennen, een getal van 250 cijfers in ongeveer 800.000 jaar kan worden ontbonden, en een getal van 1000 cijfers in 10-25 (!) jaar. (Ter vergelijking: de leeftijd van het heelal is ~10 tot 10 jaar.)

Daarom werden cryptografische algoritmen zoals RSA, die op voldoende lange sleutels werkten, als absoluut betrouwbaar beschouwd en in veel toepassingen gebruikt. En tot dan toe was alles prima ...totdat kwantumcomputers verschenen.

Het blijkt dat het met behulp van de wetten van de kwantummechanica mogelijk is computers te bouwen waarvoor het probleem van factorisatie (en vele andere!) Niet erg moeilijk zal zijn. Er wordt geschat dat een kwantumcomputer met slechts ongeveer 10.000 kwantumbits geheugen een getal van 1000 cijfers in slechts een paar uur kan ontbinden in priemfactoren!

HOE IS HET ALLEMAAL BEGONNEN?

Pas halverwege de jaren negentig werd de theorie van kwantumcomputers en kwantumcomputers een nieuw wetenschapsgebied. Zoals vaak het geval is met geweldige ideeën, is het moeilijk om de bedenker ervan te achterhalen. Blijkbaar was de Hongaarse wiskundige J. von Neumann de eerste die de aandacht vestigde op de mogelijkheid om kwantumlogica te ontwikkelen. In die tijd waren echter niet alleen kwantumcomputers, maar ook gewone, klassieke computers nog niet gemaakt. En met de komst van laatstgenoemde waren de belangrijkste inspanningen van wetenschappers vooral gericht op het vinden en ontwikkelen van nieuwe elementen voor hen (transistors en vervolgens geïntegreerde schakelingen), en niet op het creëren van fundamenteel verschillende computerapparatuur.

In de jaren zestig probeerde de Amerikaanse natuurkundige R. Landauer, die bij IBM werkte, de aandacht van de wetenschappelijke wereld te vestigen op het feit dat berekeningen altijd een fysiek proces zijn, wat betekent dat het onmogelijk is om de grenzen van onze computermogelijkheden te begrijpen zonder specificeren welke fysieke implementatie ze zijn. Helaas was de dominante opvatting onder wetenschappers destijds dat berekening een soort abstracte, logische procedure was die door wiskundigen en niet door natuurkundigen bestudeerd zou moeten worden.

Naarmate computers steeds wijdverspreider werden, kwamen kwantumwetenschappers tot de conclusie dat het praktisch onmogelijk was om rechtstreeks de toestand te berekenen van een evoluerend systeem dat uit slechts enkele tientallen op elkaar inwerkende deeltjes bestaat, zoals een methaanmolecuul (CH 4). Dit wordt verklaard door het feit dat het, om een complex systeem volledig te beschrijven, nodig is om een exponentieel groot aantal variabelen (in termen van het aantal deeltjes) in het computergeheugen op te slaan, de zogenaamde kwantumamplitudes. Er is een paradoxale situatie ontstaan: als we de evolutievergelijking kennen, en met voldoende nauwkeurigheid alle mogelijkheden van interactie van deeltjes met elkaar en de begintoestand van het systeem kennen, is het bijna onmogelijk om de toekomst ervan te berekenen, ook al bestaat het systeem alleen uit Er zitten 30 elektronen in een potentiaalput, en er is een supercomputer met RAM beschikbaar, waarvan het aantal bits gelijk is aan het aantal atomen in het zichtbare gebied van het heelal (!). En tegelijkertijd kun je, om de dynamiek van een dergelijk systeem te bestuderen, eenvoudigweg een experiment uitvoeren met 30 elektronen, door ze in een bepaalde potentiële en initiële staat te plaatsen. Dit werd met name opgemerkt door de Russische wiskundige Yu I. Manin, die in 1980 wees op de noodzaak om een theorie over kwantumcomputers te ontwikkelen. In de jaren tachtig werd hetzelfde probleem bestudeerd door de Amerikaanse natuurkundige P. Benev, die duidelijk aantoonde dat een kwantumsysteem berekeningen kan uitvoeren, evenals door de Engelse wetenschapper D. Deutsch, die theoretisch een universele kwantumcomputer ontwikkelde die superieur is aan zijn kwantumcomputer. klassieke tegenhanger.

Veel aandacht voor het probleem van de ontwikkeling van kwantumcomputers werd getrokken door Nobelprijswinnaar voor de natuurkunde R. Feynman, welbekend bij vaste lezers van Science and Life. Dankzij zijn gezaghebbende oproep is het aantal specialisten dat zich bezighield met quantum computing vele malen groter geworden.

Toch bleef het lange tijd onduidelijk of de hypothetische rekenkracht van een kwantumcomputer gebruikt kon worden om de oplossing van praktische problemen te versnellen. Maar in 1994 verbaasde de Amerikaanse wiskundige en medewerker van Lucent Technologies (VS) P. Shor de wetenschappelijke wereld door een kwantumalgoritme voor te stellen dat snelle factorisatie van grote getallen mogelijk maakt (het belang van dit probleem werd al in de inleiding besproken). Vergeleken met de beste klassieke methode die momenteel bekend is, biedt het kwantumalgoritme van Shor een meervoudige versnelling van berekeningen, en hoe langer het getal wordt meegerekend, hoe groter de snelheidswinst. Het snelle factorisatie-algoritme is van groot praktisch belang voor verschillende inlichtingendiensten die banken met niet-gedecodeerde berichten hebben verzameld.

In 1996 stelde Shore's collega bij Lucent Technologies L. Grover een kwantumalgoritme voor voor snel zoeken in een ongeordende database. (Een voorbeeld van zo'n database is een telefoonboek waarin de namen van abonnees niet alfabetisch zijn gerangschikt, maar op een willekeurige manier.) De taak van het zoeken en selecteren van het optimale element uit talloze opties komt vaak voor in de economische, militaire, technische problemen, en in computerspellen. Het algoritme van Grover maakt het niet alleen mogelijk om het zoekproces te versnellen, maar ook om het aantal parameters waarmee rekening wordt gehouden bij het kiezen van het optimale ongeveer te verdubbelen.

De werkelijke creatie van kwantumcomputers werd in wezen belemmerd door het enige ernstige probleem: fouten of interferentie. Feit is dat hetzelfde niveau van interferentie het proces van kwantumcomputers veel intensiever bederft dan klassieke. P. Shor schetste in 1995 manieren om dit probleem op te lossen, door een schema te ontwikkelen voor het coderen van kwantumtoestanden en het corrigeren van fouten daarin. Helaas is het onderwerp foutcorrectie in kwantumcomputers net zo belangrijk als complex om in dit artikel te behandelen.

APPARAAT VAN EEN KWANTUMCOMPUTER

Voordat we u vertellen hoe een kwantumcomputer werkt, moeten we eerst de belangrijkste kenmerken van kwantumsystemen in herinnering brengen (zie ook “Science and Life” nr. 8, 1998; nr. 12, 2000).

Om de wetten van de kwantumwereld te begrijpen, moet men niet rechtstreeks vertrouwen op alledaagse ervaringen. Op de gebruikelijke manier (in het alledaagse begrip) gedragen kwantumdeeltjes zich alleen als we er voortdurend naar “gluren”, of, strikter gezegd, voortdurend de toestand meten waarin ze zich bevinden. Maar zodra we ons ‘afwenden’ (stoppen met waarnemen), gaan kwantumdeeltjes onmiddellijk van een heel specifieke toestand naar verschillende vormen tegelijk. Dat wil zeggen dat een elektron (of een ander kwantumobject) zich gedeeltelijk op een bepaald punt zal bevinden, gedeeltelijk op een ander punt, gedeeltelijk op een derde, enz. Dit betekent niet dat het in plakjes is verdeeld, zoals een sinaasappel. Dan zou het mogelijk zijn om op betrouwbare wijze een deel van het elektron te isoleren en de lading of massa ervan te meten. Maar de ervaring leert dat het elektron na meting altijd op één punt ‘veilig en wel’ blijkt te zijn, ondanks het feit dat het daarvoor voorheen bijna overal tegelijk kon zijn. Deze toestand van een elektron, wanneer het zich op meerdere punten in de ruimte tegelijk bevindt, wordt genoemd superpositie van kwantumtoestanden en worden meestal beschreven door de golffunctie, geïntroduceerd in 1926 door de Duitse natuurkundige E. Schrödinger. De modulus van de waarde van de golffunctie op elk punt, in het kwadraat, bepaalt de waarschijnlijkheid dat op dat punt op een bepaald moment een deeltje wordt aangetroffen. Na het meten van de positie van een deeltje lijkt de golffunctie ervan te krimpen (instorten) tot het punt waarop het deeltje werd gedetecteerd, en begint zich dan weer te verspreiden. De eigenschap van kwantumdeeltjes om zich tegelijkertijd in veel toestanden te bevinden, wordt genoemd kwantumparallellisme, is met succes gebruikt in kwantumcomputers.

Kwantum beetje

De basiscel van een kwantumcomputer is een kwantumbit, of kortweg: Qubit(q-bit). Dit is een kwantumdeeltje dat twee basistoestanden heeft, die worden aangeduid met 0 en 1 of, zoals gebruikelijk in de kwantummechanica, en. Twee waarden van de qubit kunnen bijvoorbeeld overeenkomen met de grond- en aangeslagen toestanden van het atoom, de op- en neerwaartse richtingen van de spin van de atoomkern, de richting van de stroom in de supergeleidende ring, twee mogelijke posities van het elektron in de halfgeleider, enz.

Kwantumregister

Het kwantumregister is vrijwel hetzelfde gestructureerd als het klassieke register. Dit is een keten van kwantumbits waarop logische bewerkingen van één en twee bits kunnen worden uitgevoerd (vergelijkbaar met het gebruik van NOT-, 2I-NOT-bewerkingen, enz. in een klassiek register).

De basistoestanden van een kwantumregister gevormd door L-qubits omvatten, net als in het klassieke register, alle mogelijke reeksen nullen en enen met lengte L. Er kunnen in totaal 2 L verschillende combinaties zijn. Ze kunnen worden beschouwd als een record van getallen in binaire vorm van 0 tot 2 L -1 en worden aangegeven. Deze basistoestanden putten echter niet alle mogelijke waarden van het kwantumregister uit (in tegenstelling tot de klassieke), aangezien er ook superpositietoestanden zijn die worden gedefinieerd door complexe amplitudes die verband houden met de normalisatievoorwaarde. Een klassieke analoog voor de meeste mogelijke waarden van een kwantumregister (behalve de basiswaarden) bestaat simpelweg niet. De toestanden van een klassiek register zijn slechts een zielige schaduw van de hele rijkdom aan toestanden van een kwantumcomputer.

Stel je voor dat er een externe invloed op het register wordt uitgeoefend, er worden bijvoorbeeld elektrische impulsen op een deel van de ruimte toegepast of er worden laserstralen gericht. Als het een klassiek register is, zal een impuls, die kan worden beschouwd als een rekenoperatie, L-variabelen veranderen. Als dit een kwantumregister is, kan dezelfde puls tegelijkertijd in variabelen worden omgezet. Een kwantumregister is dus in principe in staat informatie meerdere keren sneller te verwerken dan zijn klassieke tegenhanger. Vanaf hier is het meteen duidelijk dat kleine kwantumregisters (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.

Het is echter vermeldenswaard dat er een klasse van problemen bestaat waarvoor kwantumalgoritmen geen significante versnelling bieden in vergelijking met klassieke algoritmen. Een van de eersten die dit aantoonde was de Russische wiskundige Yu Ozhigov, die een aantal voorbeelden construeerde van algoritmen die in principe niet kunnen worden versneld door een enkele klokcyclus op een kwantumcomputer.

Niettemin bestaat er geen twijfel over dat computers die werken volgens de wetten van de kwantummechanica een nieuwe en beslissende fase vormen in de evolutie van computersystemen. Het enige dat overblijft is om ze te bouwen.

KWANTUMCOMPUTERS VANDAAG

Er bestaan al prototypes van kwantumcomputers. Het is waar dat het tot nu toe experimenteel mogelijk is geweest om alleen kleine registers samen te stellen die uit slechts een paar kwantumbits bestaan. Zo heeft onlangs een groep onder leiding van de Amerikaanse natuurkundige I. Chang (IBM) de assemblage aangekondigd van een 5-bits kwantumcomputer. Dit is ongetwijfeld een groot succes. Helaas zijn bestaande kwantumsystemen nog niet in staat betrouwbare berekeningen te leveren, omdat ze ofwel slecht gecontroleerd worden, ofwel erg gevoelig zijn voor ruis. Er zijn echter geen fysieke beperkingen voor het bouwen van een effectieve kwantumcomputer; het is alleen nodig om technologische problemen te overwinnen.

Er zijn verschillende ideeën en voorstellen voor het maken van betrouwbare en gemakkelijk controleerbare kwantumbits.

I. Chang ontwikkelt het idee om de spins van de kernen van sommige organische moleculen als qubits te gebruiken.

De Russische onderzoeker M.V. Feigelman, werkzaam bij het vernoemde Instituut voor Theoretische Fysica. L.D. Landau RAS stelt voor om kwantumregisters samen te stellen uit miniatuur supergeleidende ringen. Elke ring speelt de rol van een qubit, en de toestanden 0 en 1 komen overeen met de richting van de elektrische stroom in de ring: met de klok mee en tegen de klok in. Dergelijke qubits kunnen worden geschakeld met behulp van een magnetisch veld.

Aan het Instituut voor Natuurkunde en Technologie van de Russische Academie van Wetenschappen stelde een groep onder leiding van academicus K.A. Valiev twee opties voor voor het plaatsen van qubits in halfgeleiderstructuren. In het eerste geval wordt de rol van een qubit gespeeld door een elektron in een systeem van twee potentiële putten, gecreëerd door een spanning die wordt aangelegd op mini-elektroden op het oppervlak van de halfgeleider. Toestanden 0 en 1 zijn de posities van het elektron in een van deze putten. De qubit wordt geschakeld door de spanning op een van de elektroden te veranderen. In een andere versie is de qubit de kern van een fosforatoom ingebed op een bepaald punt van de halfgeleider. Toestanden 0 en 1 - richtingen van kernspin langs of tegen het externe magnetische veld. De regeling wordt uitgevoerd met behulp van de gecombineerde werking van magnetische pulsen met resonantiefrequentie en spanningspulsen.

Het onderzoek is dus actief aan de gang en er kan van worden uitgegaan dat er in de zeer nabije toekomst – over tien jaar – een effectieve kwantumcomputer zal worden gecreëerd.

KIJKEN NAAR DE TOEKOMST

Het is dus heel goed mogelijk dat kwantumcomputers in de toekomst zullen worden vervaardigd met behulp van traditionele methoden van micro-elektronische technologie en veel stuurelektroden zullen bevatten, die doen denken aan een moderne microprocessor. Om het geluidsniveau, dat cruciaal is voor de normale werking van een kwantumcomputer, te verminderen, zullen de eerste modellen blijkbaar gekoeld moeten worden met vloeibaar helium. Het is waarschijnlijk dat de eerste kwantumcomputers omvangrijke en dure apparaten zullen zijn die niet op een bureau passen en worden onderhouden door een grote staf van systeemprogrammeurs en hardware-aanpassers in witte jassen. Ten eerste zullen alleen overheidsinstanties er toegang toe hebben, en daarna rijke commerciële organisaties. Maar het tijdperk van conventionele computers begon op vrijwel dezelfde manier.

Wat gebeurt er met klassieke computers? Zullen ze afsterven? Nauwelijks. Zowel klassieke als kwantumcomputers hebben hun eigen toepassingsgebieden. Hoewel de verhouding op de markt hoogstwaarschijnlijk geleidelijk naar het laatste zal verschuiven.

De introductie van kwantumcomputers zal niet leiden tot de oplossing van fundamenteel onoplosbare klassieke problemen, maar zal slechts enkele berekeningen versnellen. Daarnaast wordt quantumcommunicatie mogelijk: het overbrengen van qubits over afstand, wat zal leiden tot het ontstaan van een soort quantuminternet. Kwantumcommunicatie zal het mogelijk maken om een veilige (volgens de wetten van de kwantummechanica) verbinding van iedereen met elkaar te bieden, zonder afluisteren. Uw informatie die is opgeslagen in kwantumdatabases zal betrouwbaarder worden beschermd tegen kopiëren dan nu het geval is. Bedrijven die programma's voor kwantumcomputers produceren, zullen deze kunnen beschermen tegen elke vorm van kopiëren, ook tegen illegale kopieën.

Voor een dieper begrip van dit onderwerp kunt u het overzichtsartikel van E. Riffel en V. Polak, “Fundamentals of Quantum Computing”, lezen, gepubliceerd in het Russische tijdschrift “Quantum Computers and Quantum Computing” (nr. 1, 2000). (Dit is trouwens het eerste en tot nu toe het enige tijdschrift ter wereld dat gewijd is aan quantum computing. Aanvullende informatie hierover is te vinden op internet op http://rcd.ru/qc.). Als je dit werk eenmaal onder de knie hebt, kun je wetenschappelijke artikelen over quantum computing lezen.

Er zal iets meer voorbereidende wiskundige voorbereiding nodig zijn bij het lezen van het boek van A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly “Classical and Quantum Computations” (Moskou: MTsNMO-CheRo, 1999).

Een aantal fundamentele aspecten van de kwantummechanica, essentieel voor het uitvoeren van kwantumberekeningen, worden besproken in het boek van V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev “Quantum teleportatie - een gewoon wonder” (Izhevsk: RHD, 2000).

Uitgeverij RCD bereidt zich voor om een vertaling van A. Steens recensie over kwantumcomputers als apart boek te publiceren.

De volgende literatuur zal niet alleen educatief, maar ook historisch nuttig zijn:

1) Yu. Berekenbaar en onberekenbaar.

M.: Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Wiskundige grondslagen van de kwantummechanica.

M.: Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulatie van natuurkunde op computers // Kwantumcomputer en kwantumcomputers:

Zat. in 2 delen - Izhevsk: RHD, 1999. T. 2, p. 96-123.

4) R. Feynman. Kwantummechanische computers

// Ibid., p. 123.-156.

Zie het probleem over hetzelfde onderwerp

De wetenschap staat niet stil en het lijkt erop dat wat gisteren als mystiek werd beschouwd, vandaag de dag een onmiskenbare realiteit is. Dus nu kunnen mythen over parallelle werelden in de toekomst een algemeen feit worden. Er wordt aangenomen dat onderzoek op het gebied van het creëren van een kwantumcomputer zal helpen deze verklaring te bereiken. Japan loopt voorop; ruim 70% van al het onderzoek komt uit dit land. De essentie van deze ontdekking is begrijpelijker voor degenen die op de een of andere manier verbonden zijn met de natuurkunde. Maar de meesten van ons studeerden af van de middelbare school, waar het lesboek van groep 11 enkele vragen over de kwantumfysica behandelde.

Waar het allemaal begon

Laten we niet vergeten dat het begin werd gelegd door twee belangrijke ontdekkingen, waarvoor de auteurs ervan de Nobelprijs ontvingen. In 1918 ontdekte Max Planck het kwantum en Albert Einstein in 1921 foton. Het idee om een kwantumcomputer te maken ontstond in 1980, toen de waarheid van de kwantumtheorie werd bewezen. En ideeën werden pas in 1998 in de praktijk gebracht. Er is pas de afgelopen tien jaar grootschalig en tegelijkertijd behoorlijk effectief werk verricht.

De basisprincipes zijn duidelijk, maar met elke stap vooruit ontstaan er steeds meer problemen, waarvan de oplossing behoorlijk lang duurt, hoewel veel laboratoria over de hele wereld aan dit probleem werken. De eisen aan een dergelijke computer zijn zeer hoog, omdat de meetnauwkeurigheid zeer hoog moet zijn en het aantal externe invloeden moet worden geminimaliseerd, die elk de werking van het kwantumsysteem zullen verstoren.

WAAROM HEB JE EEN QUANTUMCOMPUTER NODIG?

Waar is een kwantumcomputer op gebaseerd?

Iedereen heeft in meer of mindere mate een idee van hoe een gewone computer werkt. De betekenis ervan ligt in het gebruik van binaire codering, waarbij de aanwezigheid van een bepaalde spanningswaarde als 1 wordt beschouwd, en de afwezigheid van 0, uitgedrukt als 0 of 1, als een bit wordt beschouwd. De werking van een kwantumcomputer wordt geassocieerd met het concept van spin. Voor degenen die de natuurkunde beperken tot schoolkennis, kunnen ze discussiëren over het bestaan van drie elementaire deeltjes en de aanwezigheid van eenvoudige kenmerken daarin, zoals massa en lading.

Maar natuurkundigen breiden voortdurend de klasse van elementaire deeltjes en hun kenmerken uit, waarvan spin er één is. En een bepaalde richting van de spin van het deeltje wordt als 1 genomen, en de tegenovergestelde richting als 0. Dit is vergelijkbaar met het ontwerp van een transistor. Het hoofdelement zal alvast een quantumbit of qubit heten. Het kunnen fotonen, atomen, ionen en atoomkernen zijn.

De belangrijkste voorwaarde hier is de aanwezigheid van twee kwantumtoestanden. Het veranderen van de toestand van een bepaald bit in een conventionele computer leidt niet tot veranderingen in andere, maar in een kwantumcomputer zal het veranderen van één bit leiden tot een verandering in de toestand van andere deeltjes. Deze verandering kan worden gecontroleerd, en stel je voor dat er honderden van dergelijke deeltjes zijn.

Stel je eens voor hoe vaak de productiviteit van zo'n machine zal toenemen. Maar de creatie van een compleet nieuwe computer is slechts een hypothese; natuurkundigen hebben veel werk te doen op dat gebied van de kwantummechanica, dat de veeldeeltjesmechanica wordt genoemd. De eerste mini-kwantumcomputer bestond uit 16 qubits. Onlangs zijn er computers op de markt gekomen die 512 qubits gebruiken, maar deze worden al gebruikt om de snelheid van het uitvoeren van complexe berekeningen te verhogen. Quipper is een taal die speciaal voor dergelijke machines is ontworpen.

Volgorde van uitgevoerde handelingen

Bij het creëren van een nieuwe generatie computers zijn er vier richtingen, die verschillen doordat ze fungeren als logische qubits:

de richting van de spins van de deeltjes die de basis van het atoom vormen;
de aanwezigheid of afwezigheid van een Cooper-paar op een gespecificeerde locatie in de ruimte;
in welke toestand bevindt het buitenste elektron zich?
verschillende toestanden van het foton.

Laten we nu eens kijken naar het circuit waarmee de computer werkt. Om te beginnen wordt er een set qubits genomen en worden hun initiële parameters vastgelegd. Transformaties worden uitgevoerd met behulp van logische bewerkingen, de resulterende waarde wordt vastgelegd, wat het resultaat is dat door de computer wordt uitgegeven. De draden zijn qubits en de transformaties bestaan uit logische blokken. Een dergelijke processor werd voorgesteld door D. Deutsch, die in 1995 een keten kon creëren die alle berekeningen op kwantumniveau kon uitvoeren. Maar een dergelijk systeem produceert kleine fouten, die enigszins kunnen worden verminderd door het aantal bewerkingen bij het algoritme te vergroten.

Hoe werkt een kwantumcomputer?

Wat hebben we bereikt?

Tot nu toe zijn er slechts twee soorten kwantumcomputers ontwikkeld, maar de wetenschap staat niet stil. De werking van beide machines is gebaseerd op kwantumfenomenen:

geassocieerd met supergeleiding. Wanneer deze wordt geschonden, wordt kwantisering waargenomen;
gebaseerd op een eigenschap als coherentie. De rekensnelheid van dergelijke computers wordt verdubbeld ten opzichte van het aantal qubits.

Het tweede type dat wordt overwogen, wordt als een prioriteit beschouwd op het gebied van het maken van kwantumcomputers.

Prestaties van verschillende landen.

Kortom, de prestaties van de afgelopen tien jaar zijn aanzienlijk. Men kan de twee-qubit-computer opmerken met software die in Amerika is gemaakt. Ze waren ook in staat een computer met twee qubits te produceren met een diamantkristal. De richting van de spin van stikstofdeeltjes en hun componenten: de kern en het elektron werd gebruikt als qubits. Om aanzienlijke bescherming te bieden, is een zeer complex systeem ontwikkeld waarmee resultaten met een nauwkeurigheid van 95% kunnen worden verkregen.

ICQT 2017. John Martinis, Google: Quantum Computer: leven na de wet van Moore

Waarom is dit allemaal nodig?

Er is al gesproken over de creatie van kwantumcomputers. Deze computers zijn niet het resultaat van waar ze naar streefden, maar ze hebben hun koper gevonden. Het Amerikaanse defensiebedrijf Lockheed Martin betaalde $10 miljoen. Hun acquisitie is in staat om fouten te vinden in het meest complexe programma dat op de F-35-jager is geïnstalleerd. Google wil met de overname machine learning-programma’s lanceren.

Toekomst

Bij de ontwikkeling van een kwantumcomputer Grote bedrijven en de staat zijn zeer geïnteresseerd. Het zal leiden tot nieuwe ontdekkingen op het gebied van de ontwikkeling van cryptografische algoritmen. De tijd zal beslissen of dit ten goede zal komen aan de staat of aan hackers. Maar het werk van het creëren en herkennen van cryptosleutels zal onmiddellijk worden gedaan. Veel problemen die verband houden met een bankkaart zullen worden opgelost.

Berichten zullen met enorme snelheid worden verzonden en er zullen geen problemen zijn met de communicatie met welk punt op de wereld dan ook, en misschien zelfs daarbuiten.

Zo'n computer zal hierbij helpen, vooral bij het ontcijferen van de genetische code. Dit zal leiden tot de oplossing van veel medische problemen.

En natuurlijk zal het de deur openen naar een land van mystieke geheimen en parallelle werelden.

Er staan ons grote schokken te wachten. Alles wat we gewend zijn, is slechts een deel van die wereld, die al de naam Quantum Reality heeft gekregen. Ze zullen je helpen verder te gaan dan de materiële wereld, wat het werkingsprincipe van een kwantumcomputer is.

Jullie zijn allemaal gewend aan onze computers: 's morgens lezen we het nieuws vanaf een smartphone, 's middags werken we met een laptop en 's avonds kijken we films op een tablet. Al deze apparaten hebben één ding gemeen: een siliciumprocessor bestaande uit miljarden transistors. Het werkingsprincipe van dergelijke transistors is vrij eenvoudig: afhankelijk van de geleverde spanning krijgen we een andere spanning aan de uitgang, die wordt geïnterpreteerd als logische 0 of logische 1. Om delingsbewerkingen uit te voeren, is er een bitverschuiving - als we bijvoorbeeld het getal 1101 waren, dan zal het, nadat we het 1 bit naar links hebben verschoven, 01101 zijn, en als we het nu 1 bit naar rechts verschuiven, wordt het 01110. En het grootste probleem ligt in de feit dat voor dezelfde divisie enkele tientallen van dergelijke operaties nodig kunnen zijn. Ja, gezien het feit dat er miljarden transistors zijn, duurt zo’n operatie nanoseconden, maar als er veel operaties zijn, verspillen we tijd aan deze berekeningen.

Hoe kwantumcomputers werken

Een kwantumcomputer biedt een heel andere manier van computergebruik. Laten we beginnen met de definitie:

Kwantumcomputer -computerapparaat, die gebruik maakt van verschijnselenkwantumsuperpositieEnkwantumverstrengelingvoor gegevensoverdracht en -verwerking.

Het is er duidelijk niet duidelijker op geworden. Kwantumsuperpositie vertelt ons dat het systeem, met een zekere mate van waarschijnlijkheid, in alle mogelijke toestanden bestaat (de som van alle waarschijnlijkheden is uiteraard gelijk aan 100% of 1). Laten we dit eens bekijken met een voorbeeld. Informatie in kwantumcomputers wordt opgeslagen in qubits - terwijl gewone bits de toestand 0 of 1 kunnen hebben, kan een qubit tegelijkertijd de toestand 0, 1 en 0 en 1 hebben. Als we dus 3 qubits hebben, bijvoorbeeld 110, dan is deze uitdrukking in bits gelijk aan 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Wat levert dit ons op? Dat is het! We hebben bijvoorbeeld een digitaal wachtwoord van 4 tekens. Hoe zal een gewone processor het hacken? Door simpelweg te zoeken van 0000 tot 9999. 9999 heeft in het binaire systeem de vorm 10011100001111, dat wil zeggen dat we 14 bits nodig hebben om het te schrijven. Als we dus een quantum-pc met 14 qubits hebben, kennen we het wachtwoord al: een van de mogelijke toestanden van zo’n systeem is immers het wachtwoord! Als gevolg hiervan zullen alle problemen waar zelfs supercomputers nu dagen over doen om te berekenen, onmiddellijk worden opgelost met behulp van kwantumsystemen: moet je een stof vinden met bepaalde eigenschappen? Geen probleem, maak een systeem met hetzelfde aantal qubits als uw materievereisten - en het antwoord zit al in uw zak. Moet je AI (kunstmatige intelligentie) creëren? Het kan niet eenvoudiger: terwijl een gewone pc alle combinaties zal proberen, zal een kwantumcomputer razendsnel werken en het beste antwoord kiezen.

Het lijkt erop dat alles geweldig is, maar er is één belangrijk probleem: hoe komen we achter het resultaat van de berekeningen? Met een gewone pc is alles eenvoudig: we kunnen het nemen en lezen door rechtstreeks verbinding te maken met de processor: logische 0 en 1 worden daar zeker geïnterpreteerd als de afwezigheid en aanwezigheid van lading. Maar met qubits zal dit niet werken; het bevindt zich immers op elk moment in een willekeurige toestand. En dit is waar kwantumverstrengeling ons te hulp komt. De essentie ervan ligt in het feit dat je een paar deeltjes kunt krijgen die met elkaar verbonden zijn (in wetenschappelijke termen - als bijvoorbeeld de spinprojectie van het ene verstrengelde deeltje negatief is, dan zal het andere zeker positief zijn). Hoe ziet het eruit op je vingers? Laten we zeggen dat we twee dozen hebben die elk een stuk papier bevatten. We dragen dozen naar elke afstand, openen er een en zien dat het stuk papier erin horizontaal gestreept is. Dit betekent automatisch dat het andere vel papier verticale strepen zal hebben. Maar het probleem is dat zodra we de toestand van een stukje papier (of deeltje) kennen, het kwantumsysteem instort: de onzekerheid verdwijnt en qubits veranderen in gewone bits.

Daarom zijn berekeningen op kwantumcomputers in wezen eenmalig: we creëren een systeem dat bestaat uit verstrengelde deeltjes (we weten waar hun andere ‘helften’ zich bevinden). We voeren berekeningen uit, en daarna "openen we de doos met het stuk papier" - we ontdekken de toestand van de verstrengelde deeltjes, en dus de toestand van de deeltjes in de kwantumcomputer, en dus het resultaat van de berekeningen. Voor nieuwe berekeningen moet je dus opnieuw qubits maken - simpelweg "de doos sluiten met het stuk papier" zal niet werken - we weten immers al wat er op het stuk papier staat getekend.

De vraag rijst – aangezien een kwantumcomputer elk wachtwoord onmiddellijk kan raden – hoe informatie te beschermen? Zal privacy verdwijnen met de komst van dergelijke apparaten? Natuurlijk niet. De zogenaamde quantum-encryptie komt te hulp: deze is gebaseerd op het feit dat wanneer je een quantumtoestand probeert te ‘lezen’, deze wordt vernietigd, waardoor hacken onmogelijk wordt.

Kwantumcomputer voor thuis

Nou, de laatste vraag – aangezien kwantumcomputers zo cool, krachtig en onhackbaar zijn – waarom gebruiken we ze niet? Het probleem is triviaal: de onmogelijkheid om een kwantumsysteem in gewone huisomstandigheden te implementeren. Om een qubit voor onbepaalde tijd in een staat van superpositie te laten bestaan, zijn extreem specifieke omstandigheden nodig: volledig vacuüm (afwezigheid van andere deeltjes), een temperatuur zo dicht mogelijk bij nul Kelvin (voor supergeleiding) en een volledige afwezigheid van elektromagnetische straling. (omdat er geen invloed is op het kwantumsysteem). Mee eens, het is op zijn zachtst gezegd moeilijk om dergelijke omstandigheden thuis te creëren, maar de kleinste afwijking zal ertoe leiden dat de superpositietoestand zal verdwijnen en de berekeningsresultaten onjuist zullen zijn. Het tweede probleem is om de qubits met elkaar te laten communiceren; bij interactie wordt hun levensduur catastrofaal verkort. Het maximum voor deze dag zijn daardoor kwantumcomputers met enkele tientallen qubits.

Er zijn echter quantumcomputers van D-Wave die 1000 qubits hebben, maar over het algemeen zijn dat geen echte quantumcomputers, omdat ze geen gebruik maken van de principes van quantumverstrengeling en dus niet kunnen werken volgens klassieke quantumalgoritmen:

Maar toch blijken dergelijke apparaten aanzienlijk (duizenden keren) krachtiger te zijn dan conventionele pc's, wat als een doorbraak kan worden beschouwd. Ze zullen echter niet snel de apparaten van gebruikers vervangen - eerst moeten we leren voorwaarden te scheppen voor de werking van dergelijke apparaten thuis, of, integendeel, dergelijke apparaten 'laten werken' onder de omstandigheden die we kennen. Er zijn al stappen in de tweede richting gezet: in 2013 werd de eerste twee-qubit-kwantumcomputer gemaakt op onzuivere diamant, die bij kamertemperatuur werkte. Helaas is dit slechts een prototype en zijn 2 qubits niet genoeg voor berekeningen. Het wachten op kwantum-pc's duurt dus nog steeds heel erg lang.

De hoeveelheid informatie in de wereld neemt jaarlijks met 30% toe. Alleen al in de afgelopen vijf jaar is de mensheid dat geweest geproduceerd meer gegevens dan in de hele voorgaande geschiedenis. Internet of Things-systemen zijn in opkomst, waarbij elke sensor elke seconde enorme hoeveelheden gegevens verzendt en ontvangt, en analisten voorspellen dat het aantal met internet verbonden dingen binnenkort groter zal zijn dan het aantal menselijke gebruikers. Deze enorme hoeveelheden informatie moeten ergens worden opgeslagen en op de een of andere manier worden verwerkt.

Tegenwoordig zijn er al supercomputers met een capaciteit van meer dan 50 petaflops (1 petaflops = 1.000 miljard bewerkingen per seconde). Vroeg of laat zullen we echter de fysieke limiet van de mogelijke kracht van processors tegenkomen. Natuurlijk zullen supercomputers nog steeds in omvang kunnen groeien, maar dit is geen oplossing voor het probleem, aangezien de omvang uiteindelijk zijn grenzen zal bereiken. Volgens wetenschappers zal de wet van Moore binnenkort niet meer van toepassing zijn en zal de mensheid nieuwe, veel krachtigere apparaten en gegevensverwerkingstechnologieën nodig hebben. Daarom werken grote IT-bedrijven al aan het creëren van een compleet nieuw revolutionair type computer, waarvan de kracht honderden keren groter zal zijn dan wat we vandaag de dag hebben. Dit is een kwantumcomputer. Deskundigen beloven dat het hierdoor mogelijk kan zijn om een geneesmiddel tegen kanker te vinden, criminelen direct op te sporen door camerabeelden te analyseren en DNA-moleculen te simuleren. Nu is het moeilijk om je zelfs maar voor te stellen welke andere problemen hij zal kunnen oplossen.

Microsoft probeert een voortrekkersrol te spelen bij de ontwikkeling op dit gebied, nadat het dit gebied al twintig jaar bestudeert, omdat degene die als eerste een kwantumcomputer maakt, een onmiskenbaar concurrentievoordeel zal krijgen. Bovendien werkt het bedrijf niet alleen aan het maken van hardware, maar heeft het onlangs ook een programmeertaal geïntroduceerd die ontwikkelaars kunnen gebruiken. In feite kunnen maar heel weinig mensen opscheppen over de werkingsprincipes van dit revolutionaire apparaat; de meesten van ons zijn iets uit sciencefiction. Dus wat is hij?

Een van de belangrijkste onderdelen van een computer, waarvan de kracht rechtstreeks afhangt, is de processor, die op zijn beurt uit een groot aantal transistors bestaat. Transistors zijn de eenvoudigste onderdelen van het systeem, ze lijken enigszins op schakelaars en kunnen slechts in twee standen staan: “aan” of “uit”. Uit combinaties van deze posities wordt de binaire code gevormd, bestaande uit nullen en enen, waarop alle programmeertalen zijn gebaseerd.

Hoe krachtiger de computer, hoe meer transistors er nodig zijn voor de werking ervan. Fabrikanten verkleinen voortdurend hun omvang en proberen zoveel mogelijk in processors te passen. Er zitten er bijvoorbeeld miljarden in de nieuwe Xbox One X.

Nu is de grootte van één transistor 10 millimicron, dat wil zeggen een honderdduizendste millimeter. Maar op een dag zal er een fysieke limiet worden bereikt, kleiner dan waar de transistor simpelweg niet gemaakt kan worden. Om een crisis in de ontwikkeling van IT te voorkomen, werken wetenschappers aan het creëren van een computer die volgens een heel ander principe zal werken: kwantum. De transistoren waaruit een kwantumcomputer zal bestaan, kunnen zich tegelijkertijd in twee posities bevinden: "aan" en "uit" en kunnen dienovereenkomstig zowel één als nul tegelijk zijn, dit wordt "superpositie" genoemd.

Als we 4 standaardtransistors (bits) nemen, kunnen ze, door samen te werken, 16 verschillende combinaties van enen en nullen creëren. Eén voor één.

Als we kijken naar 4 kwantumtransistors (qubits), dan kunnen het alle 16 combinaties tegelijk zijn. Dit bespaart enorm veel ruimte en tijd!

Maar het maken van qubits is natuurlijk heel erg moeilijk. Wetenschappers hebben te maken met subatomaire deeltjes die gehoorzamen aan de wetten van de kwantummechanica en ontwikkelen een geheel nieuwe benadering van programmeren en taal.

Er zijn verschillende soorten qubits. Microsoft-experts werken bijvoorbeeld aan het maken van topologische qubits. Ze zijn ongelooflijk kwetsbaar en gemakkelijk te vernietigen door de geringste geluidsgolven of thermische straling. Voor een stabiele werking moeten ze constant een temperatuur van –273°C hebben. Ze hebben echter ook een aantal voordelen ten opzichte van andere typen: de informatie die erin is opgeslagen is vrijwel foutloos, en dienovereenkomstig zal een kwantumcomputer die is gemaakt op basis van topologische qubits een uiterst betrouwbaar systeem zijn.

De kwantumcomputer van Microsoft bestaat uit drie hoofdniveaus: het eerste niveau is de kwantumcomputer zelf, die qubits bevat en zich constant op een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt bevindt; het volgende niveau is een cryogene computer – dit is ook een compleet nieuw type computer dat kwantum bestuurt en werkt bij een temperatuur van –268°C; het laatste niveau is een computer, waar iemand al aan kan werken, en die het hele systeem bestuurt. Dergelijke computers zullen 100 tot 300 keer krachtiger zijn dan de meest geavanceerde supercomputers die vandaag de dag bestaan.

Tegenwoordig is de wereld dichter dan ooit bij de uitvinding van een echte kwantumcomputer gekomen: er is inzicht in het principe van de werking ervan, prototypes. En op het moment dat de kracht van conventionele computers om alle op aarde bestaande informatie te verwerken niet langer voldoende is, zal er een kwantumcomputer verschijnen, die een compleet nieuw tijdperk van digitale technologie markeert.