Как работи квантовият компютър?

Специалистите предсказват, че скоро обикновените компютри ще бъдат заменени от квантови, които по мощност превъзхождат съвременните изчислителни системи на порядъци. Но какво всъщност представляват квантовите компютри?

Според прогнозите съвсем скоро, още след 10 години, микросхемите в компютрите ще достигнат атомни измерения. Изглежда логично, че настъпва епохата на квантовите компютри, с чиято помощ скоростта на изчислителните системи несравнимо може да се повиши.

Идеята на квантовите компютри е сравнително нова: през 1981 г. Пол Бениоф за първи път описва теоретичните принципи на работа на квантовата машина на Тюринг.

През 30-те години Алън Тюринг теоретично описва устройство, представляващо безкрайна лента, разделена на малки клетки. Всяка клетка може да съдържа в себе си символа 1 или 0 или да остава празна.

Управляващото устройство се движи по лентата, чете символите и записва нови. От набора такива символи се съставя програма, която машината трябва да изпълни.

В квантовата машина на Тюринг, предложена от Бениоф, принципите на работа остават същите, с тази разлика, че както лентата, така и управляващото устройство се намират в квантово състояние.

Това означава, че символите на лентата могат да бъдат не само 0 и 1, но и суперпозиции на двете числа, тоест 0 и 1 едновременно. По такъв начин, ако класическата машина на Тюринг е способна едновременно да изпълни само едно изчисление, то квантовата прави няколко изчисления успоредно.

Днешните компютри работят на същия принцип както и нормални машини на Тюринг – с битове, които се намират в едно от двете състояния: 0 или 1. Квантовите компютри нямат такива ограничения – информацията в тях е зашифрована в квантови битове (кюбити), които могат да съдържат суперпозиции на двете състояния.

Физическите системи, реализиращи кюбити, могат да бъдат атоми, йони, фотони или електрони, имащи две квантови състояния. Фактически, ако се направят елементарните частици носители на информация, с тяхна помощ може да се построи компютърна памет и процесори от ново поколение.

Благодарение на суперпозициите на кюбитите квантовите компютри изначално са предвидени за изпълнение на успоредни изчисления. Този паралелизъм, според физика Дейвид Дойч, позволява на квантовите компютри да изпълняват едновременно милиони изчисления, докато съвременните процесори работят само с едно-единствено.

30-кюбитов квантов компютър по мощност ще бъде равен на суперкомпютър, работещ с производителност 10 терафлопа (трилион операции в секунда). Мощността на съвременните настолни компютри се измерва на общо гигафлоп (милиард операции в секунда).

Друго важно квантовомеханично явление, което може да бъде задействано в квантовите компютри, се нарича „заплитане“. Основният проблем на четенето на информация от квантовите частици се заключава в това, че в процеса на измерване те могат да изменят своето състояние по напълно непредсказуем начин.

Фактически, ако се чете информация от кюбит, намиращ се в състояние на суперпозиция, ще получим само 0 или 1, но никога двете числа едновременно. А това означава, че вместо квантов, ще си имаме работа с обикновен класически компютър.

За да решат този проблем, учените трябва да използват такива измервания, които не разрушават квантовата система. Квантовото заплитане предоставя потенциално решение.

В квантовата физика, ако се приложи външна сила към два атома, те може да се „заплетат“ по такъв начин, че един от атомите да притежава свойствата на другия. Това на свой ред ще доведе дотам, че измервайки например спина на един атом, неговият „заплетен“ близнак веднага ще приеме противоположния спин.

Такова свойство на квантовите частици позволява на физиците да разберат стойността на кюбита, без да го измерват непосредствено.

В един прекрасен ден квантовите компютри могат да заменят силициевите чипове подобно на транзисторите, които заменили вакуумните тръбички. Но съвременните технологии още не позволяват да се строят пълноценни квантови компютри.

И все пак, с всяка година изследователите обявяват за нови постижения в областта на квантовите технологии, и надеждата, че един ден квантовите компютри ще надминат обикновените, продължава да укрепва.

1998

Изследователи от Масачузетския технологичен институт за първи път разпределят един кюбит между три ядрени спина във всяка молекула на течен аланин или молекули трихлоретилен.

2000

През март учените от Националната лаборатория в Лос Аламос обявяват за създаването на 7-кюбитов квантов компютър в една-единствена капка течност.

2001

Демонстрация на изчисление на алгоритъма на Шор от специалистите на IBM и Станфордския университет на 7-кюбитов квантов компютър.

2005

В Института за квантова оптика и квантова информация към университета в Инсбрук за първи път създават кюбайт (съчетание от 8 кюбита) с йонни капани.

2007

Канадската компания D-Wave демонстрира първия 16-кюбитов квантов компютър, способен да реши цяла редица задачи и главоблъсканици от типа на судоку.

От 2011 г. D-Wave предлага за 11 млн. долара квантовия компютър D-Wave One със 128-кюбитов чипсет, който изпълнява само една задача – дискретна оптимизация.