Наукові новини, Том 2, № 10, 29 жовтня 2020 року
Квантові комп’ютери
Квантові комп’ютери
Катерина Гнатюк
аспірант, фізичний факультет, Київський Національний Університет ім. Т. Г. ШевченкаКатерина Гнатюк
У житті більшості із нас комп’ютери відіграють важливу роль, адже вони застосовуються повсюдно: починаючи із звичайного редагування фотографій на ПК, і закінчуючи комп’ютеризованими системами керування на виробництвах та моделюванням фізичних систем на комп’ютерних кластерах у науково-дослідних установах. Завдання комп’ютера очевидні – за допомогою програмного забезпечення обчислювати дані, аналізувати їх та керувати пристроями.
У житті більшості із нас комп’ютери відіграють важливу роль, адже вони застосовуються повсюдно: починаючи із звичайного редагування фотографій на ПК, і закінчуючи комп’ютеризованими системами керування на виробництвах та моделюванням фізичних систем на комп’ютерних кластерах у науково-дослідних установах. Завдання комп’ютера очевидні – за допомогою програмного забезпечення обчислювати дані, аналізувати їх та керувати пристроями.
Класичним називатимемо комп’ютер, принцип дії якого ґрунтується на роботі логічного елемента (вентиля) – системи, яка виконує логічну операцію (ТА, АБО, НЕ і т.д.).
Класичним називатимемо комп’ютер, принцип дії якого ґрунтується на роботі логічного елемента (вентиля) – системи, яка виконує логічну операцію (ТА, АБО, НЕ і т.д.).
Основою логічного елемента комп’ютера є тригер. Тригер – це електрична система, яка може перебувати у двох стійких станах: «0» або «1». Ці стани носять назву бітів. За допомогою послідовності цих станів передається інформація. На практиці роль тригера відіграє транзистор.
Основою логічного елемента комп’ютера є тригер. Тригер – це електрична система, яка може перебувати у двох стійких станах: «0» або «1». Ці стани носять назву бітів. За допомогою послідовності цих станів передається інформація. На практиці роль тригера відіграє транзистор.
Щоб краще зрозуміти принцип його роботи проведемо аналогію транзистора із звичайним тумблером, який механічним способом можна перевести у стан «вкл» або «викл». Ввімкнення таких станів в польових транзисторах, які використовуються в процесорах, керується електричним способом, а саме напругою на вході транзистора. Якщо напруга на вході менше певного порогового значення, тоді на виході транзистора струму немає, що у інформаційній інтерпретації передає біт «0»; у протилежному випадку, коли напруга на вході більша певного значення, струм через транзистор проходить та передає біт «1». Спосіб передачі інформації ідейно схожий на азбуку Морзе, де текст передається за допомогою комбінацій коротких та довгих сигналів (крапок та тире на письмі).
Щоб краще зрозуміти принцип його роботи проведемо аналогію транзистора із звичайним тумблером, який механічним способом можна перевести у стан «вкл» або «викл». Ввімкнення таких станів в польових транзисторах, які використовуються в процесорах, керується електричним способом, а саме напругою на вході транзистора. Якщо напруга на вході менше певного порогового значення, тоді на виході транзистора струму немає, що у інформаційній інтерпретації передає біт «0»; у протилежному випадку, коли напруга на вході більша певного значення, струм через транзистор проходить та передає біт «1». Спосіб передачі інформації ідейно схожий на азбуку Морзе, де текст передається за допомогою комбінацій коротких та довгих сигналів (крапок та тире на письмі).
Логічні елементи, які складаються з транзисторів, у свою чергу теж комбінуються, утворюючи логіку, яка може виконувати певну операцію (додавання, віднімання, тощо). Комбінуючи логічні елементи переходимо на рівень мікропроцесора, який виконуватиме не одну, а певний набір інструкцій (операцій).
Логічні елементи, які складаються з транзисторів, у свою чергу теж комбінуються, утворюючи логіку, яка може виконувати певну операцію (додавання, віднімання, тощо). Комбінуючи логічні елементи переходимо на рівень мікропроцесора, який виконуватиме не одну, а певний набір інструкцій (операцій).
Чому саме квантові? Тому що деякі види обчислень навіть найсучаснішими звичайними комп'ютерами не здійснюються або здійснюються доволі повільно.
Чому саме квантові? Тому що деякі види обчислень навіть найсучаснішими звичайними комп'ютерами не здійснюються або здійснюються доволі повільно.
Доцільність використання квантових комп’ютерів уперше була висвітлена у 1994 р. П. Шором [1]. Він запропонував квантовий алгоритм розкладання цілих чисел на прості множники. Квантовий комп’ютер може виконати вищезазначене завдання за декілька хвилин. А от класичний комп’ютер не може виконати це завдання ефективно уже для чисел, кількість десяткових знаків у яких перевищує 200. Цей факт, до речі, використовується у розробці криптографічного протоколу RSA, який використовують для захисту інформації [2].
Доцільність використання квантових комп’ютерів уперше була висвітлена у 1994 р. П. Шором [1]. Він запропонував квантовий алгоритм розкладання цілих чисел на прості множники. Квантовий комп’ютер може виконати вищезазначене завдання за декілька хвилин. А от класичний комп’ютер не може виконати це завдання ефективно уже для чисел, кількість десяткових знаків у яких перевищує 200. Цей факт, до речі, використовується у розробці криптографічного протоколу RSA, який використовують для захисту інформації [2].
Отже, користь з використання квантових систем, у першу чергу, пов’язана з більшою швидкістю виконання певних типів обчислень. Швидкість виконання цих певних типів обчислень квантовим комп’ютером експоненційно зростає тобто, чим більший масив інформації обробляється, тим швидше він працює.
Отже, користь з використання квантових систем, у першу чергу, пов’язана з більшою швидкістю виконання певних типів обчислень. Швидкість виконання цих певних типів обчислень квантовим комп’ютером експоненційно зростає тобто, чим більший масив інформації обробляється, тим швидше він працює.
Принцип дії квантового комп’ютера ґрунтується на основних положеннях квантової механіки [3]. Цей розділ фізики застосовується для опису систем, які належать до мікросвіту. Основні положення цієї теорії (дискретність, корпускулярно-хвильовий дуалізм, принцип невизначеності) здаються парадоксальними, проте є підтвердженими експериментально. У квантових комп’ютерах роботу тригера виконують квантові (елементарні) частинки. Реалізація відбувається завдяки певним особливостям таких систем. Наприклад, електрон може знаходитися у двох станах: зі спіном (напрямком обертання навколо власної осі) вгору, або зі спіном вниз, які відповідно передають біти «0» та «1». Визначають спін завдяки його властивості взаємодіяти з магнітним полем. Різна орієнтація спінів – різна взаємодія. Фотон, потрапляє в пристрій реєстрації у певні моменти часу: якщо прибув раніше очікуваного часу – передає стан «0», пізніше – стан «1». Передані таким способом біти, називаються квантовими бітами, або ж кубітами [4]. Логічні вентилі побудовані за допомогою кубітів називаються квантовими вентилями.
Принцип дії квантового комп’ютера ґрунтується на основних положеннях квантової механіки [3]. Цей розділ фізики застосовується для опису систем, які належать до мікросвіту. Основні положення цієї теорії (дискретність, корпускулярно-хвильовий дуалізм, принцип невизначеності) здаються парадоксальними, проте є підтвердженими експериментально. У квантових комп’ютерах роботу тригера виконують квантові (елементарні) частинки. Реалізація відбувається завдяки певним особливостям таких систем. Наприклад, електрон може знаходитися у двох станах: зі спіном (напрямком обертання навколо власної осі) вгору, або зі спіном вниз, які відповідно передають біти «0» та «1». Визначають спін завдяки його властивості взаємодіяти з магнітним полем. Різна орієнтація спінів – різна взаємодія. Фотон, потрапляє в пристрій реєстрації у певні моменти часу: якщо прибув раніше очікуваного часу – передає стан «0», пізніше – стан «1». Передані таким способом біти, називаються квантовими бітами, або ж кубітами [4]. Логічні вентилі побудовані за допомогою кубітів називаються квантовими вентилями.
Побудова таких механізмів повинна узгоджуватися з квантовою заплутаністю та принципом квантової суперпозиції.
Побудова таких механізмів повинна узгоджуватися з квантовою заплутаністю та принципом квантової суперпозиції.
У квантовій фізиці квантова заплутаність – це кореляція (взаємний вплив) квантових станів суб’єктів взаємодії, навіть на великій відстані, тоді як у класичній фізиці вважається, що вплив на частинку чинить лише її близьке оточення. [4]
У квантовій фізиці квантова заплутаність – це кореляція (взаємний вплив) квантових станів суб’єктів взаємодії, навіть на великій відстані, тоді як у класичній фізиці вважається, що вплив на частинку чинить лише її близьке оточення. [4]
Принцип квантової суперпозиції передбачає, що система або частинка може бути у всіх можливих станах до того моменту як її виміряють.
Принцип квантової суперпозиції передбачає, що система або частинка може бути у всіх можливих станах до того моменту як її виміряють.
Тепер, розуміючи масштабні особливості квантових систем, окреслимо сучасний стан розвитку даної галузі, основні труднощі та завдання, які постають перед розробниками [1].
Тепер, розуміючи масштабні особливості квантових систем, окреслимо сучасний стан розвитку даної галузі, основні труднощі та завдання, які постають перед розробниками [1].
Створення технічного забезпечення квантових обчислювальних приладів потребує індивідуального підходу, оскільки стан кожного кубіту може зазнавати певних відхилень у зв’язку з вище наведеними фактами. Цей так званий “шум” призводить до виникнення похибок. Чим менша кількість кубітів тим менша похибка роботи приладу. З іншого боку, чим більша кількість кубітів, тим швидше виконуються операції. У 2018 р. для системи з понад 5 кубітів похибка становила більше декількох відсотків. Це неприпустимо велике значення для сучасних комп’ютерів.
Створення технічного забезпечення квантових обчислювальних приладів потребує індивідуального підходу, оскільки стан кожного кубіту може зазнавати певних відхилень у зв’язку з вище наведеними фактами. Цей так званий “шум” призводить до виникнення похибок. Чим менша кількість кубітів тим менша похибка роботи приладу. З іншого боку, чим більша кількість кубітів, тим швидше виконуються операції. У 2018 р. для системи з понад 5 кубітів похибка становила більше декількох відсотків. Це неприпустимо велике значення для сучасних комп’ютерів.
На сьогоднішній день квантові комп'ютери можна розділити на три загальні категорії: аналогові квантові комп'ютери, цифрові NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) комп'ютери та квантові комп’ютери з повністю скорегованими помилками. У перших двох типах пристроїв присутній “шум”, а це означає, що результуюча похибка обчислень обмежує діапазон завдань, які ці машини можуть виконати. NISQ комп’ютери – це комп’ютери, що мають “недовершені” кубіти (є “шум”) і характеризуються середньою кількістю кубітів. Дані пристрої стали доступними у 2017 році, та характеризувалася десятками кубітів. До кінця 2017 року кількість кубітів у механізмі зросла до 2000. Цю подію можна ототожнити з досягненням певного рівня та переходу до нового етапу розробок. Станом на сьогодні даний тип пристроїв використовується для демонстрації переваг квантового комп’ютера над класичним у ряді завдань та перевірки основних принципів роботи квантових пристроїв. Квантовий комп’ютер з повністю скорегованими помилками - це версія квантового комп’ютера, яка стала більш надійною завдяки розробці квантової корекції помилок (QEC). Ця методика дозволяє “шумним” фізичним кубітам (див. приклади вище) імітувати стабільні логічні кубіти, що значно зменшує ймовірність виникнення похибки та зумовлює більш надійну поведінку комп'ютера при обчисленнях. Подальша розробка, впровадження та вдосконалення цієї методики є актуальним напрямком розвитку квантових комп’ютерів.
На сьогоднішній день квантові комп'ютери можна розділити на три загальні категорії: аналогові квантові комп'ютери, цифрові NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) комп'ютери та квантові комп’ютери з повністю скорегованими помилками. У перших двох типах пристроїв присутній “шум”, а це означає, що результуюча похибка обчислень обмежує діапазон завдань, які ці машини можуть виконати. NISQ комп’ютери – це комп’ютери, що мають “недовершені” кубіти (є “шум”) і характеризуються середньою кількістю кубітів. Дані пристрої стали доступними у 2017 році, та характеризувалася десятками кубітів. До кінця 2017 року кількість кубітів у механізмі зросла до 2000. Цю подію можна ототожнити з досягненням певного рівня та переходу до нового етапу розробок. Станом на сьогодні даний тип пристроїв використовується для демонстрації переваг квантового комп’ютера над класичним у ряді завдань та перевірки основних принципів роботи квантових пристроїв. Квантовий комп’ютер з повністю скорегованими помилками - це версія квантового комп’ютера, яка стала більш надійною завдяки розробці квантової корекції помилок (QEC). Ця методика дозволяє “шумним” фізичним кубітам (див. приклади вище) імітувати стабільні логічні кубіти, що значно зменшує ймовірність виникнення похибки та зумовлює більш надійну поведінку комп'ютера при обчисленнях. Подальша розробка, впровадження та вдосконалення цієї методики є актуальним напрямком розвитку квантових комп’ютерів.
Оскільки процес передачі інформації за допомогою квантових механізмів, у зв’язку з особливостями квантових систем, відрізняється від такого процесу в класичному комп’ютері, квантові пристрої потребують власного програмного забезпечення, яке матиме новий підхід до реалізації, на відміну від програмного забезпечення звичайних комп’ютерів. І оскільки вони ймовірно будуть виконувати роль додаткових пристроїв для інших типів обчислень, як от прискорювач чи співпроцесор, спеціалізований для виконання певного завдання, то це, у свою чергу, породжує нове актуальне завдання перед винахідниками – потрібно створити механізм перетворення інформації класичного комп’ютера у інформацію, яку сприйматиме квантовий комп’ютер і навпаки, та спосіб її передачі.
Оскільки процес передачі інформації за допомогою квантових механізмів, у зв’язку з особливостями квантових систем, відрізняється від такого процесу в класичному комп’ютері, квантові пристрої потребують власного програмного забезпечення, яке матиме новий підхід до реалізації, на відміну від програмного забезпечення звичайних комп’ютерів. І оскільки вони ймовірно будуть виконувати роль додаткових пристроїв для інших типів обчислень, як от прискорювач чи співпроцесор, спеціалізований для виконання певного завдання, то це, у свою чергу, породжує нове актуальне завдання перед винахідниками – потрібно створити механізм перетворення інформації класичного комп’ютера у інформацію, яку сприйматиме квантовий комп’ютер і навпаки, та спосіб її передачі.
Передбачувана швидкість певних типів обчислень квантовими комп’ютерами стала активатором нових розробок у галузі криптографії. У майбутньому використання квантових комп’ютерів може поставити під сумнів надійність існуючих на сьогоднішній день методів захисту інформації та шифрування загалом, адже значно зменшать час обчислень для підбору ключа доступу до асиметричних шифрів, які використовуються для захисту майже всього інтернет-трафіку та збережених зашифрованих даних. Оскільки реалізація такого процесу є вкрай небажаною і небезпечною, існує великий комерційний інтерес до створення постквантової криптографії задовго до того, як квантовий комп'ютер з такими можливостями буде побудовано.
Передбачувана швидкість певних типів обчислень квантовими комп’ютерами стала активатором нових розробок у галузі криптографії. У майбутньому використання квантових комп’ютерів може поставити під сумнів надійність існуючих на сьогоднішній день методів захисту інформації та шифрування загалом, адже значно зменшать час обчислень для підбору ключа доступу до асиметричних шифрів, які використовуються для захисту майже всього інтернет-трафіку та збережених зашифрованих даних. Оскільки реалізація такого процесу є вкрай небажаною і небезпечною, існує великий комерційний інтерес до створення постквантової криптографії задовго до того, як квантовий комп'ютер з такими можливостями буде побудовано.
Оперуючи загальнодоступною інформацією щодо прогресу в області квантових обчислень, теоретичних причин, які б не дозволили створити потужний, безвідмовний квантовий комп'ютер немає. Однак на шляху до створення такої системи і її практичного використання для вирішення важливих завдань стоять серйозні технічні проблеми (стабілізація роботи квантового процесора, розробка підходів для їх програмування і взаємодії з звичайними комп’ютерами тощо). Чи буде їх подолано і скільки часу на це знадобиться – невідомо, але продовження досліджень і розробок у галузі квантових обчислень і квантових технологій розширять межі знань людства про навколишній світ.
Оперуючи загальнодоступною інформацією щодо прогресу в області квантових обчислень, теоретичних причин, які б не дозволили створити потужний, безвідмовний квантовий комп'ютер немає. Однак на шляху до створення такої системи і її практичного використання для вирішення важливих завдань стоять серйозні технічні проблеми (стабілізація роботи квантового процесора, розробка підходів для їх програмування і взаємодії з звичайними комп’ютерами тощо). Чи буде їх подолано і скільки часу на це знадобиться – невідомо, але продовження досліджень і розробок у галузі квантових обчислень і квантових технологій розширять межі знань людства про навколишній світ.
Використані джерела:
Використані джерела:
[1] Quantum computing: progress and prospects, National Academies Press, 2019 (https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects).
[1] Quantum computing: progress and prospects, National Academies Press, 2019 (https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects).
[2] І.Д. Войтович, В.М. Корсунський, Перспективи квантових обчислень з використанням надпровідності, Математические Машины и Системы. 1 (2008).
[2] І.Д. Войтович, В.М. Корсунський, Перспективи квантових обчислень з використанням надпровідності, Математические Машины и Системы. 1 (2008).
[3] І.О. Вакарчук, Квантова механіка, Львів ЛНУ. (2004).
[3] І.О. Вакарчук, Квантова механіка, Львів ЛНУ. (2004).
[4] Вікіпедія, Кубіт --- Вікіпедія, (2020). (https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Кубіт&oldid=27364528).
[4] Вікіпедія, Кубіт --- Вікіпедія, (2020). (https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Кубіт&oldid=27364528).