Ordinateur quantique à la maison. Ordinateurs adiabatiques D-Wave. La suite des opérations effectuées

L'humanité, comme il y a 60 ans, est à nouveau sur le point de faire une percée grandiose dans le domaine de technologie informatique. Très bientôt pour remplacer celui d'aujourd'hui des ordinateurs viendra ordinateurs quantiques.

Combien de progrès ont été réalisés

En 1965, Gordon Moore a déclaré qu'en un an, le nombre de transistors qui s'intègrent dans une puce en silicium double. Ce rythme de progression Dernièrement ralenti et le doublement se produit moins fréquemment - une fois tous les deux ans. Même à ce rythme, dans un avenir proche, les transistors atteindront la taille d'un atome. Ensuite, il y a une ligne qui ne peut pas être franchie. Du point de vue de la structure physique du transistor, il ne peut s'agir de quantités inférieures à des quantités atomiques. Augmenter la taille de la puce ne résout pas le problème. Le fonctionnement des transistors est associé à la libération d'énergie thermique et les processeurs ont besoin d'un système de refroidissement de haute qualité. L'architecture multicœur ne résout pas non plus le problème de la croissance future. Atteindre le sommet du développement technologique processeurs modernes arrivera bientôt.
Les développeurs ont compris ce problème à une époque où les ordinateurs personnels commençaient tout juste à être disponibles pour les utilisateurs. En 1980, l'un des fondateurs de l'informatique quantique, le professeur soviétique Yuri Manin, a formulé l'idée de l'informatique quantique. Un an plus tard, Richard Feiman a proposé le premier modèle d'ordinateur avec un processeur quantique. Base théorique de ce à quoi devraient ressembler les ordinateurs quantiques, formulée par Paul Benioff.

Le principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique

Pour comprendre le fonctionnement du nouveau processeur, il est nécessaire d'avoir au moins une connaissance superficielle des principes de la mécanique quantique. Cela n'a aucun sens de donner ici des schémas mathématiques et de dériver des formules. Il suffit au profane de se familiariser avec les trois traits distinctifs de la mécanique quantique :

L'état ou la position d'une particule n'est déterminé qu'avec un certain degré de probabilité.
Si une particule peut avoir plusieurs états, alors elle est dans tous les états possibles à la fois. C'est le principe de la superposition.
Le processus de mesure de l'état de la particule conduit à la disparition de la superposition. De manière caractéristique, la connaissance de l'état de la particule obtenue par la mesure diffère de l'état réel de la particule avant les mesures.

Du point de vue du bon sens - un non-sens complet. Dans notre monde ordinaire, ces principes peuvent être représentés comme suit : la porte de la pièce est fermée et en même temps ouverte. Fermé et ouvert en même temps.

C'est la différence frappante entre les calculs. Un processeur classique opère dans ses actions avec un code binaire. Les bits informatiques ne peuvent être que dans un seul état - avoir une valeur logique de 0 ou 1. Les ordinateurs quantiques fonctionnent sur des qubits, qui peuvent avoir une valeur logique de 0, 1, 0 et 1 à la fois. Pour certaines tâches, ils auront un avantage de plusieurs millions de dollars sur les ordinateurs traditionnels. Aujourd'hui, il existe déjà des dizaines de descriptions d'algorithmes de travail. Les programmeurs créent un spécial code de programmation, qui peut travailler sur de nouveaux principes de calcul.

Où le nouvel ordinateur sera-t-il utilisé ?

Une nouvelle approche du processus informatique vous permet de travailler avec d'énormes quantités de données et d'effectuer des opérations informatiques instantanées. Avec l'avènement des premiers ordinateurs, certaines personnes, y compris des hommes d'État, avaient un grand scepticisme quant à leur utilisation dans l'économie nationale. Il y a encore aujourd'hui des gens qui doutent de l'importance des ordinateurs fondamentalement de nouvelle génération. Très longue durée les revues techniques ont refusé de publier des articles sur l'informatique quantique, la considérant comme un stratagème frauduleux courant pour tromper les investisseurs.

La nouvelle façon de calculer créera les conditions préalables à des découvertes scientifiques grandioses dans toutes les industries. La médecine résoudra de nombreux problèmes problématiques, qui se sont beaucoup accumulés récemment. Il sera possible de diagnostiquer le cancer à un stade plus précoce de la maladie qu'il ne l'est actuellement. L'industrie chimique pourra synthétiser des produits aux propriétés uniques.

Une percée dans l'astronautique ne vous fera pas attendre. Les vols vers d'autres planètes deviendront aussi courants que les trajets quotidiens autour de la ville. Le potentiel inhérent à l'informatique quantique transformera certainement notre planète au-delà de toute reconnaissance.

Une autre caractéristique distinctive des ordinateurs quantiques est la capacité de l'informatique quantique à trouver rapidement le bon code ou chiffrement. Un ordinateur ordinaire exécute une solution d'optimisation mathématique de manière séquentielle, en passant par une option après l'autre. Un concurrent quantique travaille avec l'ensemble du réseau de données à la fois, en choisissant les options les plus appropriées à la vitesse de l'éclair pour un résultat sans précédent. un bref délais. Les transactions bancaires seront déchiffrées en un clin d'œil, ce qui n'est pas disponible sur les ordinateurs modernes.

Cependant, le secteur bancaire ne peut pas s'inquiéter - son secret sera sauvé par la méthode de cryptage quantique avec le paradoxe de la mesure. Si vous essayez d'ouvrir le code, le signal transmis sera déformé. Les informations reçues n'auront aucun sens. Les services secrets, pour qui l'espionnage est monnaie courante, s'intéressent aux possibilités de l'informatique quantique.

Difficultés de conception

La difficulté est de créer les conditions dans lesquelles un bit quantique peut être dans un état de superposition pendant un temps infiniment long.

Chaque qubit est un microprocesseur qui fonctionne selon les principes de la supraconductivité et les lois de la mécanique quantique.

Un certain nombre de conditions environnementales uniques sont créées autour des éléments microscopiques du moteur logique :

température 0,02 degrés Kelvin (-269,98 Celsius);
système de protection contre les rayonnements magnétiques et électriques (réduit l'impact de ces facteurs de 50 000 fois);
système d'évacuation de la chaleur et d'amortissement des vibrations ;
raréfaction de l'air sous la pression atmosphérique de 100 milliards de fois.

Une légère déviation environnementale fait perdre momentanément aux qubits leur état de superposition, entraînant un dysfonctionnement.

En avance sur la planète

Tout ce qui précède pourrait être attribué à la créativité de l'esprit enflammé de l'écrivain d'histoires fantastiques, si Google avec la NASA, l'année dernière n'a pas acquis d'ordinateur quantique D-Wave, dont le processeur contient 512 qubits, d'une société de recherche canadienne.

Avec lui, le leader du marché la technologie informatique résoudra les problèmes apprentissage automatique dans le tri et l'analyse de grands tableaux de données.

Une importante déclaration révélatrice a été faite par Snowden, qui a quitté les États-Unis - la NSA prévoit également de développer son propre ordinateur quantique.

2014 - le début de l'ère des systèmes D-Wave

L'athlète canadien à succès Geordie Rose, après un accord avec Google et la NASA, a commencé à construire un processeur de 1000 qubits. Le futur modèle en termes de rapidité et de volume de calculs surpassera le premier prototype commercial d'au moins 300 000 fois. L'ordinateur quantique, dont la photo se trouve ci-dessous, est la première version commerciale au monde du fondamentalement nouvelle technologie l'informatique.

Il a été incité à s'engager dans le développement scientifique par sa connaissance à l'université des travaux de Colin Williams sur l'informatique quantique. Je dois dire que Williams travaille aujourd'hui à la Rose Corporation en tant que chef de projet commercial.

Percée ou tromperie scientifique

Rose lui-même ne sait pas exactement ce que sont les ordinateurs quantiques. En dix ans, son équipe est passée de la création d'un processeur 2 qubits à la première progéniture commerciale d'aujourd'hui.

Dès le début de ses recherches, Rose visait à créer un processeur avec un nombre minimum de qubits de 1 000. Et il devait avoir une option commerciale - vendre et gagner de l'argent.

Beaucoup, connaissant l'obsession et le sens commercial de Rose, essaient de l'accuser de contrefaçon. Apparemment, le processeur le plus ordinaire est émis pour le quantique. Ceci est facilité par le fait que la vitesse phénoménale de la nouvelle technique se manifeste lors de l'exécution de certains types de calculs. Sinon, il se comporte comme un ordinateur tout à fait ordinaire, seulement très cher.

Quand apparaîtront-ils

Il n'y a pas longtemps à attendre. Le groupe de recherche, organisé par les co-acheteurs du prototype, rendra bientôt compte du résultat des recherches sur D-Wave.
Le temps viendra peut-être bientôt où les ordinateurs quantiques transformeront notre compréhension du monde qui nous entoure. Et toute l'humanité en ce moment en viendra à plus haut niveau son évolution.

La semaine dernière, on a appris que Google avait fait une percée dans le développement d'un ordinateur quantique -
l'entreprise a compris comment un tel ordinateur ferait face
avec mes propres erreurs. Ils parlent d'ordinateurs quantiques depuis plusieurs années : par exemple, il a fait la couverture du magazine Time. Si de tels ordinateurs apparaissent, ce sera une percée semblable à l'apparition des ordinateurs classiques - et encore plus grave. Look At Me explique pourquoi les ordinateurs quantiques sont bons et ce que Google a fait exactement.

Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?

Un ordinateur quantique est un mécanisme à l'intersection de l'informatique et de la physique quantique, la section la plus complexe de la physique théorique. Richard Feynman, l'un des plus grands physiciens du XXe siècle, a dit un jour : « Si vous pensez comprendre la physique quantique, alors vous ne la comprenez pas. Veuillez donc noter que les explications suivantes sont incroyablement simplifiées. Il faut des années aux gens pour comprendre la physique quantique.

La physique quantique traite des particules élémentaires plus petites qu'un atome. La façon dont ces particules sont disposées et dont elles se comportent contredit bon nombre de nos idées sur l'univers. Une particule quantique peut se trouver à plusieurs endroits à la fois - et dans plusieurs états à la fois. Imaginez que vous ayez lancé une pièce de monnaie : tant qu'elle est en l'air, vous ne pouvez pas dire si elle tombera pile ou face ; cette pièce est à la fois pile et face. C'est ainsi que se comportent les particules quantiques. C'est ce qu'on appelle le principe de superposition.

Un ordinateur quantique est encore un appareil hypothétique qui utilisera le principe de superposition (et autres propriétés quantiques)
pour le calcul. Un ordinateur typique fonctionne avec des transistors,
qui perçoivent toute information comme des zéros et des uns. Le code binaire peut décrire le monde entier - et résoudre tous les problèmes qu'il contient. L'analogue quantique du bit classique est appelé un qubit. (qubit, qu - du mot quantum, quantum). En utilisant le principe de superposition, un qubit peut être simultanément
dans l'état 0 et 1 - et cela augmentera non seulement considérablement la puissance par rapport aux ordinateurs traditionnels, mais vous permettra également de résoudre des problèmes inattendus,
dont les ordinateurs ordinaires ne sont pas capables.

Le principe de superposition est le seul
Sur quoi seront basés les ordinateurs quantiques ?

Non. Étant donné que les ordinateurs quantiques n'existent qu'en théorie, les scientifiques ne font que deviner comment ils fonctionneront exactement. Par exemple, on pense que les ordinateurs quantiques utiliseront également l'intrication quantique.
C'est ce qu'Albert Einstein appelait "effrayant" ( il était généralement contre la théorie quantique, car elle n'est pas compatible avec sa théorie de la relativité). La signification du phénomène est que deux particules dans l'Univers peuvent être interconnectées, et vice versa : disons, si l'hélicité
(il existe une telle caractéristique de l'état des particules élémentaires, nous n'entrerons pas dans les détails) de la première particule est positive, l'hélicité de la seconde sera toujours négative, et vice versa. Ce phénomène est qualifié de « creepy » pour deux raisons. Premièrement, cette connexion fonctionne instantanément, plus rapidement que la vitesse de la lumière. Deuxièmement, les particules intriquées peuvent être à n'importe quelle distance les unes des autres.
d'un ami : par exemple, à différentes extrémités de la Voie lactée.

Comment utiliser un ordinateur quantique ?

Les scientifiques recherchent des applications pour les ordinateurs quantiques et cherchent en même temps à les construire. L'essentiel est qu'un ordinateur quantique sera capable d'optimiser les informations très rapidement et généralement de travailler avec des données volumineuses que nous accumulons, mais dont nous ne comprenons pas encore comment les utiliser.

Imaginons ceci (très simplifié, bien sûr): Vous êtes sur le point de tirer sur une cible avec un arc et vous devez déterminer à quelle hauteur viser pour toucher. Disons que vous devez calculer la hauteur de 0 à 100 cm, un ordinateur classique calculera tour à tour chaque trajectoire : d'abord 0 cm, puis 1 cm, puis 2 cm, et ainsi de suite. Un ordinateur quantique, en revanche, calculera toutes les options en même temps - et vous donnera instantanément celle qui vous permettra d'atteindre exactement la cible. De nombreux processus peuvent ainsi être optimisés :
de la médecine (disons, diagnostiquer le cancer plus tôt) avant l'aviation (par exemple, faire des pilotes automatiques plus complexes).

Il existe également une version selon laquelle un tel ordinateur pourra résoudre des problèmes pour lesquels ordinateur ordinaire tout simplement pas capable - ou qui lui prendrait des milliers d'années de calcul. Un ordinateur quantique pourra travailler avec les simulations les plus complexes : par exemple, pour calculer s'il existe d'autres êtres intelligents dans l'univers que les humains. Il est possible que la création d'ordinateurs quantiques conduise à
à l'avènement de l'intelligence artificielle. Imaginez ce que l'avènement des ordinateurs conventionnels a fait à notre monde - les ordinateurs quantiques pourraient être à peu près la même percée.

Qui développe des ordinateurs quantiques ?

Tout. Gouvernements, militaires, entreprises technologiques. Construire un ordinateur quantique profitera à presque tout le monde. Par exemple, parmi les documents publiés par Edward Snowden, il y avait des informations selon lesquelles la NSA a un projet "Introduction aux cibles complexes", qui comprend la création d'un ordinateur quantique pour chiffrer les informations. Microsoft est sérieusement engagé dans les ordinateurs quantiques - ils ont commencé leurs premières recherches dans ce domaine en 2007. IBM dirige le développement et il y a quelques années, ils ont annoncé avoir créé une puce à trois qubits. Enfin, Google et la NASA collaborent
avec la société D-Wave, qui prétend sortir déjà
"le premier processeur quantique commercial" (ou plutôt, le second, maintenant leur modèle s'appelle D-Wave Two), mais cela ne fonctionne pas encore comme un quantum -
rappelez-vous, ils n'existent pas.

À quel point sommes-nous proches de créer
ordinateur quantique ?

Personne ne peut le dire avec certitude. Nouvelles sur les percées technologiques (comme l'actualité récente de Google) apparaissent constamment, mais nous pouvons être aussi très loin
d'un ordinateur quantique à part entière, et très proche de celui-ci. Disons qu'il y a des études qui disent qu'il suffit de créer un ordinateur avec juste
avec plusieurs centaines de qubits pour le faire fonctionner comme un ordinateur quantique à part entière. D-Wave prétend avoir créé un processeur avec 84 qubits -
mais les critiques qui ont analysé leur processeur affirment qu'il fonctionne,
comme un ordinateur classique, pas comme un ordinateur quantique. Collaborateurs Google
avec D-Wave, ils pensent que leur processeur n'en est qu'aux tout premiers stades de développement et qu'il fonctionnera éventuellement comme un processeur quantique. D'une certaine manière, maintenant
les ordinateurs quantiques ont un problème principal - les erreurs. Tous les ordinateurs font des erreurs, mais les ordinateurs classiques peuvent facilement les gérer - mais pas les ordinateurs quantiques. Une fois les chercheurs triés sur les bugs, il ne restera plus que quelques années avant l'apparition d'un ordinateur quantique.

Ce qui rend difficile la correction des erreurs
dans les ordinateurs quantiques ?

Pour simplifier, les erreurs dans les ordinateurs quantiques peuvent être divisées en deux niveaux. Le premier concerne les erreurs commises par tous les ordinateurs, y compris les ordinateurs classiques. Une erreur peut apparaître dans la mémoire de l'ordinateur lorsque 0 passe par inadvertance à 1 en raison de bruit extérieur tels que les rayons ou radiations cosmiques. Ces erreurs sont faciles à résoudre, toutes les données sont vérifiées pour de tels changements. Et Google s'est récemment occupé de ce problème dans les ordinateurs quantiques : ils ont stabilisé une chaîne de neuf qubits
et l'a libérée de ses erreurs. Il y a cependant une nuance à cette percée : Google a traité les erreurs classiques de l'informatique classique. Il existe un deuxième niveau d'erreur dans les ordinateurs quantiques, et il est beaucoup plus difficile à comprendre et à expliquer.

Les qubits sont extrêmement instables, ils sont sujets à la décohérence quantique - c'est une violation de la communication au sein d'un système quantique sous l'influence de l'environnement. Un processeur quantique doit être isolé le plus possible de l'environnement (bien que la décohérence se produise parfois à la suite de processus internes) pour minimiser les erreurs. Dans le même temps, il est impossible de se débarrasser complètement des erreurs quantiques - mais si vous les rendez suffisamment rares, un ordinateur quantique peut fonctionner. Dans le même temps, certains chercheurs pensent que 99% de la puissance d'un tel ordinateur sera simplement dirigée
pour éliminer les erreurs, mais le 1% restant est suffisant pour résoudre tous les problèmes.
Selon le physicien Scott Aaronson, la réussite de Google peut être considérée comme la troisième
avec la moitié des sept étapes nécessaires pour créer un ordinateur quantique - en d'autres termes, nous sommes à mi-chemin.

Vous êtes tous habitués à nos ordinateurs : le matin, nous lisons les actualités sur un smartphone, la journée, nous travaillons avec un ordinateur portable, et le soir, nous regardons des films sur une tablette. Tous ces appareils ont une chose en commun - un processeur au silicium, composé de milliards de transistors. Le principe de fonctionnement de tels transistors est assez simple - en fonction de la tension appliquée, nous obtenons une tension différente à la sortie, qui est interprétée soit comme un 0 logique, soit comme un 1 logique. Pour effectuer des opérations de division, il y a un peu de décalage - si nous avons, par exemple, S'il y avait un nombre 1101, alors après un décalage de 1 bit vers la gauche ce sera 01101, et si maintenant il est décalé de 1 bit vers la droite, ce sera 01110. Et le Le principal problème réside dans le fait que pour une même division, plusieurs dizaines d'opérations de ce type peuvent être nécessaires. Oui, étant donné qu'il y a des milliards de transistors, une telle opération prend des nanosecondes, mais s'il y a beaucoup d'opérations, on perd du temps sur ces calculs.

Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Un ordinateur quantique, en revanche, offre une manière complètement différente de calculer. Commençons par une définition :

ordinateur quantique -appareil informatique, qui utilise les phénomènessuperposition quantiqueetintrication quantiquepour la transmission et le traitement des données.

Clearer ne l'a clairement pas fait. La superposition quantique nous dit que le système existe avec un certain degré de probabilité dans tous les états possibles pour lui (dans ce cas, la somme de toutes les probabilités, bien sûr, est de 100 % ou 1). Regardons cela avec un exemple. Les informations dans les ordinateurs quantiques sont stockées dans des qubits - si des bits ordinaires peuvent avoir un état de 0 ou 1, alors un qubit peut avoir un état de 0, 1, et 0 et 1 en même temps. Par conséquent, si nous avons 3 qubits, par exemple 110, alors cette expression en bits équivaut à 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Qu'est-ce que cela nous donne ? Oui tout! Par exemple, nous avons un mot de passe numérique de 4 caractères. Comment un processeur ordinaire le crackera-t-il? Enumération simple de 0000 à 9999. 9999 en système binaire a la forme 10011100001111, c'est-à-dire que nous avons besoin de 14 bits pour l'écrire. Par conséquent, si nous avons un PC quantique avec 14 qubits, nous connaissons déjà le mot de passe : après tout, l'un des états possibles d'un tel système est le mot de passe ! En conséquence, toutes les tâches que même les superordinateurs comptent maintenant pendant des jours seront résolues instantanément sur les systèmes quantiques : avez-vous besoin de trouver une substance avec certaines propriétés ? Pas de problème, créez un système avec le même nombre de qubits que vous avez d'exigences pour la substance - et la réponse sera déjà dans votre poche. Besoin de créer une IA Intelligence artificielle? Cela ne pourrait pas être plus simple : pendant qu'un PC ordinaire parcourt toutes les combinaisons, un ordinateur quantique fonctionnera à la vitesse de l'éclair, en choisissant la meilleure réponse.

Il semblerait que tout va bien, mais il y a un problème important - comment pouvons-nous connaître le résultat des calculs ? Avec un PC ordinaire, tout est simple, on peut le prendre et le lire en se connectant directement au processeur : les 0 et 1 logiques y sont très certainement interprétés comme l'absence et la présence d'une charge. Mais cela ne fonctionnera pas avec les qubits - après tout, à chaque instant, il est dans un état arbitraire. C'est là que l'intrication quantique vient à la rescousse. Son essence réside dans le fait que vous pouvez obtenir une paire de particules connectées les unes aux autres (en termes scientifiques - si, par exemple, la projection du spin d'une particule intriquée est négative, l'autre sera nécessairement positive) . Comment ça se passe sur les doigts ? Disons que nous avons deux boîtes dans lesquelles se trouve un morceau de papier. Nous transportons les boîtes à n'importe quelle distance, ouvrons l'une d'elles et voyons que le morceau de papier qu'elle contient est dans une bande horizontale. Cela signifie automatiquement que l'autre morceau de papier sera rayé verticalement. Mais le problème est que dès que nous connaissons l'état d'un morceau de papier (ou particule), le système quantique s'effondre - l'incertitude disparaît, les qubits se transforment en bits ordinaires.

Par conséquent, les calculs sur les ordinateurs quantiques sont essentiellement jetables : nous créons un système composé de particules intriquées (nous savons où se trouvent leurs autres « moitiés »). Nous effectuons des calculs, puis nous «ouvrons une boîte avec un morceau de papier» - nous découvrons l'état des particules intriquées, et donc l'état des particules dans un ordinateur quantique, et donc le résultat des calculs. Donc, pour de nouveaux calculs, vous devez recréer des qubits - simplement "fermer la boîte avec un morceau de papier" ne fonctionnera pas - nous savons déjà ce qui est dessiné sur un morceau de papier.

La question se pose - puisqu'un ordinateur quantique peut deviner instantanément n'importe quel mot de passe - comment protéger les informations ? La vie privée va-t-elle disparaître avec l'avènement de tels appareils ? Bien sûr que non. Le cryptage dit quantique vient à la rescousse : il repose sur le fait que lorsque l'on tente de « lire » un état quantique, celui-ci est détruit, ce qui rend tout piratage impossible.

Ordinateur quantique domestique

Bien dernière question- puisque les ordinateurs quantiques sont tellement cool, puissants et impossibles à pirater - pourquoi ne pas les utiliser ? Le problème est banal - l'incapacité de mettre en œuvre un système quantique dans des conditions domestiques ordinaires. Pour qu'un qubit existe dans un état de superposition pendant un temps infiniment long, il faut des conditions extrêmement spécifiques : c'est un vide complet (l'absence d'autres particules), une température aussi proche que possible de zéro selon Kelvin (pour supraconductivité), et l'absence totale de un rayonnement électromagnétique(pour l'absence d'influence sur le système quantique). D'accord, il est difficile de créer de telles conditions à la maison, c'est un euphémisme, et le moindre écart conduira au fait que l'état de superposition disparaîtra et que les résultats du calcul seront incorrects. Le deuxième problème est de forcer les qubits à interagir les uns avec les autres - lors de l'interaction, leur durée de vie est catastrophiquement réduite. En conséquence, le maximum pour ce jour est constitué d'ordinateurs quantiques avec quelques dizaines de qubits.

Cependant, il existe des ordinateurs quantiques de D-Wave qui ont 1000 qubits, mais, d'une manière générale, ce ne sont pas de vrais ordinateurs quantiques, car ils n'utilisent pas les principes de l'intrication quantique, ils ne peuvent donc pas fonctionner selon les algorithmes quantiques classiques :

Néanmoins, ces appareils s'avèrent nettement (des milliers de fois) plus puissants que les PC conventionnels, ce qui peut être considéré comme une percée. Cependant, ils ne remplaceront pas bientôt les appareils des utilisateurs - nous devons d'abord apprendre à créer les conditions pour le fonctionnement de ces appareils à la maison ou, au contraire, à «faire» fonctionner ces appareils dans nos conditions habituelles. Des pas dans la deuxième direction ont déjà été franchis - en 2013, le premier ordinateur quantique à deux qubits basé sur du diamant dopé, fonctionnant à température ambiante, a été créé. Cependant, hélas, ce n'est qu'un prototype, et 2 qubits ne suffisent pas pour les calculs. L'attente pour les PC quantiques est donc encore très, très longue.

L'humanité, comme il y a 60 ans, est à nouveau sur le point de faire une percée grandiose dans le domaine des technologies informatiques. Les ordinateurs quantiques remplaceront bientôt les ordinateurs d'aujourd'hui.

Combien de progrès ont été réalisés

En 1965, Gordon Moore a déclaré qu'en un an, le nombre de transistors qui s'intègrent dans une puce en silicium double. Ce rythme de progression s'est ralenti récemment, et le doublement se produit moins fréquemment - une fois tous les deux ans. Même à ce rythme, dans un avenir proche, les transistors atteindront la taille d'un atome. Ensuite, il y a une ligne qui ne peut pas être franchie. Du point de vue de la structure physique du transistor, il ne peut s'agir de quantités inférieures à des quantités atomiques. Augmenter la taille de la puce ne résout pas le problème. Le fonctionnement des transistors est associé à la libération d'énergie thermique et les processeurs ont besoin d'un système de refroidissement de haute qualité. L'architecture multicœur ne résout pas non plus le problème de la croissance future. Atteindre le sommet du développement de la technologie de processeur moderne arrivera bientôt.
Les développeurs ont compris ce problème à une époque où les ordinateurs personnels commençaient tout juste à être disponibles pour les utilisateurs. En 1980, l'un des fondateurs de l'informatique quantique, le professeur soviétique Yuri Manin, a formulé l'idée de l'informatique quantique. Un an plus tard, Richard Feiman a proposé le premier modèle d'ordinateur avec un processeur quantique. Les fondements théoriques de ce à quoi devraient ressembler les ordinateurs quantiques ont été formulés par Paul Benioff.

Le principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique

L'état ou la position d'une particule n'est déterminé qu'avec un certain degré de probabilité.
Si une particule peut avoir plusieurs états, alors elle est dans tous les états possibles à la fois. C'est le principe de la superposition.
Le processus de mesure de l'état de la particule conduit à la disparition de la superposition. De manière caractéristique, la connaissance de l'état de la particule obtenue par la mesure diffère de l'état réel de la particule avant les mesures.

C'est la différence frappante entre les calculs. Un processeur classique opère dans ses actions avec un code binaire. Les bits informatiques ne peuvent être que dans un seul état - avoir une valeur logique de 0 ou 1. Les ordinateurs quantiques fonctionnent sur des qubits, qui peuvent avoir une valeur logique de 0, 1, 0 et 1 à la fois. Pour certaines tâches, ils auront un avantage de plusieurs millions de dollars sur les ordinateurs traditionnels. Aujourd'hui, il existe déjà des dizaines de descriptions d'algorithmes de travail. Les programmeurs créent un code de programme spécial qui peut fonctionner selon de nouveaux principes informatiques.

Où le nouvel ordinateur sera-t-il utilisé ?

Une nouvelle approche du processus informatique vous permet de travailler avec d'énormes quantités de données et d'effectuer des opérations informatiques instantanées. Avec l'avènement des premiers ordinateurs, certaines personnes, y compris des hommes d'État, avaient un grand scepticisme quant à leur utilisation dans l'économie nationale. Il y a encore aujourd'hui des gens qui doutent de l'importance des ordinateurs fondamentalement de nouvelle génération. Pendant très longtemps, les revues techniques ont refusé de publier des articles sur l'informatique quantique, considérant ce domaine comme un stratagème frauduleux courant pour tromper les investisseurs.

Une autre caractéristique distinctive des ordinateurs quantiques est la capacité de l'informatique quantique à trouver rapidement le bon code ou chiffrement. Un ordinateur ordinaire exécute une solution d'optimisation mathématique de manière séquentielle, en passant par une option après l'autre. Un concurrent quantique travaille avec l'ensemble du réseau de données à la fois, en choisissant les options les plus appropriées à la vitesse de l'éclair dans un temps sans précédent. Les transactions bancaires seront déchiffrées en un clin d'œil, ce qui n'est pas disponible sur les ordinateurs modernes.

Difficultés de conception

La difficulté est de créer les conditions dans lesquelles un bit quantique peut être dans un état de superposition pendant un temps infiniment long.

Chaque qubit est un microprocesseur qui fonctionne selon les principes de la supraconductivité et les lois de la mécanique quantique.

Un certain nombre de conditions environnementales uniques sont créées autour des éléments microscopiques du moteur logique :

température 0,02 degrés Kelvin (-269,98 Celsius);
système de protection contre les rayonnements magnétiques et électriques (réduit l'impact de ces facteurs de 50 000 fois);
système d'évacuation de la chaleur et d'amortissement des vibrations ;
raréfaction de l'air sous la pression atmosphérique de 100 milliards de fois.

Une légère déviation environnementale fait perdre momentanément aux qubits leur état de superposition, entraînant un dysfonctionnement.

En avance sur la planète

Tout ce qui précède pourrait être attribué à la créativité de l'esprit enflammé d'un écrivain de science-fiction, si Google, en collaboration avec la NASA, n'avait pas acheté l'année dernière un ordinateur quantique D-Wave à une société de recherche canadienne, dont le processeur contient 512 qubits.

Avec son aide, le leader du marché des technologies informatiques résoudra les problèmes d'apprentissage automatique dans le tri et l'analyse de grands tableaux de données.

Une importante déclaration révélatrice a été faite par Snowden, qui a quitté les États-Unis - la NSA prévoit également de développer son propre ordinateur quantique.

2014 - le début de l'ère des systèmes D-Wave

L'athlète canadien à succès Geordie Rose, après un accord avec Google et la NASA, a commencé à construire un processeur de 1000 qubits. Le futur modèle en termes de rapidité et de volume de calculs surpassera le premier prototype commercial d'au moins 300 000 fois. L'ordinateur quantique, dont la photo se trouve ci-dessous, est la première version commerciale au monde d'une technologie informatique fondamentalement nouvelle.

Percée ou tromperie scientifique

Dès le début de ses recherches, Rose visait à créer un processeur avec un nombre minimum de qubits de 1 000. Et il devait avoir une option commerciale - vendre et gagner de l'argent.

Quand apparaîtront-ils

Il n'y a pas longtemps à attendre. Le groupe de recherche, organisé par les co-acheteurs du prototype, rendra bientôt compte du résultat des recherches sur D-Wave.
Le temps viendra peut-être bientôt où les ordinateurs quantiques transformeront notre compréhension du monde qui nous entoure. Et toute l'humanité atteindra à ce moment un niveau supérieur de son évolution.

Afin de révéler plus ou moins complètement l'essence des technologies informatiques quantiques, abordons d'abord l'histoire de la théorie quantique.
Elle est née grâce à deux scientifiques dont les résultats de recherche ont été récompensés par des prix Nobel : la découverte du quantique par M. Planck en 1918 et par A. Einstein du photon en 1921.
L'année de la naissance de l'idée d'un ordinateur quantique était 1980, lorsque Benioff a pu démontrer avec succès dans la pratique l'exactitude de la théorie quantique.
Eh bien, le premier prototype d'ordinateur quantique a été créé par Gershenfeld et Chuang en 1998 au Massachusetts Institute of Technology (MTI). Le même groupe de chercheurs a créé des modèles plus avancés au cours des deux années suivantes.

Pour un non-spécialiste, un ordinateur quantique est quelque chose d'absolument fantastique en terme d'échelle, c'est Machine à calculer, devant lequel un ordinateur ordinaire est comme un boulier devant un ordinateur. Et, bien sûr, c'est quelque chose de très loin d'être réalisé.
Pour une personne associée aux ordinateurs quantiques, il s'agit d'un appareil dont les principes généraux de fonctionnement sont plus ou moins clairs, mais de nombreux problèmes doivent être résolus avant qu'il ne puisse être implémenté dans le matériel, et maintenant de nombreux laboratoires à travers le monde ces essayer de surmonter les obstacles.
Dans le domaine de la technologie quantique, il y a déjà eu des avancées dans le passé par des entreprises privées, dont IBM et DWays.
Ils rendent régulièrement compte des derniers développements dans ce domaine, même aujourd'hui. La plupart des recherches sont menées par des scientifiques japonais et américains. Le Japon en quête de leadership mondial dans le matériel et Logiciel consacre beaucoup d'argent à la recherche dans ce domaine. Selon le vice-président de Hewlett-Packard, jusqu'à 70 % de toutes les recherches sont effectuées au pays du soleil levant. Les ordinateurs quantiques sont l'une des mesures prises par leur entreprise déterminée pour prendre la tête du marché mondial.

Qu'est-ce qui explique la volonté de maîtriser ces technologies ? Leurs avantages de poids incontestables par rapport aux ordinateurs à semi-conducteurs !

QU'EST-CE QUE C'EST?

Un ordinateur quantique est un appareil informatique qui fonctionne sur la base de la mécanique quantique.
À ce jour, un ordinateur quantique à grande échelle est un dispositif hypothétique qui ne peut pas être créé compte tenu des données disponibles en théorie quantique.

Un ordinateur quantique n'utilise pas d'algorithmes classiques pour le calcul, mais des processus plus complexes de nature quantique, également appelés algorithmes quantiques. Ces algorithmes utilisent des effets de mécanique quantique : intrication quantique et parallélisme quantique.

Pour comprendre pourquoi un ordinateur quantique est nécessaire, il est nécessaire d'imaginer le principe de son fonctionnement.
Si un ordinateur ordinaire fonctionne en effectuant des opérations séquentielles avec des zéros et des uns, alors un ordinateur quantique utilise des anneaux d'un film supraconducteur. Le courant peut circuler à travers ces anneaux dans différentes directions, de sorte qu'une chaîne de tels anneaux peut implémenter simultanément de nombreuses autres opérations avec des zéros et des uns.
C'est la puissance élevée qui est le principal avantage d'un ordinateur quantique. Malheureusement, ces bagues sont sujettes au moindre influences externes, à la suite de quoi la direction du courant peut changer, et les calculs dans ce cas s'avèrent incorrects.

LA DIFFÉRENCE ENTRE UN ORDINATEUR QUANTIQUE ET UN ORDINATEUR RÉGULIER

La principale différence entre les ordinateurs quantiques et les ordinateurs ordinaires est que les données sont stockées, traitées et transmises non pas à l'aide de "bits", mais de "qubits" - en termes simples, de "bits quantiques". Comme un bit ordinaire, un qubit peut être dans les états habituels "|0>" et "|1>", et en plus de cela, il peut être dans un état de superposition A·|0> + B·|1> , où A et B sont des nombres complexes satisfaisant la condition | A |2 + | B |2 = 1.

TYPES D'ORDINATEURS QUANTIQUES

Il existe deux types d'ordinateurs quantiques. Les deux sont basés sur des phénomènes quantiques, mais d'un ordre différent.

ordinateurs, qui sont basés sur la quantification du flux magnétique sur les violations de supraconductivité - transitions Josephson. Des amplificateurs linéaires, des convertisseurs analogique-numérique, des SQUID et des corrélateurs sont déjà réalisés sur l'effet Josephson. base de l'élément utilisé dans le projet pour créer un ordinateur pétaflopique (1015 op. / s). Réalisé expérimentalement fréquence d'horloge 370 GHz, qui pourra à l'avenir être portée à 700 GHz. Cependant, le temps de déphasage de la fonction d'onde dans ces appareils est comparable au temps de commutation des vannes individuelles, et en fait, principes quantiques la base d'éléments qui nous est déjà familière est implémentée - déclencheurs, registres et autres éléments logiques.

Un autre type d'ordinateurs quantiques, également appelés ordinateurs cohérents quantiques, nécessite de maintenir la cohérence des fonctions d'onde des qubits utilisés tout au long du temps de calcul - du début à la fin (un qubit peut être n'importe quel système mécanique quantique avec deux niveaux d'énergie dédiés). Par conséquent, pour certaines tâches, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques cohérents est proportionnelle à 2N, où N est le nombre de qubits dans l'ordinateur. C'est à ce dernier type d'appareils que l'on fait référence lorsqu'on parle d'ordinateurs quantiques.

LES ORDINATEURS QUANTIQUES MAINTENANT

Mais de petits ordinateurs quantiques sont créés aujourd'hui. La société D-Wave Systems est particulièrement active dans ce sens, qui a créé en 2007 un ordinateur quantique de 16 qubits. Cet ordinateur s'est acquitté avec succès de la tâche consistant à asseoir les invités à table, sur la base du fait que certains d'entre eux ne s'aimaient pas. Désormais, la société D-Wave Systems poursuit le développement des ordinateurs quantiques.

Un groupe de physiciens du Japon, de Chine et des États-Unis a réussi pour la première fois à construire en pratique un ordinateur quantique basé sur l'architecture von Neumann, c'est-à-dire avec la séparation physique d'un processeur quantique et d'une mémoire quantique. V actuellement pour la mise en œuvre pratique des ordinateurs quantiques (ordinateurs basés sur les propriétés inhabituelles des objets de la mécanique quantique), les physiciens utilisent toutes sortes d'objets et de phénomènes exotiques - ions piégés dans un piège optique, résonance magnétique nucléaire. Dans le cadre de ces nouveaux travaux, les scientifiques se sont appuyés sur des circuits supraconducteurs miniatures - la possibilité de réaliser un ordinateur quantique utilisant de tels circuits a été décrite dans Nature en 2008.

L'ordinateur assemblé par les scientifiques se composait d'une mémoire quantique, dont le rôle était joué par deux résonateurs hyperfréquences, d'un processeur de deux qubits reliés par un bus (le résonateur jouait également son rôle, et les qubits étaient des circuits supraconducteurs), et d'appareils pour effacer des données. Grâce à cet ordinateur, les scientifiques ont réalisé deux algorithmes principaux- la transformée dite de Fourier quantique, et conjonction à l'aide d'éléments de logique quantique de Toffoli :

Le premier algorithme est un analogue quantique de la transformée de Fourier discrète. Sa particularité est un nombre beaucoup plus petit (de l'ordre de n2) d'éléments fonctionnels dans la mise en œuvre de l'algorithme par rapport à son analogue (de l'ordre de n 2n). La transformée de Fourier discrète est utilisée dans divers domaines de l'activité humaine - de l'étude des équations aux dérivées partielles à la compression des données.

À leur tour, les éléments de logique quantique de Toffoli sont des éléments de base, à partir desquels, avec quelques exigences supplémentaires, toute fonction booléenne (programme) peut être obtenue. Particularité de ces éléments est la réversibilité, qui, du point de vue de la physique, entre autres, permet de minimiser la génération de chaleur de l'appareil.

Selon les scientifiques, le système qu'ils ont créé présente un avantage remarquable : il est facilement évolutif. Ainsi, il peut servir en quelque sorte de bloc de construction pour les futurs ordinateurs. Selon les chercheurs, les nouveaux résultats démontrent clairement la promesse de la nouvelle technologie.