Компьютер будущего, как он будет выглядеть, мучает умы многих людей. Одним из проектов в нынешнее время является исследование в разработке квантовых компьютеров. В этой области работает QuTech, лаборатория исследовательского института квантовых компьютеров в Делфте.
Физическая мечта?
Образцы представляют собой микросхемы с крошечными, но сложными структурами со сверхпроводниками, алмазом, кремнием или другими материалами.
Частью этих небольших структур являются квантовые биты, или кубиты, которые отображают квантово-механическое поведение, которое в конечном итоге должно привести к физическому процессу. Квантовые компьютеры, специальные компьютеры, которые могут выполнять сложные вычисления в считанные секунды, что обойдется обычным компьютерам в миллиарды лет.
Квантовый компьютер основан на квантовой механике, законах природы, которые описывают поведение самых маленьких: атомов, электронов, легких частиц или фотонов.
Эти квантово-механические законы природы - для нас, жителей макромира - довольно своеобразны. Например, частицы не имеют четко определенных свойств, пока вы не проведете измерение на них. Например, они могут находиться в нескольких местах одновременно, и электрические токи могут поворачиваться как влево, так и вправо одновременно.
Супер быстрый расчет
Квантовые компьютеры умно используют всех эти раздвоенные квантовых состояния, а именно, чтобы выполнить несколько расчетов одновременно. Долгое время это казалось принципом мозга, пока в начале девяностых не было продемонстрировано, что некоторые математические задачи могут выполняться существенно быстрее на квантовом компьютере.
Между тем, число кандидатов в кубиты по всему миру исчисляется десятками. В Делфте, например, они также работают с атомами азота в кристаллах алмаза и с небольшими полостями, в которых микроволны отскакивают. В 2012 году Коувенховен создал фурор с открытием частицы майорана, экзотического физического явления, которое также может служить очень устойчивым кубитом.
Следующий шаг - связать кубиты друг с другом, заставить их работать вместе, шаг за шагом создавать и расширять квантовые компьютеры.
Исследования
Десятки других исследовательских групп работают на квантовых компьютерах, в том числе в американских университетах Йельского университета и Гарварда, и в Университете науки и техники в Хэфэй, Китай.
Существует также коммерческий интерес. В 2011 году компания D-Wave-systems представила специальный тип квантового компьютера. Такие компании, как Google, Microsoft и IBM финансируют квантовые компьютерные исследования. Согласно просочившимся документам Эдварда Сноудена, АНБ также инвестирует в квантовые компьютеры, чтобы взломать шифрование.
Список приложений растет: быстрый поиск в базах данных становится все более важным в эти времена больших данных , и квантовые компьютеры также лучше решают сложные проблемы логистики.
По словам исследователя QuTech Лео ДиКарло, создание QuTech - это шаг от науки к технической реализации. Одним из препятствий, например, является «декогеренция» кубитов: при каждом незначительном внешнем возмущении они теряют свою деликатную квантовую информацию.
Тем не менее, после двадцати лет исследований декогеренция становится все более управляемой проблемой. Теперь речь идет о том, чтобы сделать технологию пригодной для использования.
Кот Шредингера
Одной из разработок в квантовых компьютерах является использование мысленного эксперимента, предложенный австрийским физиком Эрвином Шредингером, "кот Шредингера": кот, который, если он спрятан в коробке, может быть одновременно и мертвым, и живым. Это разрешено в соответствии с законами квантовой механики, физики мелких частиц, таких как электроны или атомы. Только когда открываете окно, природа «выбирает» один из двух вариантов. До этого времени кошка находится в «суперпозиции» двух состояний: мертвых и живых.
Физик Эрвин Шрёдингер (1887-1961) придумал бедного зверя, чтобы подчеркнуть философскую непроницаемость квантовой механики . Когда речь идет от животных вместо атомов, все становится немного более конкретным и более абсурдным.
Предположим, вам нужно взять двух кошек, A и B, и тогда внезапная суперпозиция возможна. А именно, есть четыре варианта: A и B живы, A мертв и B живы, A живы и B мертвы, и A и B оба мертвы. Плюс все виды суперпозиций этих четырех вариантов: живой- 1 и не живой-0. С тремя кошками вы получаете восемь вариантов, с десятью с 1024 и с двадцатью уже есть 1 048 576 различных вариантов .
В реальных квантовых компьютерных исследованиях речь идет не о кошках, а о кубитах . Это, например, сверхпроводящее кольцо, свободный электрон в кремнии или кристалле алмаза, или майорановская частица Льва Куувеновена: квантово-механический компонент, который может существовать в двух разных положениях, 1 и 0, или в суперпозиции. Такое квантово-механическое разделение значительно увеличивает способность кубита хранить информацию , особенно если связывать несколько вместе. Один кубит в суперпозиции может быть «1» и «0». Двадцать кубитов вместе уже могут иметь 1 048 576 позиций. Идея квантового компьютера состоит в том, что, если управлять такой сложной суперпозицией, можно выполнить один и тот же расчет со всеми 1 048 576 различными начальными значениями одновременно. С каждым дополнительным кубитом это число удваивается.
Если это удастся, разработка квантового компьютера будет выполнено и возможность почти неограниченного количество параллельных вычислений.
