Квантовый компьютер Могилевский фестиваль науки Конкурс презентаций « Наука и ее творцы» Государственное учреждение образования «Средняя школа 15 г. Могилева» Могилев, 2016 Подготовил: Черняков Антон Георгиевич Учащийся 9 «В» класса Консультант: Турбинская Галина Викторовна

Почему заговорили о квантовых компьютерах? В последнее время все чаще в Интернете появляется информация о квантовых компьютерах. Эта тема стала популярной. Разработку такого компьютера сравнивают с получением, например, лекарства от рака, называют технологическим прорывом. Почему стали искать замену современным компьютерам? По прогнозам экспертов уже совсем скоро, лет через 10, микросхемы в компьютерах достигнут атомных измерений. Есть знаменитый закон Мура, описывающий скорость роста производительности процессоров: число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года. Сейчас этот закон уже не совсем выполняется число транзисторов удваивается раз в 2,5 года. Так или иначе, производительность традиционных процессоров не может расти до бесконечности. Никто не знает, когда понадобится качественный скачок, но рано или поздно он обязательно понадобится. Несмотря на то, что квантовые компьютеры существуют пока лишь в теории, возникла необходимость разобраться в этом вопросе, а значит изучить имеющуюся информацию и получить ответ на вопрос «Что такое квантовый компьютер?»

Отличия квантового компьютера от современного Изучив имеющуюся информацию по квантовым компьютерам, сразу становится понятным, почему эта тема вызывает такой интерес. Оказывается такие компьютеры будут очень быстрыми. В теории мощность этих компьютеров будет выше в миллионы раз традиционных. Квантовые компьютеры будут способны решать некоторые важные вычислительные задачи гораздо быстрее обычного компьютера. Это будет осуществляться благодаря квантовой механике: в явлении суперпозиции (частица может находиться сразу в двух состояниях) и квантовой зацепленностью (состояния двух частиц могут быть взаимосвязаны и меняться одновременно, даже если эти частицы находятся в разных уголках галактики). Квантовый мир- место, в котором объекты могут занимать два разных положения одновременно и эта особенность открывает новые возможности.

Классический компьютер работает на основе транзисторов и кремниевых чипов, которые используют для обработки информации бинарный код, состоящий из нулей и единиц. Эти «нули» и «единички» называются битом. Бит - наименьшая единица измерения информации. В обычных компьютерах информация хранится в битах нулях или единицах. Байт – совокупность битов. Классический компьютер Квантовый компьютер В квантовых компьютерах информация хранится в купитах (квантовый бит). Кубиты могут как бы находиться одновременно в двух состояниях: содержать ноль и единицу сразу. У него по-прежнему два основных значения, которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» купит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно. Благодаря этому теоретически квантовый компьютер может работать быстрее. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.

Для чего нужен квантовый компьютер? Квантовый компьютер – это компьютер будущего. Ученые возлагают на него большие надежды. И не только трудятся над его созданием, но и находят для него все новые применения. Главное, что такой компьютер сможет моментально совершать вычисления и работать с большим объемом данных. С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины и до машиностроения. Например, у людей появится возможность диагностировать рак на более ранних стадиях, или делать более сложные автопилоты. С помощью квантового компьютера будет возможно быстро раскладывать большие числа на множители и моделировать молекулы ДНК. Также существует теория того, что квантовый компьютер будет справляться с задачами, которые обычный компьютер решить не в состоянии или потратит на это тысячи лет вычислений. Это, допустим, создание искусственного интеллекта или поиск разумных существ во Вселенной, кроме человека. В любом случае все ученные сходятся на том, что создание такого компьютера будет настоящим прорывом, возможно, главным в истории человечества.

Физическое воплощение квантового компьютера в теории Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдо атомов". Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической "1", а вторая - "0". Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Квантовые алгоритмы и технологии, на основе которых создается квантовый компьютер Построение квантовых алгоритмов теоретическая область, развивающаяся параллельно с попытками инженеров создать для них квантовые компьютеры. Известно, что любой классический алгоритм можно перепрограммировать в квантовый, но число квантовых алгоритмов, которые будут заведомо работать намного быстрее классических (то есть возникнет «квантовое ускорение»), относительно невелико. Самые известные из них алгоритм Гровера для решения задачи перебора и алгоритм Шора, позволяющий раскладывать число на сомножители. В создании компьютера нового поколения выделяют четыре направления, которые отличаются тем, что выступает в роли логических купитов: 1. направление спинов частиц, составляющих основу атома; 2. наличие или отсутствие куперовской пары в установленном месте пространства; 3. в каком состоянии находится внешний электрон; 4. различные состояния фотона.

На пути к созданию квантового компьютера 1958 год - американский математик фон Нейман, моделируя на компьютере квантовые процессы, пришел к выводу, что для решения многочастичных квантовых задач объем памяти классического компьютера совершенно недостаточен год - идея квантовых вычислений была впервые высказана советским математиком Ю.И.Маниным год - на конференции знаменитый физик Ричард Фейнман заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Иоганн фон Нейман Ю. И. Манин Ричард Фейнман

Дэвид Дойч Лов Гровер 1996 год - Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных год - американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор предложил квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел год - английский ученый Дэвид Дойч нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления. На пути к созданию квантового компьютера Питер Шор

Проблема создания квантового компьютера Проблема первая неустойчивость суперпозиций Все квантовые суперпозиции очень «нежные». Как только на них начинаешь смотреть, как только они начинают взаимодействовать с другими объектами, так они сразу разрушаются. Становятся, как бы классическими. Это одна из самых важных проблем в создании квантового компьютера. Проблема вторая требуется сильное охлаждение Второе препятствие для достижения стабильной работы квантового компьютера. в том виде, какой имеем на сегодня, требуется его сильное охлаждение. Сильное, это создание аппаратуры, в которой поддерживается температура близкая к абсолютному нулю минус 273 градуса по Цельсию. Поэтому сейчас прототипы таких компьютеров, со своими криогенно-вакуумными установками, выглядят очень громоздко. Однако ученые уверены, что вскоре все технические проблемы будут решены и однажды квантовые компьютеры, обладающие огромной вычислительной мощью, заменят современные.

Насколько человечество близко к созданию квантового компьютера? Достижения последних 10 лет значительные. Новости о прорывах в этой сфере появляются регулярно, но нельзя сказать, что они глобальные. В создании квантовых компьютеров заинтересованы все: начиная военными и заканчивая технологическими компаниями. По прогнозу исследователей из компании Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия, и будут по мощности сравним с человеческим мозгом.

Попытки создания квантового компьютера 1998 год - исследователям из Массачусетского технологического института удалось впервые распределить один купит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлорэтилена. Такое распределение позволило использовать «запутанность» для неразрушающего анализа квантовой информации год- в марте ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили о создании 7-купитного квантового компьютера в одной единственной капле жидкости год - демонстрация вычисления алгоритма Шора специалистами из IBM и Стэнфордского университета на 7- купитном квантовом компьютере год - в институте квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете впервые удалось создать кубайт (сочетание 8 купитов) с помощью ионных ловушек год - канадская компания D-Wave продемонстрировала первый 16-купитный квантовый компьютер, способный решать целый ряд задач и головоломок, типа судоку.

Компания D - Wave Считается, что именно компания D-Wave достигла наибольших успехов в разработке квантового компьютера. Хотя их компьютеры нельзя в полной мере считать квантовыми компьютерами. Компьютер D-Wave использует квантовые эффекты. Канадская компания D-Wave имеет удивительную историю. В 1999 году физик-инженер и чемпион мира по борьбе джиу-джитсу Джорди Роуз прочитал популярную книгу про квантовые вычисления и увлекся этой идеей. О практической реализации квантовых компьютеров тогда еще мало кто помышлял, но Роуз умудрился привлечь финансирование на создание прототипа квантового вычислителя не имея ни ноу-хау, ни технологий. В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems представила первый работающий прототип квантового компьютера Orion. Презентация работающего в Ванкувере компьютера производилась в Силиконовой долине.

Компьютер представлял собой 16-купитовый кремниевый чип, состоящий из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Работа квантового компьютера основана на измерении магнитных полей и переводу их изменений, вызванных ниобием, в результат счисления. Этот компьютер функционирует при температуре - 273,15 град Цельсия и охлаждается жидким гелием. В декабре 2015 года специалисты компании Google подтвердили, что согласно их исследованию компьютер D-Wave использует квантовые эффекты. При этом в «1000- купитном» компьютере купиты в действительности организованы в кластеры по 8 купит каждый. Тем не менее, это позволило добиться быстродействия в 100 млн раз больше (по сравнению с обычным компьютером) в одном из алгоритмов. Возможно, скоро грядёт время, в котором квантовые компьютеры перевернут наше представление об окружающем мире. И всё человечество в этот момент выйдет на более высокий уровень своей эволюции.

Использованные источники: 1. Квантовые компьютеры: принципы работы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: Квантовые компьютеры: от безумной идеи к реальности [Электронный ресурс].- Режим доступа: Дата доступа: Компьютеры будущего [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: Немного о квантовых компьютерах[ Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен [Электронный ресурс]. Режим доступа: Дата доступа: Квантовые компьютеры[Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: Что такое квантовый компьютер?[Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: Квантовые компьютеры – что это такое?[Электронный ресурс]. – Режим доступа: kvantovogo-kompyutera Дата доступа: Принцип работы квантового компьютера[Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: D-Wave Systems [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Дата доступа: