Квантовые компьютеры

Квантовые
компьютеры
В. Утенков
г. Егорьевск
2011 г.
Параметры современных
компьютеров




Характерный размер элемента
микропроцессора – 0,09 мкм (в
тысячу раз меньше толщины
человеческого волоса).
Это позволяет разместить на
кремниевой пластинке
размером 50 мм десятки
миллионов полупроводниковых
устройств (вентилей).
Скорость срабатывания вентиля
определяется его размерами и
скоростью распространения
сигнала (практически это
скорость света – 300 000 км/c)
Синхронизируется работа с
помощью тактового генератора
с частотой 3 ГГц ( 3 миллиарда
тактов в секунду).
Элементы
микропроцессора по
сравнению с
человеческим
волосом
Параметры современных
компьютеров




Оперативная память
компьютера состоит из
миллиардов миниатюрных
ячеек, в которых записывается
информация кодируемая в
двоичной системе.
Единица информации – бит
может принимать одно из двух
значений (0, 1).
Объем информации,
хранящейся в постоянной
памяти (на жестком диске)
достигает сотен миллиардов
байт или триллионов бит.
Скорость чтения и записи
информации в памяти задается
тактовым генератором.
Оперативная память
Структура ОП
Параметры современных
компьютеров



Для увеличения скорости
вычислений и объема памяти
создают суперкомпьютеры.
В суперкомпьютере
одновременно (параллельно)
работают десятки тысяч
микропроцессоров, а объем
оперативной памяти измеряется
сотнями триллионов бит.
С помощью современных
средств связи можно соединить
тысячи удаленных друг от друга
компьютеров в единую
вычислительную систему и
организовать их совместную
работу (распределенные
вычислительные системы).
Ограниченность возможностей
современных компьютеров


Казалось бы, современные
вычислительные системы
способны решить любую задачу,
но это не так.
Абсолютное большинство задач
современной науки и технологии
требует значительно больших
скоростей вычисления, чем у
суперкомпьютеров. Некоторые
из этих задач:



динамическое моделирование
объемных сплошных сред;
поиск рационального маршрута
в сетевых структурах (задача
коммивояжера);
факторизация (разложение на
простые сомножители) чисел.
Трехмерная модель
земной поверхности,
созданная в программе
GeoniCS «Рельеф».
Задачи, которые не по
«зубам» суперкомпьютерам
Для расчета поведения
объемной структуры ее
разбивают на одинаковые
кубические ячейки.
 Количество ячеек при этом
определяется требуемой
точностью расчета.
Пример: разобьем структуру по
длине на 10000 частей, это дает
в объеме:
100001000010000=1012 ячеек;
Если производить расчет в режиме
реального времени и выводить
результаты на экран в виде
видеокадров (30 раз в секунду),
скорость расчета состояния
системы будет: 301012=3·1013

Объемная
структура
разбита на
1024
ячейки.
При моделировании
взрыва сверхновой
звезды разбиение ее
на 1012 ячеек
означает что каждая
ячейка будет иметь
размеры 100 км.
Задачи, которые не по
«зубам» суперкомпьютерам


Задача коммивояжера –
типичная задача разработки
рационального маршрута. Ее
особенность в том, что
сложность ее решения быстро
растет при увеличении
количества узлов графа.
При количестве узлов n=10
число вариантов маршрутов
равно 210=1024, а при
количестве узлов n=100
количество вариантов 2100 так
велико, что выбрать из них
кратчайший методом перебора
невозможно даже при
использовании
суперкомпьютера.
Окно программы для расчета
оптимального маршрута
(количество узлов не более 30).
Задачи, которые не по
«зубам» суперкомпьютерам


Разложение числа на простые сомножители используется в
системах шифрования с открытым ключом (система RSA). Такое
шифрование является основным в современных программах
защиты информации.
Идея метода: берутся два достаточно больших простых числа,
результат их умножения становится открытым ключом
(передается вместе с зашифрованным сообщением). Скрытым
ключом являются простые числа – сомножители. Чтобы
«взломать» шифр нужно решить обратную задачу – разложить
составное число на сомножители. Но эта задача очень сложна
(нужно проверить все простые числа в диапазоне 2…x/2), что,
например для 1000-значного числа потребует времени работы
суперкомпьютера 10300 секунд (намного превышает время
существования вселенной).
96 79969 737 = 6 750 471 863
Возникновение идеи
квантового компьютера



В конце 19 начале 20 века
ученые физики установили,
что микроскопические части
вещества – элементарные
частицы ведут себя не так как
частицы больших размеров
(макроскопические). В
честности, был открыт так
называемый дуализм
фотона.
Фотон – элементарная
частица в то же время имеет
свойства волны, в частности
интерферирует с другими
фотонами и даже сам с собой.
И это экспериментально
доказанный факт!
Подобным образом ведут себя
и другие элементарные
частицы – электроны,
нейтроны и пр.
Схема квантовой интенференции:
Фотон попадает на полупрозрачное зеркало, которое с
вероятностью 50% отражает или пропускает его. Если
электрон вел бы себя как частица, вероятности
попадания его на детекторы A и B была бы также 50%.
Однако, опыты показывают, что электрон всегда
попадает на детектор A и никогда на B. Это происходит
потому, что электрон распространяется одновременно по
обеим направлениям и в направлении B
взаимодействует сам с собой (интерферирует).
Возникновение идеи
квантового компьютера



Еще одним удивительным
свойством микромира стало
открытие квантовой запутанности
(связанности) элементарных частиц.
Оказывается, если в каком-либо
процессе образуются две частицы,
их характеристики (квантовые
числа) зависят друг от друга
независимо от расстояния между
этими частицами. Это значит, что
если у одной частицы изменить
какое-либо квантовое число, оно
мгновенно изменится и у другой
частицы.
В последних экспериментах
квантовая запутанность частиц
наблюдалась на расстоянии более
тысячи километров.
Явление квантовой запутанности можно
интерпретировать как принадлежность
запутанных частиц (а можно «запутать» не
только две, но и большее количество частиц) к
одной нелокальной (не привязанной к
определенному месту) системе. Это значит, что
существуют процессы в которых расстояние и
время не имеет определяющего значения.
Следствия этого:
•мгновенное перемещение в пространстве
(телепортация);
•перемещения во времени как в будущее,
так и в прошлое (машина времени).
Возникновение идеи
квантового компьютера



По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся
квантовыми объектами, пришли к выводу о практической
невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей
системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков
взаимодействующих частиц.
Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с
достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с
другом и начальное состояние системы, практически невозможно
вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30
электронов, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной
памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области
Вселенной!
На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. И.
Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории
квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему
изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что
квантовая система может производить вычисления, а также английский
ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный
квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.
Устройство квантового
компьютера



Основная ячейка квантового компьютера квантовый бит, или, сокращенно, кубит (qбит). Это квантовая частица, имеющая два
состояния, которые обозначаются 0 и 1
Двум значениям кубита могут
соответствовать, например, основное и
возбужденное состояния атома, направления
вверх и вниз спина атомного ядра,
направление тока в сверхпроводящем
кольце, два возможных положения электрона
в полупроводнике и т.п.
В отличие от классического бита, который
может находится в одном из двух состояний
(0, 1), кубит может иметь так называемую
суперпозицию состояний (одновременно
находится в состоянии 0 и состоянии 1 и
быть связанным с другими кубитами
вследствие свойства «запутанности».
Регистр из трех битов может
хранить только 3 бита
информации (например, 101)
Регистр из трех кубитов хранит
вследствие квантовой
запутанности кубитов все восемь
возможных состояний трех ячеек:
000 001 010 011
100 101 110 111
Устройство квантового
компьютера


Наиболее впечатляющие результаты
получены в экспериментах по
квантовым вычислениям методом
импульсного ядерного магнитного
резонанса в молекулярных жидкостях
(ансамблевый квантовый компьютер)
В нем кубитами выступают спины
(квантовое число) - ядер водорода
(протоны) и углерода 13С в
молекулах жидкости. Так, в молекуле
трихлорэтилена спины ядер двух
атомов 13С и одного протона
образуют три кубита. Подавая
импульсы внешнего переменного
магнитного поля на частотах мы
селективно управляем квантовой
эволюцией любого из этих спинов.
Молекула трихлорэтилена – элемент
квантового компьютера.
Применение квантового
компьютера



В настоящее время квантовые
компьютеры имеют память
измеряемую несколькими
кубитами.
Если будут созданы квантовые
компьютеры (а это может
произойти через 20-30 лет) с
количеством кубитов 100 и
более, они смогут решать такие
задачи, которые невозможно
решить с помощью
«классических» компьютеров.
Так факторизацию большого
числа квантовый компьютер
произведет за несколько секунд,
что сделает возможным
«взломать» любой шифр
основанный на алгоритме RSA.
Квантовый компьютер с 1 000
кубитами в своей оперативной
памяти может содержать 21000
или примерно 10300 комбинаций
нулей и единиц, что значительно
превышает возможности самых
современных суперкомпьютеров
с терабайтами (1012)
оперативной памяти.
Квантовый компьютер в
нашем головном мозге



На первый взгляд, казалось бы, что
может быть общего между элементной
базой квантового компьютера и
эзотерикой (наукой о
сверхъестественном)?
в головном мозге есть небольшой
орган — эпифиз, или шишковидное
тело. Эпифиз имеет много названий:
Третий глаз, аджна-чакра, око
вечности, всевидящее око, Глаз Шивы,
око мудрости и др.
Согласно древним верованиям и
традициям, Третий глаз — знак богов.
Он позволял им лицезреть всю
предысторию Вселенной, видеть
будущее, беспрепятственно
заглядывать в любые уголки
мироздания.
Квантовый компьютер в
нашем головном мозге



В эпифизе содержится содержится мельчайший «песок», о роли
которого современной науке не известно практически ничего.
Исследования показали, что этого вещества нет у детей примерно
до 7 лет, у людей слабоумных и вообще у всех тех, кто страдает
теми или иными расстройствами умственной организации.
Оккультисты же знают, что этот песок является ключом к духовному
сознанию человека. Он служит связующим звеном между сознанием
и телом.
Этот «песок» содержит в своем составе гидроксиапатит кальция!
Именно о нем шла речь, как об одном из самых подходящих
«кандидатов» на роль физической основы квантового компьютера!
Поразительное совпадение, и, вероятно, не случайное.
Объединяя данные по элементной базе квантового компьютера с
данными биологии об эпифизе и структуре мозгового песка, можно
сделать очень интересное предположение: эпифиз головного мозга
является составной частью квантового компьютера в нашей голове,
а «мозговой песок» — физической основой квантового процессора.
Квантовый компьютер в
нашем головном мозге

Человек имеет возможность воспользоваться «волшебными»
нелокальными свойствами запутанных состояний кубитов своего
квантового компьютера. Получается, что все эзотерические практики по
своей сути означают, что человек пытается «переключить» свой
головной мозг из классического режима в режим квантовый. Занимаясь
мистической практикой, он пытается задействовать нелокальный
ресурс запутанных состояний и управлять им, делая практически то же
самое, к чему стремятся сейчас физики, работая над технической
реализацией квантового компьютера!
Дополнительные материалы

Для желающих более подробно познакомится с квантовыми
компьютерами приводится подборка материалов из интернет:













Реферат «Квантовые вычисления»;
Квантовый ликбез;
Квантовая информатика, компьютеры связь и криптография;
Введение в квантовые вычисления;
В лабиринтах квантового мозга;
Компьютер Пресс. Квантовый компьютер;
Наука и жизнь. Квантовые компьютеры;
Квантовые компьютеры – от безумной идеи к реальности;
Квантовый компьютер;
Википедия. Квантовый компьютер;
Наука. Квантовый компьютер;
Обзор новых технологий;
Квантовая магия. Квантовый компьютер в головном мозге.