რა წვლილი შეაქვს კვანტურ ფიზიკას კომპიუტერის გამოყენებაში?

წარმოიდგინეთ, მაშინ როდესაც თქვენ მშვიდად მიირთმევთ ფინჯან ყავას, ამ დროს თქვენი კომპიუტერი რეაქტიული სიჩქარით მუშაობს და აკეთებს არაჩვეულებრივად რთულ გამოთვლებს, ისეთს, რომელზეც მხოლოდ ფიქრიც კი თავბრუსხვევას იწვევს.

ჩინეთის კვლევითი ცენტრების ჯგუფმა, იან-ვეი პანის და ჩაო-იანგ ლუს ხელმძღვანელობით, შექმნეს კვანტური სისტემა, სახელწოდებით „ჯიუჟანგი“ - მათემატიკის პრაქტიკული სახელმძღვანელოს საპატივსაცემოდ, რომელიც დაიწერა ძვ.წ. I და II საუკუნეებში, ჩინეთში - რომელსაც შეეძლო უკიდურესად რთული გამოთვლების ამოხსნა 200 წამში; ეს ეტაპი Science  ჟურნალმა 18 დეკემბერს გამოაქვეყნა. იგივე პრობლემის გადასაჭრელად, ჩვეულებრივ სუპერკომპიუტერს 2.5 მილიარდი წელი დასჭირდებოდა! ჩვენ კი შეგვიძლია ყავის მირთმევისას დავაკვირდეთ ევოლუციის ცვლილებას ბაქტერიიდან ადამიანამდე. ეს დრო წარმოადგენს დედამიწის ასაკის ნახევარს. ამრიგად, ეფექტურობა იზრდება 10 ფაქტორით14.

გამოთვლები, რომლებსაც ჩინეთის პროექტი ატარებს კვანტური სისტემის სიმძლავრის დემონსტრირებისთვის, შეესაბამება ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის პრობლემას, რომელიც "ბოზონის შერჩევის" სახელითაა ცნობილი. ამ პიონერულ კვანტურ სისტემას, რომელიც მათ შექმნეს, ახასიათებს ის, რომ მისი კუბიტები ფოტონებია და ის ოთახის ტემპერატურაზე მუშაობს. ამის საპირისპიროდ, 2019 წელს Google-მა წარმოადგინა 53 კუბიტიანი Sycamore კვანტური კომპიუტერი, რომელიც, „ჯიუჟანგის“ კვანტური სისტემისგან განსხვავებით პროგრამირებადია, მაგრამ უნდა იმუშაოს აბსოლუტურ ნულამდე არსებულ ტემპერატურებზე -273,15 ° C. მიუხედავად იმისა, რომ „ჯიუჟანგის“ კვანტური სისტემა არ არის პროგრამირებადი და მხოლოდ რამდენიმე სპეციფიურ გამოთვლას ასრულებს, თუ პრობლემა საკმაოდ აქტუალურია, შესაძლებელია მისი გარდაქმნა სპეციალურად მის მოსაგვარებლად. ამ ჩინურმა პროექტმა აჩვენა ფოტონიკის სარგებლიანობა კვანტური კომპიუტერების შესაქმნელად და გაააქტიურა კვლევის ეს ხაზი.

იმის გასაგებად, თუ რა დიდი პოტენციალი აქვს კვანტურ ტექნოლოგიას, მნიშვნელოვანია კუბიტის წარმოდგენა.

პირველ რიგში, გავიხსენოთ როგორ განისაზღვრება ბიტი. ბიტი - ბინარული ციფრი - არის ინფორმაციის მინიმალური ერთეული, რომელიც გამოიყენება კომპიუტერულ მეცნიერებასა და ინფორმაციის თეორიაში. ბიტს შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ ორი ურთიერთგამომრიცხავი მდგომარეობა, რომლებიც ჩვეულებრივ წარმოდგენილია 0-თ და 1-ით.

კვანტური მექანიკის განვითარება საშუალებას გვაძლევს დავადგინოთ ინფორმაციის ახალი ერთეული: კუბიტი - კვანტური ბიტი -. კუბიტის შესაძლო მდგომარეობებია |0⟩ და |1⟩ დირაკის აღნიშვნის შემდეგ, რომელიც სტანდარტული აღნიშვნაა კვანტური მექანიკის მდგომარეობებისთვის და კლასიკური ბიტის 0 და 1 მდგომარეობების ანალოგიურია. განსხვავება კუბიტსა და ბიტს შორის არის ის, რომ კუბიტი არის ორივე მდგომარეობის – |0⟩ და |1⟩ წრფივი კომბინაცია, ფაქტი, რომელსაც სუპერპოზიციას უწოდებენ.

|ψ⟩ = α |0⟩ + β |1⟩

α და β კოეფიციენტები კომპლექსური რიცხვებია (α, β ∈ ℂ) და განვსაზღვრავენ, თუ რა ალბათობით მიიღება |0⟩ და |1⟩ მდგომარეობები გაზომვის გაკეთებისას. ამრიგად, როდესაც კუბიტს ვზომავთ, ვიღებთ მნიშვნელობას 0  ალბათობით – |α|2  ან მნიშვნელობას 1 ალბათობით – |β|2. ვინაიდან ყველა შესაძლო მდგომარეობის შესაბამისი ალბათობათა ჯამი ყოველთვის არის 1, ჩვენ ვიღებთ შემდეგ დამოკიდებულებას |α|2 + |β|2 = 1.

გამოსახულება 1. კლასიკური ბიტის გრაფიკული გამოსახულება ბლოხის სფეროსთან შედარებით (1 კუბიტის წარმოდგენა).

მდგომარეობების სუპერპოზიცია, რომელიც კუბიტს შემოაქვს ფართოვდება, როდესაც 1 კუბიტის ნაცვლად გვაქვს მეტი. ასე რომ, ჩვენ ვგებულობთ:

• 1 ბიტი შეიძლება იყოს 0 ან 1, ხოლო 1 კიბიტი წარმოადგენს 0-სა და 1-ის გადაფარვას.
• 2 ბიტი შეიძლება იყოს 00, 01, 10 ან 11, ხოლო 2 კუბიტი წარმოადგენს 00-ის, 01-ის, 10-ის და 11-ის გადაფარვას.
• 3 ბიტი შეიძლება იყოს 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, ან 111, ხოლო 3 კუბიტი წარმოადგენს 000-ის, 001-ის, 010-ის, 011-ის, 100-ის, 101-ის, 110-ის და 111-ის გადაფარვას.

და ასე შემდეგ.. ასე რომ, კვანტური სისტემა N კუბიტით წარმოადგენს 2 N  მდგომარეობებს ერთდროულად.

გამოსახულება 2. კლასიკური ბიტის რეპრეზენტაცია კუბიტის რეპრეზენტაციის წინააღმდეგ.

ასე რომ, ერთი მხრივ, კლასიკური სისტემა მუშაობს ლოგიკური ტიპების (Boolean) ლოგიკის შესაბამისად და მოქმედებს თანმიმდევრულად N ბიტებზე, ხოლო, მეორე მხრივ, კვანტური სისტემა მიჰყვება კვანტურ ლოგიკას, რომელიც ნებას რთავს პარალელურ მუშაობას 2N მდგომარეობებზე.

იგივენაირად, კლასიკური სისტემები იყენებენ ცნობილ ლოგიკურ კარიბჭეს - AND, OR, XOR, NOT - კვანტურ სისტემებს მართავს კვანტური კარიბჭეები. კვანტური კარიბჭის ხასიათს ადგენს კვანტური მექანიკა და ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო თვისება ის არის, რომ, კლასიკური სისტემების ლოგიკური კარიბჭისგან განსხვავებით, ისინი შექცევადია.

კვლავ ფიქრობ თუ რომელია მომავლის პროფესია?
→ დარეგისტრირდი ახლავე!

ამ მოკლე ახსნაში მოცემულია კვანტური გამოთვლების რამდენიმე ფუნდამენტური ასპექტი, რომლებიც ამართლებს კვანტური რევოლუციის დიდ პოტენციალს, რომელსაც ჩვენ განვიცდით. ამჟამად, არსებობს რამდენიმე ინიციატივა, რომელიც ეძღვნება განვითარებადი კვანტური ტექნოლოგიის კვლევას და განვითარებას. ევროკავშირში მიმდინარეობს პროექტი „კვანტური ფლაგმანი“, რომლის დაფინანსებაა 1000 მილიონი ევრო; შეერთებულ შტატებში არსებობს ეროვნული კვანტური ინიციატივა, რომელსაც 1,200 მილიონი დოლარი აქვს ბიუჯეტში, ხოლო ჩინეთი აშენებს კვანტური ტექნოლოგიის უზარმაზარ ლაბორატორიას და ეროვნული პროგრამა ითვლის 15,000 მილიონ დოლარს.

მომავალში, კვანტური ტექნოლოგიის დახმარებით, დიდი მიღწევებია მოსალოდნელი ისეთ სფეროებში, როგორებიცაა ხელოვნური ინტელექტი, კიბერუსაფრთხოება ან კვანტური ნეირონული ქსელების განვითარება, სხვა პროგრამებთან ერთად, რომელთა წარმოდგენა ახლა არც კი შეგვიძლია, მათი ამჟამად ემბრიონული მდგომარეობიდან გამომდინარე.

და ბოლოს

უმჯობესია გავიხსენოთ 1954 წლის 9 იანვრის ეფემერიდები, როდესაც IBM კომპანიამ ნიუ იორკში წარადგინა პირველი ინტეგრალური სქემის კალკულატორი ანუ ელექტრონული ტვინი, რადგან არ არის გამორიცხული, რომ ახლა ჩვენ ვცხოვრობთ ისტორულ მომენტში, რომელიც სავსეა  კვანტური ტექნოლოგიის მიღწევებით, რომლებიც წინასწარმეტყველებენ იმედიან მომავალს ახალი შესაძლებლობებით.
 

ბიბლიოგრაფია / მასალები 

Nielsen, M. A. & Chuang, I. L. (2012). კვანტური გამოთვლა და კვანტური ინფორმაცია. კემბრიჯი: კემბრიჯის უნივერსიტეტის პრესა.

Zhong HS, Wang H, Deng YH, Chen MC, Peng LC, Luo YH, Qin J, Wu D, Ding X, Hu Y, Hu P, Yang XY, Zhang WJ, Li H, Li Y, Jiang X, Gan L, Yang G, You L, Wang Z, Li L, Liu NL, Lu CY, Pan JW (2020). კვანტური გამოთვლითი უპირატესობა ფოტონების გამოყენებით. მეცნიერება 370 (6523): 1460-1463.

Arute F, Arya K, Babbush R, Bacon D, et al. (2019). კვანტური უპირატესობა პროგრამირებადი ზეგამტარი პროცესორის გამოყენებით. ბუნება. 574 (7779): 505-510.

ჩვენთან სტეპ აკადემიაში თქვენ გაქვთ შესაძლებლობა შეისწავლოთ პროგრამირება, მიიღოთ ხარისხიანი ცოდნა და უზარმაზარი გამოცდილება! შემოგვიერთდით აკადემიაში!

შემოგვიერთდით სტეპერების დიდ ოჯახში! 

IT Academy Step ლიდერი IT სფეროში , ახლა უკვე 100+ ფილიალით!

+995 577 538 549 ქ.თელავი, ნადიკვრის #23

+995 (32) 215-55-51 ქ.თბილისი, ა.ყაზბეგის 34/34 ბ

https://www.facebook.com/itstep.ge