Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Квантовые компьютеры (quantum computers)

Ключевые слова:  наноазбука, периодика

Автор(ы): Наноазбука (первая версия)

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

18 декабря 2008

“Я думаю, на мировом рынке можно будет продать штук пять компьютеров.”

Директор компании IВМ Т.Уотсон

(1943 г.)

“Машины должны работать. Люди должны думать.”

Девиз компании IВМ

Музыкантам из басни Крылова далеко до слаженности квантового компьютера! Для того, чтобы понять, чем отличаются квантовые компьютеры от обычных, представим себе следующую ситуацию. Выходит на сцену оркестр, музыканты рассаживаются по местам, и начинает играть первая скрипка …. всю свою партию …. 2 часа. Далее следует виолончель, габой, кларнет, флейты, барабаны, духовые инструменты, дирижер свои 2 часа палочкой отмашет… все, на третьи сутки концерт окончен. Смешно и нелепо? Но именно так, последовательным перебором, и решаются некоторые задачи на обычных компьютерах. Хотя при определенных условиях все могло быть совершенно по-другому, как в слаженном оркестре. Представим, что каждый музыкант может либо играть, либо не играть (его состояние обозначим соответственно цифрами 1 и 0 – это квантовый бит или кубит), причем состояние оркестра в каждый момент можно представить (если отвлечься от того, что они играют, и как хорошо они играют по отдельности) набором чисел, например <0 0 1 0 1 0 1 1 1…> - квантовый регистр. Такая система позволяет выполнять несколько действий одновременно (квантовый параллелизм). Благодаря синхронности появляется дополнительный эффект. Как в оркестре возникает гармония множества партий, так и в квантовых системах возникает связанное состояние, поэтому можно говорить об общем состоянии системы, а не только о совокупности отдельных элементов.

А если всей этой системой, как мановением палочки дирижера, можно управлять, то такая вычислительная машина с легкостью решит задачи, которые не решаемы на обычных компьютерах. Что же позволит ей работать гораздо эффективнее классического компьютера? Если производительность обычного процессора пропорциональна количеству элементов (транзисторов), то в квантовом компьютере добавление каждого последующего элемента экспоненциально увеличивает его производительность. Считается, что квантовый компьютер, состоящий из 1000 кубитов, будет заведомо превосходить по производительности любые современные компьютеры. Использование квантовых компьютеров, работающих по специальным (квантовым) алгоритмам, позволит быстро решать задачи, с которыми классические алгоритмы не справляются даже за весьма значительное время. К числу таких задач относятся поиск в неупорядоченном массиве, разложение чисел на простые множители (используется в криптографии), моделирование квантовых систем (сложных молекул).

Для создания квантовых компьютеров необходимы следующие условия:

-достаточное для решения задачи число элементов, кубитов, как для каждой симфонии необходимо определенное число музыкантов,

-элементы квантового компьютера должны быть связаны между собой, образуя единый ансамбль. Только если музыканты играют вместе, подстраиваясь под единый ритм и темп, можно добиться гармонии,

-возможность задать начальные условия (партитуры) и менять их в зависимости от задачи (функции дирижера).

-возможность получать информацию и проверять ее истинность.

Пока все эти условия не реализованы в полной мере. В настоящий момент разработаны две принципиально различные конструкции квантового компьютера, в которых в качестве кубитов выступают либо ядерные, либо электронные спины. Примером квантового компьютера с «электронными» кубитами являются сложные Si/Ge гетероструктуры. Наиболее удачным экспериментом можно считать 7-ми кубитный «ядерный» квантовый компьютер, созданный группой учёных из IBM и Стенфордского университета, который позволил разложить число 15 на множители 5 и 3. При этом кубитами являлись спины ядер атомов отдельной сложной органической молекулы (19F)2-C=13C(19F)-13C[Fe(CO)2(C5H5)]=C(19F)2 (Рис.1). Несмотря на простоту выполненной математической операции, и колоссальность затрат на разработку «квантового калькулятора» (более 100 млн. долларов США), разработчикам удалось добиться значительного сокращения числа операций (1 действие и 1 проверка, вместо 4 действий и 4 проверок). Как показывают теоретические расчеты, при использовании большего количества кубитов, квантовые компьютеры позволят за минуты решать задачи, которые современными компьютерами должны решаться веками.

Литература:

К.А.Валиев. Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография. Вестник Российской Академии Наук, 2000, т.70, № 8, с 688.

А.Китаев, А.Шень, М.Вялый. Классические и квантовые вычисления, МЦНМО, Москва 1999.


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 9.6 (голосов 5)

 


Комментарии
Курилин Сергей Леонидович, 18 декабря 2008 23:17 
С какой целью подчёркнуто, что 19F?
По моим сведениям это единственный природный изотоп
Эксперимент по вычислениям на 7-кубитном квантовом компьютере проводили с помощью ЯМР (что из более популярной, чем научной статьи в наноазбуке неочевидно). Из этого следует и специфика представления формулы - указаны изотопы для атомов, которые участвуют в "вычислениях" в качестве кубитов, даже если изотоп более (как в случае фтора) или менее очевиден (как в случае с углеродом). Понять это можно посмотрев какие изотопы углерода выделены в формуле: у атомов углерода, участвующие в вычислениях, изотоп указан, у других - нет.
Режабек Борис Георгиевич, 20 декабря 2008 22:51 
Меня давно занимает вопрос о том, где в клетке может сидеть квантовый компьютер. В 90-х годах мне показалась интересной идея о том, что кубит можно организовать на квантовых свойствах протона. При комнатной температуре он имеет длину волны около 0,01 нм, а сидит в одной из двух ям водородной связи, с расстоянием между ними в 0,1 нм (примерно). Водородная связь, таким образом, очень удобна для размещения кубита. К сожалению, столько написано патологических текстов о магических свойствах воды, что эта область стала дурно пахнущей. Но ради истины можно надеть и прищепку на нос. Прошу всех, кому эта тема интересна, связаться со мной по inrir@inbox.ru
Курилин Сергей Леонидович, 21 декабря 2008 00:27 
Александр Сергеевич,
Большое спасибо за ликбез
Если я правильно представил себе картину вычислений, то для этих же целей должен хорошо подойти 11B, а также 23Na и 26AL (если не распадётся).
Владимир Владимирович, 21 декабря 2008 00:49 
Картина вычислений будет намного более хорошо подходящей с ядерными спинами 1/2, и стабильными ковалентными связи между элементами
Курилин Сергей Леонидович, 21 декабря 2008 01:12 
Я пока до полуспин не дошёл, обхожусь своими моделями.Если насчёт 11B, а также 23Na неправ, то здесь мои модели не работают...
P.S. А что такое "КОВал..."
Владимир Владимирович, 21 декабря 2008 01:17 
Спин-спиновые взаимодействия с ядерными спинами 1/2 более просты для практических ЯМР измерений. (Возможно, другие системы как-то хитро пригодны для квантовых вычислений. Я про то совсем не ведаю , но, наверное, сможет пояснить Александр Сергеевич )

А как вот можно узнать про Ваши модели!?!
Курилин Сергей Леонидович, 21 декабря 2008 01:24 
Лично Вам могу доверить пока неопубликованный текст, а может и взять в соучастники.
К сожалению пока опубликовать описание моделей не могу - у начальства предрождественская лихорадка.
Владимир Владимирович, 21 декабря 2008 01:30 
Ой, в соучастники совсем не надо
В частности, потому, что в РФ 275 статью недавно откорректировали жестко-вертикально.
Лучше опубликуйте здесь, как удастся, или пока основные тезисы изложите
Курилин Сергей Леонидович, 21 декабря 2008 01:45 
Я пока пытаюсь опубликовать Схему заселения, два раза отправил письмом ЕАГ, в ответ ни слова... .
А здесь (выше) я попробовал применить те же свои понятия о движущемся электричестве к вопросу устойчивости ядра.
Владимир Владимирович, 21 декабря 2008 01:55 
ЕАГ - спросите!
Про устойчивость ядер - все хорошо известно, так что будет прекрасная возможность проверить теорию.
Курилин Сергей Леонидович, 21 декабря 2008 03:37 
А как поживает Ваша стройная гипотеза о сердце наномира?
Владимир Владимирович, 21 декабря 2008 05:46 
Живет и побеждает!
Курилин Сергей Леонидович, 21 декабря 2008 07:34 
А чем отличается ПОБЕДА от например, скажем по-лесски "перамоги"
У кого "бяда" от Вашей гипотезы?
Да КАК Вы отправляли? Отправьте через "утверждение" - дойдет, и в спам не попадет...
Музыкантам из басни Крылова далеко до слаженности квантового компьютера! Для того, чтобы понять, чем отличаются квантовые компьютеры от обычных, представим себе следующую ситуацию. Выходит на сцену оркестр, музыканты рассаживаются по местам, и начинает играть первая скрипка …. всю свою партию …. 2 часа. Далее следует виолончель, габой, кларнет, флейты, барабаны, духовые инструменты, дирижер свои 2 часа палочкой отмашет… все, на третьи сутки концерт окончен. Смешно и нелепо? Но именно так, последовательным перебором, и решаются некоторые задачи на обычных компьютерах. Хотя при определенных условиях все могло быть совершенно по-другому, как в слаженном оркестре. Представим, что каждый музыкант может либо играть, либо неиграть (его состояние обозначим соответственно цифрами 1 и 0 – это квантовый бит или кубит), причем состояние оркестра в каждый момент можно представить (если отвлечься от того, что они играют, и как хорошо они играют по отдельности) набором чисел, например <0 0 1 0 1 0 1 1 1…> - квантовый регистр. Logiccell. Как же далек тов. Гудилин от понимания того чем является КК, если квантовым битом (кубитом) он называет обычный классический бит. Известно, что для того, чтобы получить хотя бы приблизительное представление о кубите необходимо прибегнуть минимум к Сфере Пуанкаре-Блоха. Хотя даже такая достаточно развитая как в математическом, так и в геометрическом смысле структура не позволяет полностью объяснить то - как такую структуру можно получить в результате организации взаимодействия более простых структур, а ведь именно об этом автор говорит, используя аналогию с оркестром или ансамблем музыкантов играющих каждый на своем инструменте.
Такая система позволяет выполнять несколько действий одновременно (квантовый параллелизм). Благодаря синхронности появляется дополнительный эффект. Как в оркестре возникает гармония множества партий, так и в квантовых системах возникает связанное состояние, поэтому можно говорить об общем состоянии системы, а не только о совокупности отдельных элементов. Logiccell. Это, по сути, проблема получения целого, обладающего новыми качествами из частиц, не обладающих по отдельности этим новым качеством. О решении этой проблемы кратко говориться в нашей статье «Через моделирование физики к Нанотехнологиям», опубликованной в журнале Наноиндустрия. №6 2008. Безусловно, то, что в ней мы приводим лишь некоторые результаты, но если у кого-то возникнет интерес более подробного знакомства, то мы готовы к диалогу на вполне определенных условиях.
А если всей этой системой, как мановением палочки дирижера, можно управлять, то такая вычислительная машина с легкостью решит задачи, которые не решаемы на обычных компьютерах. Что же позволит ей работать гораздо эффективнее классического компьютера? Если производительность обычного процессора пропорциональна количеству элементов (транзисторов), то в квантовом компьютере добавление каждого последующего элемента экспоненциально увеличивает его производительность.
Logiccell. Говоря другими словами, количество объединенных для работы кубитов не так критично как в количество транзисторов в классическом компьютере. Считается, что квантовый компьютер, состоящий из 1000 кубитов, будет заведомо превосходить по производительности любые современные компьютеры. Использование квантовых компьютеров, работающих по специальным (квантовым) алгоритмам, позволит быстро решать задачи, с которыми классические алгоритмы не справляются даже за весьма значительное время. К числу таких задач относятся –
поиск в неупорядоченном массиве,
-разложение чисел на простые множители (используется в криптографии),
-моделирование квантовых систем (сложных молекул).
Для создания квантовых компьютеров необходимы следующие условия:
-достаточное для решения задачи число элементов, кубитов, как для каждой симфонии необходимо определенное число музыкантов,
-элементы квантового компьютера должны быть связаны между собой, образуя единый ансамбль. Только если музыканты играют вместе, подстраиваясь под единый ритм и темп, можно добиться гармонии,
-возможность задать начальные условия (партитуры) и менять их в зависимости от задачи (функции дирижера).
-возможность получать информацию и проверять ее истинность.
Пока все эти условия не реализованы в полной мере.
Logiccell. В разработанной нами КСС все эти условия выполнены в полной мере.
В настоящий момент разработаны две принципиально различные конструкции квантового компьютера, в которых в качестве кубитов выступают либо ядерные, либо электронные спины.
Logiccell. КСС является развитием третьего направления в развитии квантового компьютинга, под названием алгоритмического. В частности в ней используются топологические кубиты.
Примером квантового компьютера с «электронными» кубитами являются сложные Si/Ge гетероструктуры. Наиболее удачным экспериментом можно считать7-ми кубитный «ядерный» квантовый компьютер, созданный группой учёных из IBM и Стенфордского университета, который позволил разложить число 15 на множители 5 и 3. При этом кубитами являлись спины ядер атомов отдельной сложной органической молекулы (19F)2-C=13C(19F)-13C[Fe(CO)2(C5H5)]=C(19 F)2 (Рис.1). Несмотря на простоту выполненной математической операции, и колоссальность затрат на разработку «квантового калькулятора» (более 100 млн. долларов США), разработчикам удалось добиться значительного сокращения числа операций (1 действие и 1 проверка, вместо 4 действий и 4 проверок). Как показывают теоретические расчеты, при использовании большего количества кубитов, квантовые компьютеры позволят за минуты решать задачи, которые современными компьютерами должны решаться веками.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Наносито
Наносито

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Броуновское движение скирмионов.Растягиваем графен правильно. Красное вино, кофе и чай помогают создавать материалы для гибкой носимой электроники. Металлическая природа кремния и углерода.

К 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире
Эксперты отметили рост числа научных публикаций отечественных ученых и сообщили, что к 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире по публикационной активности.
27 – 29 ноября в рамках юбилейных мероприятий Химического факультета МГУ и торжественной церемонии закрытия Международного года Периодической таблицы химических элементов эксперты подвели итоги 2019 г.

Итоги Менделеевского Года
28 ноября в Фундаментальной библиотеке МГУ состоялось торжественное закрытие Международного года Периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева.

Константин Жижин, член-корреспондент РАН: «Бор безграничен»
Наталия Лескова
Беседа с К.Ю. Жижиным, заместителем директора Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова по научной работе, главным научным сотрудником лаборатории химии легких элементов и кластеров.

Мембраны правят миром
Коллектив авторов, Гудилин Е.А.
Ученые МГУ за счет детального изучения структурных и морфологических характеристик материалов на основе оксида графена и 2D-карбидов титана, а также моделирования их свойств, улучшили методы создания мембран для широкого круга практических применений.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.