0

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. 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 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).

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. 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. 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. 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.

Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). 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».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

Показать,что есть квантовый компьютер

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