Քվանտային համակարգիչը վերջ կդնի ձեր գաղտնաբառերին. եթե, իհարկե, նման համակարգիչ ստեղծվի

Քվանտային համակարգիչները համակարգչային աշխարհի սուպերհերոսներ են։ Դրանք ավելի արագ են, ավելի խելացի ու կարող են լուծել խնդիրներ, որոնց վրա ձեր տան սովորական համակարգիչը կչարչարվեր մի ամբողջ հավերժություն։ Պատմում ենք առայժմ խիստ մշուշոտ, բայց հեռանկարային այդ տեխնոլոգիայի մասին։ 

Ի՞նչ է քվանտային համակարգիչը

Ըստ էության, քվանտային համակարգիչը մեքենա է, որն օգտագործում է քվանտային մեխանիկայի տարօրինակ հատկությունները հաշվարկների իրականացման համար։ 

Ավելի պարզ հասկանալու համար սովորական ու քվանտային համակարգչի միջև տարբերությունը, պատկերացրեք, որ նետում եք շատ հատուկ մետաղադրամ, որի դիմերեսին գրված է 1, իսկ դարձերեսին` 0: Այն պտտվում է օդում ու ընկնում սեղանին` կամ 1, կամ 0 կողմով։ Ձեր տան համակարգիչը հաշվարկներն անում է հենց այդ սկզբունքով` օգտագործելով բիտեր, որոնք լինում են կամ 1, կամ 0։ Քվանտային համակարգչի դեպքում ամեն ինչ այլ է. դուք նետում եք մետաղադրամը, այն պտտվում է օդում ու դեռ չի ընկել 1 կամ 0 կողմը։ Օդում պտտվող մետաղադրամը գտնվում է անորոշ վիճակում, այն միաժամանակ և 1 է, և 0. քվանտային համակարգիչը աշխատում է այդպես։ Այն օգտագործում է քվանտային բիտեր` քուբիտներ, որոնք, ինչպես օդում պտտվող մետաղադրամը, գտնվում են 1 ու 0 վիճակներում միաժամանակ։ 

Դա կոչվում է քվանտային սուպերպոզիցիա, ու այն առանցքային նշանակություն ունի քվանտային համակարգչի համար։ Սովորական համակարգիչը որևիցե հաշվարկ անելիս պետք է բոլոր օպերացիաներն իրականացնի հերթականությամբ. պայմանականորեն, այն պետք է հերթով նետի մետաղադրամները` յուրաքանչյուր նետումից հետո ստանալով 1 կամ 0: Քվանտային համակարգիչը շատ ավելի լայն հնարավորություններ ունի սուպերպոզիցիայի շնորհիվ, այն բոլոր հաշվարկները կատարում է միաժամանակ, որովհետև, կրկին պայմանականորեն, բոլոր մետաղադրամները նետում է միաժամանակ ու բոլոր մետաղադրամները գտնվում են 1 ու 0 վիճակներում միաժամանակ։ Ու միայն հաշվարկների ավարտին, երբ համակարգչի հետ աշխատող մարդը պետք է ստանա պատասխանը, պայմանական մետաղադրամները բոլորը ընկնում են սեղանին։ 

Այս տարօրինակ հատկությունը դեռ ամենը չէ։ Քվանտային համակարգչում քուբիտները (դրանց ֆիզիկական էության մասին` ստորև) խճճված են միմյանց հետ։ Դա նշանակում է, որ մի քուբիտի դիտարկումը միանգամից բերում է նրան, որ մյուսը անցնում է համապատասխան վիճակի։ Կրկին մետաղադրամների օրինակով. եթե ունեք երկու խճճված մետաղադրամ, ապա մեկը նետելիս ու 1 ստանալիս մյուսը առանց նետելու ընդունելու է 0 դիրքը, ու հակառակը։ Կարծես մետաղադրամները նախօրոք պայմանավորվում են միմյանց հետ։ 

Բնականաբար, այսպիսի տարօրինակ համակարգչի աշխատանքի համար անհրաժեշտ են ծրագրեր ու ալգորիթմեր, որոնք բացարձակ նման չեն սովորական համակարգչի ծրագրային ապահովմանը։ Դրանք ավելի արագ ու հեշտությամբ են լուծում խնդիրներ, որոնք սովորական համակարգչի համար անլուծելի են, ու դրանցից մեկը ձեր գաղտնաբառը արագ գտնելն է։ Նույն մետաղադրամի սկզբունքով։ Ենթադրենք, դուք ձեր 10 նիշից բաղկացած գաղտնաբառը կոդավորել եք 10 մետաղադրամի նետման մեջ. 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1։ Սովորական համակարգիչը պետք է հերթով նետի մետաղադրամները (10 մետաղադրամի համար գոյություն ունի 1024 կոնֆիգուրացիա) ճիշտը գտնելու համար։ Իսկ քվանտային համակարգիչը սուպերպոզիցիայի ու խճճվածության շնորհիվ միաժամանակ կտեսնի բոլոր հնարավոր կոնֆիգուրացիաներն ու կգտնի անհրաժեշտը։ 

Քուբիտների ֆիզիկական դրսևորումները

Մենք նկարագրեցինք քուբիտները որպես օդում պտտվող մետաղադրամներ, սակայն դա պայմանական նկարագրություն էր։ Ներկայում մշակվող քվանտային համակարգիչներում քուբիտներ ստանալու համար օգտագործվում են մի շարք տեխնոլոգիաներ։ 

Առաջինը գերհաղորդող սխեմաներն են։ Գերհաղորդիչ նյութերը որոշակի ցածր ջերմաստիճանում ունեն ճշգրիտ զրոյական էլեկտրական դիմադրություն, այսինքն` գերհաղորդիչ լարի փակ կոնտուրով անցնող էլեկտրական հոսանքը կարող է անվերջ երկար պահպանվել առանց սնման աղբյուրի։ Քվանտային համակարգչի դեպքում քուբիտները փոքրագույն հանգույցներ են գերհաղորդիչ նյութից։ IBM-ն ու Google-ը զգալի առաջընթաց են ապահովել այս ոլորտում։ 

Որոշ քվանտային համակարգիչներում որպես քուբիտներ փորձում են օգտագործել լույսի մասնիկները` ֆոտոնները։ Դրանք շատ հարմար են քվանտային հաշվարկների համար, բայց խիստ բարդ է դրանք կառավարելը։ Շատ ավելի իրատեսական է այլ մասնիկների, օրինակ` էլեկտրոնների կամ ատոմի միջուկների կիրառությունը որպես քուբիտներ. մասնավորապես, որպես հաշվարկային հիմք ընդունվում է մասնիկի սեփական պտույտը` սփինը։ Եթե սովորական հոլը կարող է պտտվել միայն մեկ ուղղությամբ, ապա մասնիկը պարզագույն դեպքում պտտվում է միաժամանակ երկու (1 ու 0) ուղղություններով։ 

Էլ ավելի իրատեսական է էլեկտրամագնիսական դաշտում հայտնված չեզոք ատոմների կիրառումը։ Ի տարբերություն ֆոտոնների, դրանք հեշտ կառավարելի են, սակայն պահանջում են բարդ կարգավորումներ։ Չեզոք ատոմների փոխարեն կարելի է կիրառել էլեկտրամագնիսական դաշտում գտնվող իոններ (դրական կամ բացասական լիցքավորված ատոմներ), որոնք բավականին կայուն են ու որոնք կիրառելիս տպավորիչ արդյունքներ են գրանցվել։ 

Մարտահրավերներ 

Լիարժեք քվանտային համակարգչի ստեղծման ճանապարհին կան մի շարք խնդիրներ ու մարտահրավերներ, որոնց լուծման ուղիները հաղթահարվում են փոփոխական հաջողությամբ։ Առաջինը հաշվարկների ընթացքում անխուսափելիորեն առաջացող սխալներն են ու դրանց ուղղումը։ Վերադառնանք մետաղադրամների օրինակին։ Պատկերացրեք, որ նետում եք մետաղադրամը ֆուտբոլային խաղի ամենաթեժ պահին ու խաղադաշտի մեջտեղում, երբ շուրջբոլորը վազող ֆուտբոլիստներ են, գնդակը թռչում է այս ու այն կողմ, տրիբունաներից ձեր ուղղությամբ ինչ-որ աղբ են նետում և այլն։ Նման իրավիճակում մետաղադրամը նետելն ու պատասխանը ստանալը շատ բարդ կլինի։ Նույնը քվանտային համակարգչի դեպքում է. այն շատ զգայուն է շրջակա աղմուկի նկատմամբ, ցանկացած պատահական մասնիկ կարող է սխալներ առաջացնել հաշվարկներում։ Հետևաբար, համակարգչի աշխատանքային մասը, որտեղ գտնվում են քուբիտները, պետք է առավելագույնս մեկուսացված լինի։ 

Դա էլ բավական չէ, քվանտային համակարգիչը պետք է մասշտաբավորել, այսինքն` հնարավորություն ունենալ ավելացնել քուբիտների քանակը։ Բայց որքան շատ են քուբիտներն, այնքան սխալների հավանականությունն աճում է, որովհետև այնքան դժվար է դրանք մեկուսացնել շրջակա միջավայրի աղմուկից ու կարգավորել այնպես, որ իրենք` քուբիտները, միմյանց հետ քաոտիկ ու անկառավարելի չփոխազդեն։ Կան նաև այսպես կոչված լարանցման ու սորտավորման խնդիրները. առաջինը վերաբերում է կառավարող ազդանշաններին, որոնք այս պահին յուրաքանչյուր քուբիտի համար անհատական են։ Պատկերացրեք, որ յուրաքանչյուր քուբիտի միացված է լար, ու քուբիտների աճի հետ աճում է լարերի քանակն ու ինչ-որ պահի վերածվում քաոտիկ խճճված կծիկի։ Սորտավորման խնդիրն էլ կապված է քուբիտները տեղափոխելու  բարդությունների հետ։ 

Անվտանգության մասին 

Նշեցինք, որ լիարժեք աշխատող քվանտային համակարգիչը համապատասխան ալգորիթմերով կարող է հեշտությամբ գտնել ցանկացած գաղտնաբառ։ Այդ իսկ պատճառով, քվանտային համակարգիչների տեխնոլոգիաների զարգացման հետ մեկտեղ անհրաժեշտ կլինի կիրառել գաղտնագրման նոր մեթոդներ տվյալների պաշտպանության համար։ Որքան էլ տարօրինակ է, դրանում կօգնեն հենց քվանտային համակարգիչները` առաջարկելով անվտանգ լուծումներ։ 

Վերադառնանք մարտահրավերներին. քվանտային համակարգիչները սպառնալու են անվտանգ կապի օգտագործման համար կիրառվող գաղտնագրման RSA դասական համակարգին։ Այն հիմնված է մեծ թվերի բարդ ֆակտորիզացման (օրինակ, 15 թիվը ֆակտորիզացվում է 3 ու 5 թվերի) վրա, ու քվանտային ալգորիթմերը կարող են այն կոտրել վայրկյանների ընթացքում։ Քվանտային համակարգիչները կարող են սպառնալ նաև բլոկչեյնի անվտանգությանը, հետևաբար` թվային տարադրամի պաշտպանության համար անհրաժեշտ կլինեն նոր կրիպտոգրաֆիկ ընթացակարգեր։ Ու, բնականաբար, կարող են վերծանվել ծածկագրված անձնական տվյալները` սկսած Ֆեյսբուքի մեսինջերի ծածկագրված հաղորդագրություններից մինչև բժշկական ու բանկային տվյալներ։ Բոլոր այս ոլորտներում գաղտնագրման սկզբունքները փոխվելու են լիարժեք քվանտային համակարգչի ստեղծմանը մոտենալու հետ միասին։

Դրական կողմերը

Որպեսզի տպավորություն չստեղծվի, թե քվանտային համակարգիչը ստեղծվում է մարդկանց անձնական տվյալներն ու գումարները հափշտակելու համար, նշենք, որ ինչպես ցանկացած տեխնոլոգիա, այն ևս վատ ձեռքերում չարիք է լինելու, իսկ լավ ձեռքերում բացելու է ահռելի հեռանկարներ տարբեր ոլորտներում։ 

Բացի գաղտնագրման գոյություն ունեցող մեթոդները չեզոքացնելը, ինչպես նշեցինք, քվանտային համակարգիչը կարող է ինքը գաղտնագրման նոր ու շատ ավելի հուսալի մեթոդներ առաջարկել։ Այն կարող է շատ ավելի ճշգրիտ մոդելավորել ու կանխատեսել եղանակային պայմանները, իսկ ճշգրիտ մոդելները թույլ կտան կլիմայական փոփոխությունների դեմ ավելի հիմնավոր պայքարել։ Քվանտային համակարգիչը կարող է շատ ավելի ճշգրիտ մոդելավորել մոլեկուլների փոխազդեցությունները, ինչը թույլ կտա մշակել նոր, շատ ավելի արդյունավետ դեղամիջոցներ` ավելի ճշգրիտ կանխատեսելով դրանց ազդեցությունը օրգանիզմի վրա։ Նույնը վերաբերում է ֆինանսական մոդելավորմանը` ռիսկերի ավելի արագ գնահատմամբ ու ավելի էֆեկտիվ առևտրային մարտավարությամբ։ Քվանտային համակարգիչը ավելի ճշգրիտ կմոդելավորի նյութերը` նոր հատկություններով նյութեր ստեղծելու համար, ճանապարհային երթեւեկությունը` այն օպտիմիզացնելու համար, էներգախնայող համակարգերի աշխատանքը և այլն։ Քվանտային ալգորիթմերի շնորհիվ արհեստական բանականության տեխնոլոգիաներն ավելի արագ կուսուցանվեն, ինչը կարող է նոր հեղափոխություն առաջացնել նաև այս ոլորտում։ 

Ի՞նչ քվանտային համակարգիչներ կան այսօր 

Չնայած լիարժեք ունիվերսալ քվանտային համակարգիչն առայժմ երազանք է, տարբեր ընկերություններ ու գիտական խմբեր ռեալիզացրել են տեխնոլոգիայի մասնակի օրինակներ։ 

Ինչպես նշեցինք, IBM-ն իր Q System Two համակարգչում օգտագործում է գերհաղորդիչ սխեմաներ քուբիտների ստեղծման համար։ Ըստ ընկերության, այս մոդուլային քվանտային համակարգիչը հնարավոր է մասշտաբավորել իր մոդուլայնության շնորհիվ։ Հեռանկարում մի քանի Q System Two-երը հնարավոր կլինի միավորել` մեկ քվանտային սխեմայում իրականացնելով 100 մլն օպերացիա, իսկ 2033-ին հասցնելով 1 մլրդի։ Համակարգչի առավելագույն էֆեկտիվության համար այն սառեցվում է մինչև -270,45 ° С: Ներկայումս համակարգչի ավելի քան 100 քուբիտներն օգտագործվում են գիտական հետազոտությունների համար։ 

Google-ի Quantum AI թիմը նույնպես փորձում է մասշտաբավորվող քվանտային համակարգիչ ստեղծել, որը կկարողանա բարդ հաշվարկներ կատարել սխալները միաժամանակ ուղղելու միջոցով։ Այն նույնպես հիմնված է գերհաղորդիչ սխեմաների վրա։ Իսկ IonQ ընկերությունը, որը ստեղծել է 9, 25 ու 35 քուբիտներով Harmony, Aria ու Forte քվանտային համակարգիչները, օգտագործում է էլեկտրամագնիսական դաշտում գտնվող իոններ։ Ընկերության մասնագետները պնդում են, որ լուծել են մասշտաբավորման հետ կապված լարանցման ու սորտավորման խնդիրները։ 

Ինչ վերաբերում է քվանտային համակարգիչների ստեղծման պիոներ, կանադական D-Wave Systems-ին, ապա այստեղ պնդում են, որ իրենց նոր` Advantage ճարտարապետության շնորհիվ քուբիտների քանակը հնարավոր կլինի հասցնել 5000-ի, ինչը 10 անգամ կարագացնի սպեցիֆիկ խնդիրների լուծման ժամանակը։ 

Կան բազմաթիվ այլ լուծումներ ու մասնակի հաջողություններ խիստ նեղ խնդիրների լուծման հարցում, սակայն առայժմ վաղ է խոսել լուսավոր քվանտային ապագայի մասին։ 

Արման Գասպարյան