İnformatika kursundan bilirik ki, istənilən kompüter texnologiyası ikilik say sisteminə əsaslanır. Bu o deməkdir ki, bütün verilənlər 0 və 1-ə çevrilir və yaddaşda məhz bu formada saxlanılır. Məlumatların işlənməsi və saxlanmasının bu prinsipi aparat tərəfindən diktə edilir. Kvant kompüteri bir qədər fərqli işləyir, daha sonra müzakirə ediləcək.
Kvant kompüteri necə işləyir
Kvant kompüterləri son vaxtlar getdikcə daha çox başlıq yaradır. Onlar adi kompüterin ya öhdəsindən gələ bilmədiyi, ya da ayrılmış vaxt ərzində edə bilməyəcəyi mürəkkəb tapşırıqları yerinə yetirmək üçün nəzərdə tutulub. Xüsusilə kütləvi Big Data ilə işləməkdə.
Böyük həcmli verilənlərlə işləyərkən adi kompüter (ikilik say sistemində işlədiyinə görə) bütün mümkün nəticələri çeşidləməyə və göstərilən tələblərə tam cavab verən variantı tapmağa çox vaxt sərf etməli olur.
Keçən əsrin 80-ci illərində elm adamları çoxlu məlumatların çeşidlənməsi ilə bağlı problemin ən qısa müddətdə həllini tapmaq barədə düşünməyə başladılar. Bu, superkompüterlərin istifadə etdiyi alqoritmdir. Bir az sonra, bütün mümkün variantları sınamadan istədiyiniz kombinasiyanı əldə etməyin bir yolunu tapmaq fikri ortaya çıxdı. Həll kvant hesablamaları idi. .
1984-cü ildə kvant kompüteri üçün dizayn ortaya çıxdı. Onlar məntiqi elementin analoqunu - kvant qapısını hazırlayırlar. Kvant kompüterinin xüsusi xüsusiyyəti kubitlərin olmasıdır. Bunlar kvant dünyasının bütün qanunlarına tabe olan ölçüləri o qədər kiçik olan unikal kvant obyektləridir. Kvant obyektinin fərqli xüsusiyyəti eyni vaxtda iki vəziyyətdə olmaq qabiliyyətidir. Klassik yaddaş hüceyrəsi ilə bu mümkün deyil. Kvant obyekti (qubit) iki vəziyyətdə olduqda, onun “superpozisiyada” olduğu deyilir.
Superpozisiya prinsipini daha yaxşı başa düşmək üçün bir sikkə uçuşda təsəvvür edin. Sikkə yerə düşəndə yalnız bir tərəfi çıxır - başlar və ya quyruqlar. Superpozisiya bir sikkənin havada, yəni baş və quyruq vəziyyətində olmasıdır. Hansı tərəflə başa çatmağınız birbaşa təyin edilə bilən ehtimaldan asılıdır. Bütün bunlar nə deməkdir? Bu, bir şey deməkdir: kvant hesablamaları elə qurulub ki, o, bütün tapşırıqları eyni vaxtda qəbul etməyə və paralel olaraq həll etməyə qadirdir. Adi kompüterdə bir əməliyyat olduğu halda, kvant kompüterində eyni anda bir neçə əməliyyat var.
Kvant kompüteri necə işləyir?
Belə kompüterin əsas elementi kvant prosessorudur. O, öz növbəsində müxtəlif yollarla, məsələn, kvant nöqtələri, superkeçiricilər və ya ionlar əsasında həyata keçirilə bilən kubitlərdən ibarətdir. Qubitlər kvant dövrələri yaratmaq üçün bir-birinə bağlana və mikrodalğalı impulslardan istifadə edərək idarə oluna bilər.
Prosessordan başqa, qurğuya digər komponentlər də daxildir, məsələn, kvant registri. Məlumat saxlamaq üçün istifadə olunur. İki vəziyyətdən yalnız birində olan klassik registr və eyni zamanda bütün mövqelərdə olan kvant registrini təsəvvür edin. Bunun sayəsində məlumatların işlənməsinin nəticəsini demək olar ki, dərhal əldə edə bilərsiniz.
Kompüter klassik kompüterlər üçün riyazi cəhətdən çətin olan məsələləri həll edə bilən kvant alqoritmlərindən istifadə etməklə işləyir. Bu cür alqoritmlər məlumatın kvant prosessorunda işlənmə qaydasını müəyyən edir, həmçinin problemlərin klassik analoqundan daha sürətli həlli üçün kvant superpozisiyasından və dolaşıqlığından istifadə edir.
Alqoritmlərə əlavə olaraq, kubitlərin vəziyyətlərini idarə etmək və ölçmək üçün bir cihaz və səhvlərin düzəldilməsi üçün cavabdeh olan mexanizm var. Kvant kompüterləri çox dəqiq parametrlər və işləmək üçün xüsusi bacarıq tələb edən mürəkkəb qurğulardır.
Belə kompüterin əsas elementi kvant prosessorudur. O, öz növbəsində müxtəlif yollarla, məsələn, kvant nöqtələri, superkeçiricilər və ya ionlar əsasında həyata keçirilə bilən kubitlərdən ibarətdir. Qubitlər kvant dövrələri yaratmaq üçün bir-birinə bağlana və mikrodalğalı impulslardan istifadə edərək idarə oluna bilər.
Prosessordan başqa, qurğuya digər komponentlər də daxildir, məsələn, kvant registri. Məlumat saxlamaq üçün istifadə olunur. İki vəziyyətdən yalnız birində olan klassik registr və eyni zamanda bütün mövqelərdə olan kvant registrini təsəvvür edin. Bunun sayəsində məlumatların işlənməsinin nəticəsini demək olar ki, dərhal əldə edə bilərsiniz.
Kompüter klassik kompüterlər üçün riyazi cəhətdən çətin olan məsələləri həll edə bilən kvant alqoritmlərindən istifadə etməklə işləyir. Bu cür alqoritmlər məlumatın kvant prosessorunda işlənmə qaydasını müəyyən edir, həmçinin problemlərin klassik analoqundan daha sürətli həlli üçün kvant superpozisiyasından və dolaşıqlığından istifadə edir.
Alqoritmlərə əlavə olaraq, kubitlərin vəziyyətlərini idarə etmək və ölçmək üçün bir cihaz və səhvlərin düzəldilməsi üçün cavabdeh olan mexanizm var. Kvant kompüterləri çox dəqiq parametrlər və işləmək üçün xüsusi bacarıq tələb edən mürəkkəb qurğulardır.
Kvant hesablamaları harada faydalıdır?
Kvant kompüterləri hətta superkompüterlər üçün də hesablama baxımından mürəkkəb olan problemləri həll etmək üçün istifadə edilə bilər. Məsələn, onlardan kimya, əczaçılıq və s.-də böyük əhəmiyyət kəsb edən mürəkkəb molekulyar sistemlərin modelləşdirilməsi üçün istifadə oluna bilər. Həmçinin, onların bacarıqları resursların optimallaşdırılması və bölüşdürülməsi, kriptoqrafiya və təhlükəsizlik üçün yeni alqoritmlərin hazırlanması üçün yüksək qiymətləndirilir.
2019-cu ildə Google, kvant kompüteri klassik hesablama alqoritmlərinə malik superkompüterin ayrılan vaxt ərzində öhdəsindən gələ bilmədiyi problemi həll edə bildikdə, “kvant üstünlüyünə” nail olduğunu elan etdi. Səbəb, kvant kompüterlərinin oxşar problemləri həll etmək üçün nəzərdə tutulsa da, fərqli işləməsidir. .
Bu gün kvant kompüterlərinin yaradılması üzərində çalışan bir çox şirkət və təşkilatlar var - IBM, Microsoft, Intel, Google, Rigetti Computing. Bu şirkətlər kvant hesablamalarının potensialını inkişaf etdirmək və istifadə etmək üçün lazım olan texnologiyaları təkmilləşdirmək üçün dünya üzrə universitetlər və tədqiqat mərkəzləri ilə əməkdaşlıq edir.
Kvant kompüterlərinin tətbiqi sahəsi:
- Məlumatların şifrəsinin açılması. Şifrələnmiş məlumatların şifrəsini açmaq üçün idealdır.
- Məlumatların qorunması üçün kriptoqrafiyanın əsasını təşkil edən böyük və sadə ədədləri faktorlara ayırmaq üçün Şor alqoritmindən istifadə edir.
- Modelləşdirmə və simulyasiya. Onlar klassik kompüterlərdən istifadə etməklə modelləşdirilməsi çətin olan mürəkkəb fiziki sistemlərlə işləyirlər. Buraya molekulyar strukturların və mürəkkəb kimyəvi reaksiyaların modelləşdirilməsi daxildir.
- Maşın öyrənməsi. Böyük həcmdə məlumatların işlənməsi və təsnifat və klasterləşdirmə kimi bir çox maşın öyrənmə tapşırıqlarının optimallaşdırılması üçün uyğundur.
- Optimallaşdırma. Onlar nəqliyyat və logistika şəbəkələri, rabitə şəbəkələri və elektrik enerjisi sistemləri kimi mürəkkəb sistemlərin optimallaşdırılması üçün optimal həll yoludur.
- Bioinformatika. Böyük həcmdə bioloji məlumatların (genomların) təhlili və emalı üçün həll.
- Yuxarıda göstərilənlərə əsaslanaraq, kvant hesablamalarının müasir tibb və əczaçılıqda son dərəcə faydalı ola biləcəyi qənaətinə gəlmək asandır.
Artıq bu gün kvant modelləşdirmə həkimlərə ümumi infeksiyalardan (xüsusən də CoVid-19) və təhlükəli xəstəliklərdən: hepatit, vərəm, xərçəngdən qorunmaq üçün peyvəndlər hazırlamaqda kömək edir. Onların iş yerlərinə həmçinin tədqiqat mərkəzləri, dövlət idarələri, akademik və sənaye layihələri daxildir. .
Modelləşdirmə vasitəsilə mütəxəssislər şəhər nəqliyyatı trafikini və ya şəbəkədə məlumat axınını optimallaşdıra bilirlər. Belə kompüterlərin tətbiq dairəsi durmadan artır.
Kvant hesablamalarının mənfi tərəfləri varmı?
Belə görünür ki, kvant kompüteri ideal hesablama maşınıdır, amma bildiyiniz kimi, dünyada ideal heç nə yoxdur.
Onun çatışmazlıqları arasında mütəxəssislər qeyd edirlər:
- Yüksək qiymət. İnkişaf və istehsal, həmçinin enerji istehlakı və soyutma üçün çoxlu pul tələb edir.
- Xüsusi bilik. Onunla uğurla qarşılıqlı əlaqədə olmaq üçün sistemlə işləməyi və proqram təminatından düzgün istifadə etməyi bilən xüsusi bacarıq və bacarıqlara malik mütəxəssislər lazımdır.
- Proqramlaşdırmanın mürəkkəbliyi. Tətbiqlər bir çox prosessor və yaddaş arasında paylanmalı və yüksək performansa nail olmaq üçün əlaqələndirilməlidir. Kvant texnologiyası arxitekturasının mürəkkəbliyi səbəbindən tətbiqi optimallaşdırmaq üçün tələb olunan vaxt artır.
- Enerji istehlakı və soyutma. Belə maşınlar çox enerji sərf edir və çoxlu istilik yaradır. Termal yükü idarə etmək üçün səmərəli soyutma tələb olunur ki, bu da olduqca bahalı və həyata keçirilməsi çətindir.
-
Sabit işləmə və yüksək performans üçün kvant kompüteri müəyyən şərtlər altında işləməlidir. Ətraf mühitin temperaturu xüsusi əhəmiyyət kəsb edir: maşının hər bir səviyyəsi öz mikroiqliminə ehtiyac duyur.
-
Temperatur artdıqca və ya azaldıqca hesablama maşını yararsız hala düşür. Maye helium soyutma sistemi həddindən artıq istiləşmənin qarşısını alır. Digər maraqlı fakt ondan ibarətdir ki, kvant kompüteri adi kompüterlərsiz işləyə bilməz. Sonuncular ona xidmət göstərmək və işlək vəziyyətdə saxlamaq üçün lazımdır.
Atomları sabitləşdirmək üçün soyutma sistemləri lazımdır. Onları bu vəziyyətdə saxlamağın yeganə yolu temperaturu sıfır Kelvinə endirməkdir. Bu göstərici Selsi üzrə -273,15 dərəcədir. .
Hansı nəticəyə gəlmək olar?
Kvant kompüteri hələ də çoxlu tapşırıqların öhdəsindən uğurla gələn daha adi superkompüteri əvəz edə bilməz. Kvant hesablamasının təklif edə biləcəyi potensial və imkanlar tam başa düşülmür. Lakin belə maşınlar olmadan gələcəyi təsəvvür etmək çətindir. Onların çatışmazlıqlarının aradan qaldırılması yüksək prioritet məsələdir ki, bu da gələcəkdə kvant hesablamalarından daha da səmərəli istifadə etməyə imkan verəcəkdir.
