Kompyuter istiqbollari Kvant kompyuterlar. Reja: Kvant tushinchasi

Kvant kompyuteri nima va uni yaratish maqsadi qanday paydo bo‘lgan?
Sirasini aytganda, Prinston universiteti fizigi Xyu Everett 1957 yili alohdda kvantlar darajasigacha susaytirilgan lazer nurlari ingichka tirqishlardan o‘tganidan keyin aniq yoʻl-yoʻl tasvir o‘rniga ekranda tirqishning yoyilib ketgan tasvirini kuzatadi va bu hodisani tushunish uchun uni soyadagi fotonlar keltirib chiqaradi, degan xulosaga keladi. “Soya fotonlar” deganda u boshqa olamga taalluqli fotonlarni nazarda tutadi. Everett o‘zining ushbu qaltis nazariy nuqtai nazaridan so‘ng nazariy fizika bilan xayrlashishiga to‘g‘ri keldi. Amerikaning boshqa fizik olimi, atom bombasi kashfiyotchilaridan biri, Nobel mukofoti sovrindori Richard Feynman 1982 yili, ya’ni Everett vafot qilgan yili mutlaqo fantastik tushuncha-Everettning ko‘p sonli olam interpretatsiyasini hisoblash mashinalarini yaratishda qo‘llash g‘oyasini fanda ilgari surdi. Ushbu g‘oya muallifi Feynmanning 9 jildlik “Feynmanovskie leksii po fizike” kitobi o‘tgan asrning 60-yillarida yurtimizning talabalari va ilmiy xodimlari orasida mashhur bo‘lgan. Gap shundaki, kompyuterlarda modellashtirish hozirgi zamon ilmiy izlanishlari va ishlab chiqarishida muhim o‘rin egallaydi. Feynman 1958 yili kompyuterda kvant protsesslarini modellashtira borib, ko‘p zarrachali kvant masalalarini echish uchun klassik kompyuterlarning xotira hajmi etarli emasligini tushunib etadi. 1000 elek­tron spinli masalalarni echish uchun kompyuterlarda 2¹⁰⁰⁰ (taxminan 10³⁰) o‘zgaruvchini xotirasida saqlay oladigan yacheykalar bo‘lishi shartligi unga ayon bo‘ladi. Bir gegabayt faqat 2³⁰, xolos. Natijada, Feynman: «Kvant masalalarini kvant kompyuterlari echishi kerak, kvant fizikasi hodisalarini aniq modellashtirish kompyuterlarning prinsipial yangi turi kvant kompyuteridagina bo‘ladi», degan xulosaga keladi. U 1982 yili (Feyman R. Int. J. Theor. Phys. 21, 1982. va Physics Todey jurnallarida) kvant tizimlarga axborot yozish mumkinligini ilk bor bayon qiladi. Klassik kompyuterlarda olib borilayotgan ko‘plab ilmiy hisoblashlar natijasini u o‘ta qo‘pol ilmiy natijalar bo‘lishi mumkin deb hisoblagan.
Feynmandan tashqari kvant hisoblashlarini Illinoysdagi Aragon milliy laboratoriyasidan Pol Benioff (Paul Benioff); Angliyadagi Oksford universitetidan Devid Doych (David Deutsch) va Yorktaun Xaytse (Nyu-York shtati)dagi IVMning T.J.Vatson (T.J.Watson) nomidagi izlanishlar markazidan T.Charlz Bennett (Charles Bennett) kabi nazariyachi fiziklar targ‘ib qildilar. Lekin uzoq yillar davomida Feynmanning ushbu maqolalari e’tiborsiz qoldi hisob, ya’ni u paytlar kvant kompyuteri g‘oyasiga fantastikaga qaraganday qaralardi.
Odatdagi kompyuterlar uchun ma’lum barcha algoritmlar eksponensialdir (ko‘rilayotgan masalalardagi o‘zgaruvchilarning soni ortib borishi bilan klassik kompyuterlar uchun hisoblash vaqti eksponensial ortib boradi; ularning ish vaqti faktorizatsiyalanayotgan sonlar yozuvidagi belgilar soniga qarab eksponenta bo‘yicha ortib boradi). Masalan, RSA-129 tizimini buzish uchun (129-razryadli sonni oddiy kupaytmalarga ajratish – faktorizatsiyalash) internet orqali bog‘langan 1600 ish stansiyadan tuzilgan ish sistemasining 500 MIPS-yil yoki sakkiz oy davomida betinim ishlashiga to‘g‘ri kelgan. Agarda son razryadi 300 ga teng bo‘lib qolsa, jahondagi barcha kompyuterlar bir vaqtning o‘zida hisoblashga jalb qilingan taqdirda ham ushbu vaqt Olamning paydo bo‘lgan vaqtidan ham ko‘p bo‘lib ketgan bo‘lardi.
1994 yil AT&T Researchning izlanishlar bo‘limida ilmiy ish olib borayotgan Piter Shor kvant kompyuterlari uchun katta sonlarni oddiy ko‘paytmalarga ajratishning o‘ziga xos algoritmini ishlab chiqib, olimlarga ma’lum qildi. (Feyman R. Quantum mechanical computers. //Optics News, February 1985, 11, p.11.; Deutsch D. Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer. – Proc. R. Soc. London A 400, 97, 1985.; Deutsch D. quantum computational networks. – Proc. R. Soc. London A 425, 73, 1989.) Shundan so‘ng kvant hisoblashlar buyicha ilmiy maqolalar soni jahonda keskin oshib ketdi. Shorning hisob-kitoblarida ko‘rsatilishicha, klassik kompyu­ter 1000 ikkilangan belgili sondan tashkil topgan ko‘paytmani topishi uchun 2¹⁰⁰⁰ amalni (operatsiya) bajarishi kerak bo‘lgan holda kvant kompyuteri buning uchun 1000³ amal bajarishi kerak bo‘lar ekan, xolos. Piter Shor va undan keyin Bell Labs ilmiy markazidan tartiblanmagan axborotlar bazasida tez to­puvchan o‘z algoritmi bilan Lov Grover (Lov Grover) jahonda kvant hisoblashlar sohasidagi shiddatli izlanishlar boshlanishining tashabbuskorlari bo‘lishdi. Kvant kompyuterlari tabiatan algoritmli, lekin raqamli (sifrovoy) qurilmadir. Ular RSA kabi ommaviy kriptografik algoritmlar yordamida kodlangan xabarlarni topib o‘qishni bir zumda bajarishi mumkin. Hozircha ushbu algoritm eng ishonchli deb hisoblab kelinmoqda.
Kvant hisoblashlarining fizikaviy ma’nosi nima? Ushbu masalada «Struktura realnosti» kitobining muallifi Devid Doych (Shor P.W. Algorithms for Quantum Computation: discrete log and Factoring. // Proceeding of the 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science? Edited by S. Goldwasser, IEEE Computer Society Press? Los Alamitos, CA, 1994, p. 124.) barcha nazariyalardan farqli bo‘lgan o‘z nazariyasini bayon qildi. Muallif kvant hisoblashlar prinsipining qisqachacha ta’rifini qo‘yidagicha beradi: “Hozircha murg‘ak holdagi kvant hisoblashlar ushbu harakatning sifat buyicha yangi bosqichidir. Bu yondosh olamlarning ishtirokida foydali masalalarning bajarilishiga olib keladigan birinchi texnologiyadir. Kvant kompyuteri murakkab masalalar tashkil etuvchilarini yondosh olamlar ko‘pligi o‘rtasida taqsimlay oladi va keyinchalik natijalarni baham ko‘rishi mumkin”.
1998 yili Berklidagi Kaliforniya universitetida Ayzek Chuang boshchiligida birinchi 2 kubitli kvant kompyuteri ixtiro qilindi. Kubit (yoki kvantbit) – kvant axborotning birligi yoki kvant kompyuterida axborotni saqlovchi eng kichkina element. Ushbu kompyuter birvarakayiga to‘rt hisoblash oqim amalini tatbiqetishi mumkin. Butun jahonda kvant kompyuterlarining hayotga tatbiqini faol amalga oshirayotganlar qatorida birinchilardan bo‘lib IBM ning Almeydendagi markazidagi (IBM Almaden Reserch Center, Can-Xose, Kaliforniya) Ayzek Chuang (Isaac Chuang)nieslash kerak bo‘ Uning boshchiligidagi guruh 1999 yili Grover algoritmi yordamida uch ku­bitli kvant kompyuteri namunasi bilan axborotlar bazasida qidiruv olib borishdi. Keyinchalik razryadi 7 kubit bo‘milliard lgan kvant kompyuteri bilan tartibga solish metodi namoyish etildi. IBM Ayleden markazi olimlari juda ham murakkab bo‘lgan kvant kompyuteri hisob-kitoblaridan birini bajarishdi. Ular probirkada-milliard buyurtma molekulalardan tuzilgan 7 kubitli (ettita yadro spini (holati)ga ega) kvant kompyuterini yasab, Shor algoritmi yordamida RSA kriptografik axborot tizimi himoyasining shu kunlardagi asosida yotuvchi oddiy matematik muammolarning oddiy nusxasini yechishdi. Ushbu kvant kompyuter turli chastotali elektro­magnit impulsi yordamida “dasturlashtirilishi”mumkin edi. Ish natijalarini olish uchun maxsus skanerdan foydalanildi. RSA (Rivest, Shamir va Adelman) algoritmi sotuvda bo‘lgan ko‘plab operatsion tizimlarda joylashtirilgandir.Shu kungacha RSA Data Security, Inc firmasi 450 milliondan ortiqlitsenziya sotishga ulgurgan.
2007 yilning 13 fevralida Amerikaning Kaliforniya shtatidagi Silikon vodiysida joylashgan Kompyuter tarixi muzeyida (Computer History Museum in mountain View) yorug‘lik kvantlarini ishlatuvchi jahonda birinchi «Orion» deb nomlangan kvant superkompyuteri namoyish qilindi. Uni Kanadaning D-Wave Systems xususiy kompaniyasi yaratgan. Kompyuterning ish faoliyati namoyish etilayotgan paytda u Kanadaning Vanku­ver shahri yaqinidagi ofisdan jildirilmagan. U bilan odamlar internet orqali bog‘lanishgan. Kanadaliklarning ushbu qurilmasi hajmining kattaligi muzlatkichday bo‘lib, u tijorat uchun birinchi va tanho kvant kompyuteridir. Ushbu ulkan qurilma (monstr) 16 kubit razryadga ega. (1982 yili mashxur Intel 80286 mikroprotsessori ishlab chiqarildi. Bu mikroprotsessorda 134 ming tranzistor bo‘lib, takt chastotasi 6 MGs ga teng edi. Uning ishchanligi soniyasiga 60 ming operatsiya (amal) bo‘lgan. Bu mikroprotsessor ayni paytda eng ko‘p tarqalgan personal kompyuterlar oilasiga yulboshchilik qilgan IBM PC kompyuterining yuragiga aylandi.)
Bu ulkan sonni tushunish uchun mana bu misolga nazar solaylik: ikki kubitli tizim uchun biz birvarakayiga barcha mumkin bo‘lgan holatlardan foydalanamiz: 00,01,11,10 – bu to‘rt hisob oqimiga mos keladi. Kubit 0 yoki 1 qiymatlardan birini olishi mumkin va shu bilan birga, ushbu ikkala holatda birvarakayiga ham bo‘lishi mumkin (holat superpozitsiyasi). Uch kubit sakkiz qiymatni va hokazo geometrik progressiya buyicha qiymatlar ortib boraveradi. Shunday qilib, kubitlar soni qancha ko‘p bo‘lsa, bog‘langan kubitlar orqali turli qiymatlarning soni shunchalik ko‘p berilishi mumkin bo‘ladi. Agarda klassik kompyuterlarda L xisoblash yacheykalaridan tuzilgan hisoblash qurilmasi birvarakayiga L ta amalni bajarishi mumkin bo‘lsa, L kubitdan iborat bo‘lgan kvant qurilmalar esa birvarakayiga 2 darajasi L amallarni yonma-yon bajarishi mumkin.
Kanadaliklar kashf qilgan kvant kompyuteri unga topshirilgan uchta masalani:

• 
  aniq bir molekula-nishonga mos keluvchi molekulyar strukturani qidirishni;
  
• 
  mehmonlarni stol atrofida murakkab joylashtirishga tegishli rejani tuzib berishni;
  
• 
  Sudoku jumbogini muvaffaqiyatli hal qilib berishni uddalagan.
  

Ushbu kvant kompyuterlardagi supero‘tkazuvchilar sifatida qoʻllangan alyuminiy va niobiy birvarakayiga ikkala qiymatni egallay olishi uchun ularning harorati absolyut nolga yaqinlashtiriladi. Klassik kompyuterlar o‘z dasturlari asosida, barcha vazifalarini a’lo darajada bajarib borishmoqda, lekin kvant kompyuterlari murakkab hisoblarda juda qo‘l keladi. Hozirda 30 ta elektroni bo‘lgan tizim uchun Shryodinger tenglamasini klassik kompyuterlarda echish mumkin bo‘lmay turibdi. 100 ta elektroni bor bo‘lgan tizim 30 ta elektroni bor tizimdan 10⁵⁰ marotaba murakkabroqdir. Bu degani klas­sik kompyuterlar bunday masalalar oldida boshi berk ko‘chaga kirib qolgandek bo‘ladi. Yetarlicha kubitlari bo‘lgan kvant kompyuterlari uchun esa bu masalalarni echish ikkini ikkiga ko‘paytirishdek engil kechadi.
Kubitlarni hosil qilish uchun ionlarni yoki elektronlarni magnit tutuvchilariga ilintirib olish va lazer nurlari ta’siri ostida ularning holatini o‘zgartira bilish kerak bo‘ladi. Kanadaliklar ushbu ishni elektronlar yordamida hal qilishdi. Elektronlardan kubitlar hosil qilish uchun elektronlarning katta guruhi bir paytning o‘zida bir xil holatda bo‘lishi talab etiladi. Lekin elektron­lar fermion bo‘lishgani uchun ularga bunday “kelishilgan holatda bo‘lish” kvant mexanikasi prinsiiiga ko‘ra man etila­di. Lekin o‘ta o‘tkazuvchan o‘tkazgichlarda tamoman boshqacha manzara. U erda elektronlar Kuper juftliklari bozonlarni bemalol hosil qila oladi. Bu degani, o‘ta o‘tkazgichlardagi bozon holatida bo‘lgan elektronlarning Kuper juftliklari ajoyib kubitlar bo‘lishi mumkin. Shuning uchun ham kanadaliklar oʻz kubitlarini oʻta past haroratlarda (- 273,145°S) oʻta oʻtkazgich boʻladigan alyuminiy va niobiylardan yaratishgan. Ushbu kubitlarga ma’lum dastur asosida uzgaruvchi magnit maydoni orqali ta’sir qilinib, ularning hapakatlari boshqarilishi mumkin. Kanadalik olimlar 2008 yilning oxirigacha 1024 kubitli kvant komiyuterini ishga tushirishni rejalashtirishgan edi. Olimlarning erishgan yutugi raqamli kompyuter davrining tugashi emas, balki Kvant kompyuterlari davrining boshlanishidir, degan qarashlar bor. Lekin hozircha olimlarning ushbu kvant kompyuterini yasagani xaqidagi xabarlarga jahon fiziklari bir oz ishonchsizlik bilan qarab turishibdi.
Amerikaning Pensilvaniya shtata universiteta olimlari yilning iyun oyida 250 ta alohida seziy atomlarini ushlab turishi mumkin bo‘lgan uch o‘lchamli optik panjarani yasashdi. Optik panjarani bir-biriga perpendikulyar yunaltirilgan uchta lazer nuri hosil qiladi. Guyoki har bir atom lazer nurlari yasagan alohida yacheykalarga tushib qolgandek bo‘ladi. Har bir atom holatini boshqa yacheykalardagi atomlarga bog‘lik bo‘lmagan holda belgilash va o‘zgartirish mumkin. Olimlar panjaraning alohida qatlamlarini suratga olish imkoniga ega bo‘lishgan. Olimlarning endigi qadami kuchli lazer bilan alohdda atomlarni “Chalkash” holatga o‘tkazishdir. “Chalkash” holatdagi har bir atom kubitga aylangan bo‘lar edi. Agar olim­lar ushbu maqsadlarining uddasidan chiqa olishsa, hajmi 250 kubit bo‘lgan kvant kompyuteriga ega bo‘lishadi. Bu insoniyat oldiga qo‘ygan maqsad sari juda ham ulkan qadam bo‘lar edi.
Inson miyasida “epifiz” yoki “shishsifat jism” deb atalgan kichkinagina a’zo bor. Buni “uchinchi ko‘z”, deb ataguvchilar ham topiladi. Uning o‘lchamlari uzunasiga 6 mm va diametri 4 mm atrofida bo‘lib, shakli konussimondir. Epifizning qanday vazifa bajarishi shu paytgacha noma’lumligicha qolib kelmoqda. Uning tarkibida juda ham mayda “qumlar” borligi aniqdangan, lekin bu “qumlar” nima vazifa bajarishi aniq emas. Okulistlar ushbu a’zo insonning ruhiy holatini boshqarib turishini bilishadi. Unda nurning ikkilanib sinish hodisasi kuzatilgan. Ayni choqda olimlarda epifiz in­son miyasida joylashgan, hozirda kvant kompyuterlari zimmasiga yuklanayotgan vazifalarni bir qadar to‘kis bajaradigan a’zo, degan qarashlar ham paydo bo‘lgan.