Kvant kompyuteri: soniyada bajariladigan millionlab amallar

Dasturchilar hisoblashda “sekinlashmaydigan” kompyuterlarni tanlayotgan bir paytda olim va muhandislar bunday muammolarni abadiy unutish imkonini beradigan mashina yaratish ustida ishlamoqda. Kvant kompyuteri nima ekanini sodda tilda tushuntirib beramiz.

Kvant kompyuterini kim ixtiro qilgan?

Kvant kompyuteri nazariyasiga XX asrning birinchi yarmidagi bir qator ilmiy kashfiyotlar asos boʻlgan. Ularni amalga oshirgan olimlar keyinchalik Nobel mukofotiga sazovor boʻlgan. Ulardan biri — kvant fizikasining asoschisi, nemis nazariyotchi fizigi Maks Plank. 1918-yilda u ilmiy foydalanishga elementar zarracha — kvant tushunchasini kiritgan.

Kvant — maʼlum sharoitlarda uzatilishi yoki yutilishi mumkin boʻlgan energiyaning minimal boʻlinmas qismi. Yaʼni kvant energiya turiga koʻra turli shakl va nomlarga ega boʻlishi mumkin. Masalan, yorugʻlik va elektr maydonining kvantlari mos ravishda foton va elektron deb yuritiladi.

1930-yillarning ikkinchi yarmida mashhur olim Albert Eynshteyn bilan birgalikda amerikalik fizik olimlar Boris Podolskiy va Natan Rozen fizika fanida mualliflar nomi bilan atalgan paradoksni paydo qilgan maqolani chop etdi.

EPR paradoksi — fikrlash tajribasi yordamida kvant mexanikasining toʻliq emasligini koʻrsatishga boʻlgan urinish. Bu mikroobyekt parametrlarini bevosita taʼsir qilmasdan oʻlchashdan iborat. Maqsad — obyekt haqida qoʻshimcha maʼlumot olish, uning holatini kvant-mexanik koʻrinishda tavsiflash.

Eynshteyn, Podolskiy va Rozen paradoksiga taʼrif berilgandan soʻng avstriyalik fizik Ervin Shredinger xulosalarni davom ettirish va aniqlashtirish bilan chiqdi. Uning “Kvant mexanikasidagi hozirgi vaziyat” maqolasida kvant chalkashligi tushunchasi va halokatli mexanizm bilan birga poʻlat seyfga joylashtirilgan mushuk haqidagi mashhur xayoliy tajribasi taʼriflangan — bu paradoks superpozitsiya hodisasini tavsiflaydi.

Superpozitsiya tamoyili — kvant mexanikasi asosidagi tamoyil. Unga koʻra, agar ψ1 va ψ2 holatlarida kvant tizimi mavjud boʻla olsa, unda ularning holatlar superpozitsiyasi deb ataladigan chiziqli kombinatsiyasi ham bor boʻlishi mumkin.

Soddaroq tilda tushuntiramiz. Aytaylik, mikrozarralar ikkita joyda — a1 yoki a2 da boʻlishi hamda ψ1 va ψ2 holatlarini qabul qilishi mumkin. Superpozitsiya tamoyiliga koʻra, zarrachaning bu holatlardan tashqari yana bir holati bor. Bu dastlabki ikkitasining qoʻshilishi natijasidan iborat: ψ3 = a1*ψ1 + a2*ψ2.

Bu holatda, ψ3 — kvant superpozitsiyasi boʻlib, ustma-ust kelishi mumkin boʻlgan holatlar aniqlanishidan oldin yuzaga keladigan yangi kvant holat. Shuning uchun Shredingerning mushugi seyf ochilishidan oldin bir vaqtning oʻzida ham tirik, ham oʻlikdir.

Bemor oʻlikdan koʻra tirikdaymi? Buni esa koʻramiz!

Shuningdek, kvant nazariyasida kvant kompyuterini yaratishda foydalanilgan yana bir muhim tushuncha — kvant chalkashligi mavjud. U XX asrning birinchi yarmidayoq Albert Eynshteyn tomonidan taklif qilingan. Ammo uning matematik isbotlash usuli 1964-yilda irlandiyalik fizik Jon Bell tomonidan ishlab chiqilgan va bu usul “Bell tengsizligi” deb nomlangan. Agar maʼlum bir oʻrganilayotgan holatda bu tengsizliklarning yechimi boʻlmasa, kvant chalkashligi isbotlangan deb hisoblanadi.

Kvant chalkashligi bu — oralaridagi masofadan qatʼi nazar ikki yoki undan ortiq zarrachalarning holatlari bir-biri bilan oʻzaro bogʻliq boʻladigan hodisa.

Bu hodisaga boʻlgan qiziqish soʻnmayapti. 2022-yilda uch nafar olim: Alen Aspe, Jon Klauzer va Anton Saylinger kvant chalkashligi sohasidagi tadqiqotlari uchun Nobel mukofotiga sazovor boʻldi. Bu ilmiy izlanishlar kvant informatikasi rivojlanishi uchun boy zamin yaratadi.

Kompyuter: kvant va oddiy

Kvant kompyuteri shunchaki hisoblash mashinasi emas. Uning ustida olib borilayotgan ishlar haqiqatan ham texnologiyalar olamidagi “keskin burilish”, kvant mexanikasi tamoyillariga asoslangan kuchli va sifatli rivojlanish sari yoʻldir. Bu bizni maʼlumotlarning mohiyatini va ularni qayta ishlashni yangidan koʻrib chiqishga majbur qiladi.

Taqqoslashdan boshlaylik. Oddiy kompyuter nima? Bu axborot birligi sifatida 0 yoki 1 qiymatlaridan foydalanadigan bitlar xizmat qiladigan ikkilik sanoq tizimida ishlaydigan mashina. Ikkilik kod zamonaviy kompyuterlarning asosiy tashkil etuvchi bloklari boʻlgan tranzistorlar yordamida amalga oshiriladi. Ular bit qiymatini oʻzgartirish orqali tezda yoqiladi va oʻchiriladi, shu tufayli eng murakkab vazifalarni hayratlanarli tezlikda bajarish imkonini beradi. Barcha zamonaviy hisob-kitoblar shu asosga qurilgan.

Biroq ikkilik sanoq tizimida ishlaydigan eng samarali kompyuterlar uchun ham juda qiyin boʻlgan vazifalar mavjud. Ularni hal qilish uchun juda koʻp vaqt talab etiladi. Bu oʻnlab yillarni tashkil etishi mumkin.

Mana shu vaziyatda “sahnaga” axborot birligi kubit yoki kvant biti boʻlgan kvant kompyuterlari chiqadi.

Bit 0 yoki 1 qiymatini oladi.

Kubit 0, 1 va har qanday oraliq qiymatlarni olishi mumkin: salom, kvant nazariyasi!

Kubitlardan foydalanish kvant kompyuterlariga maʼlumotni nafaqat tezroq, balki anchagina samaraliroq qayta ishlash imkonini beradi. Ular amallarni ketma-ket bajarish oʻrniga parallel ravishda koʻplab hisoblashlarni amalga oshirishi mumkin. Bu ilgari imkonsiz deb hisoblangan vazifalarga yechim topish imkoniyatlarini ochadi.

Kvant kompyuteri nega kerak?

Kubit kompyuteridan murakkab marshrutlarni optimallashtirish, kriptografik hisob-kitoblarni amalga oshirish va hatto yangi dori-darmonlarni ishlab chiqish, sunʼiy intellektni yaratishda foydalanish mumkin. Anʼanaviy kompyuterlardan foydalanish sunʼiy intellekt texnologiyalarining rivojlanishini sekinlashtirishi mumkin. SI toʻrtinchi sanoat inqilobining asosiy omillaridan biriga aylanmoqda. “Rostelekom”ning 18 million manbani qamrab olgan global raqamli tendensiyalarning yillik monitoringi uni ishonchli ravishda birinchi oʻringa qoʻymoqda.

MIT, Seuldagi Yonse va Braziliya universitetlari olimlari jamoasi mashinani oʻqitish texnologiyalari boʻyicha mingdan ortiq ilmiy maqolalarni oʻrganishga asoslangan tahliliy ish — “Chuqur oʻqitishning hisoblash chegaralari”ni nashr etdi. Ularning tadqiqotlari sunʼiy intellekt texnologiyalarining rivojlanishi bevosita hisoblash mashinalarining imkoniyatlariga bogʻliq ekanini tasdiqlaydi.

Texnikaning ish unumdorligi boshidanoq SI tizimlar uchun cheklovchi omil boʻlgan. Hozirgi vaqtda yangi modellarning ehtiyojlari mavjud kompyuter quvvatlariga qaraganda ancha tez oʻsib boryapti. Tadqiqot guruhi SI oʻz hisoblash imkoniyatlari chegarasiga yaqinlashayotganiga diqqatni qaratmoqda. Olimlarning taʼkidlashicha, yangi bosqichga faqat kvant hisoblashlar orqali oʻtish mumkin.

Hozirgi paytda mashinani oʻqitish texnologiyalari katta hajmdagi maʼlumotlarga bogʻliq hisoblanadi. SI algoritmlari katta hajmdagi maʼlumotlarni qayta ishlaydi va tasniflaydi. Shu nuqtai nazardan kvant kompyuterlari qonuniyatlarni aniqlaydi. Bu esa klassik kompyuterlardan koʻp vaqt talab qiladigan tasniflash jarayonini soddalashtirish va tezlashtirish imkonini beradi.

Olimlarning fikriga koʻra, SI va kvant hisoblashni birlashtirish prognozlash sohasini, masalan, mumkin boʻlgan iqlim oʻzgarishini hisoblab chiqishni rivojlantirishga yordam beradi. Bundan tashqari, bunday texnika tabiiy nutq bilan yanada samaraliroq ishlashi mumkin, yaʼni ovozli yordamchilar “avtopilot” texnologiyalari kabi yangi bosqichga koʻtariladi. Kvant kompyuterlaridan foydalanish dunyo aholisining oʻsishini aniqroq hisoblash orqali resurslarni isteʼmol qilishni optimallashtirish imkonini beradi.

Kvant texnikasi: fantastikami yoki haqiqat?

Mashhur amerikalik fizik Richard Feynman hisob-kitoblarni amalga oshirish uchun kvant hodisalaridan foydalanishni XX asrning oʻrtalaridayoq taklif qilgan edi, ammo oʻsha paytda bunday kompyuter, albatta, faqat chiroyli futuristik nazariya edi.

Oʻylaymanki, bir narsani ishonch bilan aytishim mumkin: kvant mexanikasini hech kim tushunmaydi.

© Richard Feynman, Nobel mukofoti laureati

Kvant mexanikasini idrok qilib boʻlmasligi haqidagi fikriga qaramay, Richard Feynman 1980-yillarning boshlarida ilk bor kvant kompyuterining ishlash tamoyillarini — nazariy jihatdan tavsiflangan maqolani nashr etdi. Shuningdek, kvant nazariyasini kompyuter texnologiyalariga “moslashtirgan” birinchi olimlardan biri amerikalik fizik Pol Benioff edi.

Deyarli barcha maʼlum kompyuterlar Tyuring nazariyasidan foydalanadi va aynan Benioff Tyuring kvant mashinasini yaratish mumkinligini nazariy jihatdan birinchi boʻlib asoslab bergan. Rus fizigi Yuriy Ivanovich Manin ham kelajakda ishlab chiqilishi mumkin boʻlgan kubit kompyuteriga oʻz hissasini qoʻshgan — kvant hisoblashlar gʻoyasini taklif qilgan va kengaytirgan.

Ammo ishga yaroqli birinchi prototipni yaratish uchun oʻn yildan koʻproq vaqt kerak boʻldi. 1997-yilda olimlar Isaak Chuang, Nil Gershenfeld va Mark Kubinets hisoblashlarni bajara oladigan kvant kompyuterining taqdimotini oʻtkazdi. U Shor algoritmi va yadro-magnit rezonansi tamoyillariga asoslangan.

Shor algoritmi — N sonini O (log N) kubitlar yordamida O (log3N) vaqt ichida taqsimlash imkonini beradigan sodda koʻpaytiruvchilarga taqsimlash algoritmi. 1994-yilda amerikalik matematik Piter Shor tomonidan ilm-fan hamjamiyatiga taqdim etilgan.

Boshqa algoritmlar ham mavjud:

• Doych-Yoji algoritmi — funksiyaning muvozanatli yoki doimiy ekanini aniqlashga yordam beradigan kvant algoritm. 1992-yilda taklif etilgan va birinchi kvant algoritmlaridan biri boʻlgan.

• Grover algoritmi — “amplitudaning kuchayishi” nomli fizik effektga asoslangan birma-bir tekshirib chiqish vazifasini bajaradigan kvant algoritm. Ayniqsa, kripto tahlil va shifrlarni buzishda samarali hisoblanadi.

Kvantning birinchi modeli taqdim etilgandan soʻng koʻplab taniqli ilmiy va texnologik tashkilotlar oʻz prototiplarini ishlab chiqishni boshladi. Har bir olim va muhandislar jamoasining maqsadi kvant ustunligiga erishish edi.

Kvant ustunligi — oddiy kompyuter yordamida bajarib boʻlmaydigan vazifalarga kvant kompyuteri yordamida yechim topish. Kvant ustunligi amallarning yuqori tezlikda bajarilishi ekanini tushunish kerak.

Bugungi kunga kelib kvant hisoblashlar shunchaki chiroyli “kelajak manzarasi” emas. Dunyodagi yetakchi texnologik kompaniyalar eng qiyin vazifalarni muvaffaqiyatli bajara oladigan mashinalarini taqdim etmoqda. Masalan, Google kompaniyasi 2019-yilda Sycamore kompyuteri vazifani klassik kompyuterdan 220 million marta tezroq bajarib, kvant ustunligiga erishgani haqida xabar berdi.

Kvant hisoblash mashinalari poygasi baʼzida qurollanish poygasini eslatib yuboradigan darajada keskinlashadi. Har bir jamoa yanada kuchli va takomillashgan modelni taqdim etib, boshqalarni “quvib oʻtishga” harakat qilmoqda. Mana bir qator yorqin misollar:

• Googleʼning mashhur raqibi – IBM 2022-yilda rekord miqdordagi naq 433 ta kubitga ega Osprey kompyuterini taqdim etdi. Bu mashinaning hisoblash aniqligi 99% ni tashkil qiladi va tezlik borasida Sycamoreʼni biroz quvib oʻtadi.

• Intel kompaniyasi 2023-yilda oʻn ikkita kremniy spinli kubitga ega chip — Tunnel Fallsʼni taqdim etdi. Bu Intelʼning tijoriy kvant hisoblash tizimini yaratish strategiyasidagi yangi qadami boʻldi.

• Rossiya texnologiya sanoati 2024-yilning fevral oyida “Rosatom” 20 kubitli kompyuterni taqdim etdi. Uning aniqligi 95% ni tashkil etadi.

Kvant kompyuterining ishlash tamoyili

Kvant algoritmlari bilan ishlaydigan hisoblash mashinalari klassik “birodarlaridan” superpozitsiya va chalkashlik kabi xususiyatlardan foydalangani tufayli ancha ustunlikka ega. Ular ikkilik sanoq bit-tranzistorlari oʻrniga oʻzaro bogʻlangan yagona tizimni tashkil etuvchi kvant bitlari bilan ishlaydi. Bu esa bitta kubitning holatini aniqlagan holda avtomatik ravishda qolganlarining holati toʻgʻrisida ham maʼlumot olishimizni bildiradi. Bu esa maʼlumotni qayta ishlashni sezilarli darajada tezlashtirishi va yangi hisoblash imkoniyatlariga erishish imkonini berishni anglatadi.

Kompyuter tarkibidagi kvant kubitlari superoʻtkazgichlar, kvant nuqtalari yoki boshqa usullar yordamida yaratilishi mumkin. Oddiy kompyuterlarda ikkilik kod ishlashini taʼminlaydigan tranzistorlardan farq qilgan holda kvant kompyuterlarida kubitlardan tashkil topgan ventil (joʻmrak) muhim rol oʻynaydi. Bir yoki ikkita kubit bilan ishlaydigan ventillar, shuningdek, turli xil vazifalarni bajarish imkonini beradigan ventillar toʻplamlari mavjud.

Kvant hisoblash mavzusi bilan tanish boʻlmagan kishida: “Xoʻsh, bu bizga tanish ish stoli, oyna va tugmalarga ega kompyuterga oʻxshaydimi?” — degan savol paydo boʻlishi mumkin. Yoʻq, bizga tanish oddiy dasturiy taʼminot kvant kompyuterlarida ishlashga umuman mos kelmaydi. Ularga imkoniyatlaridan toʻliq foydalanishni taʼminlaydigan maxsus dasturlar va operatsion tizim kerak.

Kvant kompyuterining keng qoʻllanishiga toʻsqinlik qilayotgan yana bir muammo — dekogerensiya. Zarrachalar odatdagi tashqi sharoitda oʻz xususiyatlarini osongina yoʻqotadi va bu hisoblash jarayonini buzadi. Atrof-muhit haroratining oʻzgarishi vazifalarning bajarilishiga xavf soladi, shuning uchun olim va muhandislar kompyuterlarni tashqi dunyodan ajratishga majburdir. Hozircha buning uchun kuchli sovutishdan foydalaniladi: hech bir narsa zarrachalarni superpozitsiyadan chiqarib yubormasligi uchun tizim ichidagi harorat sunʼiy ravishda mutlaq nolga tushiriladi.

Bunday “sovutkich” — suyuq azot yoki magnit maydon taʼsiriga asoslangan ulkan, umuman harakatsiz tizim. Ammo klassik kompyuter ham butun boshli xonalarni egallagan mashinalardan tortib yengil zamonaviy noutbuklargacha boʻlgan evolyutsiyani boshidan kechirgan. Olimlar kvant kompyuterlarini takomillashtirishni davom ettirmoqda, shunday ekan ular yanada ixcham va oddiy boʻlishi ehtimoldan yiroq emas.

Koʻpgina oddiy foydalanuvchilar kvant mashinalaridan hozirgi rivojlanish bosqichida foydalana olmaydi. Shu sababli bu texnologiyalarni ishlab chiqish bilan shugʻullanayotgan korporatsiyalar kvant hisoblashlarni bulutda amalga oshirish imkoniyatini taklif qilmoqda. Bunday xizmatlarni Microsoft taklif qilyapti.

Keyin nima boʻladi?

Olimlarning barcha saʼy-harakatlari, kashfiyotlar, qozonilgan yutuqlarga qaramay, kvant hisoblash hali ham ommabop variant boʻla olmadi. Bu koʻproq qiziqarli texnologik yangilik boʻlib, uning asosiy salohiyati kelajakda namoyon boʻladi. Ammo kun sayin kelajak tobora yaqinlashib kelmoqda. Masalan, Rossiya Fanlar akademiyasining Sibir boʻlimidagi A.V.Rjanov nomidagi yarimoʻtkazgichlar fizikasi instituti direktori Aleksandr Vasilyevich Latishevning fikriga koʻra, qattiq tanali yarimoʻtkazgich qurilmalarga oʻtish kvant hisoblashni ekzotikadan samarali vositaga aylantiradi.

Superoʻtkazgichlarda ishlaydigan kvant kompyuterlari maxsus harorat sharoitlariga, murakkab va noqulay boshqaruv tizimlariga muhtoj. Aleksandr Vasilyevichning soʻzlariga koʻra, hozirgi vaqtda mikroelektronika qattiq tanali nanofotonika bilan tobora birlashib bormoqda.

Nanofotonika — fotonlarning nanometrli obyektlar bilan oʻzaro taʼsiri natijasida yuzaga keladigan fizik hodisalarni oʻrganadigan faol rivojlanayotgan fan. Bu fanning amaliy jihati qattiq tanali va organik lazerlarni ishlab chiqish bilan bogʻliq.

Yarimoʻtkazgichlar fizikasi institutida kvant hisoblashlar bazasini yaratish borasida ishlar olib borilmoqda. Masalan, bu yerda kvant kompyuterining kubitlari sifatida sovutilgan yakka atomlar ishlatiladi. Rubidiy atomi bilan muvaffaqiyatli tajribalar oʻtkazishga erishilgan.

Asta-sekin kvant kompyuterlarini ishlab chiqishning yangi variantlari rivojlanmoqda, olimlar kamroq harajatlar bilan yuqori quvvatli mashinalarga erishish yoʻllarini qidirmoqda. Kelajakda “ommaga” chiqarish uchun kvant mashinasini yaratishni soddalashtirish va uni arzonlashtirish imkoni tugʻiladi.

Xulosa oʻrnida

Kvant hisoblash — fan va texnikada inqilob yaratishga qodir boʻlgan istiqbolli texnologiya. Juda koʻp sonli soʻrovlarni bir vaqtning oʻzida yuqori tezlikda qayta ishlay oladigan kompyuter 1990-yillardayoq fantastika boʻlmay qolgandi, ammo haligacha keng tarqalgan ish vositasi emas, balki hamma ham foydalana olmaydigan ekzotikaligicha qolmoqda. Dunyo boʻylab tadqiqotchi va texnik mutaxassislar kvant kompyuterlarining yangi modellarini yaratishda davom etmoqda, texnologiyalarni takomillashtirmoqda, kubitlar soni, hisoblash quvvati va aniqligini oshirmoqda.

Sycamore kompyuteri tomonidan erishilgan kvant ustunligi bu jarayonni toʻxtata olmadi: kvant hisoblashlardan kengroq auditoriya foydalana olishi kerak. Bugungi kunda baʼzi yirik texnologiya kompaniyalari ularni “bulutda” oʻtkazish imkoniyatini taklif qilmoqda, ammo bu hali barcha imkoniyat degani emas.

Kvant kompyuteridan quyidagi vazifalarni bajarishda foydalanish mumkin:

• murakkab shifrlarni tezda buzish;

• iqlim oʻzgarishi, Yer aholisi sonining oʻsishi va boshqalar kabi koʻp omillarga bogʻliq boʻlgan hodisalarni prognozlash;

• yangi yuqori samarali dorilarni yaratishda molekulalarni modellashtirish;

• sunʼiy intellekt texnologiyalarini ishlab chiqish va sifatli takomillashtirish.

Hozircha kvant kompyuterining foydalari haqidagi munozaralar taxminiy xarakterga ega, ammo kelajakda bunday texnikadan kengroq auditoriyaning foydalanish imkoniyati tobora ortib boradi.

“Nazariy jihatdan hammasi juda ajoyib, lekin nozik tomonlari yoʻqmi?” — deb soʻrashi mumkin xeyterlar. Albatta, kvant kompyuterining kamchilik va muammolari ham yetarli. Ular orasida:

• hozirgi rivojlanish bosqichidagi juda yuqori narx. Kvant kompyuterini qurish va uning ishlashini taʼminlash faqatgina yetarli resurslarga ega gigant texnologik kompaniyalarning qoʻlidan keladi.

• Energiya isteʼmoli va sovutish. Kubitli kompyuter ishlashi uchun juda koʻp energiya talab qilinadi, shuningdek, hisoblash jarayonida u juda qizib ketadi. Mashinaning ishlashini taʼminlaydigan sovutish tizimlari juda qimmat, katta hajmli va murakkab.

• Dasturlashdagi qiyinchiliklar. Ilovalar bir nechta kvant protsessorlari oʻrtasida taqsimlanadi va ularning muvofiqlashtirilgan holda ishlashini taʼminlash kerak, aks holda ish unumdorligi kutilganidan past boʻladi. Bu uzoq va murakkab jarayon.

• Mutaxassislar yetishmasligi. Kvant hisoblash texnologiyasi nisbatan yangi va koʻpchilik foydalanuvchilar undan foydalanish imkoniyatiga ega emas. Kvant kompyuterida yaxshi natija olish uchun odamlar uzoq vaqt oʻqishi kerak.

Ammo bu muammolar taraqqiyotni toʻxtata olmaydi: kvant informatika sohasidagi tadqiqot va ishlanmalar faol rivojlanishda davom etmoqda. Shuning uchun bugungi kundayoq texnologiyaning kelajagi haqida optimistik prognoz qilish mumkin.

Manba: Что такое квантовый компьютер: 100500 задач за одну секунду