Кванттық компьютер деген не

Бүгінде технология күн санап дамып келеді, ал бұрын тек ғылыми фантастикада кездесетін ұғымдар шындыққа айналып жатыр. Солардың бірі – кванттық компьютер. Бұл – қазіргі ең қуатты дәстүрлі компьютерлер шеше алмайтын есептерді шешуге қабілетті есептеу құрылғысы. Ғалымдар мен инженерлер ғана емес, бизнес өкілдері де оның әлеуетіне үлкен қызығушылық танытуда. Зертханаларда, жоғары оқу орындарында және алпауыт компанияларда кванттық технологиялар белсенді түрде игерілуде. Дегенмен, бұл күрделі жүйенің нақты қалай жұмыс істейтінін көпшілік әлі толық түсіне бермейді. Осы мақалада біз кванттық компьютердің не екенін, оның ерекшеліктерін және қолдану мүмкіндіктерін қарастырамыз.

Кванттық есептеудің негіздері

Кванттық компьютердің басты айырмашылығы – дәстүрлі биттің орнына кубит қолдануында. Бұл тәсіл ақпаратты өңдеудің мүлдем жаңа жолын ашады. Кәдімгі бит тек 0 немесе 1 мәнінде бола алады, ал кубит бір мезгілде бірнеше күйде бола алады.

Кванттық физиканың есептеулерге негіз болатын қағидалары:

• суперпозиция кубитке бір уақытта бірнеше күйде болуға мүмкіндік береді;
• шиеленісу (энтэнглмент) бір кубиттің күйі өзгерсе, екінші кубитке де сол сәтте әсер ететінін білдіреді;
• интерференция арқылы дұрыс жауаптар күшейтіліп, қате нәтижелер басылады;
• өлшеу барысында кубиттің жағдайы классикалық мәнге ауысады;
• есептеулер нәтижесі – ықтималдықтарға негізделген, нақты әрі біржақты емес.

Осы қасиеттердің арқасында кванттық компьютерлер аса күрделі есептерді бұрын-соңды болмаған жылдамдықпен шешуге мүмкіндік береді.

Дәстүрлі компьютерден айырмашылығы

Кванттық құрылғылардың жұмыс істеу логикасы мен архитектурасы кәдімгі компьютерлерден түбегейлі ерекшеленеді. Төменде осы екі жүйенің негізгі айырмашылықтарын қарастырамыз.

Басты айырмашылықтар:

1. Кәдімгі компьютер ақпаратты тек 0 немесе 1 күйінде өңдейді. Әр бит бір уақытта тек бір мәнде бола алады.
2. Кванттық компьютерде қолданылатын кубиттер бірнеше күйде бір мезгілде бола алады. Бұл – параллель есептеулер жүргізуге зор мүмкіндік береді.
3. Дәстүрлі құрылғылардың нәтижесі нақты және өзгермейді. Кванттық жүйеде нәтиже ықтималдықтарға негізделген және нақты шешім алу үшін бірнеше қайталау қажет.
4. Обыкновенный процессор бөлме температурасында жұмыс істей алады, ал кубиттерге абсолюттік нөлге жақын температура қажет. Бұл құрылғыны жасау мен ұстауды айтарлықтай күрделендіреді.
5. Классикалық алгоритмдер кейбір есептерді мыңдаған жылда шығаратын болса, кванттық әдістер оны бірнеше минутта орындауы мүмкін.

Осы ерекшеліктері кванттық жүйені ерекше етеді және оны болашақта өте маңызды құралға айналдырады.

Қолдану салалары

Кванттық компьютерлер тек ғылыми ортада ғана емес, сонымен қатар түрлі салаларда да кеңінен қолданыла алады. Олар күрделі модельдеулер мен үлкен мәліметтерді өңдеу қажеттілігі туындаған жерлерде өте тиімді.

Кванттық технологиялар қолданылуы мүмкін салалар:

• ақпараттық қауіпсіздік пен криптография;
• биохимиялық процестер мен молекулаларды модельдеу;
• логистикалық жүйелерді оңтайландыру;
• үлкен деректер мен машиналық оқыту алгоритмдері;
• қаржылық тәуекелдер мен нарықтық үрдістерді болжау.

Мұндай жүйелер әсіресе ақпарат ағыны көп, дәлдік пен жылдамдық маңызды болған жағдайда таптырмас құрал бола алады.

Артықшылықтары мен қиындықтары

Кванттық есептеу жүйелері орасан зор мүмкіндіктерге ие болғанымен, оны жасау мен дамыту оңай емес. Әлі де көптеген техникалық және теориялық кедергілер бар.

Кванттық компьютердің артықшылықтары:

• күрделі алгоритмдерді өте жоғары жылдамдықпен орындау қабілеті;
• көп түрлі жағдайларды бір уақытта есепке алу мүмкіндігі;
• кейбір қателерге қарсы тұру үшін кванттық түзету әдістерін енгізу мүмкіндігі;
• жаңа есептеу модельдерін жүзеге асыру әлеуеті;
• мемлекеттер мен ірі компаниялардың қолдауы арқасында технологияның жедел дамуы.

Даму жолындағы қиындықтар:

1. Кубиттер сыртқы әсерге өте сезімтал. Тіпті ұсақ шудың өзі есептеу нәтижесіне айтарлықтай әсер етуі мүмкін.
2. Құрылғыларды жасау үшін аса суық орта мен ерекше материалдар қажет. Бұл – өндіріс пен пайдалану шығындарын арттырады.
3. Бағдарламалауда дәстүрлі тілдер жарамсыз. Кванттық логикаға бейімделген жаңа тілдер мен алгоритмдер керек.
4. Қазіргі кванттық компьютерлердің кубит саны шектеулі. Көптеген нақты есептерді шешуге әзірге қауқарсыз.
5. Қауіпсіздік тұрғысынан ескі криптографиялық жүйелер жарамсыз болуы мүмкін. Сол себепті қорғаныс саласы қайта қаралуы тиіс.

Бұл мәселелерді шешу уақыт пен бірлескен ғылыми ізденісті қажет етеді.

Кванттық компьютер – тек жаңа технология ғана емес, бүкіл есептеу тәсілін түбегейлі өзгертетін революция. Ол – кванттық физиканың негізінде жұмыс істейтін және сандық есептерді жаңа деңгейде шешуге мүмкіндік беретін жүйе. Қазіргі таңда бұл салада үлкен жетістіктерге жеткенімен, толық жетілген кванттық машиналар әлі жасалып бітпеген. Алдағы жылдары олар ғылым, медицина, экономика және қауіпсіздік салаларында үлкен серпіліс әкелуі мүмкін. Бүгіннен бастап бұл технологияны түсіну – ертеңгі мүмкіндіктерге дайын болудың алғашқы қадамы. Кванттық есептеулер – болашақтың емес, қазіргі дамып жатқан шындығы.