Нова комп'ютерна система буде поєднувати в собі переваги класичних і квантових обчислень

Новий вид комп'ютерної обчислювальної системи, що поєднує в собі всі переваги традиційних і квантових обчислень, може стати конкурентом квантових комп'ютерів, які так чи інакше з'являться в майбутньому і будуть мати обчислювальну потужність, у багато разів перевершує потужність сучасних комп'ютерів. Квантові комп'ютери у своїй роботі покладаються на химерні властивості атомів або інших фундаментальних частинок. Адже світ у квантовому масштабі, на рівні, де домінує квантова фізика, має нечітку структуру, наприклад, об'єкти можуть існувати одночасно в двох різних місцях або обертатися відразу в двох протилежних напрямках.

Новий вид комп'ютерних систем працює на частинках-бозонах. Ці системи дуже нагадують квантові комп'ютери, принципи функціонування яких кардинально відрізняється від традиційних комп'ютерів. Звичайні комп'ютери оперують даними, представленими як 1 і 0, які називаються бітами. Основою роботи квантових комп'ютерів є квантові біти, кубіти, які можуть мати значення, рівне відразу і 1 і 0, відоме як "суперпозиція". Такий стан речей дозволяє за допомогою одного квантового біта проводити одночасно два обчислення.

В принципі, завдяки своїм незвичайним можливостям, квантові комп'ютери можуть вирішувати певне коло завдань набагато швидше класичних комп'ютерів, завдяки тому, що вони можуть відразу розрахувати кожну можливу комбінацію. Квантовий комп'ютер з 300 кубітами може одночасно виконати таку кількість обчислень, яке можна порівняти з кількістю атомів у Всесвіті. Однак, збереження і підтримка кубітів, які перебувають у стані суперпозиції, є складним з технічної точки зору завданням, і це є основною причиною затримки появи надпотужних квантових суперкомп'ютерів вже сьогодні.

Тим не менш, різні наукові колективи продовжують працювати в напрямку квантових обчислень. І нещодавно, дві незалежні команди побудували новий вид обчислювального пристрою, який отримав назву комп'ютер на вибірках бозонів (бозона для цих-sampling computer), який для простоти надалі будемо називати бозонным комп'ютером. Вчені описали це як міст між традиційними і квантовими обчислювальними системами, хоча новий комп'ютер щосили користується принципами квантової фізики. Незважаючи на те, що бозонные комп'ютери будуть володіти меншою обчислювальною потужністю, ніж теоретичний верхня межа квантових комп'ютерів, вони будуть значно могутніша традиційних комп'ютерів при вирішенні завдань певного класу.

У бозонном комп'ютері не використовуються квантові біти, тому, що "таку технологію створити набагато простіше, ніж побудувати повномасштабний і повнофункціональний квантовий комп'ютер" - розповів Метью Брум (Matthew Broome), вчений в області квантової фізики з університету Квінсленда в Австралії. Фактично, бозонные комп'ютери є більш вузькоспеціалізованими видами квантових комп'ютерів, точніше, універсальних квантових комп'ютерів.

"Основна відмінність між бозонными і універсальними квантовими комп'ютерами - це те, що бозонные комп'ютери не можуть вирішити будь-яку задачу, яка "по зубах" квантовим комп'ютером" - розповідає Метью Брум. - "Але той вузький ряд завдань, який підвладний бозонному комп'ютера, занадто важкий для вирішення на звичайних комп'ютерах, тому бозонные комп'ютери можна розглядати як щось проміжне між звичайними і універсальними квантовими комп'ютерами".

Бозонные квантові комп'ютери працюють, використовуючи частинки-бозони. "У нашому випадку ми використовуємо фотони" - розповідає Ян Уолмслі (Ian Walmsley), фізик з Оксфордського університету, Англія. - "Фотони - це енергетичні пакети, з яких складається світ, і вони є одним з видів бозонів".

Брум і Уолмслі працювали в різних групах, кожна з яких розробляла власний бозонный комп'ютер, який базується на поняттях, описаних теоретиком-програмістом Скоттом Аэронсоном (Scott Aaronson) з Массачусетського технологічного інституту. Ці комп'ютери складаються з безлічі різних пристроїв, що дозволяють виробляти єдині фотони, пов'язувати їх в єдину мережу, де вони взаємодіючи один з одним, виробляють обчислювальні операції. А результат цих обчислень, закодований у характеристиках кінцевих фотонів, зчитується спеціальними чутливими датчиками.

Обчислювальні задачі, які здатний вирішувати бозонный комп'ютер, вельми специфічні і лежать далеко за межами можливостей звичайних комп'ютерних систем. Продуктивність, обчислювальна потужність, бозонних комп'ютерів залежить від числа бозонів або фотонів, що беруть участь в процесі обчислень. Команда Брума створила комп'ютер, що оперує трьома фотонами, а команда Уолмслі - чотирма фотонами.

Оскільки область створення бозонних комп'ютерів знаходиться ще в самому зародковому стані, ще важко навіть припустити, отримає подальше поширення дана технологія. Але, в будь-якому випадку, створення бозонного комп'ютера демонструє той факт, що використання принципів квантової механіки в обчисленнях дозволить створити високопродуктивні комп'ютерні системи. А бозонные комп'ютери, у яких над обчисленнями працюють по 20-30 фотонів одночасно, можуть мати таку обчислювальну потужність, порівняно з якою сумарна обчислювальна потужність всіх суперкомп'ютерів у світі буде здаватися дитячою іграшкою.