Квант компьютер

20-р зууны эхэн үед бүхий л материйг бүрдүүлэгч атом, бөөмсийн бичил орчинд сонгодог физикийн хуультай зөрчилдөх нэгэн онол гарч ирсэн нь квант физикийн онол байв. Энэ чиглэлээр голлож яригдах хүн бол Нилс Боор юм.

Боорын сонирхлыг бөөм буюу материйн хамгийн жижиг нэгжид тооцогдох электроны шинж чанар ихээхэн татах болов. Энэхүү шинж чанарыг хос нүхний туршилтаар харж болно.

Бөөм долгионы хоёрдмол байдлыг харуулсан хос нүхний туршилт

• Эхний туршилтаар бөөмсийг хос нүхээр гарахад арын дэлгэцэнд эмх замбараагүй байрлана.
• Хоёр дахь туршилтаар долгионыг хос нүхээр гаргахад гарсан давлагаа нь хоорондоо мөргөлдөх эргэж нэгдэх гэх мэтээр дэлгэц дээр босоо шугамуудыг үүсгэнэ. Байгаль дээр усны давлагаагаар төсөөлж болно.
• Гурав дахь туршилтаар электроныг хос нүхээр гаргахад дэлгэц дээр долгионтой адил босоо судлуудыг үүсгэж байна. Бидний бөөм гэж бодож байсан электрон яагаад долгионы шинж чанарыг үзүүлэв. Улмаар физикч Макс Борн долгионы шинж чанарыг илэрхийлэх Шредингерийн тэгшитгэлд тулгуурлан цоо шинэ тайлбар хийжээ. Дэлгэц дээр долгион мэт ул мөр үүсгэсэн зүйл бол бөөм ч бус, долгион ч бус, физикийн шинжлэх ухаанд огт байгаагүй цоо шинэ зүйл буюу магадлалын долгион хэмээн нотолжээ. Энэ нь электрон оршин байх магадлал өндөртэй дэлгэцийн хэсэгт долгионы ул мөр тод байна гэсэн үг. Өөрөөр хэлбэл электроны тоо, байрлал бус түүний оршин байх магадлалын тухай яриа юм. Электрон хаана ч байж болно.
• Сүүлийн туршилт хамгийн сонирхолтой нь. Хэрвээ гурав дахь туршилт дээр нэмээд тухайн электроныг ажиглах үйл явц хийснээр электрон нь бөөмийн шинж чанарыг үзүүлж эхний туршилттай ижилхэн үр дүн үзүүлэв. Нилс Боорын үзсэнээр бөөмийг ажиглаж, түүний байрлалыг хэмжих үед түүнээс бусад байрлалд байх магадлал үгүй болж, бөөм ажигласан байрлалд тодорхойлогдоно. Өөрөөр хэлбэл магадлал төдий байсан бөөмийн байрлалыг ажиглах, хэмжих гэсэн үйлдэл шийднэ. Яагаад ажиглах буюу харж байгаа эсэхээс хамааран материйн төлөв байдал өөрчлөгдөнө вэ. Мэргэжлийн үүднээс хэрвээ электроныг бөмбөг гэвэл ажиглахын тулд гэрэл тусгаж ойсон гэрлийг бид харна гэсэн үг. Гэвч электрон маш жижиг буюу тусгаж буй гэрлийн фотонтой бараг ижил хэмжээтэй тул гэрлийн үйлчлэл нь электроны байрлал болон шинж чанарыг тодорхойлж байна. Гэвч энэ нь асуултын бүрэн хариулт болж чадахгүй. Гэрлийн бөөм юуны учир ажиглахыг хүссэн бөөмийн чиглэлийг өөрчлөхгүй байна вэ, юуны учир бөөмийн шинж чанарыг өөрчлөхөд хүргэнэ вэ. Шуудхан хэлэхэд шалтгаан нь тодорхойгүй. Тодорхойгүй байдал бол квант механикийн үндсэн нууц юм

Квантын superposition
Дээр дурдсанчлан электроны олон байрлалд нэгэн зэрэг байж болох магадлалаар Superposition гэсэн ойлголтыг тайлбарлана. Энэ нь электроны эргэлтийн өнцөгт хүртэл адилхан үйлчилнэ. Эргэлтийг хэмжих хүртэл электроны эргэлтийн өнцөг бүх чиглэлд байна. Харин эргэлтийг хэмжихэд хэмжилт хийсэн чиглэлд эсвэл эсрэг чиглэлд хэмжигдэнэ. Үүнийг энгийнээр “Шредингерийн муур”-ны жишээгээр тайлбарлая.

Хэрэв 50% хувийн үхэх магадлалтай хорыг мууртай цуг хайрцагт хийе. Гадна талаас ажиглагчийн зүгээс хайрцгийг онгойлгож үзэхгүйгээр муурыг үхсэн эсвэл амьд гэдгийг мэдэх боломжгүй. Хайрцгийг онгойлгож үзээгүй энэ үед муур superposition төлөвт (үхсэн болон амьд гэсэн төлөвт нэгэн зэрэг) байна гэж үзжээ. Харин хайрцгийг онгойлгож үзэх үед үхсэн эсвэл амьд гэсэн төлөвийн аль нэгт нь тодорхойлогдоно.

Квантын орооцолдон (Quantum entanglement)
Квантын тооцооллийг хийх бас нэг хөшүүрэг бол квантын орооцолдон хэмээх зүйл.
Зөв аргаар хооронд нь холбосон A болон B гэсэн электрон байна гэж үзвэл тэдгээр электроны эргэлтийн чиглэл нь автоматаар орооцолдоно. Юу гэхээр А электроныг баруун тийш эргүүлэхэд түүнтэй зэрэгцэн B электрон зүүн тийш харсан гэдгийг төвөггүй мэднэ. Хоёр электроны эргэлтийн чиглэл нь харилцан эсрэг чиглэлд байна.

Хамгийн сонирхолтой нь энэхүү орооцолдоны үйлчлэл нь A болон B электроны хоорондын зайнаас үл хамааран яг нэгэн зэрэг болно. Бүр A электрон дэлхий дээр B электрон хэдэн сая гэрлийн жилийн цаана байсан ч ямар ч хугацааны алдагдалгүй харилцан эсрэг чиглэлд эргэнэ. Гэрлийн хурднаас илүү хурд байхгүй гэсэн Эйнштейний онолтой зөрчилдсөн энэ үзэгдэл нь бидний цаг хугацаа орон зайн талаар мэдрэмжид эргэлзээ үүсгэхэд хүргэв. Яагаад гэдгийг хэн ч мэдэхгүй, харин квантын орооцолдоон үнэхээр байдаг нь л үнэн.

Бөөмийн энэхүү олон төлөвт нэгэн зэрэг байж болох шинж чанар(quantum superposition) мөн квантын орооцолдоныг (quantum entanglement) ашиглан квантын компьютер буюу квантын тооцооллыг хийх санаа гарчээ.

Qubit
Ердийн компьютер мэдээллийг илэрхийлэх хамгийн бага нэгж bit байдаг бол квант компьютер нь мэдээллийг qubit ээр илэрхийлдэг. Эгэл бөөмс болох фотон, электрон аль нь ч qubit байж болно. Ердийн компьютерын bit нь нэг цаг хугацаанд 0 эсвэл 1 гэсэн төлөвийн аль нэгт байж чадна. Харин qubit нь 0 болон 1 гэсэн төлөвт нэгэн зэрэг(superposition) байж чадна.

Уламжлалт Bit болон Qubit (квантын бит).

Уламжлалт компьютер дээр мэдээллийг bit-д 1 эсвэл 0 гэсэн тодорхой утгатайгаар хадгалдаг. Bit ийн утгыг шалгахад утга нь өөрчлөгдөхгүй. Тэгвэл qubit нь bit шиг утгыг шууд илэрхийлдэггүй, түүний оронд 1 болон 0 байх магадлалыг агуулдаг. Үүнийг квантын superposition төлөв гэнэ. Сонин санагдаж магадгүй. Дээр дурдсан хос нүхний туршилт дээр электроныг хэмжих үйлдэл хийхгүй бол магадлалын долгион гэх босоо шугамуудыг харуулж байсныг санаарай. Үүнтэй адил хэрэв qubit ямар утга агуулж байгааг хэмжих юм бол superposition төлөв үгүй болж тухайн үед хэмжсэн утган дээр үлдэнэ. Тиймээс квантын компьютерт тооцооллыг qubit утгыг магадлалаар хэмжинэ.

2 qubit-нь бидэнд 4 өөр тоог хэлж чадна. 3 qubit нь 8(2³) өөр төлөвийг нэгэн зэрэг илэрхийлж чадна. Гэх мэтчилэн N qubit нь 2^n ширхэг төлөвийг нэгэн зэрэг агуулах боломжтой. Харин классик bit бол 2^n ширхэг төлөвөөс нэгийг нь л агуулна. Асар ялгаа байгаа биз. Жирийн компьютерт тооцоолол bit-ын утгыг өөрчлөх логик үйлдлүүдийг хийхдээ цахилгаан гүйдэл ашигладаг бол Квантын тооцоолол хийхдээ qubit/электроныг тодорхой маш бага хэмжээний цахилгаан соронзон долгион ашиглаж магадлалын төлөвийг өөрчилдөг.

Классик компьютерууд хурдан бас үр дүнтэй байгаа ч гэсэн зарим нэг асуудлыг шийдэхэд тийм ч сайн биш. Жишээлбэл том тооны байж болох бүхэл тоон үржигдэхүүнүүдийг олох гэх мэт энгийн компьютерын олон сар жил хийх тодорхой алгоритмуудыг асар хурдтай тооцоолж чадна. Квантын компьютер нь анхнаасаа классик компьютеруудын хийдэг энгийн үйлдлийг хийдэг байхыг зорилгоо болгоогүй. Энгийн компьютер тэдгээр энгийн үйлдлүүдийг хамаагүй өртөг багатайгаар хийх учир квантын компьютер гарснаар ердийн компьютерууд ажилгүй болно гэсэн үг биш. Мэдээж квантын компьютерыг бүтээх, илүү үр ашигтай ажиллуулахад маш их бэрхшээлүүд тулгарч байгаа. Qubit-ийг тогтвортой байлгахын тулд бараг ойролцоогоор абсолют тэг хэмийн температурт (-273 ⁰C)байлгах хэрэгтэй. Мөн гадны нөлөөнд амархан мэдрэмтгий гэх мэт бэрхшээл олон.

Амьдрал дээрх квант компьютерүүд
IBM анхны 5 qubit компьютерыг бүтээсэн бөгөөд 12 сарын дараагаар 17 qubit компьютер бүтээсэн бол саяхан 50 qubit болгосноо зарласан. Магадгүй квантын технологи Моорын хуулиар(2 жил тутам нэг чипдэх транзисторын тоо 2 дахин өснө) явбал удахгүй 100 qubit квант тооцоолуурыг үзэх байх. IBM-ийн энэхүү компьютер дээр та ч квантын алгоритмуудыг туршиж үзэж болно. Онлайнаар эсвэл python дээр хийсэн open source санг ашиглаж болно.

IBM ийн судалгааны ажилтан доктор Кэти Поли шинэ 17qubit квантын процессорыг туршиж байна

2015 оны 12 сард Nasa-аас хамгийн анхны бүрэн ажиллагаатай квантын компьютерыг 15 сая доллараар хийлгүүлснээ олон нийтэд зарласан билээ. Энэхүү компьютер нь Quantum annealing хэмээх ойлголт дээр тулгуурлаж хийсэн бөгөөд 512 qubit хүчин чадалтай. Nasa Ames-ийн судалгааны төв дээрх Google ийн байгуулсан Квант Хиймэл Оюуны лабораторид бүтээгдсэн энэ тооцоолуурыг Канадын D-Wave Systems-ээр хийлгүүлсэн байна.

D-Wave’s quantum optimizer (D-Wave Inc.

Томоохон технологийн акулууд болон зарим улс орны засгийн газар хүртэл энэ салбарт маш их хөрөнгө оруулалт хийж байна.

Ирээдүй

• Квантын тооцоолуурын их хэмжээний өгөгдөл дээр асар хурдан анализ хийх чадамжийг ашиглан Хиймэл Оюун(AI)-ы салбарт хувьсгал хийх боломжтой. Ингэснээр хүнтэй бараг ойролцоо хариу үйлдэл үзүүлдэг хиймэл оюун бүтээх боломжтой.
• Квантын тооцооллыг биологийн салбарт маш өргөн хүрээтэйгээр ашигласнаар мутац хэрхэн явагддагийг тайлбарлаж чадна.
• Бас нэг чухал шийдэх асуудал нь квант криптографи юм. Учир нь квантын компьютерыг ашиглан одоогийн бидний хэрэглэж байгаа нууцлалын алгоритмуудыг хялбархан хакдах боломжтой тул үүнд таарсан хамгаалалтын шинэ алгоритмуудыг хөгжүүлэх хэрэгтэй.
• Мөн хар салхи мэтийн байгалийн нарийн төвөгтэй асар олон хүчин зүйлээс хамаардаг үзэгдлийг урьдчилан хэлж тооцоолох боломжийг олгоно.
• Хятадын эрдэмтэд квантын төлөв бүхий фотоныг дэлхийгээс сансрын хөлөг дээрх өөр нэг фотонруу шилжүүлж чадсан нь квантын телепортац хийж болно гэсэн санаа.

Квант механик бол маш сонирхолтой шинжлэх ухааны cалбар бөгөөд одоогоор бидний энэхүү боломжийг ашиглаж буй байдал бол ердөө мөсөн уулын орой төдий юм. Квант механик нь бидний мэдэх бүх зүйлийг орвонгоор нь өөрчлөх бүрэн боломжтой.

Энэхүү нийтлэлээр та квантын тооцооллын талаар тодорхой хэмжээний ойлголттой болсон гэж найдаж байна :)