Kuznez

Lenta Квантовый ликбез

Время от времени исследовательские центры сообщают о теоретических и практических успехах на пути к созданию квантового компьютера. Считая это чрезвычайно интересной темой, Лента.ру старается освещать основные достижения в данной области. Эта неделя выдалась особо богатой на квантовые новости. Некоторые из них мы описали, а потом, засомневавшись, понятны ли наши заметки читателям-неспециалистам, остальные отложили и попытались вместо того составить небольшой квантовый ликбез.
Что такое квант и зачем он нужен

Микромир - атомы, электроны, фотоны и другие частицы - живет по особым законам. Там не просто все очень маленькое, там все совсем другое, и многие явления микромира не имеют аналогов в привычном нам макромире, из-за чего кажутся фантастическими.
В классической физике величины могут изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые значения. Физика микромира дискретна: у величин есть ряд фиксированных значений, которые они могут принимать. Если пытаться вообразить такую ситуацию в макромире, то можно представить, например, что предметы имеют температуру, которая выражается только целым числом градусов. То есть 10, 20, 31, 36 градусов - может быть, а вот 36,6 - просто невозможно. Нагревать и охлаждать предметы можно, но при этом температура будет скакать туда-сюда сразу на градус. Примерно таким свойством обладают многие характеристики микромира.
В частности, энергия электромагнитного поля излучается только в виде дискретных неделимых порций. Вот такая порция и называется квантом. Предположение о существовании квантов сделал в 1900-1901 годах Макс Планк, положив тем самым начало квантовой теории, квантовой механике и еще много чему с прилагательным квантовый - в том числе и компьютерам.
Другим удивительным свойством фотонов, электронов и иных частиц является то, что они могут проявлять свойства как частиц, так и волн (поэтому мы можем говорить и о том, что свет - это электромагнитная волна, и о частицах света - фотонах). Для математического описания квантового мира физики используют волновые функции, однако в нашем простом комментарии мы их касаться не будем.
Частицы-волны обладают недоступной для макрообъектов способностью "находиться в нескольких местах одновременно". Говоря точнее, описать местонахождение не наблюдаемой непосредственно частицы в некотором месте можно только с некоторой вероятностью.
На наблюдения и измерения в микромире тоже есть существенное ограничение: принцип неопределенности Гейзенберга . Чтобы избежать определения "произведение стандартных отклонений измерений двух сопряженных переменных состояния не может быть меньше константы", популярно его обычно объясняют так: нельзя точно измерить одновременно скорость и координаты частиц. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше будет ошибка в измерении координат, и наоборот.
Пока мы объекты не измеряем, они ведут себя и того хуже. Если квантовая система может находиться в нескольких состояниях и неизвестно, в каком именно она находится, то говорят о суперпозиции состояний. Можно говорить, что неизвестно, в каком состоянии находится система, или что она находится в нескольких состояниях одновременно, это вопрос интерпретации. В любом случае при измерении система выбирает одно из состояний.
Известным наглядным примером является мысленный эксперимент, называемый "кот Шредингера": в закрытый ящик помещены живой кот, емкость с ядовитым газом и радиоактивное ядро. Если ядро распадается, оно приводит в действие механизм, который открывает емкость с газом и тем самым убивает кота. Вероятность того, что ядро распадется за час, - 50 процентов. Через час кот в ящике жив с вероятностью 50 процентов. С точки зрения квантовой механики, пока ящик закрыт, кот находится в суперпозиции двух состояний (то ли жив, то ли мертв; и жив, и мертв; ни жив ни мертв - как угодно). В тот момент, когда наблюдатель открывает ящик, он видит, жив кот или мертв.
Наконец, еще одно важное для нас явление - квантовая запутанность (entanglement), она же спутанность, сцепление, иногда связанность. О запутанности говорят, когда состояние двух (или более) квантовых систем должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если сами системы разнесены в пространстве. Соответственно, физические свойства каждой из систем связаны с физическими свойствами другой, при том что они могут находиться не рядом и ничем не соединяться.
Если две запутанные системы находится в суперпозиции состояний, то, измерив состояние одной, можно узнать состояние другой. Например, можно запутать два атома, спин (определенная квантовая характеристика) одного из которых будет направлен вверх, а другого - вниз, причем мы не будем знать, у какого атома какой спин. Но измерив спин одного атома, мы тут же узнаем и спин другого, даже если они разнесены в пространстве. Недавно физикам удалось запутать атомы на расстоянии метра друг от друга.
Все эти и многие другие особенности микромира и позволяют построить квантовый компьютер.
Как из этого сделать компьютер

Ученые быстро поняли, что рассчитывать напрямую состояние изменяющихся квантовых систем чрезвычайно сложно. Представим себе, что у нас есть система из 30 электронов в ограниченном пространстве, мы знаем все параметры, какие только можем знать, и хотим предсказать, как будет вести себя система в будущем (грубо говоря, какой электрон куда переместится).
Даже имея в своем распоряжении суперкомпьютер, в оперативной памяти которого больше битов, чем атомов в видимой области Вселенной, мы не сможем просчитать будущее системы. Между тем мы можем его выяснить, просто поставив эксперимент (разумеется, одно из возможных - но мы ведь можем поставить эксперимент несколько раз).
В 1980 году советский математик Юрий Манин задумался: а нельзя ли посмотреть на задачу с другой стороны и, раз квантовая система может то, чего не могут наши компьютеры, использовать эти ее возможности с пользой, а именно - заставить ее производить вычисления? Эту идею поддержали физики, в частности, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман.
В 90-е годы были найдены конкретные приложения для теоретической квантовой мощи (см. ниже), а в 2001 - создан первый прототип квантового компьютера.
Как устроен квантовый компьютер

В обычном компьютере информация хранится в битах, которые принимают значения 0 или 1. Ячейками памяти управляет логический вентиль, выполняющий элементарные логические операции.
Ячейкой хранения информации в квантовом компьютере является квантовый бит (quantum bit, qubit) или кубит. Это квантовая частица, которая может иметь два состояния (одно принимается за 0, другое - за 1). Физически кубит может быть устроен по-разному: это может быть атом, имеющий два энергетических состояния (чаще используется квантовая точка, или искусственный атом: маленький фрагмент проводника или полупроводника), атомное ядро или электрон, имеющий два возможных значения спина - вниз и вверх, сверхпроводящее кольцо, в котором ток может течь в двух направлениях, и т.п.
N кубит (по данным словарей, надо говорить пять бит, но много битов, логично склонять кубит так же) могут, как и N бит, иметь 2N возможных состояний, однако принципиальное отличие состоит в том, что кубиты могут находиться в суперпозиции этих состояний и быть при этом запутанными между собой. Это значит, что система из нескольких кубитов (квантовый регистр) находится в каждом из состояний с некоторой вероятностью, а самое главное, это значит, что за счет запутанности можно изменить сразу все 2N состояний. В классическом компьютере такая операция потребовала бы 2N шагов. Это обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений, и именно это является основой мощности квантовых компьютеров.
В классическом компьютере за один такт процессор может изменить одно состояние, которое хранят N бит памяти. В квантовом компьютере за один такт можно изменить N кубит, которые находятся в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, а следовательно, все 2N базовых состояний. Таким образом, квантовый компьютер отчасти является не цифровым, а аналоговым устройством.
Что могут квантовые компьютеры

Пока что самое сложное действие, доступное реально существующим квантовым компьютерам: разработке IBM 2001 года и двум недавним разработкам - это разложение числа 15 на простые множители. Но потенциально они могут гораздо больше.
Первый алгоритм для квантовых компьютеров - разложение числа на простые множители - был разработан в 1994 году Питером Шором. Эту задачу умеют решать и классические компьютеры, но времени они на это требуют неизмеримо больше (квантовые же справляются с разложением за время, полиномиальное от раскладываемого числа).
Алгоритм Шора имеет большое значение для современной криптографии. Если удастся создать достаточно мощные квантовые компьютеры, то часть использующихся систем шифрования с открытым ключом (например, RSA) станет уязвима для взлома: для подбора тайного ключа необходимо разложить открытый на простые множители. При достаточно длинном ключе даже современным суперкомпьютерам на это нужны сотни лет, а вот перед квантовыми он не устоит.
Разрабатываются и применения квантовых компьютеров для противоположной задачи: не взлома, а усиления защиты информации.
Еще одним известным алгоритмом является алгоритм Гровера: алгоритм поиска в неструктурированной базе данных.
Итак, квантовый компьютер - это вычислительное устройство, работа которого строится на квантовомеханических эффектах, в частности, на принципе квантовой запутанности, позволяющем реализовать параллелизм вычислений.
Некоторые специалисты сравнивают современное состояние квантовых информационных технологий с уровнем развития классических компьютеров в 1950-е годы, то есть разработчикам квантовых компьютеров предстоит решить еще много теоретических и практических проблем. Есть и мнение, что мощный работающий квантовый компьютер никогда не будет создан. Но даже в этом случае исследования в этом направлении могут привести к неожиданным полезным открытиям, а значит, должны и будут продолжаться.
Александр Бердичевский
http://lenta.ru/articles/2007/09/28/quantum/

__________________
Достоевский считал, что атеизм - болезнь жидовская, что он противен русскому народу.

Kuznez

Ученые создали устройство, которое позволит передавать мысли на расстояние. Но таинственная телепатия тут ни при чем. Устройство под названием "мысленная печатающая машинка" (mental typewriter) произвело фурор на недавней выставке новых разработок в области электроники в Ганновере.
Команда разработчиков из Института компьютерной архитектуры и программного обеспечения Фраунхофера и врачи клиники "Шарите" (Берлин) во главе с профессорами Клаусом-Робертом Мюллером и Габриелем Курио много лет разрабатывают систему Brain Computer Interface. Они уверены, что управляемый мыслью компьютер даст людям, лишенным радости движения, возможность не терять связь с внешним миром и обслуживать себя самостоятельно.
Даже если в результате травмы или заболевания человек полностью парализован, его мозг продолжает работать. Воспринимая информацию, он вырабатывает электромагнитные сигналы, которые можно зафиксировать. Это и положено в основу устройства, продемонстрированного на выставке. На голове человека закрепляют 128 датчиков. Перед ним монитор, на котором две группы букв - справа и слева.
Он выбирает ту или иную, а специальная программа отфильтровывает электрические сигналы, возникающие при выборе. Выбранная группа букв остается, вторую компьютер с экрана снимает. Постепенно группы букв становятся все меньше, пока оператор мысленно не подводит курсор к нужной букве. Она сносится в специально отведенную строку. Для набора короткой фразы требуется от 5 до 10 минут. Система самообучается и идентифицирует "палитры" сигналов для каждого человека индивидуально.
Аналогичные работы идут в США и России. Группа разработчиков из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН под руководством заведующего лабораторией физиологии сенсорных систем академика Игоря Шевелева практически одновременно с немецкими коллегами получила тот же результат: их испытуемые уже набирают при помощи мысли слова из трех-четырех букв. Работа выполняется на средства отечественной инновационной фирмы.
- В таких устройствах могут использоваться три разных процесса, - пояснил "Известиям" академик Игорь Шевелев. - Это так называемая волна Р300, которая возникает в головном мозге, когда человек видит значимый для него стимул. К примеру, на мониторе изображена клавиатура компьютера, в которой поочередно высвечиваются столбцы. Когда высвечивается тот, в котором есть задуманная буква, в мозгу возникает более заметная волна. Компьютерная программа мгновенно фиксирует и обрабатывает ее. Немцы используют принцип мю-ритма, который возникает не в зрительных, а в двигательных центрах коры головного мозга, когда человек думает о необходимом движении, например, о повороте стрелки или перемещении курсора. И наконец, можно использовать так называемый адаптивный интерфейс, когда человек задумывает определенное состояние или образ. Мы исследуем все три подхода.
Пока после получасового обучения испытуемые в ИВНД РАН тратят на набор слова около 20 минут, хотя в нашей разработке используется всего 40 датчиков. Но уже в ближайшее время ученые смогут ускорить этот процесс в 8 раз, для набора будет требоваться 2,5-3 минуты.

http://www.artkis.ru/science_tele.html

__________________
Достоевский считал, что атеизм - болезнь жидовская, что он противен русскому народу.

А.Лексей

Выше -- новая религия -- квантовая физика в изложении Кузнеца и т.п. :-)

================================================== =

> микромиру присуща дискретность
= чушь собачья. Дискретность возникает как решение (матожидание значений энергии) уравнения для НЕПРЕРЫВНОЙ величины, и то не всегда. Там, где есть финитность движения, или периодическое внешнее воздействие... Т.е. кажущаяся "дискретность" -- лишь ПРИБЛИЖЁННОЕ и УСРЕДНЁННОЕ за большое время ...
= К примеру, если десантник такой-то массы бежит по СТЕНАМ двухметрового заминированного коридора, топая с ОПРЕДЕЛЁННОЙ ЧАСТОТОЙ, то значит ли это, что движениям десантника ПРИСУЩА дискретность?! Просто ему так удобно как следствие оптимальных условий бега...

= Предположение Планка есть удобный математический приём, аналогичный разложению произвольной периодической функции в ряд Фурье.

= "Волночастицы" подобны (да простит меня мой учитель за столь вольную интерпретацию) амёбе: форма обширная, объём (фазовый) постоянный... В классической механике тоже есть аналогичные теоремы для недиссипативных систем.

>состояние двух (или более) квантовых систем должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если сами системы разнесены в пространстве.
= Это верно, это ещё называется самосогласованность, полнота описания, замыкание системы уравнений.

>Соответственно, физические свойства каждой из систем связаны с физическими свойствами другой, при том что они могут находиться не рядом и НИЧЕМ не соединяться
= Как только журналист позволил себе собственную мысль, так сразу и ошибся... НИЧЕМ не бывает, противоречит ПРЕДЫДУЩЕМУ тезису. ЧЕМ-ТО, хуz знает чем, соединяются, ибо в единой Вселенной.

>Если две запутанные системы находится в суперпозиции состояний, то, измерив состояние одной, можно узнать состояние другой.
= Чушь собачья, кто это писал?! Всё как раз наоборот, воздействие на одну изменяет состояние другой.
= А те чуваки дождались как раз ПРОТИВОПОЛОЖНОГО -- пока атомы были близки, коррелированность (из-за "спутанности", точнее, согласованности) основных параметров была высока, а когда дождались расхождения, то бесстрашно воздействовали на один из них измерительными приборами и узнали ОДИН из сопряжённых параметров, почти никак не повлияв на ДРУГОЙ атом. А потом можно измерить у ДРУГОГО атома ДРУГОЙ из сопряжённых параметров и отсюда сделать заключение о значении ОБОИХ параметров у ОБОИХ атомов.

А соотношение Гайзенберга нуждается в уточнении , сделанном д.ф.-м.н. Е.Косаревым. Грубо говоря, длительность измерения или измерения у большого количества "спутанных" частиц позволяют уменьшить неопределённости параметров во МНОГО РАЗ по сравнению с тем, что видно у Гайзенберга.

>квантовый компьютер отчасти является не цифровым, а аналоговым устройством.
= Давайте уточним: квантовый компьютер является вовсе не цифровым, а аналоговым вероятностным устройством.
= Это как для вычисления числа пи бросать иголку на параллельные линии, или бросать игральный кубик для деления 6000000 на шесть :-) . Это дешевле :-) Спасибо Ричарду Фейнману за нащше счастливое детство : несколькими десятками боеголовок у Пентагона стало меньше, деньги пошли господам Шору, Брассарду, Эккерту, астрологам тож.

------------------

В статье забыли упомянуть, что алгоритм Шора тебует хотя и полиноминального количества ТАКТОВ вычислений, но ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНО БОЛЬШОЙ ПАМЯТИ :-) :-) Флаг им всем в руки.

Мой букет цветов на могилу уважаемого товарища Фейнмана, миротворца и гуманиста.

---------------------

Всё "новое на Западе" -- хорошо забИтое в России.

У меня есть стопка журнала "Изобретатель и рационализатор" 20-, 30-, 40-, 50- летней давности. Так вот, уже в 70-е гг. такие штучки в СССР "силой мысли" (точнее, полями нервной деятельности человека) управляли техническими устройствами. Разработка шла не столько по оборонной теме, сколько по медицинской (для создания протезов и автоматических систем жизнеобеспечения) и аэрокосмической (для комфорта, безопасности, быстродействия) и для операторов сложных производств. От простейшего варианта -- неподвижная девочка управляет игрушечным паровозиком на столе, до "улавливателя эмоций, желаний и направления мыслей" пациента.

Kuznez

А.Лексей!
Ладно, не будем о квантах, мезонах, протонах и т.д.
Из ваших «комментах» видна неимоверная обида на всё научное сообщество в мире.
Кто вас обидел? фамилия должность, учёная степень человека или группы лиц.
Намекните хотя бы на свою гениальную работу, за которую вас обидели.
Что вы предлагаете?
Первый телевизор я собрал в 7классе 1970, а радиоэлектроникой занимаюсь с 5 класса.
Мне скоро будет 52 года, за это время я прошёл большой путь в электроники.
Так что не стесняйтесь, вашу отвергнутую работу, на стол!

__________________
Достоевский считал, что атеизм - болезнь жидовская, что он противен русскому народу.

Kuznez

"Евразийцы" взяли ответственность за атаку сайта Ющенко

29.10.2007 03:21 | lenta.ru
Активисты радикальной организации "Евразийский союз молодежи" (ЕСМ) объявили об интернет-атаке на сайт президента Украины Виктора Ющенко.

Как сообщается в ЖЖ-сообществе "евразийцев", официальный ресурс украинского президента атакован в ответ на аналогичную атаку сайта ЕСМ, который не работает в течение суток. По словам лидера ЕСМ Валерия Коровина, диверсия против сайта союза, осуществляемая с территории Украины, не носит случайный характер и является массовой и централизованной.

Официальный сайт президента Украины - www.president.gov.ua - действительно не доступен с вечера воскресенья или работает с серьезными затруднениями. В то же время сайт ЕСМ - www.rossia3.ru - доступен.

"Евразийский союз молодежи" заявляет, что сайт Ющенко не будет работать до тех пор, пока не будет прекращена атака официального ресурса ЕСМ.
http://www.rambler.ru/news/it/0/11483260.html

__________________
Достоевский считал, что атеизм - болезнь жидовская, что он противен русскому народу.