Анотація. Метою даного дослідження є обґрунтування перспективності використання квантових комп'ютерів на потребу сучасного суспільства. Так, у статті наведені тлумачення базових понять квантової механіки, відмічені основні недоліки та певні переваги використання квантових комп'ютерів для надшвидкого розв'язання суспільно значущих задач. Окрім того, наведено узагальнені відомості про успішні спроби у розробках квантових комп'ютерів, зокрема, компаніями IBM, Intel, Google, Microsoft, та відкритості хмарного доступу до них. У якості подальших напрямів дослідження розглядається розробка методики навчання квантовому програмуванню учнів старшої школи. Ключові слова: квантовий комп'ютер, квантові обчислення, квантове програмування, кубіт.
development of a methodology of quantum programming trainings for
highschool students.
Комп’ютерна техніка для сучасного суспільства є невід’ємною складовою
науково-технічного прогресу. Впровадження новітніх технологій завжди
супроводжується використанням більш продуктивних та ефективних
комп’ютерів, еволюції яких пов’язують із «законом Мура» (рис. 1). Ще у 1965
році один із засновків компанії Intel Гордон Мур поділився виведеною
закономірністю щодо темпів розвитку напівпровідникової індустрії – щільність
транзисторів (їх кількість на квадратний дюйм в інтегральних схемах) буде
подвоюватися кожні 18 місяців [
Висуваються різні припущення як «закон Мура» буде діяти у майбутньому.
Всі вони базуються на необхідності пошуку принципово нової як апаратної, так і
програмної реалізації сучасних інформаційних систем [
Квантовими комп’ютерами називають комп’ютери, робота центральних процесорів яких базується на теоретичних засадах квантової механіки, а саме, квант, кубіт, квантова суперпозиція та квантова заплутаність.
Під квантом у фізиці розуміють неподільну частину будь-якої величини. Кубіт є новою альтернативою класичного біту, на відміну від якого, може набувати всіх можливих значень від 0 до 1 та перебувати в усіх цих станах одночасно (рис. 2).
Рис. 2. Моделі класичного біту та квантового кубіту Під квантовою суперпозицією розуміють здатність квантів існувати в декількох місцях або станах одночасно. Це дозволяє квантовим комп’ютерам опрацьовувати значно більшу кількість даних та пришвидшити виконання задач (задач оптимізації та криптографії, моделювання складних хімічних сполук), а також таких задач, що за допомогою класичних комп’ютерів взагалі не можуть бути розв’язані (наприклад, реалізація алгоритму Шора для розкладання цілих чисел на множники).
Під квантовою заплутаністю розуміють неможливість описати систему із кількох кубітів, використовуючи опис окремих кубітів, а не кореляцію між ними. Так, у класичному комп’ютері всі варіанти перераховуються послідовно, а у квантовому комп’ютері – паралельно, всі можливі варіанти обчислень існують одночасно, необхідно обрати правильний.
Над проектуванням (з 1981 р.) та реалізацією (з 1990 р.) квантових
комп’ютерів працюють компанії IBM, Intel, Google, Microsoft та інші [
Так, з травня 2016 року компанія IBM надала хмарний доступ до свого
квантового 5-кубітного комп’ютера, у травні 2017 року – до 16-кубітного, а у
листопаді 2017 – до 20-кубітного, та проанонсувала створення 50-кубітного
(рис. 3а) [4; 9]. Компанія Intel у жовтні 2017 року презентувала 17-кубітний
квантовий чіп [
З березня 2018 року новий квантовий комп’ютер Google використовує
72кубітний квантовий процесор [
Рис. 3. Квантові комп’ютери
а) IBM
б) Intel
На сьогодні не може бути мови на даний момент про те, що квантові комп’ютери
займуть місце класичних, адже розміри квантових комп’ютерів занадто великі, а
для їх функціонування потрібні спеціальні умови:
─ дотримання температурного режиму (наближення до абсолютного нуля);
─ ізоляція від магнітних, електричних та теплових коливань, вібрації;
─ розрідження повітря нижче атмосферного тиску у мільярди разів [
Для реалізації базових квантових алгоритмів компанія Microsoft надає доступ
до пакету засобів квантової розробки Quantum Development Kit, що включає
спеціально створену мову для написання додатків для квантового комп’ютера –
Q#. Для розв’язання більш складних задач Microsoft пропонує емулятор
40-кубітного квантового комп’ютера у хмарі Azure [6; 12; 15]. Компанія IBM
пропонує доступ для вивчення квантового програмування на платформі
квантових обчислень QISKit з відкритим вихідним кодом [
Беручи до уваги значущість та перспективність квантового програмування, вважаємо актуальним і доцільним введення адаптованого змісту нового ІТнапряму у шкільний курс інформатики для учнів старших класів інформаційнотехнологічного профілю. Список використаних джерел
References (translated and transliterated)