Kvant kompyuteri: u qanday tuzilgan?

Kvant kompyuterlari haqida deyarli hamma eshitgan. Lekin, kvant kompyuteri qanday ko‘rinishi va uning tuzilishi haqida hamma ham aytarli tasavvurga ega emas. Biz quyida, kvant kompyuterlarining ishlash tamoyillari va tuzilishi haqida imkon qadar tushunarli tilda bayon qilmoqchimiz.

Dunyo bo‘ylab axborot hajmi kundan-kunga ortib bormoqda. Statistikaga ko‘ra, raqamli formatdagi axborot hajmining o‘zi yiliga 30% ga ko‘paymoqda ekan. Yana o‘sha statistikada qayd etilishicha, oxirgi 5 yil ichida insoniyat tomonidan, undan avvalgi butun tarix mobaynida ishlab chiqarilgan axborot hajmidan ko‘ra ko‘proq axborot ishlab chiqarilgan emish. Buning qanchalik to‘g‘ri ekani ushbu manba mualliflarining vijdoniga havola albatta. Lekin, nima bo‘lganda ham, qachonlardir shunchaki ko‘l bo‘lgan va keyinchalik “axborot dengizi”ga aylangan informatsiya yig‘indisi, endilikda allaqachon “axborot ummoni”ga aylanib bo‘lgani ham inkor etib bo‘lmas haqiqatdir. Boz ustiga, zamonaviy dunyoda — paypoqdan tortib, kir mashinagacha bo‘lgan — deyarli hamma narsa internetga ulanmoqda.

“Internet buyumlar” degan atama so‘nggi yillarda bot-bot quloqqa chalinayotgani aynan shu tendensiya mahsulidir. Ya’ni, maishiy turmushdagi mayda-chuydalardan tortib, yirik ijtimoiy obyektlargacha bo‘lgan narsalar hammasi bir-biri bilan va odamzot bilan internet orqali ma’lumot almashib turadigan zamona keldi. Bu esa, har lahzada dunyo bo‘ylab o‘ta ulkan hajmdagi yangi-yangi axborot hajmi paydo bo‘layotganini bildiradi. Tahlilchilarning fikricha, yaqin 5-10 yil ichida dunyo bo‘yicha internet narsalarga ulangan buyumlarning soni, internetdan foydalanuvchi odamlar sonidan o‘sib ketar ekan…

Bunisi-ku mayli. Yaxshilikka harqalay. Chunki, alal-oqibat, internet-narsalar siz bilan bizning turmushimizni yanada farovonlashtiradi. Aytaylik, ayollarimizning allaqachon ishxonaga yetib bo‘lib, birdan miyasiga uradigan “dazmolni o‘chirmay chiqqan bo‘lsam-a???”— qabilidagi vahimali xayollariga o‘rin qolmaydi. Internet-narsalar safida bo‘lgan dazmolingizni o‘zini, yoki, uyni elektr tarmog‘idan masofadan uzib qo‘yish bilan xavotirni bartaraf etish mumkin bo‘ladi.

Lekin, boshqa muammo yuzaga chiqib keladi: jahonda shu darajada ulkan hajmda kun sayin ortib boruvchi axborot hajmini qayerdadir saqlash; qayta ishlash va superyuqori tezlikda uzatish kerak bo‘ladi.

Hozirda dunyodagi yetakchi IT-kompaniyalarda o‘ta kuchli superkompyuterlar mavjud va ular axborotni 50 petaflops tezlik bilan qayta ishlay olish quvvatiga ega. Ma’lumot uchun: 1 petaflops — soniyasiga 1 trillion operatsiya bajaradigan jarayondan 1000 tasi demakdir (kalkulyatorga tush ko‘rmang, baribir nollar yetishmaydi ). Bu hozircha, insoniyatning axborotni saqlash va qayta ishlashga bo‘lgan ehtiyojini qondirishga yetarli bo‘lmoqda. Lekin, axborot hajmining yuqorida aytilgani singari o‘sish sur’atlari saqlanar ekan, yaqin yillarda bizga bu kamlik qilib qolishi hech gap emas. Albatta, yirik IT-korporatsiyalar o‘zlarida mavjud superkompyuterlarni yanada kattalashtirib, jismonan yirikroq qilishi orqali, unda saqlanishi mumkin bo‘lgan axborot hajmini ham ko‘paytirishi mumkin. Lekin, bu ham masalaga yechim bo‘la olmaydi. Chunki, ertami-kechmi, baribir jismoniy hajm ham o‘z chegarasiga yetib keladi. Qolaversa, protsessorning amaliy imkoniyatining ham muayyan fizik chegarasi mavjud va ushbu chegara ham tez orada zabt etib qo‘yilsa, axborotni qayta ishlash tezligi o‘zining chek-chegarasiga yetib kelgan bo‘ladi. Xullas, bu ketishda, yaqin yillarda Mur qonuni o‘z kuchini yo‘qotadi va insoniyatga, hozirgi superkompyuterlardan ham ko‘ra kuchliroq va tezkorroq bo‘lgan tamomila yangi turdagi axborot saqlash va qayta ishlash vositalari zarur bo‘lib qoladi. Yodingizga solib o‘tsak: Mur qonuni shunday xulosaki, u muallif Grexem Murning 1965-yilda olib borgan kuzatishlariga asoslangan bo‘lib, unga ko‘ra, elektron qurilmalarning axborotni saqlash va qayta ishlash imkoniyati har yili 2 barobardan oshib borar ekan. Albatta, 60-yillarda bu qonun haqiqatan ham dolzarb bo‘lgan. Lekin, zamonaviy elektronika o‘z imkoniyatlari chegarasiga yetib kelmoqda. Hozirda Mur qonuniga allaqachon tuzatishlar kiritilgan bo‘lib, ya’ni, 90-yillardan boshlab, elektron uskunalarning axborotni saqlash va qayta ishlash imkoniyati har yili emas, balki, har 18-oyda ikki barobar o‘smoqda. Ya’ni, axborotni saqlash va qayta ishlashga bo‘lgan fizik-jismonan imkoniyatining o‘sish sur’ati allaqachon pasaygan. Boz ustiga, mutaxassislar bugunga kelib, ushbu o‘sish sur’ati endilikda hatto 18-oy ham emas, balki, 2-yilni tashkil qilmoqda deb bong urishayotir. Xullas, xulosa shunday — bizga endi, ko‘zimiz o‘rganib, aqlimiz tanib, fe’limiz ko‘nikib qolgan oddiy — klassik kompyuterlardan va hatto siz bilan bizga o‘xshagan oddiy odamlarga imkonsiz bo‘lgan superkompyuterlardan ham ko‘ra qudratliroq bo‘lgan tamomila yangi turdagi kompyuterlarga ehtiyoj uyg‘onmoqda. Vahima qilayotganim yo‘q. Bu haqiqatan ham shunday. Rivojlanish tendensiyalarini oldindan chamalab kelayotgan yirik IT-kompaniyalar esa allaqachon otni qamchilashgan. Ishonavering, yaqin yillarda biz axborotni saqlash va qayta ishlash borasida tamomila yangi, inqilobiy zamonga qadam qo‘yamiz. Bu xuddiki, bir zamonlar odamlar hamma narsani esda saqlab yurishga majbur bo‘lishgani-yu, keyinchalik, yozuv ixtiro qilingach, axborotni yozib qo‘yish orqali ko‘p miqdorda ishonchli saqlashga o‘tilgani sivilizatsiya tarixida qanchalik katta inqilob bo‘lgan bo‘lsa, men aytayotgan yangi kompyuter texnologiyasi ham bundan kam darajadagi inqilob bo‘lmaydi. Yoki, odamlar yozishni bilgani bilan, kitoblarni qo‘lyozma orqali ko‘chirib ko‘paytirgani bois, bilimlar juda sekin tarqalgan zamonlardan keyin, Iogann Gutenberg ismli zot bosma matbaachilikni, ya’ni, kitob bosishni ixtiro qilgach, insoniyat sivilizatsiyasi ma’lumot almashinuv bo‘yicha yana ulkan, ikkinchi inqilobni amalga oshirgani ham, kutilayotgan inqilob oldida cho‘t bo‘lmay qoladi. Uzr so‘rayman. Maqolaning kirish qismini juda cho‘zib yubordim.

Xullas, yirik IT-korporatsiyalar, oddiy kompyuterlarning o‘rnini egallaydigan kelajak kompyuterlarni ishlab chiqishga allaqachon kirishishgan. Ushbu inqilobiy yangi kompyuterlar — kvant kompyuterlari bo‘ladi. Eng kamtarona chamalashlarga ko‘ra, kvant kompyuterlarining tezlik va axborot saqlash hajmi bo‘yicha imkoniyatlari hozirgi zamonaviy eng kuchli superkompyuterdan ham yuzlab marta kuchliroq bo‘ladi. Ekspertlarning ishonch bilan aytishicha, o‘sha, kelajak kvant kompyuterlari vositasida saraton kasalliklariga davo topish, jinoyatchilarni bir lahzada tutish, DNK molekulalarini tahlil qilish singari muammolarni hal qilish mumkin bo‘lar ekan. Ushbu va shunga o‘xshash yuzlab masalalar borki, haqiqatan ham, ularga hozirgi zamon superkompyuterlarining “tishi o‘tmaydi”. Kvant kompyuterlari esa, biz hali tasavvurimizga ham kelmagan yana minglab masalalarga yechib bersa va istiqbolda yana o‘zimiz kutmagan yangi qulayliklar, imkoniyatlar eshigini ochsa ajab emas.

Endi hissiyotga berilmasdan (hovliqmasdan ), nima demoqchiligimni bir-boshdan, yotig‘i bilan tushuntirsam.

Kompyuterni kompyuter qilib turadigan eng asosiy qismi — uning prosessoridir. Kompyuterning qay darajada kuchli ekani aynan prosessorga bog‘liq bo‘ladi. IT-mutaxassislar slengida “tosh” deyiladigan ushbu matoh o‘zi ham minglab sondagi tranzistorlardan tuzilgan bo‘ladi. Tranzistor bu sistemaning eng sodda tarkibiy birligi bo‘lib, u qaysidir ma’noda — “o‘chirib-yoqish” uskunasi (pereklyuchatel) ga o‘xshaydi. Tranzistor ikki xil holatdan birida bo‘lishi mumkin. Ya’ni, u yoki “yoniq” yoki, “o‘chiq” bo‘ladi. Tranzistorlarning aynan shunday holat kombinatsiyasidan “ikkilik kod” yuzaga keladi. Ikkilik kod esa nol va bir raqamlaridan iborat bo‘lib, tranzistorning “o‘chiq” holatiga 0 raqami, “yoniq” holatiga esa 1 raqami muvofiq keladi. Dasturlash tillari va axborotni uzatish hamda, saqlash tamoyillari aynan ushbu 0 va 1 raqamlarining kombinatsiyalariga asoslanadi. Biz holat deb atayotgan ushbu 0 va 1 raqamlari informatikada “bit” deyilishini aytib o‘tamiz.

tranzistorlarning ishlash tamoyili

Kompyuterni qanchalik darajada kuchli qilmoqchi bo‘lsak, uning uchun shunchalik darajada ko‘p tranzistorlar kerak bo‘ladi. Ishlab chiqaruvchilar, yildan-yilga tranzistorlarning o‘lchamlarini imkon qadar kichik qilishga urinib kelishdi va hozirda bu o‘lchamlar mikrometr (ya’ni, 10^–6) o‘lchamlarigacha ixchamlashgan. Maqsad esa, yaxlit prosessor ichiga imkon qadar ko‘p tranzistor sig‘dirish va bu orqali, prosessorning ishchi quvvatini imkon qadar orttirishdir. Masalan, ishlab chiqaruvchining zo‘r berib ta’kidlashicha, Xbox ning yangi chiqqan “Xbox One X” o‘yin platformasi prosessoridagi tranzistorlar soni milliarddan ko‘p ekan.

prosessorda ichida joylashadigan millionlab tranzistorlarning ishlash tamoyili

 

Hozirdagi sotuvda mavjud kompyuterlardagi prosessorni tashkil qiluvchi tranzistorlarning bitta donasining o‘lchami 10 millimikronni tashkil qiladi. Bu degani, bir millimetrning yuzmingdan bir qismi demakdir (ko‘ryapsizmi, “qilni qirq yorib”, yoki, “burgaga taqa qoqmoq” qabilidagi iboralar allaqachon o‘z kuchini yo‘qotgan ).

Lekin, boya aytganimdek, bunday mayda-mayda (zarra-zarra) o‘lchamlar uchun ham bir kun kelib fizik chegaraga yetib kelinadi. Ya’ni, tranzistorni bundan ham mitti qilishning imkoni bo‘lmay qoladigan payt albatta keladi. Aynan shunday “IT-rivojlanish inqiroz”ga yo‘liqmaslik uchun ham hozirda mutaxassis olimlar kvant tamoyillari asosida ishlovchi kompyuterlarni ishlab chiqish ustida mehnat qilmoqdalar. Agar, oddiy kompyuterlarda tranzistorlar 0 yoki 1 holatdan faqat bittasinigina ifodalay olsa, kvant kompyuterlarining tranzistorlari esa aksincha, bir vaqtning o‘zida ham 0 va ham 1 holatida tura oladi. Ya’ni, bunday kvant tranzistori bir vaqtning o‘zida ham “yoniq” va ham “o‘chiq” bo‘lishi mumkin. Bu ilm-fanda “superpozitsiya” deb ataladigan fizik fenomenning amaldagi namunasi bo‘ladi.

Kvant tranzistorining ishlash tamoyili asosida superpozitsiya holati yotadi.

Taqqoslash uchun quyidagi misolni keltiraman:

Agar biz 4 ta oddiy tranzistorni oladigan bo‘lsak, ularning hammasi uyg‘unlikda ishlasa, 0va 1 raqamlarining turli ketma-ketligidan iborat 16 xil turli kombinatsiyani bir martadan, navbat bilan ijro qila oladi. Quyidagi gif-rasm shuni ko‘rsatmoqda:

standart tranzistorlarning ishlash qobiliyati

Endi, xuddi shu misoldagi oddiy tranzistor o‘rniga, kvant tranzistori (kubit) oladigan bo‘lsak, ular mazkur 16 xil kombinatsiyani navbatma-navbat, ketma-ket tartibda emas, barki, bitta vaqt birligining o‘zida, ya’ni, birvarakayiga ijro qilishi mumkin. Bu esa vaqtni tejashning o‘zidan 16-karra yutiladi deganidir! Quyidagi gif-rasm aynan shu jarayonni ifodalaydi.

kvant tranzistorlarining ish qobiliyati

Albatta, maqolada aytilayotgan kvant kompyuterlari uchun kvant tranzistorlarini ishlab chiqish juda-juda murakkab va serxarajat ish. Bunda olimlar kvant mexanikasi qonuniyatlari amal qiladigan subatom zarralar bilan ishlashlariga to‘g‘ri kelishidan tashqari, kvant kompyuterlari bilan inson o‘rtasida muloqot o‘rnatadigan maxsus dasturiy ta’minotni ishlab chiqish masalasi ham yuzaga chiqadi. Ya’ni, endilikda kvant kompyuterlari uchun dasturlar, operatsion tizimlar va turli boshqa ilovalar ishlab chiqishga xizmat qiluvchi maxsus kvant dasturlash tillari va kompilyatorlari ham zarur bo‘ladi.

Hozirda kvant tranzistorlarining, ya’ni, kubitlarning turli xillari mavjud. Masalan, “topologik kubitlar” deb nom olgan kubitlarni Microsoft korporatsiyasi ishlab chiqqan. Lekin bu kubitlar favqulodda darajada nozik bo‘lib, arzimagan shivirlash tovushi to‘lqinlari tufayli, yoki, issiqlik nurlanishi tufayli parchalanib ketadi. Barqaror ishlash uchun, topologik kubitlarga –273 °C harorat zarur. Bunday o‘ta past haroratni hosil qilish juda qiyin. Bu haroratni barqaror saqlab turish esa undan-da qiyin. Lekin, topologik kubitlarning mazkur injiqliklariga yarasha ajoyib ijobiy jihatlari ham mavjud. Xususan, bunday kubitlar vositasida ishlovchi kvant kompyuterida saqlanayotgan axborotda deyarli xatolik bo‘lmaydi. Topologik kubitlar asosida ishlab chiqilgan kvant kompyuteri, ishonchlilik nuqtai nazaridan o‘ta mukammal bo‘ladi. Harholda, Microsoft korporatsiyasidagilar cho‘chimay, shunday deb bayonot berishmoqda.

Kvant kompyuteri uchta asosiy darajadan iborat bo‘ladi: birinchi daraja — kvant kompyuterining o‘zi. U mutlaq nol haroratga yaqin bo‘lgan o‘ta past haroratlarda turuvchi kubitlardan iborat bo‘ladi. Ikkinchi daraja — kriogen kompyuter. U ham kompyuterning yangi bir turi bo‘ladi va u boyagi, mutlaq nol haroratga maksimal yaqin haroratda turgan kubitlardan iborat kvant kompyuterining ishini boshqaradi. Kriogen kompyuter kvant kompyuteridan sal yuqoriroq haroratda, ya’ni, –268 °C sovuq haroratda ishlaydi. So‘nggi, uchinchi daraja esa, odam ishlashi uchun moslashtirilgan jihozlardan iborat bo‘lgan interfeys kompyuteri (odam-mashina interfeysi) bo‘adi. Eng kamtarona taxminlarga ko‘ra, bunday kvant kompyuterlari hozirda mavjud eng ilg‘or superkompyuterlardan 100-300 barobar tezkorroq bo‘lar emish!

Siz ehtimol yozganlarimni o‘qib, “qandaydir fantastika”, yoki, “homxayol” degan fikrga borgan bo‘lishingiz kerak. Lekin, ishonavering, hozirda olimlar kvant kompyuterini yaratishga har qachongidan ham yaqinroq turishibdi. Avvalroq otni qamchilagan korporatsiyalarda kvant kompyuterlarining dastlabki prototip namunalari allaqachon mavjud. Va… raqamli kvant texnologiyalariga asoslanuvchi yangi axborot inqilobi ham yaqin!

---