Сучасні інноваційні технології та методика професійного навчання квантових комп’ютерів

Abstract

(ua) Стаття присвячена актуальній проблемі методики навчання здобувачів освіти сучасним основам інформаційно-комп’ютерної науки. Коротко розглянуто внесок українських учених у розвиток електронно-обчислювальних машин, програмування та методику їхнього навчання, перспективи подальших досліджень. У природничих науках широко використовуються елементарні одиниці для різних вимірювань. Зокрема, постійна Планка є найменшою порцією, квантом енергії, квантом дії, яка використовується у квантовій механіці. З курсу фізики також відомо, що найменшою порцією енергії у класичній механіці є енергія, що приходиться на одну ступінь вільності. Логічно створені математичні моделі та теорії опису відповідних властивостей матерії з використанням вказаних одиниць. Аналогічно зроблено акцент на з’ясуванні різниці між класичним комп’ютером і квантовими одиницями інформації. Розкрито поняття «біт інформації», «кубіт» та «тріт» і в залежності від визначених одиниць інформації виокремлені види комп’ютерів: класичний та квантовий. Поняття кубіт та тріт розглядаються в основному як математична сутність, і не акцентується увага на зміст фізики квантових об’єктів, приводиться порівняння вказаних одиниць квантової інформації з традиційним бітом інформації у квантовому світі. Проведенно історико-генетичний аналіз реєстрів елементарно-логічних систем, теоретичне дослідження принципів суперпозиції та взаємодії між квантовими станами, проаналізовано експериментальні методики реалізації кубітів та їх зв’язків. Важливою галуззю для використання квантових комп’ютерів є криптологія, для вирішення задач якої вже створено метод Гровера. Квантовим алгоритмом Гровера можна у несортованій базі даних з 2nN здійснити швидкий пошук необхідного елементу (n – довжина пошукового простору квантового реєстру – кількість кубітів у ньому; N – розмір пошукового простору). Проте хоч квантовий симулятор і дає високу ймовірність правильного результату, експериментальні дослідження показують і великі озходження. Тому є проблема для подальших досліджень. Квантові комп’ютери можуть впливати один на другий завдяки явищу заплутаності.

(en) The article is devoted to the actual problem of teaching methods of the subjects of the educational process of modern information and computer science. The contribution of Ukrainian scientists to the development of electronic computing machines, their programming and teaching methods, prospects for further research are briefly considered. In the natural sciences, elementary units are widely used for various measurements. In particular, Planck’s constant is the smallest portion, quantum of energy, quantum of action, which is used in quantum mechanics. It is also known from the course of physics that the smallest portion of energy in classical mechanics is the energy per one degree of freedom. Logically created mathematical models and theories describing the relevant properties of matter using the specified units. Similarly, emphasis is placed on clarifying the difference between a classical computer and quantum units of information. The concepts of bit of information, qubit and trit are revealed, and depending on the defined units of information, types of computers are distinguished: classical and quantum. The concepts of qubit and trit are considered mainly as a mathematical entity, and attention is not focused on the content of the physics of quantum objects, a comparison of the indicated units of quantum information with a traditional bit of information in the quantum world is given. A historical-genetic analysis of the registers of elementary logic systems, a theoretical study of the principles of superposition and interaction between quantum states, and experimental methods of implementing qubits and their connections have been carried out. An important field for the use of quantum computers is cryptology, for solving the problems of which Grover’s method has already been created. With Grover’s quantum algorithm, it is possible to quickly search for the necessary element in an unsorted database with 2nN (n is the length of the search space of the quantum register - the number of qubits in it; N is the size of the search space). However, although the quantum simulator gives a high probability of the correct result, experimental studies also show large discrepancies. Therefore, there is a problem for further research. Quantum computers can influence each other through the phenomenon of entanglement.