Läbimurrete sari kvantarvutuses
Tavaline arvuti, mida tänapäeval nimetatakse klassikaliseks või traditsiooniliseks arvutiks, töötab 0-de ja 1-de (nullide ja ühede) põhikontseptsioonil. Kui me küsime, arvuti et teha meie eest ülesanne, näiteks matemaatiline arvutus või kohtumise broneerimine või muu igapäevaeluga seonduv, teisendatakse (või tõlgitakse) antud hetkel antud ülesanne 0-de ja 1-de stringiks (mida siis nimetatakse sisend), töötleb seda sisendit algoritm (määratletud reeglite kogumina, mida tuleb järgida ülesande täitmiseks arvutis). Pärast seda töötlemist tagastatakse uus string 0 ja 1 (mida nimetatakse väljundiks), mis kodeerib oodatud tulemuse ja tõlgitakse tagasi lihtsamaks kasutajasõbralikuks teabeks vastusena sellele, mida kasutaja soovis, et arvuti teeks. . On põnev, et olenemata sellest, kui nutikas või nutikas algoritm ka ei tunduks ja mis tahes ülesande raskusaste ka poleks, teeb arvutialgoritm ainult seda ühte asja – bittide jadaga manipuleerimist – kus iga bitt on kas 0 või 1. manipuleerimine toimub arvutis (tarkvaralises otsas) ja masina tasemel kujutavad seda elektriahelad (arvuti emaplaadil). Riistvaraterminoloogias, kui vool läbib neid elektriahelaid, on see suletud ja avatud, kui voolu pole.
Klassikaline vs kvantarvuti
Seetõttu on klassikalistes arvutites bitt üksik infokild, mis võib eksisteerida kahes võimalikus olekus – 0 või 1. Kui aga rääkida kvant arvutites kasutavad nad tavaliselt kvantbitte (mida nimetatakse ka kubitideks). Need on kahe olekuga kvantsüsteemid, kuid erinevalt tavalisest bitist (salvestatud kui 0 või 1) suudavad kubitid salvestada palju rohkem teavet ja eksisteerida nende väärtuste mis tahes oletuses. Et paremini seletada, võib kubitit pidada kujuteldavaks sfääriks, kus kubiidiks võib olla sfääri mis tahes punkt. Võib öelda, et kvantarvutus kasutab ära subatomaarsete osakeste võimet eksisteerida igal ajahetkel rohkem kui ühes olekus ja olla siiski üksteist välistavad. Teisest küljest saab klassikaline bitt olla ainult kahes olekus – näiteks sfääri kahe pooluse lõpus. Tavaelus me seda "superpositsiooni" ei näe, sest kui süsteemi vaadelda tervikuna, siis need superpositsioonid kaovad ja see on põhjus, miks selliste superpositsioonide mõistmine on ebaselge.
Arvutite jaoks tähendab see seda, et kubiti kasutavad kvantarvutid suudavad salvestada tohutul hulgal teavet, kasutades vähem energiat kui klassikaline arvuti ja seega saab kvantarvutis suhteliselt kiiremini toiminguid teha või arvutusi teha. Niisiis, klassikaline arvuti võib võtta 0 või 1, kaks bitti selles arvutis võivad olla neljas võimalikus olekus (00, 01, 10 või 11), kuid igal ajahetkel on esindatud ainult üks olek. Kvantarvuti seevastu töötab osakestega, mis võivad olla superpositsioonis, võimaldades kahel kubitil samaaegselt esindada täpselt samu nelja olekut, kuna superpositsiooni omadus vabastab arvutid "binaarsest piirangust". See võib olla võrdne nelja samaaegselt töötava arvutiga ja kui lisada need kubitid, kasvab kvantarvuti võimsus plahvatuslikult. Kvantarvutid kasutavad ära ka teist kvantfüüsika omadust, mida nimetatakse "kvantpõimumiseks", mille on määratlenud Albert Einstein. Põimumine on omadus, mis võimaldab kvantosakestel ühenduda ja suhelda sõltumata nende asukohast universum nii et ühe oleku muutmine võib koheselt mõjutada teist. "Superpositsiooni" ja "põimumise" topeltvõime on põhimõtteliselt üsna võimas. Seetõttu on klassikaliste arvutitega võrreldes mõeldamatu, mida kvantarvuti suudab saavutada. See kõik kõlab väga põnevalt ja otsekoheselt, kuid selles stsenaariumis on probleem. Kvantarvuti, kui kasutab sisendiks kubitte (peale asetatud bitte), on ka selle väljund samamoodi kvantolekus, st väljund, millel on kattuvad bitid, mis võivad samuti muutuda sõltuvalt sellest, millises olekus see on. See ei võimalda meil kogu teavet vastu võtta ja seetõttu on kvantarvutite kunsti suurimaks väljakutseks leida viise, kuidas sellest kvantväljundist võimalikult palju teavet hankida.
Kvantarvuti tuleb siia!
Kvantarvuteid võib määratleda kui võimsaid masinaid, mis põhinevad kvantmehaanika põhimõtetel, mis võtavad teabe töötlemisel täiesti uue lähenemisviisi. Nad püüavad uurida keerulisi loodusseadusi, mis on alati eksisteerinud, kuid on tavaliselt jäänud varjatuks. Kui selliseid loodusnähtusi on võimalik uurida, võib kvantarvutus käivitada teabe töötlemiseks uut tüüpi algoritme ja see võib viia uuenduslike läbimurdeni materjaliteaduses, ravimite avastamises, robootikas ja tehisintellektis. Kvantarvuti idee pakkus välja Ameerika teoreetiline füüsik Richard Feynman juba 1982. aastal. Tänapäeval töötavad tehnoloogiaettevõtted (nagu IBM, Microsoft, Google, Intel) ja akadeemilised institutsioonid (nagu MIT ja Princetoni ülikool) kvantide kallal. arvutiprototüübid peavoolu kvantarvuti loomiseks. International Business Machines Corp. (IBM) on hiljuti öelnud, et tema teadlased on loonud võimsa kvantarvutusplatvormi ja selle saab juurdepääsuks kättesaadavaks teha, kuid märgib, et enamiku ülesannete täitmiseks sellest ei piisa. Nad ütlevad, et praegu arendatav 50-kubitine prototüüp võib lahendada palju probleeme, mida klassikalised arvutid tänapäeval teevad ja tulevikus täidaksid 50-100-kubitised arvutid suures osas tühimiku, st vaid mõnesaja kubitiga kvantarvuti suudaks teha korraga rohkem arvutusi, kui teadaolevas aatomeid on universum. Realistlikult öeldes on tee, kus kvantarvuti suudab raskete ülesannete täitmisel klassikalisest arvutist tegelikult paremad olla, täis raskusi ja väljakutseid. Hiljuti teatas Intel, et ettevõtte uus 49-bitine kvantarvuti kujutas endast sammu selle "kvantülivõimu" suunas, mis on suur edasiminek ettevõtte jaoks, kes demonstreeris 17-bitist kubitist süsteemi vaid 2 kuud tagasi. Nende prioriteet on jätkata projekti laiendamist, lähtudes arusaamast, et kubitide arvu suurendamine on võti kvantarvutite loomisel, mis suudavad pakkuda reaalseid tulemusi.
Materjal on kvantarvuti ehitamisel võtmetähtsusega
Materjalist räni on olnud andmetöötluse lahutamatu osa aastakümneid, kuna selle peamised võimalused muudavad selle hästi sobivaks üldiseks (või klassikaliseks) andmetöötluseks. Mis aga puudutab kvantarvutust, siis ränipõhiseid lahendusi ei ole kasutusele võetud peamiselt kahel põhjusel: esiteks on ränil toodetud kubitte raske juhtida ja teiseks on endiselt ebaselge, kas räni kubitid saaksid skaleerida sama hästi kui muud lahendusi. Suure edusammuna on Intel väga hiljuti arenenud1 uut tüüpi kubiidid, mida tuntakse kui "spin-qubit", mida toodetakse tavapärasel ränil. Spin-kubitid meenutavad väga pooljuhtelektroonikat ja annavad oma kvantvõimsuse, võimendades räniseadme üksiku elektroni spinni ja kontrollides liikumist pisikeste mikrolaineimpulssidega. Kaks peamist eelist, mis ajendasid Inteli selles suunas liikuma, on see, et esiteks on Intel kui ettevõte juba ränitööstusesse palju investeerinud ja seega on tal räni alal õiged teadmised. Teiseks on räni kubiidid kasulikumad, kuna need on väiksemad kui tavalised kubitid ja eeldatakse, et need säilitavad sidususe pikema aja jooksul. See on esmatähtis, kui kvantarvutussüsteeme on vaja suurendada (nt 100 kubitilt 200 kubitile). Intel katsetab seda prototüüpi ja ettevõte loodab toota tuhandete väikeste kubitimassiividega kiipe ning selline hulgitootmine võib olla kvantarvutite suurendamiseks väga hea ja võib olla tõeline mängumuutja.
aastal avaldatud hiljutises uuringus teadusUSA Marylandi ülikooli meeskond on välja töötanud fotooniliste kristallide äsja disainitud mustri (st fotoonkiibil rakendatud kristallide disaini), mis nende sõnul muudab kvantarvutid kättesaadavamaks.2. Need footonid on väikseim teadaolev valguse hulk ja need kristallid olid juurdunud aukudega, mis põhjustavad valguse vastasmõju. Erinevad augumustrid muudavad valguse paindumist ja põrkumist läbi kristalli ning siin tehti tuhandeid kolmnurkseid auke. Selline üksikute footonite kasutamine on kvantarvutite loomise protsessi jaoks oluline, kuna arvutid saavad seejärel arvutada suuri numbreid ja keemilisi reaktsioone, mida praegused arvutid ei suuda teha. Kiibi disain võimaldab footonite ülekandmist kvantarvutite vahel ilma kadudeta. Seda kaotust on peetud ka kvantarvutite jaoks suureks väljakutseks ja seega tegeleb see kiip probleemiga ja võimaldab tõhusat marsruuti kvant teavet ühest süsteemist teise.
Tulevik
Kvantarvutid lubavad teha arvutusi palju kaugemale kui mis tahes tavaline superarvuti. Neil on potentsiaal muuta revolutsiooniliselt uute materjalide avastamist, võimaldades mateeria käitumist simuleerida kuni aatomitasandini. Samuti loob see lootust tehisintellektile ja robootikale, töödeldes andmeid kiiremini ja tõhusamalt. Äriliselt elujõulise kvantarvutussüsteemi võiks lähiaastatel luua mis tahes suur organisatsioon, kuna see uurimistöö on endiselt tähtajatu ja aus mäng kõigile. Suuremaid teadaandeid on oodata järgmise viie kuni seitsme aasta jooksul ja ideaaljuhul tuleks tehtavate edusammude taustal lahendada inseneriprobleemid ja 1 miljoni või enama kubitine kvantarvuti peaks olema reaalsus.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
1. Castelvecchi D. 2018. Räni saavutab kvantarvutuste võidujooksus edu. Loodus. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Topoloogiline kvantoptika liides. Teadus. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
