общ

Квантови компютри. Защо все още не са, въпреки че вече съществуват?

Преди петдесет години изглеждаха смартфонинапълно магически компютри. Точно както класическите компютри бяха почти невъобразими за предишните поколения, днес ние се сблъскваме с раждането на изцяло нов тип изчислителна техника: нещо толкова мистично, че може да се нарече магическо. Това са квантови компютри. Ако думата "квант" е непозната за вас, вие не сте сами. Този много студен, малък, чувствителен и много странен свят може да изглежда съмнителна система, на която се предлага да се изгради търговска компютърна машина, но това е точно това, върху което работят IBM, Google, Rigetti Computing и други компании.

През януари в CES като част от инициативата IBM Qпоказа System One (виж по-горе): ослепителна, елегантна и подобна на полилей машина, която стана първата интегрирана универсална квантова изчислителна система за търговска употреба, с която всеки може да играе.

Относно потенциала на квантовите компютри,Вероятно всички: свойствата на квантовата физика отварят масово паралелни изчислителни схеми, които вероятно ще осигурят огромни скокове в изчислителната мощност и ще надхвърлят всички транзисторни суперкомпютри, с които можем да се сблъскаме днес и утре. Те ще революционизират химията, фармацевтиката, науката за материалите и машинното обучение.

Но какво точно прави квантовите компютри толкова мощни? Нека го разберем.

Какви са кубитите?

Първо, нека си спомним как работят квантовите компютри.

Тайната на тяхното умение е, че те манипулиратqubits. Всичко, което обработва класически компютър - текст, изображения, видео и т.н. - се състои от дълги редове от нули и единици, или битове. По своята същност малко представлява едно от две състояния: включено / изключено или е свързана електрическа верига или не. В съвременните компютри битовете обикновено са представени от електрическо напрежение или токов импулс.

Квантовите компютри, от друга страна, разчитатqubits. Подобно на двоичните битове, кубитите лежат в основата на изчисленията, с една голяма разлика: кубитите обикновено са свръхпроводници на електрони или други субатомни частици. Не е изненадващо, че манипулациите с кубити представляват сложен научен и инженерен проблем. IBM, например, използва няколко слоя свръхпроводящи схеми, които са в контролирана среда и постепенно се охлаждат до температури, които са по-ниски от дълбокия космос - близо до абсолютна нула.

Тъй като кубитите живеят в квантовата реалност, те имат невероятни квантови свойства.

Суперпозиция, заплитане и намеса

Ако малко е представено като монета с орел (0) илис опашки (1), кубитите ще бъдат представени от въртяща се монета: в известен смисъл те са едновременно орли и опашки, като всяка държава има определена вероятност. Учените използват калибрирани микровълнови импулси, за да поставят кубити в суперпозиция; по същия начин, други честоти и продължителността на тези импулси могат да обърнат кубита, така че да е в малко по-различно състояние (но все още в суперпозиция).

Поради суперпозицията може да се използва отделен кубитпредставляват много повече информация от бинарния бит. Това отчасти се дължи на факта, че с първоначалните входни кубити могат да се повторят чрез метода на грубите сили едновременно голям брой възможни резултати. Окончателният отговор се появява само тогава, когато учените измерват кубити - също като използват микровълнови сигнали - които ги карат да „се срутят“ в двоично състояние. Често учените трябва да правят изчисления няколко пъти, за да проверят отговора.

Объркването е още по-страхотно нещо. Прилагането на микровълнови импулси към двойка кубити може да ги заплете, така че те винаги да съществуват в едно и също квантово състояние. Това позволява на учените да манипулират двойки заплетени кубити, просто да променят състоянието на една от тях, дори ако са физически разделени от голямо разстояние, откъдето идва „зловещото действие от разстояние“. Поради предсказуемостта на сдвояването, добавянето на кубити експоненциално увеличава изчислителната сила на квантовия компютър.

Интерференцията е последната от свойстватаприлагане на квантови алгоритми. Представете си подвижни вълни: понякога те се бутат един друг (действат конструктивно), понякога угасват (разрушително). Използването на намеса позволява на учените да контролират състоянията, усилвайки типа на сигналите, водещи до правилния отговор, и отменяме тези, които дават грешни отговори.

Как са програмирани квантовите компютри?

Основната цел е да се кодирачасти от проблема в сложно квантово състояние, използвайки кубити, и след това манипулират това състояние, за да го приведат в решение, което може да бъде измерено след срутването на суперпозициите в детерминистични последователности на нули (0) и такива (1).

Не е ясно? Прочетете отново.

Звучи трудно, но тъй като вече сме разбрали всички термини, е възможно да се разбере.

Както при класическото програмиране,Учените разработват езици за сглобяване на ниско ниво, които машината разбира по-добре, за да се премине от тях към езици на високо ниво и графични интерфейси, които са по-подходящи за човешкия ум. IBM Qiskit, например, позволява на експериментаторите да създават задачи и да плъзгат и пускат логически елементи.

Дехереенция на демона

Защо квантовите компютри все още не се продават?на всеки ъгъл? В известен смисъл учените се опитват да изградят перфектни машини от несъвършени части. Квантовите компютри са изключително чувствителни към смущения, шум и други влияния на околната среда, които причиняват колебание и изчезване на квантовото им състояние. Този ефект се нарича декогеренция.

За някои експерти декогерентността епроблем, задържащ квантовите изчисления. Дори при всички предприети мерки, шумът може да изтече в изчисленията. Учените могат да съхраняват квантова информация, докато тя не загуби своята цялост под влиянието на декогеренция, което ограничава броя на изчисленията, които могат да бъдат извършени подред.

Деликатният характер на квантовите изчисления също епричината, поради която сляпото добавяне на кубити към дадена система не е задължително да я направи по-мощна. Толерантността към повреди е задълбочено изследвана в областта на квантовите изчисления: логично добавянето на кубити може да компенсира някои проблеми, но за да се създаде един надежден кубит за пренос на данни, ще са необходими милиони грешки в коригиращия кубит. Днес имаме не повече от 128. Може би ще помогнат интелигентните алгоритми, които също се разработват.

Квантова имитация с квантови компютри

Тъй като големите данни сега са гореща тема, може да се очаква квантовите компютри да се справят по-добре с големите масиви от класически. Но това не е така.

Вместо това, квантовите компютри ще бъдат особенодобър при моделирането. Например, квантовите изчисления могат да се използват за по-ефективно изграждане на лекарствени молекули, тъй като те най-често работят на същата основа като молекулите, които се опитват да моделират. Изчисляването на квантовото състояние на молекулата е изключително трудна задача, която е почти невъзможна за нашите компютри, но квантовите компютри могат да го направят с гръм и трясък.

По подобен начин, квантовите изчисления могатобръщане на областта на науката за материалите или трансфера на информация. Поради заплитане, кубитите, физически разделени от голямо разстояние, могат да създадат канал за предаване на информация, която е научно по-безопасна от съществуващите ни канали. Квантовият интернет е напълно осъществим.

Но най-интересното е: ние дори не знаем цялото разнообразие от удивителни въпроси, които квантовите компютри могат да решат. Само като имаме търговски квантов компютър и позволяваме на хората да работят с него, можем да начертаем интересни нови области, подходящи за тази невероятна нова технология.

И какви проблеми бихте се опитали да решите на квантовия компютър? Разкажете ни в нашия чат в Telegram.