Generelt

Quantum computere. Hvorfor er de endnu ikke, selvom de allerede eksisterer?

For halvtreds år siden ville smartphones have virkethelt magiske computere. Ligesom klassiske computere var næsten ufattelige for tidligere generationer, står vi i dag over for fødslen af ​​en helt ny type computing: noget så mystisk at det kan kaldes magisk. Disse er kvantecomputere. Hvis ordet "quantum" ikke er kendt for dig, er du ikke alene. Denne meget kolde, små, følsomme og meget mærkelige verden kan virke som et tvivlsomt system, hvor det foreslås at opbygge en kommerciel computermaskine, men det er netop det, som IBM, Google, Rigetti Computing og andre virksomheder arbejder på.

I januar på CES som en del af IBM Q-initiativetviste System One (se ovenfor): En blændende, elegant og lysekrone-lignende maskine, der blev det første integrerede universelle kvantecomputersystem til kommerciel brug, som alle kunne leve med.

Om potentialet i quantum computere hørt,sandsynligvis alle: kvantefysikets egenskaber åbner massivt parallelle beregningsordninger, som sandsynligvis vil give enorme spændinger i databehandlingsstyrken og overgå alle transistor supercomputere, som vi kan støde på i dag og i morgen. De vil revolutionere kemi, lægemidler, materialevidenskab og maskinindlæring.

Men hvad gør kvantecomputere så magtfulde? Lad os finde ud af det.

Hvad er qubits?

Lad os først huske, hvordan kvantecomputere arbejder.

Hemmeligheden bag deres færdighed er, at de manipulererqubits. Alt, der håndterer en klassisk computer - tekst, billeder, video og så videre - består af lange linjer af nuller og dem eller bits. I kernen repræsenterer en smule en af ​​to tilstande: tænd / sluk, eller et elektrisk kredsløb er forbundet, eller ej. I moderne computere er bits normalt repræsenteret ved elektrisk spænding eller en strømpuls.

Kvantum-computere er derimod afhængige afqubits. Ligesom binære bits ligger qubits til grund for beregninger, med en stor forskel: qubits er som regel supraledere af elektroner eller andre subatomære partikler. Det er ikke overraskende, at manipulationer med qubits repræsenterer et komplekst videnskabeligt og teknisk problem. IBM bruger for eksempel flere lag superledende kredsløb, der er i et kontrolleret miljø og efterhånden afkøles til temperaturer, der er lavere end dyb rum - nær absolut nul.

Da qubits lever i quantum reality, har de fantastiske kvanteegenskaber.

Superposition, entanglement og interferens

Hvis en smule præsenteres som en mønt med en ørn (0) ellerhaler (1), qubits vil blive repræsenteret af en roterende mønt: på en måde er de både ørne og haler samtidig, hver stat har en vis sandsynlighed. Forskere bruger kalibrerede mikrobølgeimpulser til at placere qubits i superposition; På samme måde kan andre frekvenser og varigheden af ​​disse pulser vende en qubit, så den er i en lidt anden tilstand (men stadig i superposition).

På grund af overlejringen kan en separat qubitrepræsenterer meget mere information end den binære bit. Dette skyldes dels, at med de indledende input qubits kan iterere gennem brute force-metoden et stort antal mulige resultater samtidigt. Det endelige svar vises kun, når forskere måler qubits - også ved hjælp af mikrobølgesignaler - som får dem til at "kollapse" i en binær tilstand. Ofte skal forskere foretage beregninger flere gange for at kontrollere svaret.

Forvirring er en endnu mere fantastisk ting. Anvendelse af mikrobølgeimpulser til et par qubits kan forvirre dem, så de altid vil eksistere i samme kvante tilstand. Dette gør det muligt for forskere at manipulere par af indviklede qubits, simpelthen at ændre tilstanden hos en af ​​dem, selvom de fysisk adskilles af en stor afstand, altså den "uhyggelige handling på afstand". På grund af den forudsigelige karakter af indvinding øger eksplicitten eksponentielt beregningsstyrken i en kvantecomputer.

Interferens er den sidste af de egenskaber, somimplementere kvantalgoritmer. Forestil dig rullende bølger: Sommetider presser de hinanden (handle konstruktivt), sommetider slukker (destruktivt). Brug af interferens tillader forskere at kontrollere stater, forstærke typen af ​​signaler, der fører til det korrekte svar, og annullere dem, der giver de forkerte svar.

Hvordan programmeres kvantecomputere?

Hovedmålet er at kodedele af problemet i en kompleks kvantetilstand ved brug af qubits og manipulere derefter denne tilstand for at bringe den til en løsning, der kan måles efter sammenfaldet af superpositioner i deterministiske sekvenser af nuller (0) og dem (1).

Ikke klart? Genlæse igen.

Det lyder svært, men da vi allerede har forstået alle betingelserne, er det muligt at forstå.

Som med klassisk programmering,Videnskabsfolk udvikler lavnorsk forsamlingssprog, at maskinen forstår bedre, at flytte fra dem til højt niveau sprog og grafiske grænseflader, der er mere passende for det menneskelige sind. IBM Qiskit tillader eksempelvis eksperimenter at oprette opgaver og trække og slippe logiske elementer.

Daemon decoherence

Hvorfor sælges kvantecomputere endnu ikke?på hvert hjørne? På en måde forsøger forskere at bygge perfekte maskiner fra ufuldkomne dele. Kvantecomputere er yderst følsomme for forstyrrelser, støj og andre miljøpåvirkninger, der får deres kvante tilstand til at svinge og forsvinde. Denne effekt kaldes decoherens.

For nogle eksperter er decoherenceproblem med tilbageholdelse af kvantecomputering. Selv med alle de trufne foranstaltninger kan støj lække ind i beregningerne. Forskere kan lagre kvanteinformation, indtil det taber sin integritet under indflydelse af decoherens, hvilket begrænser antallet af beregninger, der kan udføres i en række.

Kvindematerialets delikate karakter er ogsåGrunden til, at blinde tilføjede qubits til et system ikke nødvendigvis gør det mere magtfuldt. Fejltolerance undersøges grundigt inden for kvantemetoden: Logisk kan tilføjelse af qubits kompensere for nogle problemer, men for at skabe en enkelt, pålidelig qubit for dataoverførsel vil der kræves millioner af korrigerende qubit-fejl. Og i dag har vi ikke mere end 128 af dem. Måske er smarte algoritmer, der også bliver udviklet, hjælper.

Quantum imitation med kvantecomputere

Da store data nu er et varmt emne, kan man forvente, at kvantecomputere bedre håndterer store datasæt end klassiske. Men det er det ikke.

I stedet vil kvantecomputere være specieltgod til modellerende natur. For eksempel kan quantum computing bruges til mere effektivt at opbygge lægemolekyler, fordi de for det meste arbejder på samme grundlag som de molekyler, de forsøger at model. Beregning af kvantetilstanden for et molekyle er en utrolig vanskelig opgave, hvilket næsten er umuligt for vores computere, men kvantecomputere kan gøre det med et bang.

Tilsvarende kan quantum computing kanvende området for materialevidenskab eller informationsoverførsel. På grund af entanglement kan qubits, fysisk adskilt med stor afstand, skabe en kanal til transmission af information, der er videnskabeligt sikrere end vores eksisterende kanaler. Quantum Internet er helt muligt.

Men det mest interessante er: vi kender ikke engang de mange fantastiske spørgsmål, som kvantecomputere kan forsøge at løse. Bare ved at have en kommerciel kvantecomputer og lade folk arbejde med det, kunne vi kortlægge interessante nye områder, der passer til denne fantastiske nye teknologi.

Og hvilke problemer vil du prøve at løse på en kvantecomputer? Fortæl os i vores chat i Telegram.