opći

Kvantna računala. Zašto još nisu, iako već postoje?

Prije pedeset godina, činilo bi se da su pametni telefonipotpuno čarobna računala. Baš kao što su klasična računala bila gotovo nezamisliva za prethodne generacije, danas smo suočeni s rođenjem potpuno nove vrste računalstva: nešto tako mistično da se može nazvati magičnim. To su kvantna računala. Ako vam je riječ "kvant" nepoznata, niste sami. Ovaj vrlo hladan, malen, osjetljiv i vrlo čudan svijet može izgledati kao sumnjiv sustav na kojem se predlaže izgradnja komercijalnog računalnog stroja, ali to je upravo ono na čemu IBM, Google, Rigetti Computing i druge tvrtke rade.

U siječnju na CES-u kao dio IBM Q inicijativepokazao je System One (vidi gore): sjajan, elegantan i sličan stroju koji je postao prvi integrirani univerzalni kvantni računalni sustav za komercijalnu upotrebu s kojim se svatko može igrati.

O potencijalu kvantnih računala koja se čuju,Vjerojatno svatko: svojstva kvantne fizike otvaraju masovno paralelne računalne sheme, koje će vjerojatno pružiti ogromne skokove u računalnoj snazi ​​i nadmašiti bilo koje superkompjutere s tranzistorima s kojima se danas možemo suočiti. Oni će revolucionirati kemiju, lijekove, znanost o materijalima i strojno učenje.

Ali što točno čini kvantna računala tako moćnima? Hajde da shvatimo.

Što su kubiti?

Prvo, zapamtimo kako kvantna računala rade.

Tajna njihove vještine je da manipulirajukvantnih bitova. Sve što obrađuje klasično računalo - tekst, slike, video itd. - sastoji se od dugačkih redova nula i jedinica ili bitova. U svojoj osnovi, bit predstavlja jedno od dva stanja: uključeno / isključeno, ili je spojen električni krug ili ne. U modernim računalima bitovi su obično predstavljeni električnim naponom ili impulsom struje.

Kvantna računala, s druge strane, oslanjaju se na njihkvantnih bitova. Poput binarnih bitova, kubiti su temelj izračuna, s jednom velikom razlikom: kubiti su obično supravodiči elektrona ili drugih subatomskih čestica. Nije iznenađujuće da manipulacije s kubitima predstavljaju složen znanstveni i inženjerski problem. IBM, na primjer, koristi nekoliko slojeva supravodljivih krugova koji su u kontroliranom okruženju i postupno se ohlađuju na temperature koje su niže od dubokog svemira - blizu apsolutne nule.

Budući da qubiti žive u kvantnoj stvarnosti, imaju zadivljujuća kvantna svojstva.

Superpozicija, zamršenost i smetnje

Ako je malo prikazano kao novčić s orlom (0) ilirepovi (1), kbitovi će biti predstavljeni rotirajućim kovanicama: u određenom smislu, oni su istovremeno i orlovi i repovi, pri čemu svako stanje ima određenu vjerojatnost. Znanstvenici koriste kalibrirane mikrovalne impulse kako bi smjestili qubite u superpoziciju; na isti način, druge frekvencije i trajanje tih impulsa mogu pretvoriti kubit tako da je u nešto drugačijem stanju (ali još uvijek u superpoziciji).

Zbog superpozicije, može se izdvojiti poseban qubitpredstavljaju mnogo više informacija nego binarni bit. To je djelomično posljedica činjenice da se s početnim ulaznim kubitima može ponoviti metodom brutalne sile istovremeno velik broj mogućih rezultata. Konačni odgovor pojavljuje se samo kada znanstvenici mjere kbitove - također pomoću mikrovalnih signala - što ih uzrokuje da se "kolabiraju" u binarno stanje. Često, znanstvenici moraju napraviti izračune nekoliko puta kako bi provjerili odgovor.

Zbunjenost je još strašnija stvar. Primjena mikrovalnih impulsa na par qubita može ih zbuniti tako da će uvijek postojati u istom kvantnom stanju. To omogućuje znanstvenicima da manipuliraju parovima isprepletenih qubita, jednostavno mijenjajući stanje jednog od njih, čak i ako su fizički odvojeni velikom udaljenosti, stoga je "sablasno djelovanje na daljinu". Zbog predvidljive prirode preplitanja, dodavanje kubita eksponencijalno povećava računsku snagu kvantnog računala.

Interferencija je posljednja od svojstava kojaimplementirati kvantne algoritme. Zamislite valjanje valova: ponekad se međusobno guraju (djeluju konstruktivno), ponekad uguše (destruktivno). Upotreba smetnji omogućuje znanstvenicima da kontroliraju stanja, pojačavajući tip signala koji vode do točnog odgovora, te poništavaju one koji daju pogrešne odgovore.

Kako su programirana kvantna računala?

Glavni je cilj kodiratidio problema u složeno kvantno stanje koristeći kbitove, a zatim manipulirati tim stanjem kako bi ga doveo do rješenja koje se može mjeriti nakon kolapsa superpozicija u determinističke sekvence nula (0) i onih (1).

Nije jasno? Ponovno pročitajte.

Zvuči komplicirano, ali budući da smo već razumjeli sve pojmove, možete razumjeti.

Kao i kod klasičnog programiranja,znanstvenici razvijaju jezike za slaganje na niskoj razini koje stroj najbolje razumije kako bi se s njih prešli na jezike visoke razine i grafička sučelja pogodnija za ljudski um. IBM Qiskit, na primjer, omogućava eksperimentatorima kreiranje zadataka i povlačenje i ispuštanje logičkih elemenata.

Decoherem-demon

Zašto kvantna računala još nisu na prodajuna svakom uglu? U određenom smislu, znanstvenici pokušavaju izgraditi savršene strojeve od nesavršenih dijelova. Kvantna računala izuzetno su osjetljiva na poremećaje, buku i druge utjecaje okoline koji uzrokuju da njihovo kvantno stanje oscilira i nestane. Taj se efekt naziva dekoherencija.

Za neke stručnjake dekoherenca jeproblem obuzdavanja kvantnog računanja. Čak i uz sve poduzete mjere, buka može procuriti u proračune. Znanstvenici mogu pohraniti kvantne informacije sve dok ne izgube integritet pod utjecajem dekoherencije, što ograničava broj izračuna koji se mogu obaviti zaredom.

Delikatna priroda kvantnog računanja je takođerje razlog što slijepo dodavanje kubita u sustav ne mora nužno da postane snažnije. Tolerancija na pogreške detaljno se ispituje u području kvantnog računanja: logično je da dodavanjem kita može nadoknaditi neke probleme, ali za stvaranje jedinstvenog pouzdanog qubita za prijenos podataka bit će potrebno milijuni kbita za ispravljanje pogrešaka. A danas ih nema više od 128. Možda će pametni algoritmi, koji se takođe razvijaju, pomoći.

Imitacija kvanta pomoću kvantnih računala

Budući da su veliki podaci trenutno vruća tema, moglo bi se očekivati ​​da kvantna računala mogu bolje obraditi velike skupove podataka od klasičnih. Ali to nije tako.

Umjesto toga, posebno će biti kvantna računaladobar u modeliranju prirode. Na primjer, kvantno računanje moglo bi se koristiti za učinkovitiju konstrukciju molekula lijekova, jer oni u osnovi djeluju na istoj osnovi kao i molekule koje pokušavaju modelirati. Proračun kvantnog stanja molekule nevjerojatno je težak zadatak koji je za naša računala gotovo nemoguć, ali kvantna računala će se s tim nositi s praskom.

Na isti način može i kvantno računanjeokrenite polje znanosti o materijalima ili prijenosa informacija. Zbog zamršenosti, kiti fizički razdvojeni velikom udaljenostom mogu stvoriti kanal za prijenos podataka koji je znanstveno sigurniji od naših postojećih. Kvantni Internet je izvediv.

Ali najzanimljivije je ovo: mi čak i ne poznajemo čitav niz nevjerojatnih pitanja koja kvantna računala mogu pokušati riješiti. Imajući komercijalno kvantno računalo i ostavljajući ljudima da rade s njim, mogli bismo mapirati zanimljiva nova područja prikladna za ovu uzbudljivu novu tehnologiju.

A koje biste zadatke pokušali riješiti na kvantnom računalu? Javite nam se u našem telegram chatu.