általános

Kvantum számítógépek. Miért még nem, bár már léteznek?

Ötven évvel ezelőtt úgy tűnt, az okostelefonokteljesen varázslatos számítógépek. Ahogyan a klasszikus számítógépek szinte elképzelhetetlenek voltak a korábbi generációk számára, ma egy teljesen új típusú számítástechnikai születtel szembesülünk: valami olyan misztikus, hogy mágikusnak nevezhető. Ezek kvantum számítógépek. Ha a "quantum" szó nem ismeretlen, nem vagy egyedül. Ez a nagyon hideg, kicsi, érzékeny és nagyon furcsa világ olyan kétséges rendszernek tűnhet, amelyen egy kereskedelmi számítástechnikai gép építését javasoljuk, de pontosan ez az IBM, a Google, a Rigetti Computing és más cégek.

Januárban a CES-ben az IBM Q kezdeményezés részekéntmegmutatta a System One-t (lásd fent): egy káprázatos, elegáns és csillárszerű gép, amely az első integrált univerzális kvantum számítástechnikai rendszer lett kereskedelmi célokra, amit mindenki játszhatott.

A kvantum számítógépek hallható képességeiről,Valószínűleg mindenki: a kvantumfizika tulajdonságai hatalmas párhuzamos számítási sémákat nyitnak meg, amelyek valószínűleg óriási ugrásokat eredményeznek a számítástechnikai teljesítményben, és meghaladják a tranzisztoros szuperszámítógépeket, amelyekkel ma és holnap találkozhatunk. Forradalmasítják a kémia, a gyógyszerek, az anyagtudomány és a gépi tanulás terén.

De pontosan mi teszi a kvantum számítógépeket olyan erősnek? Nézzük meg.

Mik a qubits?

Először is, emlékezzünk arra, hogyan működik a kvantum számítógép.

Képességük titka az, hogy manipulálnakqubit. Minden, ami a klasszikus számítógépet kezeli - szöveget, képeket, videót stb. - hosszú sorokból és nullákból, vagy bitekből áll. Magában a bit két állapot egyikét jelzi: be / ki, vagy egy elektromos áramkör csatlakozik, vagy sem. A modern számítógépekben a biteket általában elektromos feszültség vagy áramimpulzus képviseli.

A kvantum számítógépek viszont támaszkodnakqubit. A bináris bitekhez hasonlóan a qubits a számításokat alapozza meg, egy nagy különbséggel: a qubits általában az elektronok vagy más szubatomi részecskék szupravezetői. Nem meglepő, hogy a qubittal végzett manipulációk komplex tudományos és műszaki problémát jelentenek. Az IBM például több szupravezető áramkör rétegét használja, amelyek szabályozott környezetben vannak, és fokozatosan lehűlnek a mélytérnél alacsonyabb hőmérsékletre - az abszolút nulla közelében.

Mivel a qubits kvantum valóságban él, csodálatos kvantum tulajdonságokkal rendelkeznek.

Szuperpozíció, összekapcsolódás és interferencia

Ha egy kis érme látható egy saskal (0) vagy egy érmévela farok (1), a qubitokat egy forgó érme képviseli: bizonyos értelemben egyszerre sasok és farokok, mindegyik államnak bizonyos valószínűsége van. A tudósok kalibrált mikrohullámú impulzusokat használnak a qubits szuperpozícióba helyezéséhez; ugyanígy más frekvenciák és ezen impulzusok időtartama is qubitot fordíthat úgy, hogy kissé eltérő állapotban van (de még mindig szuperpozícióban van).

A szuperpozíció miatt egy külön qubit lehetsokkal több információt képviselnek, mint a bináris bit. Ez részben annak a ténynek köszönhető, hogy a kezdeti bemenettel a qubits a brute force módszeren keresztül nagyszámú lehetséges eredményt képes egyszerre egyszerre elvégezni. A végső válasz csak akkor jelenik meg, ha a tudósok mérik a qubitokat - mikrohullámú jeleket is használva -, amelyek bináris állapotba kerülnek. Gyakran a tudósoknak többször kell számításokat végezniük, hogy ellenőrizzék a választ.

A zavartság még egy félelmetesebb dolog. Mikrohullámú impulzusok alkalmazása egy pár qubitra megzavarhatja őket, hogy mindig ugyanabban a kvantumállapotban legyenek. Ez lehetővé teszi a tudósok számára, hogy manipulálják az összekapcsolt qubitspárokat, egyszerűen megváltoztatva az egyikük állapotát, még akkor is, ha fizikailag nagy távolságra vannak egymástól elkülönítve, így a "félelmetes cselekvés távolban". Az összekapcsolódás kiszámítható jellege miatt a qubits exponenciálisan növeli a kvantum számítógép számítási teljesítményét.

Az interferencia az utolsó a tulajdonságok közülkvantum-algoritmusok megvalósítása. Képzeld el a gördülő hullámokat: néha egymásnak (konstruktívan cselekszenek), néha leállnak (pusztítóan). Az interferencia használata lehetővé teszi a tudósok számára, hogy ellenőrizzék az államokat, erősítsék meg a helyes válaszhoz vezető jeleket, és töröljék azokat, amelyek rossz válaszokat adnak.

Hogyan programozzák a kvantum számítógépeket?

A fő cél a kódolásA probléma részei egy komplex kvantumállapotba, qubits segítségével, majd manipulálják ezt az állapotot ahhoz, hogy olyan megoldást hozzon létre, amely a szuperpozíciók összeomlása után mérhető nullák (0) és nullák (1) determinisztikus szekvenciáiba.

Nem világos? Ismét olvassa újra.

Nehéznek hangzik, de mivel már megértettük az összes kifejezést, meg lehet érteni.

Mint a klasszikus programozásnál,A tudósok olyan alacsony szintű összeszerelési nyelveket fejlesztenek ki, amelyeket a gép jobban megért, hogy azokból magas szintű nyelvekre és grafikus interfészekre lépjenek, amelyek jobban megfelelnek az emberi elme számára. Az IBM Qiskit például lehetővé teszi a kísérletezők számára feladatok létrehozását, valamint a logikai elemek húzását és eldobását.

Démon dekonferencia

Miért nem értékesítik még a kvantum számítógépeket?minden sarkon? Bizonyos értelemben a tudósok igyekeznek tökéletes gépeket építeni a tökéletlen részekből. A kvantum számítógépek rendkívül érzékenyek a zavarokra, zajra és más környezeti hatásokra, amelyek a kvantumállapotuk rezgését és eltűnését okozzák. Ezt a hatást dekonferenciának nevezik.

Egyes szakértők számára a dekonferenciaprobléma a kvantumszámítás visszaszorítása. Még a meghozott összes intézkedés esetén is zajlik a zaj. A tudósok a kvantuminformációkat addig tárolhatják, amíg el nem veszik integritását a dekonferencia hatására, ami korlátozza a sorrendben elvégezhető számítások számát.

A kvantumszámítás kényes jellege isaz ok, amiért a rendszerbe történő qubitok hozzáadásakor a vakok nem feltétlenül lesznek erősebbek. A hibatűrést gondosan megvizsgáljuk a kvantumszámítás területén: logikusan a qubits hozzáadásával kompenzálhatunk néhány problémát, de egyetlen, megbízható qubit létrehozásához adatátvitelhez több millió korrekciós qubit hiba szükséges. És ma már nem több, mint 128 közülük, talán az intelligens algoritmusok is segítenek.

Kvantum számítógépes kvantum-utánzás

Mivel a nagy adatok most forró téma, a kvantum számítógépek jobban kezelhetik a nagy adathalmazokat, mint a klasszikus. De ez nem.

Ehelyett különösen a kvantum számítógépek lesznekjó modellezés a természetben. Például a kvantumszámítást a gyógyszer molekulák hatékonyabb felépítésére lehetne használni, mert többnyire ugyanazon az alapon dolgoznak, mint a modellezni kívánt molekulák. A molekula kvantumállapotának kiszámítása hihetetlenül nehéz feladat, ami szinte lehetetlen a számítógépeink számára, de a kvantum számítógépek bang segítségével végezhetik.

Hasonlóképpen, a kvantumszámítás isflip az anyagtudomány vagy az információátadás területén. A beszorulások miatt a nagy távolsággal fizikailag szétválasztott qubits olyan csatornát hozhat létre, amely tudományosan biztonságosabb információt továbbít, mint a meglévő csatornáink. A kvantum-internet meglehetősen megvalósítható.

De a legérdekesebb dolog: nem is tudjuk a csodálatos kérdések egész sorát, amelyeket a kvantum számítógépek megpróbálnak megoldani. Csak egy kereskedelmi kvantum számítógéppel és azzal, hogy az emberek dolgoznak vele, érdekes új területeket tudunk feltérképezni, amelyek alkalmasak erre a csodálatos új technológiára.

És milyen problémákat próbálna megoldani egy kvantum számítógépen? Mondja el velünk a Telegramban.