Quantum-tietokoneet. Miksi ne eivät ole vielä, vaikka ne ovat jo olemassa?

Viisikymmentä vuotta sitten älypuhelimet olisivat näyttäneettäysin maagiset tietokoneet. Aivan kuten klassiset tietokoneet olivat melkein käsittämättömiä edellisille sukupolville, tänään meillä on edessään täysin uudenlaisen tietojenkäsittelyn synty: jotain niin mystistä, että sitä voidaan kutsua maagiseksi. Nämä ovat kvanttitietokoneita. Jos sana "quantum" ei tunne sinua, et ole yksin. Tämä hyvin kylmä, pieni, herkkä ja hyvin outo maailma voi tuntua epäilyttävältä järjestelmältä, jossa on ehdotettu kaupallisen tietokonekoneen rakentamista, mutta juuri tämä on IBM, Google, Rigetti Computing ja muut yritykset.

Tammikuussa CES: ssä osana IBM Q -aloitettaosoitti System One: n (ks. edellä): häikäisevä, tyylikäs ja kattokruunu-kaltainen kone, josta tuli ensimmäinen integroitu yleinen kvanttilaskentajärjestelmä kaupalliseen käyttöön, jota jokainen voisi pelata.

Tietoja kvanttitietokoneiden mahdollisuudesta kuulla,luultavasti kaikki: kvanttifysiikan ominaisuudet avaavat massiivisesti rinnakkaisia ​​laskentajärjestelmiä, jotka todennäköisesti tarjoavat valtavia harppauksia laskentatehossa ja ylittävät kaikki transistorin supertietokoneet, joita voimme kohdata tänään ja huomenna. He mullistavat kemian, lääkkeiden, materiaalitieteen ja koneoppimisen.

Mutta mikä tekee kvanttitietokoneista niin voimakkaita? Selvittäkää se.

Mitä ovat qubitit?

Ensinnäkin, muistakaamme, kuinka kvanttitietokoneet toimivat.

Heidän taitonsa salaisuus on, että he manipuloivatkubittien. Kaikki, joka käsittelee klassista tietokonetta - tekstiä, kuvia, videota ja niin edelleen - koostuu pitkistä nollista ja niistä, tai bitteistä. Sen ytimessä bitti edustaa yhtä kahdesta tilasta: päälle / pois tai sähköpiiri on kytketty tai ei. Nykyaikaisissa tietokoneissa bittejä edustaa yleensä sähköjännite tai virtapulssi.

Quantum-tietokoneet puolestaan ​​luottavatkubittien. Kuten binääriset bitit, qubits perustaa laskutoimituksia, joilla on yksi suuri ero: qubitit ovat yleensä elektronien tai muiden subatomisten hiukkasten suprajohtimia. Ei ole yllättävää, että qubitsilla tehdyt manipulaatiot ovat monimutkainen tieteellinen ja tekninen ongelma. Esimerkiksi IBM käyttää useita suprajohtavien piirien kerroksia, jotka ovat valvotussa ympäristössä ja jotka jäähdytetään vähitellen lämpötilaan, joka on alhaisempi kuin syvä tila - lähellä absoluuttista nollaa.

Koska qubitit elävät kvanttitodellisuudessa, heillä on hämmästyttäviä kvanttiominaisuuksia.

Superpositio, takertuminen ja häiriöt

Jos bitti esitetään kolikkona kotka (0) taihännät (1), qubitit edustavat pyörivää kolikkoa: ne ovat samanaikaisesti molemmat kotkat ja hännät, jokaisella valtiolla on tietty todennäköisyys. Tutkijat käyttävät kalibroituja mikroaaltopulsseja sijoittamaan qubitit superpositioon; samalla tavalla muut taajuudet ja näiden pulssien kesto voivat kääntää qubitin niin, että se on hieman erilaisessa tilassa (mutta silti superpositiossa).

Superposition takia erillinen qubit voiedustavat paljon enemmän tietoa kuin binäärinen bitti. Tämä johtuu osittain siitä, että alkutulolla qubits voi iteroida voimakkaan menetelmän kautta valtavan määrän mahdollisia tuloksia samanaikaisesti. Lopullinen vastaus näkyy vain silloin, kun tutkijat mittaavat qubitsia - myös mikroaaltosignaaleja - jotka aiheuttavat "romahtavan" binääriseen tilaan. Usein tutkijoiden on tehtävä laskelmia useaan kertaan tarkistaakseen vastauksen.

Hämmennys on vieläkin mahtavampi asia. Mikroaaltopulssien soveltaminen qubitsin pariin voi sekoittaa ne niin, että ne ovat aina samassa kvanttitilassa. Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden manipuloida tunkeutuneiden qubittien paria yksinkertaisesti muuttamalla yhden heistä tilaa, vaikka he olisivat fyysisesti erillään suurella etäisyydellä, ja siten "hirvittävä toiminta etäisyydellä". Syytymisen ennustettavissa olevan luonteen vuoksi qubittien lisääminen eksponentiaalisesti lisää kvanttitietokoneen laskennallista tehoa.

Häiriöt ovat viimeinen ominaisuustoteuttaa kvanttialgoritmeja. Kuvittele liikkuvia aaltoja: joskus ne työntävät toisiaan (toimivat rakentavasti), joskus sammuttavat (tuhoavasti). Häiriöiden käyttö mahdollistaa tutkijoiden hallita tiloja, vahvistamalla oikean vastauksen johtavia signaaleja ja peruuttamalla ne, jotka antavat vääriä vastauksia.

Miten kvanttitietokoneet ohjelmoidaan?

Tärkein tavoite on koodataongelman osat monimutkaiseen kvantitilaan käyttäen qubitsia, ja sitten manipuloida tätä tilaa tuomaan se ratkaisuun, joka voidaan mitata superpositioiden romahtamisen jälkeen nollien (0) ja niiden (1) deterministisiin sekvensseihin.

Ei ole selvä? Lue uudelleen.

Se kuulostaa vaikealta, mutta koska olemme jo ymmärtäneet kaikki ehdot, on mahdollista ymmärtää.

Kuten klassisessa ohjelmoinnissa,Tutkijat kehittävät matalan tason kokoonpanokieliä, joita kone ymmärtää paremmin, siirtyä niistä korkean tason kielille ja graafisille rajapinnoille, jotka sopivat paremmin ihmisen mielelle. Esimerkiksi IBM Qiskit mahdollistaa kokeilijoiden luoda tehtäviä ja vetää ja pudottaa logiikkaelementtejä.

Daemonin hajoaminen

Miksi kvanttitietokoneita ei ole vielä myyty?joka kulmassa? Tietyssä mielessä tutkijat yrittävät rakentaa täydellisiä koneita epätäydellisistä osista. Kvanttitietokoneet ovat erittäin herkkiä häiriöille, melulle ja muille ympäristövaikutuksille, jotka aiheuttavat niiden kvanttivaltion värähtelyn ja katoamisen. Tätä vaikutusta kutsutaan hajoamiseksi.

Joillekin asiantuntijoille on erottamattomuusongelma kvanttilaskennan pitämisessä. Vaikka kaikki toteutetut toimenpiteet olisivatkin, melu voi vuotaa laskelmiin. Tutkijat voivat tallentaa kvantti-informaatiota, kunnes se menettää eheytensä dekonferenssin vaikutuksesta, mikä rajoittaa peräkkäin suoritettavien laskelmien määrää.

Kvanttilaskennan herkkä luonne on myösSyy siihen, miksi sokeiden lisääminen qubitsiin järjestelmään ei välttämättä tee sitä tehokkaammaksi. Häiriötoleranssia tutkitaan huolellisesti kvanttitietojenkäsittelyn alalla: loogisesti, qubitsien lisääminen voi kompensoida joitakin ongelmia, mutta yhden ainoan luotettavan qubitin luominen tiedonsiirtoon edellyttää miljoonia korjaavia qubit-virheitä. Ja nyt meillä ei ole enempää kuin 128. Ehkäpä myös kehittyvät älykkäät algoritmit auttavat.

Kvanttitietokone kvantti-tietokoneilla

Koska suuret tiedot ovat nyt kuuma aihe, voitaisiin odottaa, että kvanttitietokoneet käsittelevät paremmin suuria tietosarjoja kuin klassiset. Mutta se ei ole.

Sen sijaan kvanttitietokoneet ovat erityisestihyvä luonne. Esimerkiksi kvanttilaskennan avulla voitaisiin tehokkaammin rakentaa lääkeainemolekyylejä, koska ne toimivat pääasiassa samalla pohjalla kuin molekyylit, joita he yrittävät mallia. Molekyylin kvanttitilan laskeminen on uskomattoman vaikea tehtävä, joka on lähes mahdotonta tietokoneillemme, mutta kvanttitietokoneet voivat tehdä sen bangilla.

Samoin kvanttitietokone voikäännä materiaalitieteen tai tiedonsiirron ala. Kovettumisen takia qubitit, jotka on fyysisesti erotettu suurella etäisyydellä, voivat luoda kanavan tiedonsiirtoon, joka on tieteellisesti turvallisempi kuin nykyiset kanavat. Quantum Internet on melko toteutettavissa.

Mutta mielenkiintoisin asia on: emme edes tiedä kaikkia erilaisia ​​hämmästyttäviä kysymyksiä, joita kvanttitietokoneet voivat yrittää ratkaista. Vain kaupallisella kvanttitietokoneella ja sen kanssa työskentelemällä voisimme kartoittaa mielenkiintoisia uusia alueita, jotka sopivat tähän uskomattomaan uuteen teknologiaan.

Ja mitä ongelmia yrität ratkaista kvanttitietokoneella? Kerro meille keskusteluissamme.