Серыя прарываў у квантавых вылічэннях
Звычайны кампутар, які цяпер называюць класічным або традыцыйным, працуе на базавай канцэпцыі 0 і 1 (нулі і адзінкі). Калі мы пытаемся кампутар каб выканаць за нас задачу, напрыклад, матэматычны разлік або браніраванне сустрэчы або што-небудзь, звязанае з паўсядзённым жыццём, гэтая задача ў дадзены момант пераўтвараецца (або перакладаецца) у радок з 0 і 1 (які затым называецца input), гэты ўвод апрацоўваецца алгарытмам (вызначаецца як набор правілаў, якім трэба прытрымлівацца для выканання задачы на камп'ютары). Пасля гэтай апрацоўкі вяртаецца новы радок з 0 і 1 (называецца выхадам), які кадуе чаканы вынік і перакладае назад у больш простую зразумелую для карыстальніка інфармацыю як «адказ» на тое, што карыстальнік хацеў зрабіць кампутар. . Цікава, што незалежна ад таго, наколькі разумным і разумным можа быць алгарытм і якім бы ні быў узровень складанасці задачы, камп'ютарны алгарытм робіць толькі адну рэч - маніпулюе радком бітаў - дзе кожны біт роўны 0 або 1. маніпуляцыі адбываюцца на кампутары (на канцы праграмнага забеспячэння), а на ўзроўні машыны гэта прадстаўлена электрычнымі схемамі (на матчынай плаце кампутара). У апаратнай тэрміналогіі, калі ток праходзіць праз гэтыя электрычныя ланцугі, ён замыкаецца і размыкаецца, калі няма току.
Класічны супраць квантавага кампутара
Такім чынам, у класічных камп'ютарах біт - гэта адзіная частка інфармацыі, якая можа існаваць у двух магчымых станах - 0 або 1. Аднак калі казаць пра квантавы кампутары, яны звычайна выкарыстоўваюць квантавыя біты (таксама званыя «кубітамі»). Гэта квантавыя сістэмы з двума станамі, аднак, у адрозненне ад звычайнага біта (захоўваецца як 0 або 1), кубіты могуць захоўваць значна больш інфармацыі і могуць існаваць у любым меркаванні гэтых значэнняў. Каб лепш растлумачыць, кубіт можна разглядаць як уяўную сферу, дзе кубітам можа быць любая кропка сферы. Можна сказаць, што квантавыя вылічэнні карыстаюцца здольнасцю субатамных часціц існаваць у больш чым адным стане ў любы момант часу і пры гэтым быць узаемавыключальнымі. З іншага боку, класічны біт можа знаходзіцца толькі ў двух станах - напрыклад, на канцы двух полюсаў сферы. У звычайным жыцці мы не можам убачыць гэтую «суперпазіцыю», таму што, як толькі сістэма разглядаецца цалкам, гэтыя суперпазіцыі знікаюць, і гэта прычына таго, што разуменне такіх суперпазіцый застаецца незразумелым.
Для камп'ютараў гэта азначае, што квантавыя камп'ютэры, якія выкарыстоўваюць кубіты, могуць захоўваць велізарны аб'ём інфармацыі, выкарыстоўваючы менш энергіі, чым класічны камп'ютар, і, такім чынам, аперацыі або вылічэнні на квантавым камп'ютары можна рабіць значна хутчэй. Такім чынам, класічны камп'ютар можа прымаць 0 або 1, два біта ў гэтым камп'ютэры могуць знаходзіцца ў чатырох магчымых станах (00, 01, 10 або 11), але ў любы момант часу прадстаўлены толькі адзін стан. Квантавы камп'ютар, з іншага боку, працуе з часціцамі, якія могуць знаходзіцца ў суперпазіцыі, дазваляючы двум кубітам адначасова прадстаўляць тыя самыя чатыры станы з-за ўласцівасці суперпазіцыі, якая вызваляе кампутары ад "бінарных абмежаванняў". Гэта можа быць эквівалентна адначасовай працы чатырох кампутараў, і калі мы дадамо гэтыя кубіты, магутнасць квантавага кампутара ўзрасце ў геаметрычнай прагрэсіі. Квантавыя камп'ютары таксама карыстаюцца перавагамі іншай уласцівасці квантавай фізікі, званай "квантавай заблытанасцю", якую вызначыў Альберт Эйнштэйн. Заблытанасць - гэта ўласцівасць, якая дазваляе квантавым часціцам злучацца і мець зносіны незалежна ад іх месцазнаходжання ў сусвет так што змяненне стану аднаго можа імгненна паўплываць на другі. Двайныя магчымасці «суперпазіцыі» і «заблытвання» ў прынцыпе даволі магутныя. Такім чынам, тое, што можа дасягнуць квантавы кампутар, немагчыма ўявіць у параўнанні з класічнымі кампутарамі. Усё гэта гучыць вельмі захапляльна і проста, аднак у гэтым сцэнары ёсць праблема. Калі квантавы камп'ютар прымае ў якасці ўваходных дадзеных кубіты (накладзеныя біты), яго выхад таксама будзе аналагічным чынам у квантавым стане, г.зн. выхад з накладзенымі бітамі, якія таксама могуць пастаянна змяняцца ў залежнасці ад таго, у якім стане ён знаходзіцца. гэта сапраўды дазваляе нам атрымліваць усю інфармацыю, і таму самая вялікая праблема ў мастацтве квантавых вылічэнняў - знайсці спосабы атрымаць як мага больш інфармацыі з гэтага квантавага выхаду.
Квантавы кампутар будзе тут!
Квантавыя кампутары можна вызначыць як магутныя машыны, заснаваныя на прынцыпах квантавай механікі, якія выкарыстоўваюць зусім новы падыход да апрацоўкі інфармацыі. Яны імкнуцца даследаваць складаныя законы прыроды, якія існавалі заўсёды, але звычайна заставаліся схаванымі. Калі такія прыродныя з'явы можна даследаваць, квантавыя вылічэнні могуць запускаць новыя тыпы алгарытмаў для апрацоўкі інфармацыі, і гэта можа прывесці да інавацыйных прарываў у матэрыялазнаўстве, адкрыцці лекаў, робататэхніцы і штучным інтэлекце. Ідэя квантавага кампутара была прапанавана амерыканскім фізікам-тэарэтыкам Рычардам Фейнманам яшчэ ў 1982 годзе. І сёння тэхналагічныя кампаніі (напрыклад, IBM, Microsoft, Google, Intel) і акадэмічныя інстытуты (напрыклад, MIT і Прынстанскі універсітэт) працуюць над квантавым камп'ютэрныя прататыпы для стварэння асноўнага квантавага кампутара. International Business Machines Corp. (IBM) нядаўна заявіла, што яе навукоўцы стварылі магутную платформу квантавых вылічэнняў, і яна можа быць даступная для доступу, але адзначаюць, што гэтага недастаткова для выканання большасці задач. Яны кажуць, што 50-кубітны прататып, які зараз распрацоўваецца, можа вырашыць многія праблемы, якія сёння вырашаюць класічныя камп'ютэры, а ў будучыні 50-100-кубітныя кампутары ў значнай ступені запоўніць гэты прабел, г.зн. квантавы кампутар усяго з некалькімі сотнямі кубітаў зможа выконваць больш вылічэнняў адначасова, чым ёсць атамаў у вядомых сусвет. Рэальна кажучы, шлях да таго, дзе квантавы камп'ютар можа перасягнуць класічны камп'ютар у цяжкіх задачах, багаты цяжкасцямі і праблемамі. Нядаўна Intel абвясціла, што новы 49-кубітны квантавы камп'ютар кампаніі ўяўляе сабой крок да гэтага «квантавага перавагі», што з'яўляецца важным прагрэсам для кампаніі, якая прадэманстравала 17-бітную сістэму кубітаў усяго 2 месяцы таму. Іх прыярытэтам з'яўляецца працяг пашырэння праекта, зыходзячы з разумення таго, што павелічэнне колькасці кубітаў з'яўляецца ключом да стварэння квантавых кампутараў, якія могуць даць вынікі ў рэальным свеце.
Матэрыял з'яўляецца ключавым для пабудовы квантавага кампутара
Матэрыял крэмній быў неад'емнай часткай вылічэнняў на працягу дзесяцігоддзяў, таму што яго ключавы набор магчымасцяў робіць яго добра прыдатным для агульных (або класічных) вылічэнняў. Аднак, што тычыцца квантавых вылічэнняў, рашэнні на аснове крэмнію не былі прыняты галоўным чынам па дзвюх прычынах: па-першае, цяжка кантраляваць кубіты, вырабленыя на крэмніі, а па-другое, усё яшчэ незразумела, ці могуць крамянёвыя кубіты маштабавацца гэтак жа добра, як і іншыя. рашэнні. Сур'ёзнае прасоўванне Intel зусім нядаўна распрацавала1 новы тып кубіта, вядомы як «спін-кубіт», які вырабляецца на звычайным крэмніі. Спінавыя кубіты вельмі нагадваюць паўправадніковую электроніку, і яны забяспечваюць сваю квантавую магутнасць, выкарыстоўваючы спін аднаго электрона на крамянёвай прыладзе і кіруючы рухам з дапамогай малюсенькіх мікрахвалевых імпульсаў. Двума асноўнымі перавагамі, якія прывялі Intel да руху ў гэтым напрамку, з'яўляюцца тое, што, па-першае, Intel, як кампанія, ужо інвесціруе значныя сродкі ў крэмніевую індустрыю і, такім чынам, мае належны вопыт у крэмнію. Па-другое, крамянёвыя кубіты больш выгадныя, таму што яны меншыя, чым звычайныя кубіты, і, як чакаецца, яны будуць захоўваць кагерэнтнасць на працягу больш доўгага перыяду часу. Гэта вельмі важна, калі квантавыя вылічальныя сістэмы павінны быць пашыраны (напрыклад, пераход ад 100-кубіт да 200-кубіт). Intel тэстуе гэты прататып, і кампанія разлічвае вырабляць чыпы з тысячамі невялікіх масіваў кубітаў, і такая вытворчасць, калі робіцца масава, можа быць вельмі добрай для маштабавання квантавых кампутараў і можа стаць сапраўдным зменам гульні.
У нядаўнім даследаванні, апублікаваным у навука, нядаўна распрацаваны шаблон для фатонных крышталяў (гэта значыць крыштальны дызайн, рэалізаваны на фатонным чыпе) быў распрацаваны камандай Універсітэта Мэрыленда, ЗША, які, як яны сцвярджаюць, зробіць квантавыя кампутары больш даступнымі2. Гэтыя фатоны з'яўляюцца найменшай вядомай колькасцю святла, і гэтыя крышталі былі замацаваны з адтулінамі, якія прымушаюць святло ўзаемадзейнічаць. Розныя ўзоры адтулін змяняюць тое, як святло выгінаецца і адбіваецца праз крышталь, і тут былі зроблены тысячы трохкутных адтулін. Такое выкарыстанне асобных фатонаў важна для працэсу стварэння квантавых камп'ютараў, таму што кампутары будуць мець магчымасць вылічваць вялікія колькасці і хімічныя рэакцыі, якія сучасныя кампутары не ў стане. Канструкцыя чыпа дазваляе без страт адбывацца перанос фатонаў паміж квантавымі кампутарамі. Гэтая страта таксама разглядалася як вялікая праблема для квантавых кампутараў, і, такім чынам, гэты чып клапоціцца пра праблему і дазваляе эфектыўны маршрут квантавы інфармацыя з адной сістэмы ў іншую.
будучыню
Квантавыя кампутары абяцаюць выконваць вылічэнні значна за межамі любога звычайнага суперкампутара. Яны здольныя здзейсніць рэвалюцыю ў адкрыцці новых матэрыялаў, робячы магчымым мадэляваць паводзіны матэрыі аж да атамнага ўзроўню. Гэта таксама стварае надзею на штучны інтэлект і робататэхніку, апрацоўваючы даныя хутчэй і больш эфектыўна. Прадстаўленне камерцыйна жыццяздольнай сістэмы квантавых вылічэнняў можа быць зроблена любой з буйных арганізацый у бліжэйшыя гады, паколькі гэта даследаванне па-ранейшаму адкрытае і справядлівая гульня для ўсіх. Асноўныя аб'явы чакаюцца ў бліжэйшыя пяць-сем гадоў, і ў ідэале з шэрагам дасягненняў варта вырашыць інжынерныя праблемы, і квантавы кампутар з 1 мільёнам і больш кубітаў павінен стаць рэальнасцю.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
1. Castelvecchi D. 2018. Крэмній заваёўвае пазіцыі ў гонцы квантавых вылічэнняў. Прырода. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Сабясачы Б. і інш. 2018. Тапалагічны інтэрфейс квантавай оптыкі. Навука. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
