Серія проривів у квантових обчисленнях
Звичайний комп'ютер, який зараз називають класичним або традиційним комп'ютером, працює на основі базової концепції 0s і 1s (нулі та одиниці). Коли ми запитаємо комп'ютер щоб виконати завдання для нас, наприклад, математичний розрахунок або запис на зустріч або будь-що, що стосується повсякденного життя, це завдання в даний момент перетворюється (або перекладається) у рядок з 0 і 1 (який потім називається input), цей вхід обробляється алгоритмом (визначається як набір правил, яких слід дотримуватися для виконання завдання на комп’ютері). Після цієї обробки повертається новий рядок з 0 і 1 (так званий вихід), який кодує очікуваний результат і перетворюється назад у просту зручну для користувача інформацію як «відповідь» на те, що користувач хоче зробити комп'ютер. . Цікаво, що незалежно від того, наскільки розумним чи розумним може здаватися алгоритм і яким би не був рівень складності завдання, комп’ютерний алгоритм виконує лише одну річ – маніпулює рядком бітів – де кожен біт дорівнює 0 або 1. маніпуляції відбуваються на комп’ютері (на стороні програмного забезпечення), а на рівні машини це представлено електричними ланцюгами (на материнській платі комп’ютера). У апаратній термінології, коли струм проходить через ці електричні кола, вони замикаються і розмикаються, коли немає струму.
Класичний проти квантового комп'ютера
Тому в класичних комп’ютерах біт – це єдина частина інформації, яка може існувати в двох можливих станах – 0 або 1. Однак якщо говорити про квантовий комп’ютери, вони зазвичай використовують квантові біти (також звані «кубітами»). Це квантові системи з двома станами, однак, на відміну від звичайного біта (зберігається як 0 або 1), кубіти можуть зберігати набагато більше інформації і можуть існувати в будь-якому припущенні цих значень. Щоб пояснити краще, кубіт можна розглядати як уявну сферу, де кубіт може бути будь-якою точкою на кулі. Можна сказати, що квантові обчислення використовують переваги можливості субатомних частинок існувати в більш ніж одному стані в будь-який момент часу і все одно бути взаємовиключними. З іншого боку, класичний біт може бути тільки в двох станах – наприклад, на кінці двох полюсів сфери. У звичайному житті ми не можемо побачити цю «суперпозицію», тому що як тільки система розглядається повністю, ці суперпозиції зникають, і це є причиною того, що розуміння таких суперпозицій є неясним.
Для комп’ютерів це означає, що квантові комп’ютери, які використовують кубіти, можуть зберігати величезну кількість інформації, використовуючи менше енергії, ніж класичний комп’ютер, і, отже, операції чи обчислення можуть виконуватися на квантовому комп’ютері набагато швидше. Отже, класичний комп’ютер може приймати 0 або 1, два біти в цьому комп’ютері можуть бути в чотирьох можливих станах (00, 01, 10 або 11), але в будь-який момент часу представлено лише один стан. З іншого боку, квантовий комп’ютер працює з частинками, які можуть перебувати в суперпозиції, дозволяючи двом кубітам представляти ті самі чотири стани одночасно завдяки властивості суперпозиції, що звільняє комп’ютери від «двійкового обмеження». Це може бути еквівалентно одночасному запуску чотирьох комп’ютерів, і якщо ми додамо ці кубіти, потужність квантового комп’ютера зростає експоненціально. Квантові комп’ютери також використовують переваги іншої властивості квантової фізики, яка називається «квантова заплутаність», визначена Альбертом Ейнштейном. Заплутаність — це властивість, яка дозволяє квантовим частинкам з’єднуватися та спілкуватися незалежно від їх розташування в всесвіт так що зміна стану одного може миттєво вплинути на інший. Подвійні можливості «суперпозиції» та «заплутування» в принципі досить потужні. Тому те, чого може досягти квантовий комп’ютер, неможливо уявити в порівнянні з класичними комп’ютерами. Все це звучить дуже захоплююче та просто, однак у цьому сценарії є проблема. Якщо квантовий комп’ютер приймає кубіти (накладені біти) як вхідні дані, його вихідні дані також будуть у квантовому стані, тобто вихідні дані мають накладені біти, які також можуть постійно змінюватися залежно від того, в якому стані він перебуває. Цей вид виведення не Це дійсно дозволяє нам отримувати всю інформацію, і тому найбільша проблема в мистецтві квантових обчислень полягає в тому, щоб знайти способи отримати якомога більше інформації з цього квантового результату.
Квантовий комп'ютер буде тут!
Квантові комп’ютери можна визначити як потужні машини, засновані на принципах квантової механіки, які використовують абсолютно новий підхід до обробки інформації. Вони прагнуть досліджувати складні закони природи, які існували завжди, але зазвичай залишалися прихованими. Якщо такі природні явища можна досліджувати, квантові обчислення можуть запускати нові типи алгоритмів для обробки інформації, і це може призвести до інноваційних проривів у матеріалознавстві, відкритті ліків, робототехніці та штучному інтелекті. Ідею квантового комп’ютера запропонував американський фізик-теоретик Річард Фейнман ще в 1982 році. Сьогодні технологічні компанії (такі як IBM, Microsoft, Google, Intel) і наукові установи (наприклад, MIT і Прінстонський університет) працюють над квантовою комп’ютерні прототипи для створення основного квантового комп’ютера. International Business Machines Corp. (IBM) нещодавно заявила, що її вчені створили потужну платформу квантових обчислень, і вона може бути доступна для доступу, але зауважує, що цього недостатньо для виконання більшості завдань. Вони кажуть, що 50-кубітний прототип, який зараз розробляється, може вирішити багато проблем, які сьогодні вирішують класичні комп’ютери, а в майбутньому 50-100-кубітні комп’ютери значною мірою заповнять цю прогалину, тобто квантовий комп’ютер лише з кількома сотнями кубітів зможе виконувати більше обчислень одночасно, ніж атомів у відомих всесвіт. Реально кажучи, шлях до того, де квантовий комп’ютер може фактично перевершити класичний комп’ютер у важких завданнях, повний труднощів і проблем. Нещодавно Intel оголосила, що новий 49-кубітний квантовий комп’ютер компанії став кроком до цієї «квантової переваги» в значному прогресі для компанії, яка продемонструвала 17-бітну систему кубітів лише 2 місяці тому. Їх пріоритетом є продовження розширення проекту на основі розуміння того, що збільшення кількості кубітів є ключем до створення квантових комп’ютерів, які можуть забезпечувати реальні результати.
Матеріал є ключовим для побудови квантового комп’ютера
Матеріал кремній був невід'ємною частиною обчислювальної техніки протягом десятиліть, оскільки його ключовий набір можливостей робить його добре придатним для загальних (або класичних) обчислень. Однак, що стосується квантових обчислень, рішення на основі кремнію не були прийняті в основному з двох причин: по-перше, важко контролювати кубіти, виготовлені на кремнії, а по-друге, досі неясно, чи можуть кремнієві кубіти масштабуватися так само добре, як і інші. рішення. Серйозний прогрес, розроблений Intel зовсім недавно1 новий тип кубіта, відомий як «спіновий кубіт», який виготовляється на звичайному кремнії. Спінові кубіти дуже нагадують напівпровідникову електроніку, і вони забезпечують свою квантову потужність, використовуючи спін окремого електрона на кремнієвому пристрої та керуючи рухом за допомогою крихітних мікрохвильових імпульсів. Дві основні переваги, які спонукали Intel рухатися в цьому напрямку, по-перше, Intel, як компанія, вже активно інвестує в кремнієву індустрію і, таким чином, має належний досвід у кремнієвій промисловості. По-друге, кремнієві кубіти є більш вигідними, оскільки вони менші, ніж звичайні кубіти, і очікується, що вони будуть зберігати когерентність протягом більш тривалого періоду часу. Це надзвичайно важливо, коли квантові обчислювальні системи необхідно масштабувати (наприклад, перейти від 100-кубіт до 200-кубіт). Intel тестує цей прототип, і компанія очікує, що буде виробляти чіпи з тисячами невеликих масивів кубітів, і таке виробництво при масовому виконанні може бути дуже добре для масштабування квантових комп’ютерів і може стати справжньою зміною гри.
У недавньому дослідженні, опублікованому в наука, нещодавно розроблений шаблон для фотонних кристалів (тобто кристалічний дизайн, реалізований на фотонному чіпі) був розроблений командою з Університету Меріленду, США, який, як вони стверджують, зробить квантові комп’ютери більш доступними2. Ці фотони є найменшою відомою кількістю світла, і ці кристали були закріплені отворами, які спричиняють взаємодію світла. Різні схеми отворів змінюють те, як світло згинається і відбивається крізь кристал, і тут було зроблено тисячі трикутних отворів. Таке використання окремих фотонів є важливим для процесу створення квантових комп’ютерів, тому що комп’ютери тоді матимуть можливість обчислювати великі числа та хімічні реакції, які сучасні комп’ютери не в змозі. Конструкція чіпа дозволяє здійснювати передачу фотонів між квантовими комп’ютерами без будь-яких втрат. Ця втрата також розглядається як велика проблема для квантових комп’ютерів, і, таким чином, цей чіп піклується про проблему та дозволяє ефективний маршрут квантовий інформація від однієї системи до іншої.
Future
Квантові комп’ютери обіцяють виконувати обчислення набагато більше, ніж будь-який звичайний суперкомп’ютер. Вони мають потенціал революціонізувати відкриття нових матеріалів, дозволяючи моделювати поведінку матерії аж до атомного рівня. Це також створює надію на штучний інтелект і робототехніку, обробляючи дані швидше та ефективніше. У найближчі роки будь-яка велика організація може створити комерційно життєздатну систему квантових обчислень, оскільки це дослідження все ще є відкритим і є чесною грою для всіх. Основні оголошення очікуються в найближчі п’ять-сім років, і в ідеалі, якщо брати до уваги низку досягнень, необхідно вирішити інженерні проблеми, а квантовий комп’ютер з 1 мільйоном або більше кубітів повинен стати реальністю.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
1. Кастельвеккі Д. 2018. Кремній набирає позиції в гонці квантових обчислень. природа. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Топологічний інтерфейс квантової оптики. наук. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
