Calculul cuantic pentru qubitul curios

ce este calculul cuantic? Calculatoarele obișnuite funcționează în conformitate cu reguli stricte de logică. Dar obiectele cuantice minuscule – cum ar fi electronii sau fotonii de lumină-pot încălca aceste reguli

calculul cuantic este ideea că putem folosi această încălcare a regulilor cuantice pentru a procesa informațiile într—un mod nou-unul care este total diferit de modul în care funcționează computerele obișnuite. Acest lucru le face, în unele cazuri, exponențial mai rapide decât orice computer obișnuit.

de exemplu, un computer cuantic ar putea sparge cu ușurință codurile care mențin securitatea serviciilor bancare pe internet.

Deci, ca un supercomputer?

nu chiar. Un computer cuantic nu este doar un computer „mai rapid”. Există câteva sarcini specifice – cum ar fi factorizarea unui număr foarte mare-la care un computer cuantic ar fi uimitor. (Acest lucru este în cazul în care codebreaking vine în – a se vedea mai jos.) Dar pentru majoritatea locurilor de muncă, un computer cuantic ar fi puțin mai bun decât un computer obișnuit.

deci, pentru ce ar putea fi folosit un computer cuantic?

acestea vor fi probabil cele mai utile pentru agențiile guvernamentale, companiile de cercetare și dezvoltare și universitățile în rezolvarea problemelor cu care se confruntă computerele actuale.

prima idee practică, propusă de fizicianul Richard Feynman în 1981, a fost utilizarea unui computer cuantic pentru a simula mecanica cuantică. Acest lucru ar avea impact asupra chimiei și biologiei. Chimiștii, de exemplu, ar putea modela cu exactitate interacțiunile medicamentoase, iar biologii ar putea studia toate modurile posibile în care proteinele se pot plia și interacționa între ele.

în timp ce computerele cuantice au fost cândva o curiozitate academică, interesul a explodat în 1994, când matematicianul american Peter Shor a găsit o modalitate de a folosi computerele cuantice pentru a sparge codurile.

în prezent, multe sisteme de securitate online rulează pe principiul că este aproape imposibil să iei un număr foarte mare și să-ți dai seama care sunt factorii săi primi. Tot ce poate face un computer obișnuit este să încerce fiecare posibilitate una după alta-o sarcină care ar putea dura miliarde de ani. Folosind algoritmul lui Shor, un computer cuantic ar putea îndeplini sarcina în câteva ore.

computerele cuantice ar putea fi, de asemenea, fantastice în recunoașterea tiparelor din date – utile pentru problemele de învățare automată, cum ar fi posibilitatea de a identifica diferite obiecte dintr-o imagine. Acestea ar putea fi excelente la construirea de modele pentru a prezice viitorul, cum ar fi prognoza meteo pe termen lung.

dar, în cele din urmă, utilizările calculului cuantic sunt imprevizibile. Gândiți-vă că în 1943, Thomas Watson, președintele IBM a spus: „Cred că există o piață mondială pentru poate cinci computere.”Acum sunt cinci în fiecare gospodărie.

dacă precedentul este un ghid, încă nu ne-am imaginat care vor fi utilizările computerelor cuantice.

cum funcționează calculul cuantic?

computerele obișnuite se bazează pe” biți ” – imaginați-le ca mici comutatoare care indică fie un 1, fie un 0.

calculul cuantic se bazează pe biți cuantici, sau „qubiți”, care pot reprezenta, de asemenea, un 0 sau un 1. Lucrul nebun este că qubiții pot obține, de asemenea, o stare mixtă, numită „suprapunere” în care sunt atât 1, cât și 0 în același timp. Această ambiguitate – capacitatea de a „fi ” și” a nu Fi ” – este cheia puterii calculului cuantic.

cum ajută suprapunerea?

diferența dintre computerele obișnuite și computerele cuantice se reduce la modul în care abordează o problemă.

un computer obișnuit încearcă să rezolve o problemă în același mod în care ați putea încerca să scăpați de un labirint – încercând fiecare coridor posibil, întorcându-vă la fundături, până când veți găsi în cele din urmă calea de ieșire. Dar suprapunerea permite computerului cuantic să încerce toate căile simultan-în esență, găsind comanda rapidă.

doi biți din computer pot fi în patru stări posibile (00, 01, 10 sau 11), dar numai unul dintre ei în orice moment. Acest lucru limitează computerul la procesarea unei intrări la un moment dat (cum ar fi încercarea unui coridor în labirint).

într-un computer cuantic, doi qubiți pot reprezenta, de asemenea, exact aceleași patru stări (00, 01, 10 sau 11). Diferența este că, din cauza suprapunerii, qubitele pot reprezenta toate cele patru în același timp. Asta e un pic ca având patru calculatoare regulate care rulează side-by-side.

dacă adăugați mai mulți biți la un computer obișnuit, acesta poate trata doar o singură stare la un moment dat. Dar pe măsură ce adăugați qubiți, puterea computerului cuantic crește exponențial. Pentru cei înclinați matematic, putem spune că dacă aveți „n” qubits, puteți reprezenta simultan 2N stări.)

este ca acea veche fabulă despre un indian antic, numit Sessa, care a inventat jocul de șah. Regele a fost încântat de joc și ia cerut lui Sessa să-și numească recompensa. Sessa a cerut cu umilință o singură tablă de șah cu un bob de grâu pe primul pătrat, două pe al doilea, patru pe al treilea și așa mai departe. Regele a fost de acord imediat, fără să-și dea seama că promisese mai mult grâu decât exista pe Pământ. Aceasta este puterea creșterii exponențiale.

la fel cum fiecare pătrat a dublat grâul lui Sessa, fiecare qubit suplimentar dublează puterea de procesare. Trei qubiți îți dau 23, adică opt stări în același timp; patru qubiți îți dau 24, adică 16. Și 64 de qubiți? Ei vă dau 264, care este 18,446,744,073,709,600,000 posibilități! Aceasta este de aproximativ un milion de terabytes în valoare.

în timp ce 64 de biți obișnuiți pot reprezenta, de asemenea, acest număr imens (264) de stări, acesta poate reprezenta doar unul pe rând. Pentru a parcurge toate aceste combinații, la două miliarde pe secundă (ceea ce este o viteză tipică pentru un computer modern), ar dura aproximativ 400 de ani.

toate acestea înseamnă că computerele cuantice ar putea aborda probleme care sunt „practic imposibile” pentru computerele clasice.

dar pentru a obține această viteză exponențială, soarta tuturor qubiților trebuie să fie legată împreună într-un proces numit entanglement cuantic. Acest fenomen ciudat, pe care Einstein l-a numit „acțiune înfricoșătoare la distanță”, poate conecta particulele cuantice chiar dacă se află la capetele opuse ale universului.

ce face un qubit?

pentru a face un qubit, aveți nevoie de un obiect care poate atinge o stare de suprapunere cuantică între două stări.

un nucleu atomic este un fel de qubit. Direcția momentului său magnetic (este „spin”) poate indica în direcții diferite, să zicem în sus sau în jos în raport cu un câmp magnetic.

provocarea constă în plasarea și apoi abordarea acelui singur atom.

o echipă australiană condusă de Michelle Simmons de la Universitatea din New South Wales, a realizat qubiți atomici prin plasarea unui singur atom de fosfor într-o poziție cunoscută în interiorul unui cristal de siliciu.

o altă idee este de a îndepărta un electron de pe atom și de a-l transforma într-un ion. Apoi, puteți utiliza câmpuri electromagnetice pentru a suspenda ionul în spațiul liber, trăgând lasere asupra acestuia pentru a-și schimba starea. Acest lucru face ca un computer cuantic „ionic prins”.

un curent dintr-o buclă de metal supraconductor poate fi, de asemenea, într-o suprapunere (între sensul acelor de ceasornic și antiorar), un pic ca o bandă de alergare care rulează înainte și înapoi în același timp.

un foton de lumină poate fi suprapus în direcția în care flutură. Unele grupuri au asamblat circuite cuantice prin trimiterea de fotoni în jurul unui labirint de fibre optice și oglinzi.

cum creezi suprapunerea?

ați încercat vreodată să echilibrați o monedă exact pe marginea ei? Așa este programarea unui qubit. Implică să faci ceva unui qubit, astfel încât, într-un anumit sens, să ajungă „echilibrat” între state.

în cazul nucleului atomic, acest lucru ar putea fi prin zapping-l cu un câmp electric sau magnetic, lăsând este cu o probabilitate egală de filare într-un fel sau altul.

deci, cum citiți informațiile de la qubits?

există o aură a misticului despre ceea ce se întâmplă în timpul unui calcul cuantic. Cei mai mulți fizicieni descriu qubiții ca angajându-se într-un fel de ecuație cuantică cu lumi paralele cu răspunsul divin.

dar nu este magie, este doar mecanica cuantică.

să presupunem că aveți noul computer cuantic de 64 de qubiți în funcțiune pentru primul său calcul. Plasați toate 64 qubits în superpoziție, la fel ca 64 monede toate echilibrate pe margine. Împreună, ei dețin 264 de state posibile în uitare. Știi că una dintre aceste stări reprezintă răspunsul corect. Dar care?

problema este că citirea qubiților face ca suprapunerea să se prăbușească – ca și cum ai trage pumnul pe masă cu toate acele monede echilibrate.

Iată unde un algoritm cuantic ca al lui Shor vine la îndemână. Se încarcă qubits pentru a le face mai susceptibile de a cădea pe partea corectă, și să ne dea răspunsul corect.

au fost construite încă computere cuantice?

aparent da, deși niciunul dintre ei nu poate face nimic care să depășească computerele convenționale încă.

ultimii trei ani au înregistrat progrese dramatice în calculul cuantic. În timp ce în 2016 revista Nature sărbătorea un computer de nouă qubit dezvoltat de cercetătorii Google. Optsprezece luni mai târziu, în decembrie 2017, IBM a raportat computerul cuantic de 50 qubit. În termen de patru luni, Google a intrat din nou în față, cu computerul lor cuantic de 72 de qubiți ‘Bristlecone’. Între timp, IBM a produs primul computer cuantic Disponibil în comerț–oferind acces în cloud la mașina lor de 20 qubit Q System One, la un preț.

D-Wave este încă departe de a crea folosind 2000 de bucle superconductoare ca qubiți, deși unii fizicieni sunt sceptici că D-Wave a construit un adevărat computer cuantic.

toți marii jucători au următoarea etapă importantă în vizorul lor: supremația cuantică. Aceasta înseamnă atunci când un computer cuantic rezolvă o problemă dincolo de capacitățile mașinilor clasice. Teoretic, acest lucru ar trebui să fie posibil cu o mașină de 50 de qubiți, dar numai dacă ratele de eroare sunt suficient de scăzute.

de ce este atât de dificil să construiești un computer cuantic?

există provocări la fiecare nivel, de la asamblarea qubit-urilor, la citirea și scrierea informațiilor despre ele, la transferul informațiilor înainte și înapoi fără ca acestea să dispară într-un puf de incertitudine.

un qubit este diva Supremă. În timp ce o starletă de la Hollywood ar putea cere un dressing gigantic și o baie plină de petale de trandafir, un qubit necesită o izolare perfectă și un termostat setat la o sutime de grad peste zero absolut. Cea mai mică vibrație de la un atom din apropiere poate determina un qubit să arunce un tantrum cuantic și să-și piardă suprapunerea.

dificultatea primordială este cum să menținem stările delicate ale suprapunerii și încurcării suficient de lungi pentru a efectua un calcul – așa-numitul timp de coerență.

în ciuda acestei provocări descurajante, cursa pentru construirea primului computer cuantic practic a devenit una dintre marile provocări științifice ale timpului nostru – implicând mii de fizicieni și ingineri la zeci de institute de cercetare împrăștiate pe tot globul.