co je kvantové výpočty? Běžné počítače pracují podle přísných pravidel logiky. Ale malé kvantové objekty – jako jsou elektrony nebo fotony světla – může zlomit ty pravidla
Kvantová computing je myšlenka, že můžeme použít tato kvantová porušování pravidel zpracovávat informace novým způsobem—ten, který je zcela odlišný od toho, jak pravidelné počítače pracují. Díky tomu jsou v některých případech exponenciálně rychlejší než jakýkoli běžný počítač.
například jeden kvantový počítač by mohl snadno rozluštit kódy, které udržují internetové bankovnictví v bezpečí.
takže jako superpočítač?
ne tak docela. Kvantový počítač není jen“ rychlejší “ počítač. Existuje několik konkrétních úkolů – například faktoring velmi velkých čísel-což by kvantový počítač byl úžasný. (To je místo, kde codebreaking přichází – viz níže.) Ale pro většinu pracovních míst by kvantový počítač byl o něco lepší než běžný počítač.
k čemu by tedy mohl být kvantový počítač použit?
pravděpodobně budou nejužitečnější pro vládní agentury, výzkumné a vývojové společnosti a univerzity při řešení problémů, se kterými se současné počítače potýkají.
první praktickou myšlenkou, kterou navrhl fyzik Richard Feynman v roce 1981, bylo použití kvantového počítače k simulaci kvantové mechaniky. To by mělo dopad na chemii a biologii. Chemici by například mohli přesně modelovat lékové interakce a biologové by mohli studovat všechny možné způsoby, jak se proteiny mohou skládat a vzájemně interagovat.
Zatímco kvantové počítače byly kdysi akademická zvědavost, zájem explodovala v roce 1994, kdy Americký matematik Peter Shor našel způsob, jak využít kvantové počítače rozbít kódy.
v současné době mnoho online bezpečnostních systémů běží na principu, že je téměř nemožné vzít velmi velké množství a zjistit, jaké jsou jeho hlavní faktory. Vše, co běžný počítač může udělat, je vyzkoušet každou možnost jeden po druhém-úkol, který může trvat miliardy let. Pomocí shorova algoritmu by kvantový počítač mohl úkol provést během několika hodin.
Kvantové počítače by mohly být také fantastický na rozpoznání vzorů v datech – vhodné pro strojové učení problémy, jako je schopen identifikovat různé objekty v obraze. Mohli by být skvělí při vytváření modelů pro předpovídání budoucnosti, například při dlouhodobém předpovídání počasí.
ale nakonec je použití kvantového počítání nepředvídatelné. Vezměme si, že v roce 1943 Thomas Watson, prezident IBM, řekl: „Myslím, že existuje světový trh pro možná pět počítačů.“Nyní je v každé domácnosti pět.
pokud je precedens nějaký průvodce, musíme si ještě představit, jaké bude použití kvantových počítačů.
jak kvantové výpočty fungují?
běžné počítače jsou založeny na “ bitech – – představte si je jako malé přepínače ukazující na 1 nebo 0.
kvantové výpočty se opírají o kvantové bity nebo „qubity“, které mohou také představovat 0 nebo 1. Bláznivá věc je, že qubits mohou také dosáhnout smíšeného stavu, nazývaného „superpozice“, kde jsou oba 1 a 0 současně. Tato nejednoznačnost-schopnost “ být “ i „nebýt“ – je klíčem k síle kvantového počítání.
jak pomáhá superpozice?
rozdíl mezi běžnými počítači a kvantovými počítači se scvrkává na to, jak přistupují k problému.
pravidelné počítače se snaží vyřešit problém stejným způsobem, můžete se pokusit uniknout bludiště – tím, že se snaží všechny možné chodby, otočil se zpátky na slepých uliček, až se nakonec najít cestu ven. Superpozice však umožňuje kvantovému počítači vyzkoušet všechny cesty najednou – v podstatě najít zkratku.
dva bity v počítači mohou být ve čtyřech možných stavech (00, 01, 10 nebo 11), ale pouze jeden z nich kdykoli. To omezuje počítač na zpracování jednoho vstupu najednou (jako vyzkoušet jednu chodbu v bludišti).
v kvantovém počítači mohou dva qubity také představovat přesně stejné čtyři stavy (00, 01, 10 nebo 11). Rozdíl je v tom, že kvůli superpozici mohou qubity představovat všechny čtyři současně. To je trochu jako mít čtyři běžné počítače běžící vedle sebe.
pokud do běžného počítače přidáte více bitů, může se stále zabývat pouze jedním stavem najednou. Ale jak přidáte qubits, síla vašeho kvantového počítače roste exponenciálně. Pro matematicky nakloněné můžeme říci, že pokud máte“ n “ qubits, můžete současně reprezentovat 2N stavy.)
je to jako ta stará bajka o starověkém indiánovi, zvaném Sessa, který vynalezl šachovou hru. Král byl touto hrou potěšen a požádal Sessu, aby jmenovala jeho odměnu. Sessa pokorně požádala o jednu šachovnici s jedním zrnkem pšenice na prvním čtverci, dvěma na druhém, čtyřmi na třetím a tak dále. Král okamžitě souhlasil, neuvědomil si, že slíbil pryč více pšenice, než existovalo na Zemi. To je síla exponenciálního růstu.
stejně jako každý čtverec zdvojnásobil pšenici Sessa, každý další qubit zdvojnásobí výpočetní výkon. Tři qubits vám dává 23, což je osm států současně; čtyři qubits vám 24, což je 16. A 64 qubitů? Oni vám 264, který je 18,446,744,073,709,600,000 možnosti! To je asi milion terabajtů.
zatímco 64 pravidelných bitů může také představovat tento obrovský počet (264) stavů, může představovat pouze jeden po druhém. Cyklování všech těchto kombinací rychlostí dvou miliard za sekundu (což je typická rychlost pro moderní PC) by trvalo asi 400 let.
to vše znamená, že kvantové počítače by mohly řešit problémy, které jsou pro klasické počítače „prakticky nemožné“.
ale aby se dosáhlo tohoto exponenciálního zrychlení, musí být osud všech qubitů spojen v procesu zvaném kvantové zapletení. Tento divný jev, které Einstein nazval „strašidelné působení na dálku“, se může připojit kvantové částice, i když jsou na opačných koncích vesmíru.
co dělá qubit?
Chcete-li vytvořit qubit, potřebujete objekt, který může dosáhnout stavu kvantové superpozice mezi dvěma stavy.
atomové jádro je jeden druh qubitu. Směr jeho magnetického momentu (je to „spin“) může směřovat různými směry, řekněme nahoru nebo dolů vzhledem k magnetickému poli.
výzva spočívá v umístění a následném řešení tohoto jediného atomu.
Australský tým vedený Michelle Simmons na University of New South Wales, učinil atomové qubits tím, že jeden atom fosforu na známé pozici uvnitř křemíkového krystalu.
další myšlenkou je odstranit elektron z atomu a přeměnit jej na iont. Pak můžete pomocí elektromagnetických polí pozastavit iont ve volném prostoru a vystřelit na něj lasery, aby se změnil jeho stav. Díky tomu je kvantový počítač“ zachycený iont“.
proud ve smyčce supravodivý kov může být také v superpozici (mezi ve směru hodinových ručiček a proti směru hodinových ručiček), trochu jako malý běžecký pás běží dopředu a dozadu zároveň.
foton světla může být v superpozici ve směru, kterým mává. Některé skupiny sestavují kvantové obvody tím, že posílají fotony kolem bludiště optických vláken a zrcadel.
jak vytvoříte superpozici?
pokusili jste se někdy vyrovnat minci přesně na jejím okraji? To je to, co programování qubit je jako. Zahrnuje to udělat něco s qubitem, aby to v jistém smyslu skončilo „vyváženým“ mezi státy.
v případě atomového jádra to může být zapnutím elektrickým nebo magnetickým polem, přičemž odchod je se stejnou pravděpodobností otáčení tak či onak.
jak tedy čtete informace z qubits?
existuje aura mystického o tom, co se děje během kvantového výpočtu. Čím více fyziků popisuje qubits jako zapojení do jakési kvantové seance s paralelními světy, aby božská odpověď.
ale není to magie, je to jen kvantová mechanika.
Řekněme, že máte svůj nový 64-qubit kvantový počítač v provozu pro svůj první výpočet. Umístíte všech 64 qubits v superpozici, stejně jako 64 mince všechny vyvážené na hraně. Společně drží 264 možných států v limbu. Víte, že jeden z těchto států představuje správnou odpověď. Ale který?
problém je, Že čtení qubits příčiny superpozice zhroutí jako bouchání pěstí na stůl všechny ty, vyvážená mince.
zde se hodí kvantový algoritmus, jako je Shor. Načte qubits, aby se jim větší pravděpodobnost, že padnou na správné straně, a dát nám správnou odpověď.
už byly postaveny nějaké kvantové počítače?
zřejmě ano, i když žádný z nich zatím nemůže nic překonat konvenční počítače.
poslední tři roky zaznamenaly dramatický pokrok v kvantovém počítání. Zatímco v roce 2016 časopis Nature oslavoval devět qubit počítač vyvinutý výzkumníky Google. O osmnáct měsíců později, v prosinci 2017, IBM oznámila svůj kvantový počítač 50 qubit. Během čtyř měsíců se Google opět posunul dopředu a jejich kvantový počítač „Bristlecone“ 72-qubit. Mezitím IBM vyrobila první komerčně dostupný kvantový počítač-poskytuje cloudový přístup ke svému stroji 20 qubit Q System One za cenu.
D-Wave je stále daleko dopředu s jeho vytvoření pomocí 2000 supravodivých smyček jako qubits, ačkoli někteří fyzici jsou skeptičtí, že D-Wave postavil skutečný kvantový počítač.
všichni velcí hráči mají v hledáčku další významný milník: „quantum supremacy“. To znamená, když kvantový počítač řeší problém nad možnosti klasických strojů. Teoreticky by to mělo být možné u 50-qubitového stroje, ale pouze pokud jsou chybovost dostatečně nízká.
proč je tak obtížné postavit kvantový počítač?
existují výzvy na všech úrovních, od sestavování qubits, čtení a psaní informací o nich, k shuttling informace tam a zpět, aniž by zmizel v obláčku nejistoty.
qubit je konečná diva. Zatímco Hollywoodské hvězdy, může požadovat gigantické šatně a vanou plnou okvětních lístků růže, qubit vyžaduje dokonalou izolaci a termostat nastavit na jednu setinu stupně nad absolutní nulu. Nejmenší vibrace z Blízkého atomu mohou způsobit, že qubit hodí kvantový záchvat hněvu a ztratí svou superpozici.
prvořadým problémem je, jak udržet křehké státy superpozice a zapletení, dost dlouho na to spustit výpočet – tzv. koherenční doba.
i Přes to skličující úkol, závod postavit první praktické kvantový počítač se stal jedním z velkých vědeckých problémů naší doby – zahrnující tisíce fyziků a inženýrů na desítkách výzkumných ústavů, roztroušených po celém světě.