Kvanteberegning for kvbit nysgerrig

Hvad er kvanteberegning? Regelmæssige computere fungerer i henhold til strenge logikregler. Men små kvanteobjekter – såsom elektroner eller fotoner af lys – kan bryde disse regler

Kvanteberegning er ideen om, at vi kan bruge denne kvante regelbrud til at behandle information på en ny måde-en der er helt anderledes end hvordan almindelige computere fungerer. Dette gør dem i nogle tilfælde eksponentielt hurtigere end nogen almindelig computer.

for eksempel kunne en kvantecomputer let knække de koder, der holder internetbanken sikker.

så som en supercomputer?

ikke ligefrem. En kvantecomputer er ikke bare en “hurtigere” computer. Der er et par specifikke opgaver – såsom factoring meget store tal – som en kvantecomputer ville være fantastisk til. (Det er her kodebrydningen kommer ind-se nedenfor.) Men for de fleste job ville en kvantecomputer være lidt bedre end en almindelig computer.

så hvad kunne en kvantecomputer bruges til?

de vil sandsynligvis være mest nyttige for regeringsorganer, forsknings-og udviklingsvirksomheder og universiteter til at løse problemer, som nuværende computere kæmper med.

den første praktiske ide, foreslået af fysikeren Richard Feynman i 1981, var at bruge en kvantecomputer til at simulere kvantemekanik. Dette vil påvirke Kemi og biologi. Kemikere kunne for eksempel nøjagtigt modellere lægemiddelinteraktioner, og biologer kunne studere alle mulige måder, hvorpå proteiner kan foldes og interagere med hinanden.

mens kvantecomputere engang var en akademisk nysgerrighed, eksploderede interessen i 1994, da den amerikanske matematiker Peter Shor fandt en måde at bruge kvantecomputere til at bryde koder.

i øjeblikket kører mange online sikkerhedssystemer på princippet om, at det er næsten umuligt at tage et meget stort antal og finde ud af, hvad dets primære faktorer er. Alt, hvad en almindelig computer kan gøre, er at prøve enhver mulighed efter hinanden – en opgave, der kan tage milliarder af år. Ved hjælp af Shors algoritme kunne en kvantecomputer udføre opgaven om et par timer.

kvantecomputere kunne også være fantastiske til at genkende mønstre i data – nyttige til maskinindlæringsproblemer, såsom at kunne identificere forskellige objekter i et billede. De kunne være gode til at bygge modeller til at forudsige fremtiden, f.eks.

men i sidste ende er brugen af kvanteberegning uforudsigelig. I 1943 sagde IBM ‘ s præsident, “jeg tror, at der er et verdensmarked for måske fem computere.”Nu er der fem i hver husstand.

hvis præcedens er nogen vejledning, har vi endnu ikke forestillet os, hvad brugen af kvantecomputere vil være.

Hvordan fungerer kvanteberegning?

almindelige computere er baseret på “bits” – forestil dig dem som små kontakter, der peger på enten en 1 eller en 0.

Kvanteberegning er afhængig af kvantebits eller “kvbits”, som også kan repræsentere en 0 eller en 1. Den skøre ting er, at kvbits også kan opnå en blandet tilstand, kaldet en” superposition”, hvor de begge er 1 og 0 på samme tid. Denne tvetydighed-evnen til både at” være “og” ikke være ” – er nøglen til kraften i kvanteberegning.

Hvordan hjælper superposition?

forskellen mellem almindelige computere og kvantecomputere koger ned til, hvordan de nærmer sig et problem.

en almindelig computer forsøger at løse et problem på samme måde som du måske forsøger at undslippe en labyrint – ved at prøve alle mulige korridorer, vende tilbage i blindgyder, indtil du til sidst finder vej ud. Men superposition gør det muligt for kvantecomputeren at prøve alle stier på en gang – i det væsentlige at finde genvejen.

to bits i din computer kan være i fire mulige tilstande (00, 01, 10 eller 11), men kun en af dem til enhver tid. Dette begrænser computeren til at behandle en indgang ad gangen (som at prøve en korridor i labyrinten).

i en kvantecomputer kan to kvbits også repræsentere nøjagtigt de samme fire tilstande (00, 01, 10 eller 11). Forskellen er på grund af superposition, at kvbits kan repræsentere alle fire på samme tid. Det er lidt som at have fire almindelige computere, der kører side om side.

hvis du tilføjer flere bits til en almindelig computer, kan den stadig kun håndtere en tilstand ad gangen. Men når du tilføjer kvbits, vokser kraften i din kvantecomputer eksponentielt. For de matematisk tilbøjelige kan vi sige, at hvis du har “n” kvbits, kan du samtidig repræsentere 2n stater.)

det er som den gamle fabel om en gammel Indianer, kaldet Sessa, der opfandt skakspillet. Kongen var glad for spillet og bad Sessa om at navngive sin belønning. Sessa anmodede ydmygt om et enkelt skakbræt med et hvedekorn på den første plads, to på den anden, fire på den tredje og så videre. Kongen var enig med det samme og indså ikke, at han havde lovet væk mere hvede, end der eksisterede på jorden. Det er kraften i eksponentiel vækst.

ligesom hver firkant fordoblede Sessas hvede, fordobler hver ekstra kvbit processorkraften. Tre kvbits giver dig 23, hvilket er otte stater på samme tid; fire kvbits giver dig 24, hvilket er 16. Og 64 kvbits? De giver dig 264, hvilket er 18.446.744.073.709.600.000 muligheder! Det er omkring en million terabyte værd.

mens 64 regelmæssige bits også kan repræsentere dette enorme antal (264) stater, kan det kun repræsentere en ad gangen. At cykle gennem alle disse kombinationer med to milliarder i sekundet (hvilket er en typisk hastighed for en moderne PC), ville tage omkring 400 år.

alt dette betyder, at kvantecomputere kunne tackle problemer, der er “praktisk umulige” for klassiske computere.

men for at få den eksponentielle hastighed op, skal skæbnen for alle kvbits knyttes sammen i en proces kaldet kvanteindvikling. Dette underlige fænomen, som Einstein kaldte “uhyggelig handling på afstand”, kan forbinde kvantepartikler, selvom de er i modsatte ender af universet.

Hvad gør en kvbit?

for at lave en kvbit har du brug for et objekt, der kan opnå en tilstand af kvanteoverlejring mellem to tilstande.

en atomkerne er en slags kvbit. Retningen af dets magnetiske øjeblik (det er “spin”) kan pege i forskellige retninger, sige op eller ned med hensyn til et magnetfelt.

udfordringen er at placere og derefter adressere det enkelte atom.

et australsk hold ledet af Michelle Simmons ved Universitetet har lavet atomkvbits ved at placere et enkelt fosforatom i en kendt position inde i en siliciumkrystal.

en anden ide er at fjerne en elektron fra atomet og gøre det til en ion. Derefter kan du bruge elektromagnetiske felter til at suspendere ionen i ledig plads og skyde lasere mod den for at ændre dens tilstand. Dette giver en” fanget ion ” kvantecomputer.

en strøm i en løkke af superledende metal kan også være i en superposition (mellem med uret og mod uret), lidt som en lille løbebånd, der løber frem og tilbage på samme tid.

en foton af lys kan være i superposition i den retning, den vinker. Nogle grupper har samlet kvantekredsløb ved at sende fotoner rundt om en labyrint af optiske fibre og spejle.

hvordan skaber du superpositionen?

har du nogensinde prøvet at afbalancere en mønt nøjagtigt på kanten? Sådan er Programmering af en kvbit. Det indebærer at gøre noget mod en kvbit, så det på en måde ender “afbalanceret” mellem stater.

i tilfælde af atomkernen kan dette være ved at slå den med et elektrisk eller magnetisk felt, forlader er med lige stor sandsynlighed for at spinde den ene eller den anden måde.

så hvordan læser du information fra kvbits?

der er en aura af det mystiske om, hvad der foregår under en kvanteberegning. De mere udvejsfysikere beskriver kvbitterne som at engagere sig i en slags kvante s-krisance med parallelle verdener for at guddommelige svaret.

men det er ikke magi, det er bare kvantemekanik.

sig, at du har fået din nye 64-kvbit kvantecomputer i gang til sin første beregning. Du placerer alle 64 kvbits i superposition, ligesom 64 mønter Alle afbalanceret på kanten. Sammen har de 264 mulige stater i limbo. Du ved, at en af disse stater repræsenterer det rigtige svar. Men hvilken?

problemet er, at læsning af kvbits får superpositionen til at kollapse – som at slå din knytnæve på bordet med alle de afbalancerede mønter.

her er hvor en kvantealgoritme som Shor ‘ s kommer til nytte. Det indlæser kvbits for at gøre dem mere tilbøjelige til at falde på den rigtige side og give os det rigtige svar.

er der endnu bygget kvantecomputere?

tilsyneladende ja, selvom ingen af dem kan gøre noget, der overgår konventionelle computere endnu.

de sidste tre år har der været dramatiske fremskridt inden for kvanteberegning. Mens Nature-magasinet i 2016 fejrede en ni kvbit-computer udviklet af Google-forskere. Atten måneder senere, i December 2017, rapporterede IBM deres 50 kvbit kvantecomputer. Inden for fire måneder havde Google stribet fremad igen med deres 72-kvbit ‘Bristlecone’ kvantecomputer. I mellemtiden har IBM produceret den første kommercielt tilgængelige kvantecomputer–der giver skyadgang til deres 20 kvbit system en maskine til en pris.

D-bølge er stadig langt foran med at skabe ved hjælp af 2000 superledende sløjfer som kvbits, selvom nogle fysikere er skeptiske over for, at D-bølge har bygget en ægte kvantecomputer.

alle de store spillere har den næste store milepæl i deres seværdigheder: ‘kvanteoverherredømme’. Dette betyder, når en kvantecomputer løser et problem ud over de klassiske maskiners muligheder. Teoretisk set bør dette være muligt med en 50-bit maskine, men kun hvis fejlfrekvenserne er lave nok.

Hvorfor er det så svært at bygge en kvantecomputer?

der er udfordringer på alle niveauer, fra at samle kvbits, til at læse og skrive information om dem, til at pendle information frem og tilbage, uden at den forsvinder i et pust af usikkerhed.

en kvbit er den ultimative diva. Mens en starlet kan kræve et gigantisk omklædningsrum og et bad fuld af rosenblade, kræver en kvbit perfekt isolering og en termostat indstillet til en hundrededel af en grad over absolut nul. Den mindste vibration fra et nærliggende atom kan få en kvbit til at kaste et kvantefantrum og miste sin superposition.

den overordnede vanskelighed er, hvordan man opretholder de sarte tilstande med superposition og sammenfiltring længe nok til at køre en beregning – den såkaldte sammenhængstid.

på trods af denne skræmmende udfordring er løbet om at bygge den første praktiske kvantecomputer blevet en af de store videnskabelige udfordringer i vores tid – der involverer tusindvis af fysikere og ingeniører på snesevis af forskningsinstitutter spredt over hele kloden.