Quantum computing for the qubit curious

What is quantum computing? Tavalliset tietokoneet toimivat tiukkojen logiikkasääntöjen mukaan. Mutta pienet kvanttikohteet-kuten elektronit tai valon fotonit-voivat rikkoa näitä sääntöjä

kvanttilaskenta on ajatus siitä, että voimme käyttää tätä kvanttisääntöjen rikkomista käsitelläksemme informaatiota uudella tavalla—tavalla, joka on täysin erilainen kuin tavallisten tietokoneiden toiminta. Tämä tekee niistä joissakin tapauksissa eksponentiaalisesti nopeampia kuin mikään tavallinen tietokone.

esimerkiksi yksi kvanttitietokone pystyi helposti murtamaan koodit, jotka pitävät verkkopankkitoiminnan turvassa.

joten, kuten supertietokone?

ei aivan. Kvanttitietokone ei ole vain ”nopeampi” tietokone. On olemassa muutamia erityistehtäviä – kuten hyvin suurten lukujen laskeminen – joissa kvanttitietokone olisi hämmästyttävä. (Tässä kohtaa codebreaking tulee – katso alla.) Mutta useimmissa töissä kvanttitietokone olisi vähän parempi kuin tavallinen tietokone.

mihin kvanttitietokonetta siis voisi käyttää?

niistä on todennäköisesti eniten hyötyä valtion virastoille, tutkimus-ja kehitysyrityksille sekä yliopistoille ratkaistaessa ongelmia, joiden kanssa nykyiset tietokoneet kamppailevat.

fyysikko Richard Feynmanin vuonna 1981 esittämä ensimmäinen käytännöllinen ajatus oli käyttää kvanttitietokonetta kvanttimekaniikan simulointiin. Tämä vaikuttaisi kemiaan ja biologiaan. Esimerkiksi kemistit voisivat mallintaa lääkkeiden yhteisvaikutuksia tarkasti ja biologit voisivat tutkia kaikkia mahdollisia tapoja, joilla proteiinit voivat laskostua ja vuorovaikuttaa keskenään.

vaikka kvanttitietokoneet olivat aikoinaan akateeminen uteliaisuus, kiinnostus räjähti vuonna 1994, kun yhdysvaltalainen matemaatikko Peter Shor keksi keinon käyttää kvanttitietokoneita koodien murtamiseen.

tällä hetkellä monet verkkoturvajärjestelmät toimivat sillä periaatteella, että on lähes mahdotonta ottaa hyvin suuri määrä ja selvittää, mitkä sen päätekijät ovat. Tavallinen tietokone voi vain kokeilla kaikkia mahdollisuuksia yksi toisensa jälkeen-tehtävä, joka voi kestää miljardeja vuosia. Shorin algoritmin avulla kvanttitietokone voisi suorittaa tehtävän muutamassa tunnissa.

kvanttitietokoneet voisivat myös olla loistavia tunnistamaan datakuvioita – hyödyllisiä koneoppimisen ongelmissa, kuten kyky tunnistaa eri objekteja kuvasta. He voisivat olla hyviä rakentamaan malleja tulevaisuuden ennustamiseksi, kuten pitkän aikavälin sään ennustamisessa.

mutta lopulta kvanttilaskennan käyttötarkoitukset ovat arvaamattomia. Ajatellaanpa, että vuonna 1943 IBM: n pääjohtaja Thomas Watson sanoi: ”Luulen, että on olemassa maailmanmarkkinat ehkä viidelle tietokoneelle.”Nyt niitä on viisi jokaisessa taloudessa.

jos ennakkotapaus on mikään opas, Emme ole vielä kuvitelleet, mitä kvanttitietokoneiden käyttö tulee olemaan.

miten kvanttilaskenta toimii?

tavalliset tietokoneet perustuvat ”bitteihin” – kuvitelkaa ne pieninä kytkiminä, jotka osoittavat joko a 1: een tai A 0: aan.

kvanttilaskenta nojaa kvanttibitteihin eli” qubitteihin”, jotka voivat myös esittää arvoa 0 tai A 1. Hullua on, että qubitit voivat saavuttaa myös sekatilan eli ”superposition”, jossa ne ovat samanaikaisesti sekä 1 että 0. Tämä monitulkintaisuus-kyky sekä ”olla ” että” olla ” – on avain kvanttilaskennan voimaan.

miten superpositio auttaa?

tavallisten tietokoneiden ja kvanttitietokoneiden ero on lähinnä siinä, miten ne lähestyvät ongelmaa.

tavallinen tietokone yrittää ratkaista ongelman samalla tavalla kuin sinä saattaisit yrittää paeta sokkelosta – kokeilemalla kaikkia mahdollisia käytäviä, kääntyen umpikujista takaisin, kunnes lopulta löydät tien ulos. Mutta superposition avulla kvanttitietokone voi kokeilla kaikkia polkuja kerralla-pohjimmiltaan löytää oikotien.

kaksi bittiä tietokoneessa voi olla neljässä mahdollisessa tilassa (00, 01, 10 tai 11), mutta vain yksi niistä milloin tahansa. Tämä rajoittaa tietokoneen käsittelemään yhtä syöttöä kerrallaan (kuten yrittää yhtä käytävää sokkelossa).

kvanttitietokoneessa kaksi kvittiä voi myös edustaa täsmälleen samoja neljää tilaa (00, 01, 10 tai 11). Erona on, että superposition vuoksi qubitit voivat esittää kaikkia neljää yhtä aikaa. Se on vähän kuin neljä tavallista tietokonetta rinnakkain.

jos tavalliseen tietokoneeseen lisää bittejä, se voi silti käsitellä vain yhtä tilaa kerrallaan. Kvanttitietokoneen teho kasvaa eksponentiaalisesti. Matemaattisesti taipuvaisille voidaan sanoa, että jos on ”n” kvittejä, voidaan samanaikaisesti esittää 2n tiloja.)

se on kuin se vanha taru muinaisesta Intiaanista, Sessasta, joka keksi shakkipelin. Kuningas ilahtui pelistä ja pyysi Sessaa nimeämään palkkionsa. Sessa pyysi nöyrästi yhtä shakkilautaa, jossa oli yksi vehnänjyvä ensimmäisessä ruudussa, kaksi toisessa, neljä kolmannessa ja niin edelleen. Kuningas suostui heti tajuamatta, että hän oli luvannut pois enemmän vehnää kuin maan päällä oli. Se on eksponentiaalisen kasvun voima.

aivan kuten jokainen neliö kaksinkertaisti Sessan vehnän, jokainen ylimääräinen qubit kaksinkertaistaa jalostustehon. Kolme qubittia antaa sinulle 23, joka on kahdeksan valtiota samaan aikaan; neljä qubittia antaa sinulle 24, joka on 16. Ja 64 qubittia? He antavat sinulle 264, mikä on 18446744073709600000 mahdollisuutta! Se on miljoonan teratavun arvoinen.

vaikka 64 säännöllistä bittiä voi myös edustaa tätä valtavaa määrää (264) valtioita, se voi edustaa vain yhtä valtiota kerrallaan. Kaikkien näiden yhdistelmien läpikäyminen kahdella miljardilla sekunnissa (mikä on tyypillinen nopeus nykyaikaiselle PC: lle) veisi noin 400 vuotta.

kaikki tämä tarkoittaa sitä, että kvanttitietokoneet voisivat ratkaista ongelmia, jotka ovat klassisille tietokoneille ”käytännössä mahdottomia”.

mutta jotta eksponentiaalinen nopeus saataisiin nousuun, kaikkien qubittien kohtalo on yhdistettävä toisiinsa prosessissa, jota kutsutaan kvanttisotkahdukseksi. Tämä outo ilmiö, jota Einstein kutsui ”aavemaiseksi toiminnaksi etäällä”, voi yhdistää kvanttihiukkasia, vaikka ne olisivat universumin vastakkaisissa päissä.

mikä tekee qubitin?

qubitin tekemiseen tarvitaan objekti, joka voi saavuttaa kvanttisuperposition tilan kahden tilan välillä.

atomiydin on yhdenlainen qubitti. Sen magneettisen momentin (sen ”spin”) suunta voi osoittaa eri suuntiin, sanoa ylös tai alas suhteessa magneettikenttään.

haasteena on sijoittaa ja sitten käsitellä tätä yksittäistä atomia.

Michelle Simmonsin johtama australialainen ryhmä Uuden Etelä-Walesin yliopistossa on tehnyt atomikvitsejä sijoittamalla yhden fosforiatomin tunnettuun kohtaan piikiteen sisään.

toinen ajatus on irrottaa elektroni atomista ja muuttaa se ioniksi. Sitten voit käyttää sähkömagneettisia kenttiä keskeyttämään ionin vapaassa tilassa, ampumalla lasereita sitä kohti muuttaa sen tilaa. Tämä tekee” loukussa ioni ” kvanttitietokone.

suprajohtavan metallin silmukan virta voi olla myös superpositiossa (myötäpäivään ja vastapäivään), vähän kuin pieni juoksumatto, joka juoksee samanaikaisesti eteen-ja taaksepäin.

valon fotoni voi olla superpositiossa siihen suuntaan, missä se heiluu. Jotkin ryhmät ovat koonneet kvanttipiirejä lähettämällä fotoneja optisten kuitujen ja peilien sokkelon ympärille.

miten superpositio luodaan?

Oletko koskaan yrittänyt tasapainottaa kolikkoa juuri sen reunalla? Sellaista qubitin ohjelmointi on. Siihen kuuluu, että qubitille tehdään jotain niin, että se tavallaan päätyy ”tasapainoon” valtioiden välillä.

jos kyseessä on atomiydin, tämä voi tapahtua zappaamalla se sähkö-tai magneettikentällä, jolloin lähteminen on yhtä suurella todennäköisyydellä pyörimässä suuntaan tai toiseen.

miten siis luette tietoja qubiteilta?

on mystinen aura siitä, mitä tapahtuu kvanttilaskennan aikana. Fyysikot kuvailevat qubittien osallistuvan eräänlaiseen kvanttisessioon, jossa on rinnakkaisia maailmoja.

mutta se ei ole taikuutta, se on vain kvanttimekaniikkaa.

sano, että olet saanut uuden 64-qubitisen kvanttitietokoneesi käyntiin ensimmäistä laskutoimitustaan varten. Asetat kaikki 64 qubit superpositioon, aivan kuten 64 kolikkoa, jotka kaikki ovat tasapainossa reunalla. Yhdessä niillä on 264 mahdollista osavaltiota limbossa. Yksi näistä osavaltioista on oikea vastaus. Mutta mikä niistä?

ongelma on se, että qubittien lukeminen saa superposition romahtamaan – kuin hakkaisi nyrkkiä pöytään kaikilla niillä tasapainoisilla kolikoilla.

tässä Shorin kaltainen kvanttialgoritmi tulee tarpeeseen. Se lataa qubitit, jotta ne todennäköisesti kaatuvat oikealle puolelle, ja antaa meille oikean vastauksen.

onko kvanttitietokoneita vielä rakennettu?

ilmeisesti Kyllä, Vaikka kukaan heistä ei voi tehdä mitään, joka ylittää perinteiset tietokoneet aivan vielä.

viimeisen kolmen vuoden aikana kvanttilaskennassa on tapahtunut dramaattista kehitystä. Vuonna 2016 Nature-lehti juhli Googlen tutkijoiden kehittämää yhdeksää qubit-tietokonetta. Puolitoista vuotta myöhemmin, joulukuussa 2017, IBM kertoi 50 qubitin kvanttitietokoneestaan. Neljän kuukauden kuluessa Google oli viuhunut jälleen eteenpäin 72-qubitin ”Bristlecone” – kvanttitietokoneellaan. Samaan aikaan IBM on valmistanut ensimmäisen kaupallisesti saatavilla olevan kvanttitietokoneen, joka tarjoaa pilvipalvelun 20 qubit Q System One–koneeseensa, hintaan.

D-Aalto on vielä paljon edellä sen luomisessa käyttäen 2000 suprajohtavaa silmukkaa qubitteina, vaikka jotkut fyysikot epäilevätkin, että D-Aalto on rakentanut todellisen kvanttitietokoneen.

kaikkien suurten toimijoiden tähtäimessä on seuraava merkittävä virstanpylväs: ”quantum supremacy”. Tämä tarkoittaa sitä, kun kvanttitietokone ratkaisee ongelman, joka ylittää klassisten koneiden kyvyt. Teoriassa tämän pitäisi olla mahdollista 50 qubitin koneella, mutta vain, jos virhetasot ovat riittävän alhaiset.

miksi kvanttitietokoneen rakentaminen on niin vaikeaa?

haasteita on kaikilla tasoilla, kvitsien kokoamisesta tiedon lukemiseen ja kirjoittamiseen niistä, tiedon sukkulointiin edestakaisin ilman, että se katoaa epävarmuuden puuskaan.

qubit on äärimmäinen diiva. Siinä missä Hollywoodin Tähtönen saattaa vaatia jättimäistä pukuhuonetta ja ruusun terälehtiä täynnä olevaa kylpyä, qubit vaatii täydellistä eristystä ja asteen sadasosan absoluuttisen nollan yläpuolelle asetettua termostaattia. Pienikin läheisen atomin aiheuttama tärinä voi saada qubitin heittämään kvanttikauhun ja menettämään superpositionsa.

ylivoimaisena vaikeutena on se, miten superposition ja takertumisen herkät tilat saadaan ylläpidettyä riittävän kauan laskutoimituksen – niin sanotun koherenssiajan-suorittamiseen.

tästä pelottavasta haasteesta huolimatta kilpajuoksusta ensimmäisen käytännöllisen kvanttitietokoneen rakentamiseksi on tullut yksi aikamme suurista tieteellisistä haasteista, johon osallistuu tuhansia fyysikoita ja insinöörejä kymmenissä tutkimuslaitoksissa ympäri maailmaa.