Quantum computing a qubit curious számára

mi a kvantumszámítás? A rendszeres számítógépek szigorú logikai szabályok szerint működnek. De az apró kvantumobjektumok – például az elektronok vagy a fény fotonjai-megszeghetik ezeket a szabályokat

a kvantumszámítás az az elképzelés, hogy ezt a kvantum szabályszegést felhasználhatjuk az információk új módon történő feldolgozására—ami teljesen különbözik a szokásos számítógépek működésétől. Ez bizonyos esetekben exponenciálisan gyorsabbá teszi őket, mint bármely szokásos számítógép.

például egy kvantumszámítógép könnyen feltörheti azokat a kódokat, amelyek biztonságban tartják az internetes banki szolgáltatásokat.

Tehát, mint egy szuperszámítógép?

nem pontosan. A kvantum számítógép nem csak egy “gyorsabb” számítógép. Van néhány konkrét feladat – például nagyon nagy számok faktorálása -, amelyekben egy kvantumszámítógép csodálatos lenne. (Itt jön be a kódtörés – lásd alább.) De a legtöbb munkahely esetében a kvantumszámítógép alig lenne jobb, mint egy szokásos számítógép.

mire használható egy kvantum számítógép?

valószínűleg a kormányzati szervek, a kutatás-fejlesztési vállalatok és az egyetemek számára lesznek a leghasznosabbak a jelenlegi számítógépek problémáinak megoldásában.

az első gyakorlati ötlet, amelyet Richard Feynman fizikus javasolt 1981-ben, egy kvantumszámítógép használata volt a kvantummechanika szimulálására. Ez hatással lenne a kémiára és a biológiára. A vegyészek például pontosan modellezhetik a gyógyszerkölcsönhatásokat, a biológusok pedig tanulmányozhatják az összes lehetséges módszert, amellyel a fehérjék összehajthatók és kölcsönhatásba léphetnek egymással.

míg a kvantumszámítógépek egykor tudományos érdekességek voltak, az érdeklődés 1994-ben robbant fel, amikor Peter Shor amerikai matematikus megtalálta a módját, hogy kvantum számítógépeket használjon kódok feltörésére.

jelenleg sok online biztonsági rendszer azon az elven működik, hogy szinte lehetetlen nagy számot venni, és kitalálni, hogy mi az elsődleges tényezője. Egy átlagos számítógép csak annyit tehet, hogy minden lehetőséget kipróbál egymás után – ez a feladat évmilliárdokat vehet igénybe. Shor algoritmusának felhasználásával egy kvantumszámítógép néhány órán belül elvégezheti a feladatot.

a kvantumszámítógépek fantasztikusak lehetnek az adatminták felismerésében is – hasznosak gépi tanulási problémák esetén, például a kép különböző objektumainak azonosításában. Nagyszerűek lehetnek a jövő előrejelzésére szolgáló modellek felépítésében, például a hosszú távú időjárás-előrejelzésben.

de végső soron a kvantumszámítás felhasználása kiszámíthatatlan. Vegyük figyelembe, hogy 1943-ban Thomas Watson, az IBM elnöke azt mondta: “Azt hiszem, van egy világpiac talán öt számítógép számára.”Most minden háztartásban öt van.

ha a precedens bármilyen útmutató, még nem tudjuk elképzelni, hogy mi lesz a kvantumszámítógépek használata.

hogyan működik a kvantumszámítás?

a normál számítógépek “biteken” alapulnak – képzelje el őket, mint kis kapcsolókat, amelyek 1-re vagy 0-ra mutatnak.

a kvantumszámítás kvantumbitekre vagy “qubitekre” támaszkodik, amelyek 0 vagy 1 értéket is képviselhetnek. Az őrült dolog az, hogy a qubitek vegyes állapotot is elérhetnek, amelyet “szuperpozíciónak” neveznek, ahol mind 1, mind 0 egyszerre vannak. Ez a kétértelműség – az a képesség, hogy mind a “lenni”, mind a “nem lenni” – kulcsfontosságú a kvantumszámítás erejéhez.

hogyan segít a szuperpozíció?

a hagyományos számítógépek és a kvantumszámítógépek közötti különbség abban rejlik, hogy miként közelítik meg a problémát.

egy hagyományos számítógép úgy próbál megoldani egy problémát, ahogy te megpróbálsz elmenekülni egy labirintusból – minden lehetséges folyosót kipróbálva, visszafordulva zsákutcákban, amíg végül meg nem találod a kiutat. De a szuperpozíció lehetővé teszi a kvantumszámítógép számára, hogy egyszerre kipróbálja az összes utat – lényegében megtalálja a parancsikont.

a számítógép két bitje négy lehetséges állapotban lehet (00, 01, 10 vagy 11), de bármikor csak egy lehet. Ez korlátozza a számítógépet egyszerre egy bemenet feldolgozására (például egy folyosó kipróbálására a labirintusban).

egy kvantumszámítógépben két qubit is pontosan ugyanazt a négy állapotot képviseli (00, 01, 10 vagy 11). A különbség az, hogy a szuperpozíció miatt a qubitek mind a négyet egyszerre képviselhetik. Ez egy kicsit olyan, mintha négy rendszeres számítógép futna egymás mellett.

ha több bitet ad hozzá egy normál számítógéphez, akkor is csak egy állapotot tud kezelni. De ahogy hozzáadod a qubiteket, a kvantum számítógéped ereje exponenciálisan növekszik. A matematikailag ferde, azt mondhatjuk, hogy ha van “n” qubit, akkor egyszerre képviseli 2n Államok.)

olyan, mint az a régi mese egy ősi Indiánról, Sessáról, aki feltalálta a sakkjátékot. A király örült a játéknak, és megkérte Sessát, hogy nevezze meg jutalmát. Sessa alázatosan egyetlen sakktáblát kért, az első téren egy búzaszem, a másodikon kettő, a harmadikon négy stb. A király azonnal beleegyezett, nem vette észre, hogy több búzát ígért el, mint amennyi a Földön létezik. Ez az exponenciális növekedés ereje.

ahogy minden négyzet megduplázta Sessa búzáját, minden további qubit megduplázza a feldolgozási teljesítményt. Három qubit 23-at ad, ami egyszerre nyolc állapot; négy qubit 24-et ad, ami 16. És 64 qubit? Adnak 264, ami 18,446,744,073,709,600,000 lehetőségek! Ez körülbelül egymillió terabyte értékű.

míg 64 szabályos bit is képviselheti ezt a hatalmas számú (264) állapotot, egyszerre csak egyet képviselhet. Ezeknek a kombinációknak a másodpercenként két milliárd sebességgel történő áthaladása (ami egy modern PC-re jellemző sebesség) körülbelül 400 évet vesz igénybe.

mindez azt jelenti, hogy a kvantumszámítógépek olyan problémákat kezelhetnek, amelyek a klasszikus számítógépek számára “gyakorlatilag lehetetlenek”.

de ahhoz, hogy ezt az exponenciális gyorsulást elérjük, az összes qubit sorsát össze kell kapcsolni egy kvantum-összefonódásnak nevezett folyamatban. Ez a furcsa jelenség, amelyet Einstein “kísérteties akciónak nevezett távolról”, akkor is összekapcsolhatja a kvantumrészecskéket, ha azok az univerzum ellentétes végein vannak.

Mitől lesz qubit?

qubit létrehozásához olyan objektumra van szükség, amely képes elérni a kvantum szuperpozíció állapotát két állapot között.

az atommag egyfajta qubit. Mágneses momentumának iránya (ez a “spin”) különböző irányokba mutathat, mondjuk felfelé vagy lefelé a mágneses mezőhöz képest.

a kihívás az egyetlen atom elhelyezése, majd kezelése.

egy ausztrál csapat által vezetett Michelle Simmons a University of New South Wales, tett atomi qubit azáltal, hogy egyetlen foszfor atom egy ismert helyzetben belsejében egy szilícium kristály.

egy másik ötlet az, hogy egy elektront leválasztanak az atomról, és ionná alakítják. Ezután elektromágneses mezőkkel felfüggesztheti az iont a szabad térben, lézereket lőve rá, hogy megváltoztassa állapotát. Ez egy” csapdába esett ion ” kvantum számítógépet eredményez.

a szupravezető fém hurokjában lévő áram szuperpozícióban is lehet (az óramutató járásával megegyező és az óramutató járásával ellentétes irányban), kicsit olyan, mint egy kis futópad, amely egyszerre fut előre és hátra.

a fény fotonja szuperpozícióban lehet a hullámzás irányában. Egyes csoportok kvantum áramköröket állítottak össze, fotonokat küldve egy optikai szálakból és tükrökből álló labirintus körül.

hogyan hozza létre a szuperpozíciót?

Próbáltál már egyensúlyba hozni egy érmét pontosan a szélén? Ilyen a qubit programozása. Ez magában foglalja, hogy valamit csinál egy qubittel, hogy bizonyos értelemben “kiegyensúlyozott” legyen az államok között.

az atommag esetében ez történhet elektromos vagy mágneses mezővel történő zappolással, a távozás egyenlő valószínűséggel forog egyik vagy másik irányba.

tehát hogyan olvassa el az információkat a qubitekről?

van egy aura a misztikus arról, hogy mi történik a kvantumszámítás során. A kiutat jelentő fizikusok úgy írják le a qubiteket, hogy egyfajta kvantum-s-ban vesznek részt párhuzamos világokkal, hogy megálmodják a választ.

de ez nem varázslat, ez csak kvantummechanika.

tegyük fel, hogy az új 64 qubit kvantumszámítógéped készen áll az első számításra. Mind a 64 qubitet szuperpozícióba helyezi, akárcsak a 64 érmét, amelyek mindegyike kiegyensúlyozott a szélén. Együtt 264 lehetséges államot tartanak fenn. Tudod, hogy ezek közül az államok közül az egyik képviseli a helyes választ. De melyik?

a probléma az, hogy a qubitek olvasása a szuperpozíció összeomlását okozza – mint az öklöd az asztalon az összes kiegyensúlyozott érmével.

itt jön jól egy olyan kvantum algoritmus, mint a Shor. Betölti a qubiteket, hogy nagyobb valószínűséggel essenek a megfelelő oldalra, és megadják a helyes választ.

épültek már kvantumszámítógépek?

látszólag igen, bár egyikük sem tud semmit felülmúlni a hagyományos számítógépek csak még.

az elmúlt három évben drámai előrelépés történt a kvantumszámítás területén. Míg 2016-ban a Nature magazin egy kilenc qubit számítógépet ünnepelt, amelyet a Google kutatói fejlesztettek ki. Tizennyolc hónappal később, 2017 decemberében az IBM bejelentette 50 qubit kvantum számítógépét. Négy hónapon belül a Google ismét előrelépett a 72 qubit ‘Bristlecone’ kvantumszámítógépével. Időközben az IBM elkészítette az első kereskedelmi forgalomban kapható kvantumszámítógépet-felhő hozzáférést biztosítva 20 qubit Q System One gépükhöz, áron.

a D-Wave még mindig messze van a 2000 szupravezető hurok qubitként történő létrehozásával, bár egyes fizikusok szkeptikusak abban, hogy a D-Wave valódi kvantumszámítógépet épített.

minden nagy játékosnak megvan a következő fontos mérföldköve: a ‘quantum supremacy’. Ez azt jelenti, amikor egy kvantumszámítógép megoldja a klasszikus gépek képességein túlmutató problémát. Elméletileg ennek 50 qubit géppel lehetségesnek kell lennie, de csak akkor, ha a hibaarány elég alacsony.

miért olyan nehéz kvantumszámítógépet építeni?

minden szinten vannak kihívások, a qubitek összeszerelésétől kezdve az információk olvasásán és írásán át az információk oda-vissza mozgatásáig anélkül, hogy azok eltűnnének a bizonytalanság puffadásában.

a qubit a végső díva. Míg egy hollywoodi csillag egy hatalmas öltözőt és egy rózsaszirmokkal teli fürdőt igényelhet,a qubit tökéletes elszigeteltséget és egy termosztátot igényel, amely az abszolút nulla fok felett van. A közeli atom legkisebb rezgése is okozhat egy qubitet, hogy kvantum hisztit dobjon, és elveszítse szuperpozícióját.

a legfontosabb nehézség az, hogy hogyan lehet fenntartani a szuperpozíció és az összefonódás kényes állapotát elég hosszú ideig ahhoz, hogy egy számítást lefuttasson – ez az úgynevezett koherencia idő.

e félelmetes kihívás ellenére az első gyakorlati kvantumszámítógép megépítéséért folytatott verseny korunk egyik legnagyobb tudományos kihívásává vált – fizikusok és mérnökök ezrei vesznek részt a világ több tucat Kutatóintézetében.