Quantum computing for qubit nysgjerrig

Hva er quantum computing? Vanlige datamaskiner opererer i henhold til strenge logikkregler. Men små kvanteobjekter – som elektroner eller fotoner av lys – kan bryte disse reglene

Quantum computing er ideen om at vi kan bruke denne kvanteregelbrudd for å behandle informasjon på en ny måte – en som er helt forskjellig fra hvordan vanlige datamaskiner fungerer. Dette gjør dem, i noen tilfeller, eksponentielt raskere enn noen vanlig datamaskin.

for eksempel kan en kvantecomputer enkelt knekke kodene som holder nettbanken sikker.

så, som en supercomputer?

Ikke akkurat. En kvantecomputer er ikke bare en «raskere» datamaskin. Det er noen spesifikke oppgaver – for eksempel factoring veldig store tall – som en kvantecomputer ville være fantastisk på. (Dette er hvor kodeknekkingen kommer inn-se nedenfor.) Men for de fleste jobber ville en kvantecomputer være litt bedre enn en vanlig datamaskin.

så hva kan en kvantecomputer brukes til?

de vil trolig være mest nyttige for myndigheter, forsknings-og utviklingsselskaper og universiteter for å løse problemer som dagens datamaskiner sliter med.

den første praktiske ideen, foreslått av fysikeren Richard Feynman i 1981, var å bruke en kvantecomputer til å simulere kvantemekanikk. Dette vil påvirke kjemi og biologi. Kjemikere kan for eksempel nøyaktig modellere stoffinteraksjoner, og biologer kan studere alle mulige måter proteiner kan brette og samhandle med hverandre.

mens kvante datamaskiner en gang var en akademisk nysgjerrighet, eksploderte interessen i 1994 da Den Amerikanske matematikeren Peter Shor fant en måte å bruke kvante datamaskiner til å bryte koder.

for Tiden kjører mange online sikkerhetssystemer på prinsippet om at det er nesten umulig å ta et veldig stort antall og finne ut hva de viktigste faktorene er. Alt en vanlig datamaskin kan gjøre er å prøve alle muligheter en etter en-en oppgave som kan ta milliarder av år. Ved Hjelp Av shors algoritme kan en kvantecomputer utføre oppgaven om noen timer.

Kvante datamaskiner kan også være fantastisk å gjenkjenne mønstre i data-nyttig for maskinlæringsproblemer, for eksempel å kunne identifisere forskjellige objekter i et bilde. De kan være gode på å bygge modeller for å forutsi fremtiden, for eksempel i langsiktige værprognoser.

men til slutt er bruken av kvantemåling uforutsigbar. Tenk på At I 1943 Sa Thomas Watson, IBMS president, » jeg tror det er et verdensmarked for kanskje fem datamaskiner.»Nå er det fem i hver husstand.

Hvis presedens er noen guide, har vi ennå å forestille seg hva bruken av kvante datamaskiner vil være.

Hvordan quantum computing arbeid?

Vanlige datamaskiner er basert på «biter» – forestill dem som små brytere som peker på enten en 1 eller en 0.

Quantum computing er avhengig av kvantebiter, eller «qubits», som også kan representere en 0 eller en 1. Den galne tingen er at qubits også kan oppnå en blandet tilstand, kalt en «superposisjon» der de er både 1 og 0 samtidig. Denne tvetydigheten-evnen til å både «være» og » ikke være – – er nøkkelen til kraften i kvantemåling.

Hvordan hjelper superposisjon?

forskjellen mellom vanlige datamaskiner og kvante-datamaskiner koker ned til hvordan de nærmer seg et problem.

en vanlig datamaskin prøver å løse et problem på samme måte som du kanskje prøver å unnslippe en labyrint – ved å prøve alle mulige korridorer, vende tilbake i blindveier, til du til slutt finner veien ut. Men superposisjon gjør at kvantecomputeren kan prøve alle stiene samtidig-i hovedsak å finne snarveien.

To biter i datamaskinen kan være i fire mulige tilstander (00, 01, 10 eller 11), men bare en av dem når som helst. Dette begrenser datamaskinen til å behandle en inngang om gangen (som å prøve en korridor i labyrinten).

i en kvantecomputer kan to qubits også representere nøyaktig samme fire tilstander (00, 01, 10 eller 11). Forskjellen er, på grunn av superposisjon, kan qubits representere alle fire samtidig. Det er litt som å ha fire vanlige datamaskiner som kjører side ved side.

hvis du legger til flere biter til en vanlig datamaskin, kan den fortsatt bare håndtere en tilstand om gangen. Men når du legger til qubits, vokser kraften til kvantecomputeren eksponentielt. For matematisk tilbøyelig kan vi si at hvis du har » n » qubits, kan du samtidig representere 2n-stater.)

det er som den gamle fabel om en gammel Indisk, kalt Sessa, som oppfant spillet sjakk. Kongen var fornøyd med spillet og spurte Sessa om å nevne sin belønning. Sessa ba ydmykt om et enkelt sjakkbrett med ett hvetekorn på den første firkanten, to på den andre, fire på den tredje og så videre. Kongen var enig med en gang, og skjønte ikke at han hadde lovet bort mer hvete enn det som eksisterte på Jorden. Det er kraften i eksponentiell vekst.

på samme måte som hver firkant doblet Sessa ‘ s hvete, dobler hver ekstra qubit prosessorkraften. Tre qubits gir deg 23, som er åtte stater samtidig; fire qubits gir deg 24, som er 16. Og 64 qubits? De gir deg 264, som er 18,446,744,073,709,600,000 muligheter! Det er omtrent en million terabyte verdt.

mens 64 vanlige biter også kan representere dette store antallet (264) stater, kan det bare representere en en om gangen. Å sykle gjennom alle disse kombinasjonene, med to milliarder per sekund (som er en typisk hastighet for en moderne PC), vil ta omtrent 400 år.

Alt dette betyr kvante datamaskiner kan takle problemer som er «praktisk talt umulig» for klassiske datamaskiner.

Men for å få den eksponentielle hastigheten, må skjebnen til alle qubits knyttes sammen i en prosess som kalles quantum entanglement. Dette rare fenomenet, Som Einstein kalte «spooky action på avstand», kan koble kvantepartikler selv om de er i motsatte ender av universet.

Hva gjør en qubit?

for å lage en qubit trenger du et objekt som kan oppnå en tilstand av kvanteposisjon mellom to stater.

en atomkjerne er en slags qubit. Retningen av det magnetiske øyeblikket (det er «spinn») kan peke i forskjellige retninger, si opp eller ned med hensyn til et magnetfelt.

utfordringen er å plassere og deretter adressere det ene atomet.

Et Australsk team ledet Av Michelle Simmons ved University Of New South Wales, har laget atomiske qubits ved å plassere et enkelt fosforatom i en kjent posisjon inne i en silisiumkrystall.

En annen ide er å strippe et elektron av atomet og gjøre det til en ion. Deretter kan du bruke elektromagnetiske felt til å suspendere ion i ledig plass, skyte lasere på den for å endre tilstanden. Dette gir en» fanget ion » kvantecomputer.

en strøm i en løkke av superledende metall kan også være i en superposisjon (mellom klokken og mot klokken), litt som en liten tredemølle som går fremover og bakover samtidig.

en foton av lys kan være i superposisjon i retningen den vinker. Noen grupper har samlet kvantekretser ved å sende fotoner rundt en labyrint av optiske fibre og speil.

hvordan lager du superposisjonen?

har du noen gang prøvd å balansere en mynt akkurat på kanten? Det er det som programmerer en qubit. Det innebærer å gjøre noe med en qubit, slik at det på en måte ender opp «balansert» mellom stater.

i tilfelle av atomkjernen, kan dette være ved å zappe det med et elektrisk eller magnetisk felt, slik at det er like sannsynlig å spinne på en eller annen måte.

så hvordan leser du informasjon fra qubits?

Det er en aura av det mystiske om hva som foregår under en kvanteberegning. Jo flere vei-ut fysikere beskriver qubits som å engasjere seg i en slags kvantesummer med parallelle verdener til guddommelig svaret.

Men det er ikke magisk, det er bare kvantemekanikk.

Si at du har din nye 64-qubit kvantecomputer oppe for sin første beregning. Du plasserer alle 64 qubits i superposisjon, akkurat som 64 mynter alle balansert pa kanten. Til sammen holder de 264 mulige stater i limbo. Du vet at en av disse statene representerer det riktige svaret. Men hvilken?

problemet er at lesing av qubits får superposisjonen til å kollapse-som å slå knyttneve på bordet med alle de balansert mynter.

her er hvor en kvantealgoritme som Shor kommer til nytte. Det laster qubits for å gjøre dem mer sannsynlig å falle på riktig side, og gi oss det riktige svaret.

Har noen kvante datamaskiner blitt bygget ennå?

Tilsynelatende ja, selv om ingen av dem kan gjøre noe som overgår konvensjonelle datamaskiner ennå.

de siste tre årene har sett dramatiske fremskritt i quantum computing. Mens I 2016 Feiret Nature magazine en ni qubit-datamaskin utviklet Av Google-forskere. Atten måneder senere, i desember 2017, RAPPORTERTE IBM sin 50 qubit kvantecomputer. Innen fire måneder Hadde Google strikket fremover igjen, med Sin 72-qubit ‘Bristlecone’ kvantecomputer. I MELLOMTIDEN HAR IBM produsert den første kommersielt tilgjengelige kvantecomputeren-som gir sky tilgang til deres 20 qubit Q System One-maskin, til en pris.

D-Wave er fortsatt langt foran med å skape ved hjelp av 2000 superledende løkker som qubits, selv om noen fysikere er skeptiske til At D-Wave har bygget en ekte kvantecomputer.

Alle de store aktørene har den neste store milepælen i sine severdigheter: ‘quantum supremacy’. Dette betyr at når en kvantecomputer løser et problem utover evnen til klassiske maskiner. Teoretisk sett bør dette være mulig med en 50-qubit-maskin, men bare hvis feilratene er lave nok.

Hvorfor er det så vanskelig å bygge en kvantecomputer?

det er utfordringer på alle nivåer, fra å samle qubits, til å lese og skrive informasjon om dem, for å skyttle informasjon frem og tilbake uten at den forsvinner i en usikkerhet.

en qubit er den ultimate diva. Mens En Hollywood-stjerne kan kreve et gigantisk omkledningsrom og et bad fullt av rosenblad, krever en qubit perfekt isolasjon og en termostat satt til en hundredel av en grad over absolutt null. Den minste vibrasjon fra et nærliggende atom kan føre til en qubit å kaste en quantum tantrum, og mister sin superposisjon.

den overordnede vanskeligheten er hvordan man opprettholder de delikate tilstandene av superposisjon og forviklinger lenge nok til å kjøre en beregning-den såkalte koherenstiden.

til tross for denne skremmende utfordringen, har løpet for å bygge den første praktiske kvantecomputeren blitt en av de store vitenskapelige utfordringene i vår tid – involverer tusenvis av fysikere og ingeniører ved dusinvis av forskningsinstitutter spredt over hele verden.