Informatyka kwantowa dla kubitów

co to jest Informatyka kwantowa? Zwykłe komputery działają zgodnie ze ścisłymi zasadami logiki. Ale małe obiekty kwantowe – takie jak elektrony lub fotony światła-mogą złamać te zasady

obliczenia kwantowe to idea, że możemy użyć tego łamania reguł kwantowych do przetwarzania informacji w nowy sposób-zupełnie inny niż zwykłe komputery. To sprawia, że w niektórych przypadkach są one wykładniczo szybsze niż jakikolwiek zwykły komputer.

na przykład jeden komputer kwantowy może łatwo złamać kody, które zapewniają bezpieczeństwo bankowości internetowej.

więc jak superkomputer?

niezupełnie. Komputer kwantowy to nie tylko” szybszy ” komputer. Istnieje kilka konkretnych zadań – takich jak faktoring bardzo dużych liczb – w których komputer kwantowy byłby niesamowity. (Tutaj pojawia się łamanie kodu-patrz poniżej.) Ale dla większości zadań komputer kwantowy byłby niewiele lepszy niż zwykły komputer.

do czego więc może służyć komputer kwantowy?

prawdopodobnie najbardziej przydadzą się agencjom rządowym, firmom Badawczo-Rozwojowym i uniwersytetom w rozwiązywaniu problemów, z którymi borykają się współczesne komputery.

pierwszym praktycznym pomysłem, zaproponowanym przez fizyka Richarda Feynmana w 1981 roku, było użycie komputera kwantowego do symulacji mechaniki kwantowej. Miałoby to wpływ na chemię i biologię. Chemicy, na przykład, mogli dokładnie modelować interakcje leków, a biolodzy mogli badać wszystkie możliwe sposoby, w jakie białka mogą się składać i oddziaływać ze sobą.

podczas gdy komputery kwantowe były kiedyś akademicką ciekawostką, zainteresowanie eksplodowało w 1994 roku, kiedy amerykański matematyk Peter Shor znalazł sposób na użycie komputerów kwantowych do łamania kodów.

obecnie wiele systemów bezpieczeństwa online działa na zasadzie, że jest prawie niemożliwe, aby wziąć bardzo dużą liczbę i dowiedzieć się, jakie są jej główne czynniki. Zwykły komputer może tylko spróbować każdej możliwości jeden po drugim-zadanie, które może zająć miliardy lat. Korzystając z algorytmu Shora, komputer kwantowy mógł wykonać zadanie w ciągu kilku godzin.

komputery kwantowe mogą być również fantastyczne w rozpoznawaniu wzorców w danych – przydatne w problemach uczenia maszynowego, takich jak możliwość identyfikacji różnych obiektów na obrazie. Mogą być świetne w budowaniu modeli do przewidywania przyszłości, na przykład w długoterminowym prognozowaniu pogody.

ale ostatecznie zastosowania obliczeń kwantowych są nieprzewidywalne. Weźmy pod uwagę, że w 1943 roku Thomas Watson, prezes IBM powiedział: „Myślę, że istnieje światowy rynek dla może pięciu komputerów.”Teraz jest ich pięć w każdym domu.

jeśli precedens jest jakimś przewodnikiem, to jeszcze nie wyobrażamy sobie, jakie będą zastosowania komputerów kwantowych.

jak działa Informatyka kwantowa?

zwykłe komputery bazują na „bitach” – wyobraź sobie je jako małe przełączniki wskazujące na 1 lub 0.

obliczenia kwantowe opierają się na bitach kwantowych lub „kubitach”, które mogą również reprezentować 0 LUB 1. Najdziwniejsze jest to, że kubity mogą również osiągnąć stan mieszany, zwany „superpozycją”, gdzie są jednocześnie 1 i 0. Ta dwuznaczność-umiejętność zarówno „być”, jak i” nie być ” – jest kluczem do potęgi obliczeń kwantowych.

jak pomaga superpozycja?

różnica między zwykłymi komputerami a komputerami kwantowymi sprowadza się do tego, jak podchodzą do problemu.

zwykły komputer próbuje rozwiązać problem w ten sam sposób, w jaki można próbować uciec z labiryntu – próbując każdego możliwego korytarza, zawracając w ślepych zaułkach, aż w końcu znajdziesz wyjście. Ale superpozycja pozwala komputerowi kwantowemu wypróbować wszystkie ścieżki na raz-w istocie, znalezienie skrótu.

dwa bity w komputerze mogą być w czterech możliwych Stanach (00, 01, 10 lub 11), ale tylko jeden z nich w dowolnym momencie. Ogranicza to komputer do przetwarzania jednego wejścia na raz (jak wypróbowanie jednego korytarza w labiryncie).

w komputerze kwantowym dwa kubity mogą również reprezentować dokładnie te same cztery stany (00, 01, 10 lub 11). Różnica polega na tym, że dzięki superpozycji kubity mogą reprezentować wszystkie cztery jednocześnie. To trochę jak posiadanie czterech zwykłych komputerów pracujących obok siebie.

jeśli dodasz więcej bitów do zwykłego komputera, nadal może radzić sobie tylko z jednym stanem na raz. Ale kiedy dodajesz kubity, moc twojego komputera kwantowego rośnie wykładniczo. Dla matematycznie nachylonych możemy powiedzieć, że jeśli masz ” N ” kubitów, możesz jednocześnie reprezentować 2N Stanów.)

to jak ta stara bajka o starożytnym Indianinie o imieniu Sessa, który wynalazł grę w szachy. Król był zachwycony grą i poprosił Sessę o wymienienie nagrody. Sessa pokornie zażądała jednej szachownicy z jednym ziarnem pszenicy na pierwszym polu, dwoma na drugim, czterema na trzecim i tak dalej. Król zgodził się od razu, nie zdając sobie sprawy, że obiecał więcej pszenicy niż było na Ziemi. To potęga wykładniczego wzrostu.

tak jak każdy kwadrat podwoił pszenicę Sessy, tak każdy dodatkowy Kubit podwaja moc przetwarzania. Trzy kubity dają 23, czyli osiem stanów w tym samym czasie; cztery kubity dają 24, czyli 16. I 64 kubity? Dają Ci 264, czyli 18 446 744 073 709 600 000 możliwości! To około miliona terabajtów.

podczas gdy 64 regularne bity mogą również reprezentować tę ogromną liczbę (264) stanów, może reprezentować tylko jeden na raz. Przechodzenie przez wszystkie te kombinacje, z prędkością dwóch miliardów na sekundę (co jest typową prędkością dla nowoczesnego komputera), zajęłoby około 400 lat.

wszystko to oznacza, że komputery kwantowe mogą rozwiązywać problemy, które są „praktycznie niemożliwe” dla komputerów klasycznych.

ale aby uzyskać to wykładnicze przyspieszenie, los wszystkich kubitów musi być połączony ze sobą w procesie zwanym splątaniem kwantowym. To dziwne zjawisko, które Einstein nazwał „strasznym działaniem na odległość”, może łączyć cząstki kwantowe, nawet jeśli znajdują się na przeciwnych krańcach wszechświata.

co robi Kubit?

aby utworzyć Kubit, potrzebny jest obiekt, który może osiągnąć stan superpozycji kwantowej między dwoma stanami.

jądro atomowe to jeden rodzaj kubitu. Kierunek jego momentu magnetycznego (jego „spin”) może wskazywać w różnych kierunkach, powiedzmy w górę lub w dół w odniesieniu do pola magnetycznego.

wyzwanie polega na umieszczeniu, a następnie rozwiązaniu tego pojedynczego atomu.

australijski zespół pod kierownictwem Michelle Simmons z University of New South Wales, wykonał kubity atomowe, umieszczając pojedynczy atom fosforu w znanej pozycji wewnątrz kryształu krzemu.

innym pomysłem jest oderwanie elektronu od atomu i przekształcenie go w jon. Następnie można użyć pola elektromagnetycznego do zawieszenia jonu w wolnej przestrzeni, strzelając laserami do niego, aby zmienić jego stan. To sprawia, że komputer kwantowy” uwięziony jon”.

prąd w pętli nadprzewodzącego metalu może być również w superpozycji (między ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), trochę jak mała bieżnia biegnąca do przodu i do tyłu w tym samym czasie.

Foton światła może być w superpozycji w kierunku, w którym macha. Niektóre grupy składały obwody kwantowe, wysyłając fotony wokół labiryntu światłowodów i luster.

Jak stworzyć superpozycję?

czy kiedykolwiek próbowałeś wyważyć monetę dokładnie na jej krawędzi? Tak właśnie wygląda programowanie kubitu. Polega ona na zrobieniu czegoś kubitowi, aby w pewnym sensie stał się on „zrównoważony” między Stanami.

w przypadku jądra atomowego, może to być przez zapakowanie go polem elektrycznym lub magnetycznym, pozostawiając z równym prawdopodobieństwem wirowania w jedną lub drugą stronę.

jak więc odczytać informacje z kubitów?

jest Aura mistyczna o tym, co dzieje się podczas obliczeń kwantowych. Bardziej zaawansowani fizycy opisują kubity jako angażujące się w rodzaj kwantowego seansu z równoległymi światami, aby uzyskać odpowiedź.

ale to nie magia, to tylko mechanika kwantowa.

powiedz, że masz nowy 64-kubitowy komputer kwantowy gotowy do pierwszego obliczenia. Umieszczasz wszystkie 64 kubity w superpozycji, tak jak 64 monety wszystkie zbalansowane na krawędzi. Łącznie posiadają 264 możliwe stany w otchłani. Wiesz, że jeden z tych stanów reprezentuje właściwą odpowiedź. Ale który?

problem w tym, że czytanie kubitów powoduje upadek superpozycji – jak wbijanie pięścią w stół tymi wszystkimi zbalansowanymi monetami.

tutaj przydaje się algorytm kwantowy taki jak Shor. Ładuje kubity, aby zwiększyć prawdopodobieństwo upadku na właściwą stronę i dać nam właściwą odpowiedź.

czy zbudowano już jakieś komputery kwantowe?

najwyraźniej tak, chociaż żaden z nich nie może jeszcze nic zrobić, przewyższając konwencjonalne Komputery.

ostatnie trzy lata przyniosły dramatyczny postęp w informatyce kwantowej. Natomiast w 2016 roku magazyn Nature świętował komputer o dziewięciu kubitach opracowany przez badaczy Google. Osiemnaście miesięcy później, w grudniu 2017 roku, IBM zgłosił swój 50-kubitowy komputer kwantowy. W ciągu czterech miesięcy Google ponownie wyprzedził swój 72-kubitowy komputer kwantowy „Bristlecone”. Tymczasem IBM wyprodukował pierwszy komercyjnie dostępny komputer kwantowy-zapewniający dostęp w chmurze do swojej 20-kubitowej Maszyny Q System One, za cenę.

D-Wave jest nadal daleko do przodu w tworzeniu przy użyciu 2000 pętli nadprzewodzących jako kubitów, chociaż niektórzy fizycy są sceptyczni, że D-Wave zbudował prawdziwy komputer kwantowy.

wszyscy najwięksi gracze mają do dyspozycji kolejny kamień milowy: „kwantową supremację”. Oznacza to, że komputer kwantowy rozwiązuje problem wykraczający poza możliwości klasycznych maszyn. Teoretycznie powinno to być możliwe z maszyną 50-kubitową, ale tylko wtedy, gdy wskaźniki błędów są wystarczająco niskie.

dlaczego tak trudno zbudować komputer kwantowy?

istnieją wyzwania na każdym poziomie, od składania kubitów, przez czytanie i pisanie informacji na ich temat, po przesyłanie informacji tam iz powrotem, bez znikania w mgnieniu oka.

Kubit to najlepsza diva. Podczas gdy hollywoodzka gwiazda może wymagać gigantycznej garderoby i kąpieli pełnej płatków róż, Kubit wymaga idealnej izolacji i termostatu ustawionego na setną część stopnia powyżej zera absolutnego. Najmniejsze wibracje pobliskiego atomu mogą spowodować, że Kubit rzuci kwantową furię i straci swoją superpozycję.

główną trudnością jest to, jak utrzymać delikatne Stany superpozycji i splątania wystarczająco długo, aby przeprowadzić obliczenia – tak zwany czas koherencji.

pomimo tego zniechęcającego wyzwania, wyścig o zbudowanie pierwszego praktycznego komputera kwantowego stał się jednym z wielkich wyzwań naukowych naszych czasów – z udziałem tysięcy fizyków i inżynierów w dziesiątkach instytutów badawczych rozsianych po całym świecie.