Kuidas kvantarvuti töötab ja miks see on oluline

Arvutid on ühiskonda radikaalselt muutnud. Vahetult pärast II maailmasõja lõppu kasutasid teadlased kõikvõimalike probleemide lahendamiseks arvuteid. Edasiminek oli uskumatult kiire. 1970. aastateks oli koduarvuti sündinud.

Sellegipoolest on mõned probleemid endiselt rasked. Pole tähtis, kui head arvutid saavad, on keerulised sellised väljakutsed nagu suure hulga faktooring või kullermarsruutide optimeerimine.

Kuid bitid pole ainus viis arvutamiseks. Arvutamiseks võib kasutada ka kvantmehaanikat - reegleid, mis reguleerivad aatomite ja molekulide maailma -. Ja neid arvutusi tehakse märkimisväärselt erineval viisil.

Loodetavasti suudavad need kvantarvutid ühel päeval raskeid probleeme lahendada. Mis tegelikult on kvantarvutid ja kuidas need töötavad?

16-bbitine kvantarvuti IBMilt (IBMi kvantkogemus)

Üksikasjalik ülevaade kvantarvuti kapoti alt paljastab, miks teadlased loodavad, et need arvutid on nii võimsad - ja mitte võimsad nagu Inteli uue põlvkonna protsessorid. Ei, praktilisel kvantarvutil on potentsiaal maailma muuta. Ettevõtted, nagu D-Wave, IBM ja Google, ning kogu maailma teaduslaborid võistlevad kõik esimeste praktiliste kvantarvutite tootmises.

Mis teeb kvantarvuti teistsuguseks?

Kvant- ja traditsioonilise andmetöötluse erinevuse illustreerimiseks kasutab Lõuna-California ülikooli füüsikalise teoreetilise keemia professor Daniel Lidar järgmist analoogiat (mida olen modifitseerinud).

Kujutage ette, et otsite valget palli täis karbist musta palli ja karbi sisemust te ei näe. Musta palli leidmiseks haarate pimesi palli, uurite värvi ja visake see minema, kui see pole must. Esimesel proovimisel võite haarata musta palli või valida selle viimase.

Kõige tõenäolisem tulemus: hävitate kasti pettumuses.

Nüüd läheme üle kvantalgoritmile. Teie kvantkäed ulatuvad kasti, kuid nad ei haara palli. Selle asemel hoiavad need käed tõenäosust, et nad valivad iga kuuli - sealhulgas musta palli. Kui karbis on 10 palli, on teie kvantkätes 10 võrdset tõenäosust.

Järgmisena käivitate kvantalgoritmi, mis suurendab kuuli musta tõenäosust. Pärast kontrollite oma kätt: pettumust valmistades on pall valge. Jõuate tagasi kasti. Kuid seekord pole tõenäosused võrdsed: tõenäosus, et leiate musta palli, on praegu suurem kui teiste kuulide puhul.

Tundus, nagu eelmine katse viskaks koos teiega üles veel ühe valge palli. Seda juhtub igal katsel, nii et musta palli leidmise võimalus suureneb kiiresti. Nende tõenäosuste muutumise võti seisneb kvant olekute - või arvutamise korral - kvoodide manipuleerimises.

Kvantide superpositsiooni olekud

Jagageme selle kasti-pallikeste loo lahti, et näha, kuidas see kõik töötab.

Kvantkäsi ulatub kasti ja haarab tõenäosused. Traditsioonilises arvutis salvestatakse teave bittidena, millel on kindlad väärtused. Natuke on kas üks või null. Biti väärtuse kontrollimine ei muuda seda mingil moel.

Kuid nelikbit ei kajasta otseselt biti väärtust; sellel on tõenäosus, et qubit on üks või null. Seda nimetatakse "kvant-superpositsiooniks".

Kui aga kontrollime vbti väärtust, siis me tõenäosust ei saa. Mõõtmisel selgub üks või null - valik, mis määratakse juhuslikult superpositsiooni tõenäosuste põhjal. Mõõtmine seab kvabi väärtuse. Kui mõõdame vutti ja saame ühe, siis annab uuesti kontrollimine ka ühe.

Kui me kasti jõuame, võtame tegelikult komplekti vitste - nii palju, et need esindaksid kõiki palle. Kvitsid pannakse superpositsiooni, mis hoiab ära iga kuuli leidmise tõenäosuse. Kuna otsing on täiesti juhuslik, on iga kuul esindatud võrdse tõenäosusega.

Nüüd juhime algoritmi, mis suurendab musta kuuli leidmise tõenäosust.

Võite küsida: kuidas saate suurendada tõenäosust ilma tippu hiilimata? Vastus peitub selles, kuidas qubit hoiab tõenäosusi. Tõenäosust tähistab arv vahemikus null kuni üks. Kuid vutid peavad tõenäosuse amplituudid olema positiivsed või negatiivsed.

Nagu Lidar ütleb: “[T] on seal, kus on reaalne erinevus. Negatiivse tõenäosuse kohta [klassikalises füüsikas] pole mõtet, see on mõttetu ... Kuid kvantjuhtumi korral võib meil olla [a] negatiivne [tõenäosus] amplituud, mis tühistab positiivse [tõenäosuse] amplituudi. Nende häiretega manipuleerimise kaudu saame aru, kuidas kvantarvutid saavad eelise. "

Selles tsitaadis on peidus kaks põhipunkti. Kui negatiivne amplituud vastab positiivsele amplituudile, on netotulemus nullilähedane, nii et selle konkreetse tulemuse tõenäosus väheneb; Kui kaks positiivset amplituuti kohtuvad, suureneb selle tulemuse võimalus. See tähendab, et võime manipuleerida konkreetse tulemuse tõenäosusega ilma kvadrat mõõtmata. (Pidage meeles, et mõõtmise korral hävitatakse superpositsioon.)

Veelgi olulisem on, et seda saaks endale teha, saab teha viktoriinid. Kui me räägime positiivsest amplituudist, mis vastab negatiivsele amplituudile, võivad need amplituudid olla samast kvabitist. Ja kui see ei põhjusta meelt pisut painutama ja kriuksuma, siis ei tee see midagi.

Selle tulemusel saab kvantarvuti kiiresti vähendada vale vastuse saamise tõenäosust ja suurendada õige vastuse saamise tõenäosust. See on täpselt selline trikk, mida kvantarvuti kasutab õige palli leidmise tõenäosuse suurendamiseks.

Vigadele mõeldud protsess

Arvutamise teostamiseks muudetakse paljude vuttide superpositsiooni olekut. Kuid tahtlike modifikatsioonide vahel muudab keskkond ka superpositsiooni olekut. See müra on kvantarvutuste vaenlane, hävitades ülipositsiooniga olekud peaaegu nii kiiresti, kui suudame neid luua.

Selle tulemus on see, et vutid ei ole usaldusväärsed ja võivad eksida. Ja need vead tuleb avastada ja parandada.

See pole tühine. Nagu Lidar ütleb: “Kvantide arvutamise korrektse teostamise tagamiseks on vaja kasutada suurt koondamist. Mis siis selle kodeerimise tõttu üldkuludest tuleneb? Noh, see võib olla üsna raske, see võib olla 1000 või 1 000 000 teguriga. ”

Teisisõnu, iga natuke teavet kodeeritakse väikese kvbittide asemel väikeseks kvootide armeeks.

Kuidas luua kvantarvutit

Kvantarvuti ehitamiseks on mitu peamist lähenemisviisi. Kõige tavalisem lähenemisviis sarnaneb sellega, et me ehitame praegu arvuteid, mida nimetatakse kvantarvutuste skeemimudeliks.

Iga programm on jaotatud spetsiifiliste loogiliste toimingute seeriaks, millest enamus modifitseerib ühe kbitti tõenäosuse amplituudid, sõltuvalt teise kbitti tõenäosuse amplituudidest. Ahelapõhine kvantarvuti võtab kasutusele algkvoodi komplekti ja teostab programmis iga toimingu järjest. Pärast programmi käivitamist loetakse vastuse saamiseks qubit-olekud.

IBM ehitab sedalaadi kvantarvuteid ja saate nendega isegi mängida. Kuid pole sugugi kindel, kas IBMi või mõni muu vooluringi mudel saab standardseks. Qubit-arvu ja eluea suurendamine kasulikuks suuruseks pole lihtne ülesanne.

Ka teised ettevõtted, näiteks D-Wave ja Google, on huvitatud. Kuid nende lähenemisviis erineb oluliselt IBMi ja enamiku teaduslaborite lähenemisest. Kvantarvuti ehitamisel on kõige levinum lähenemisviis kinni tavapäraste arvutite ideedest: loogikaväravad, mis teostavad järjestikuseid toiminguid. Kuid on võimalik teha ka arvuteid, mis töötavad ilma otsese loogikata toiminguteta.

D-Wave'i kvantoptimeerija (D-Wave Inc.)

Erinevus kahe lähenemisviisi vahel on üsna sügav. Järjestikuseid loogikaid kasutavas arvutis on arvuti füüsiline paigutus mõistlikult lihtne, kuid toimingute jada (või programm) võib muutuda pikaks ja keeruliseks. Järjestikuse loogikast loobumisel muutub programm väga lihtsaks - tegelikult pole peaaegu üldse programmeerimist -, kuid füüsiline paigutus muutub väga väljakutsuvaks, sest iga qubit peab olema ühendatud kõigi teiste vuttidega.

Kanada startup D-Wave on juba mõnda aega pakkunud piiratud arvu kvantarvutusi, kuid praegu on selle protsessorid praktiliste probleemide lahendamiseks liiga väikesed. D-Wave protsessori paigutus ei ühenda kõiki vutte omavahel. Seetõttu saab seda kasutada ainult teatud tüüpi probleemide lahendamiseks, kuid mitte teiste.

Asjade keerukamaks muutmiseks pole arvuti jõudluse põhjal võimalik teada saada, et see on kvantarvuti. Selle asemel võiks see olla väga tõhus traditsiooniline arvuti. Google ja Lidar (kes ei tööta Google'i heaks) kasutavad sarnast lähenemist D-Wave'ile; erinevus on siiski see, et nende eesmärk on kontrollida, kuidas vuttivõimud üksteist mõjutavad. Sellest loodavad nad tõestada, et selline lähenemine viib kvantarvuti juurde.

Probleem kvantlahenduse otsimisel

Enamik inimesi seostab neid kvantarvutitega teadmise teel krüptimise purustamisega. Tänapäeva krüptograafia tugineb tõsiasjale, et väga suure hulga peamisi tegureid on väga raske leida.

Praktiline kvantarvuti teeb selle tõenäoliselt ära. Kuid on ka vähem pahatahtlikke rakendusi.

Kõige põnevam on väljatöötamisel kvantarvutite kasutamine kvantmehaanika probleemide lahendamiseks. See on rakendus, mis tõenäoliselt muudab maailma.

Kvantmehaanika kirjeldab materjalide omadusi alates riiete puuvillast kuni taimede fotosünteesini. Isegi kõige võimsamate traditsiooniliste arvutite korral on enam kui 30 aatomit sisaldava molekuli omaduste arvutamine üsna võimatu. Selle asemel võtame otseteed, mis ei tööta alati eriti hästi.

Kvantarvuti võib olla palju täpsem, nii et meil on selle arvutuse suhtes palju suurem usaldus. Teadlased võivad ette kujutada palju võõramaiseid omadusi, nagu näiteks materjalid, mis päikesevalguse käes jahtuvad, ja seejärel kasutada vajaliku struktuuri määramiseks kvantarvutit. Ja võõraste omadustega, mis on tõeliselt võimatud, saab kiiremini kaotada.

Kui lähedal me oleme?

Kvantarvutid saabusid teoreetiliselt esimeste meeleavaldustega 1990ndatel. Teie saladused on siiski turvalised ja te ei leia kvantarvutit, mis teeks teie pangakontole ebameeldivaid asju. Lidari-sugused teadlased ei oota praktilist kvantarvutit veel mõnda aega.

Lidar ütleb, et 100 vibratsiooni juures maailmas, kus pole vaja kvantvigade parandamist, võiksime kvantarvuteid simuleerida kvantarvutite abil skaalal, mis ületab kõige võimsamate klassikaliste arvutite võimalusi. "

Kuid teadlastel on eesmärk, mida murettekitavalt nimetatakse kvantülemuseks. Vaatamata oma grandioossele nimele näitab kvantülemus just seda, et kvantarvutis saab lahendada kõiki probleeme, mis ületavad tavapärase arvuti võimalusi, isegi ilma praktilise väärtuseta.

Tõestada, et kvantarvutid võivad toimida ennustatud viisil, on oluline samm ja see juhtub ka siis, kui keegi pole täiesti kindel. Kuid alles siis võime tõesti usaldada, et tulevased kvantarvutid võivad oma lubadused täita.

Lidar loodab näha arvutit, mis peaks järgmise 12 kuu jooksul olema võimeline saavutama kvant ülemvõimu. Eelkõige näib, et Google püüab võimalikult kiiresti saavutada kvant ülemvõimu, samal ajal kui IBM suhtub ettevaatlikumalt.

Pärast seda ootab meid hägune, kuid põnev tulevik.