Viiskümmend aastat tagasi oleksid nutitelefonid tundunud täiesti maagilised arvutid. Nii nagu klassikalised arvutid olid varasematele põlvkondadele peaaegu kujuteldamatud, seisame täna silmitsi täiesti uut tüüpi arvutite sünniga: midagi nii müstilist, et seda võib nimetada maagiliseks. Need on kvantarvutid. Kui sõna "kvant" on teile võõras, pole te üksi. See väga külm, väike, tundlik ja väga kummaline maailm võib tunduda kahtlase süsteemina, millele saab ehitada kommertsliku arvutusmasina, kuid see on täpselt see, mille kallal töötavad IBM, Google, Rigetti Computing ja teised.
Jaanuaris CES toimunud IBM-i Q Initiative näitas süsteemi One (vt ülal): pimestavat, klanitud ja lühtritaolist masinat, mis oli esimene äriliseks kasutamiseks mõeldud integreeritud üldotstarbeline kvantarvutussüsteem, millega igaüks sai mängida.
Tõenäoliselt on kõik kvantarvutite potentsiaalist kuulnud: kvantfüüsika omadused avavad massiliselt paralleelseid arvutusahelaid, mis tõenäoliselt tagavad tohutu hüppe arvutusvõimsuses ja välistavad kõik transistoriseeritud superarvutid, millega võime kokku puutuda - täna ja homme. Nad teevad revolutsiooni keemias, farmaatsias, materjaliteaduses ja masinõppes.
Mis aga teeb kvantarvutid nii võimsaks? Mõelgem välja.
Mis on jupid?
Alustame uurimisega, kuidas kvantarvutid töötavad.
Reklaamvideo:
Nende oskuste saladus on see, et nad manipuleerivad küünartega. Kõik, mida klassikaline arvuti töötleb - tekst, pildid, video ja nii edasi - koosneb pikkadest null- ja nulljoontest ehk bittidest. Tuum tähistab bitti ühte kahest olekust: sisse / välja või on elektriahel ühendatud või mitte. Kaasaegsetes arvutites esindab bitti tavaliselt elektripinge või voolupulss.
Kvantarvutid seevastu tuginevad kvoodidele. Nagu binaarsed bitid, on ka arvutamisel keskpunktis vutid, millel on üks suur erinevus: vuttid on tavaliselt elektronide või muude alaatomiliste osakeste ülijuhid. Pole üllatav, et jänestega manipuleerimine on keeruline teaduslik ja tehniline väljakutse. Näiteks IBM kasutab mitu kihti ülijuhtivaid vooluahelaid, mis asuvad kontrollitud keskkonnas ja jahtuvad järk-järgult temperatuurini, mis on madalam kui süvakosmos - absoluutse nulli lähedal.
Kuna jänesed elavad kvantreaalsuses, on neil hämmastavad kvantomadused.
Superpositsioon, takerdumine ja sekkumine
Kui natuke on kujutatud mündina koos peadega (0) või sabaga (1), siis on vuttivõtteid tähistatud keerleva mündiga: teatud mõttes on nad nii pead kui ka saba, kusjuures igal olekul on teatud tõenäosus. Teadlased kasutavad kalibreeritud mikrolaineimpulsse vuttide ülekandmiseks; sarnaselt võivad nende impulsside muud sagedused ja kestused ujutada kbitti nii, et see on veidi teises olekus (kuid siiski ülipositsioonil).
Superpositsiooni tõttu võib üks qubit esindada palju rohkem teavet kui binaarne bit. Osaliselt on see tingitud asjaolust, et esmasel sisenemisel võivad viktorid sundida üheaegselt tohutul hulgal võimalikke tulemusi. Lõplik vastus tuleb alles siis, kui teadlased mõõdavad jupikesi - kasutades ka mikrolaineid -, mis põhjustab nende "kokkuvarisemise" binaarsesse olekusse. Teadlased peavad vastuse kontrollimiseks sageli mitu korda arvutama.
Takerdumine on veelgi ägedam. Mikrolaineimpulsside rakendamine paarile osavõnkele võib neid takerduda nii, et nad eksisteerivad alati ühes ja samas kvant olekus. See võimaldab teadlastel manipuleerida takerdunud vuttide paaridega, muutes lihtsalt ühe neist olekut, isegi kui need on füüsiliselt eraldatud suure vahemaa tagant, seega "jubedal kaugusel toimuv". Segamise ennustatava iseloomu tõttu suurendab vuttide lisamine eksponentsiaalselt kvantarvuti töötlemisvõimsust.
Interferents on viimane omadustest, mida kvantalgoritmid rakendavad. Kujutage ette veerevaid laineid: mõnikord vastavad nad üksteisele (tegutsevad konstruktiivselt), mõnikord summutavad (hävitavalt). Interferentsi kasutamine võimaldab teadlastel tingimusi kontrollida, võimendades õige vastuseni viivate signaalide tüüpi ja tühistades need, mis annavad vale vastuse.
Kuidas kvantarvuteid programmeeritakse?
Põhieesmärk on kodeerida osa osi vbittide abil keeruliseks kvantseisundiks ja seejärel seda olekut manipuleerida, et viia see mingisuguse lahenduseni, mida saab mõõta pärast superpositsioonide kokkuvarisemist nulli (0) ja ühega (1) deterministlikeks järjestusteks. …
Ebaselge? Lugege seda uuesti.
See kõlab keeruline, kuid kuna oleme juba kõik mõisted välja mõelnud, saate sellest aru.
Nagu klassikalise programmeerimise puhul, arendavad teadlased ka madalama taseme montaažikeeli, millest masin paremini aru saab, et liikuda nende juurest inimmeelele sobivamatesse kõrgetasemelistesse keeltesse ja graafilistesse liidestesse. Näiteks IBM Qiskit võimaldab eksperimenteerijatel probleeme tekitada ja väravaid lohistada.
Decoherence'i deemon
Miks pole kvantarvuteid veel igal nurgal müügil? Teatud mõttes üritavad teadlased ebatäiuslikest osadest ehitada täiuslikke masinaid. Kvantarvutid on äärmiselt tundlikud häirete, müra ja muude keskkonnamõjude suhtes, mis põhjustavad nende kvant oleku vibreerimist ja kadumist. Seda efekti nimetatakse dekoherentsuseks.
Mõne eksperdi jaoks on dekoorentsus kvantarvutust takistav probleem. Isegi kõigi võetud meetmete korral võib müra arvutustes lekkida. Teadlased saavad kvantteavet talletada seni, kuni see kaotab terviklikkuse dekoherentsi mõjul, mis piirab arvutuste arvu, mida saab järjest teha.
Kvantarvutuste delikaatne olemus on ka põhjus, miks süsteemi pimedalt kvantide lisamine ei muuda seda tingimata võimsamaks. Veatolerantsi on kvantarvutuste valdkonnas põhjalikult uuritud: loogiliselt võiks vuttide lisamine kompenseerida mõningaid probleeme, kuid andmeedastuse jaoks ühe usaldusväärse ja usaldusväärse kvadiidi loomine nõuaks miljoneid vigade parandamise vikte. Ja neid pole meil tänapäeval rohkem kui 128. Võib-olla aitavad nutikad algoritmid, mida samuti arendatakse.
Kvanti jäljendamine kvantarvutite abil
Kuna suurandmed on praegu kuum teema, võiks eeldada, et kvantarvutid käsitlevad suuri andmekogumeid paremini kui klassikalised arvutid. Kuid see pole nii.
Selle asemel on kvantarvutid looduse simuleerimiseks eriti head. Näiteks saaks kvantarvutamist kasutada efektiivsemalt ravimimolekulide ehitamiseks, kuna need töötavad põhimõtteliselt samadel alustel kui need molekulid, mida nad proovivad modelleerida. Molekuli kvant oleku arvutamine on uskumatult keeruline ülesanne, mis on peaaegu üle meie arvutite jõu, kuid kvantarvutid saavad sellega hakkama pauguga.
Samamoodi võib kvantarvutus pöörde muuta materjaliteaduse või teabe edastamise valdkonnas. Läbi takerdumise võivad suurte vahemaadega füüsiliselt eraldatud vutid luua kanali teabe edastamiseks, mis on meie olemasolevatest kanalitest teaduslikult ohutum. Kvantne Internet on teostatav.
Kuid kõige huvitavam on see: me ei tea isegi mitmesuguseid hämmastavaid küsimusi, mida kvantarvutid saavad proovida lahendada. Lihtsalt omades kommertslikku kvantarvutit ja lastes inimestel sellega töötada, saaksime kaardistada huvitavad uued valdkonnad, mis sobivad selle ehmatava uue tehnoloogiaga.
Ilja Khel
