Izrāvienu sērija kvantu skaitļošanā
Parasts dators, ko tagad dēvē par klasisko jeb tradicionālo datoru, darbojas uz 0 un 1 (nulles un vieninieku) pamatjēdziena. Kad mēs jautājam dators Lai veiktu uzdevumu mūsu vietā, piemēram, matemātisku aprēķinu vai tikšanās rezervāciju vai jebko, kas saistīts ar ikdienas dzīvi, šis uzdevums dotajā brīdī tiek pārveidots (vai tulkots) 0 un 1 virknē (ko pēc tam sauc par ievade), šo ievadi apstrādā algoritms (definēts kā noteikumu kopums, kas jāievēro, lai datorā izpildītu uzdevumu). Pēc šīs apstrādes tiek atgriezta jauna 0s un 1s virkne (ko sauc par izvadi), kas kodē sagaidāmo rezultātu un tiek pārtulkota atpakaļ vienkāršākā lietotājam draudzīgā informācijā kā “atbilde” uz to, ko lietotājs vēlējās, lai dators dara. . Tas ir aizraujoši, ka neatkarīgi no tā, cik gudrs vai gudrs varētu šķist algoritms un neatkarīgi no uzdevuma sarežģītības pakāpes, datora algoritms veic tikai vienu lietu — manipulē ar bitu virkni — kur katrs bits ir 0 vai 1. manipulācijas notiek datorā (programmatūras galā), un mašīnas līmenī to attēlo elektriskās ķēdes (datora mātesplatē). Aparatūras terminoloģijā, kad strāva iet caur šīm elektriskām ķēdēm, tā ir aizvērta un ir atvērta, ja nav strāvas.
Klasiskais pret kvantu dators
Tāpēc klasiskajos datoros bits ir viena informācija, kas var pastāvēt divos iespējamos stāvokļos – 0 vai 1. Taču, ja runājam par Kvantu datoros, tie parasti izmanto kvantu bitus (sauktus arī par "kubitiem"). Tās ir kvantu sistēmas ar diviem stāvokļiem, tomēr atšķirībā no parastajiem bitiem (kas tiek saglabāti kā 0 vai 1), kubiti var uzglabāt daudz vairāk informācijas un var pastāvēt jebkurā šo vērtību pieņēmumā. Lai labāk izskaidrotu, kubitu var uzskatīt par iedomātu sfēru, kur kubits var būt jebkurš sfēras punkts. Var teikt, ka kvantu skaitļošana izmanto subatomisko daļiņu spēju jebkurā laikā pastāvēt vairāk nekā vienā stāvoklī un joprojām ir viena otru izslēdzoša. No otras puses, klasiskais bits var būt tikai divos stāvokļos – piemēram, sfēras divu polu galā. Parastā dzīvē mēs nevaram redzēt šo "superpozīciju", jo, tiklīdz sistēma tiek aplūkota kopumā, šīs superpozīcijas pazūd, un tāpēc šādu superpozīciju izpratne ir neskaidra.
Datoriem tas nozīmē, ka kvantu datori, kas izmanto kubitus, var uzglabāt milzīgu informācijas daudzumu, izmantojot mazāku enerģiju nekā klasiskais dators, un tādējādi kvantu datorā darbības vai aprēķinus var veikt daudz ātrāk. Tātad klasiskajam datoram var būt 0 vai 1, divi biti šajā datorā var būt četros iespējamos stāvokļos (00, 01, 10 vai 11), bet jebkurā brīdī tiek attēlots tikai viens stāvoklis. No otras puses, kvantu dators darbojas ar daļiņām, kas var būt superpozīcijā, ļaujot diviem kubitiem vienlaikus attēlot tieši tos pašus četrus stāvokļus, jo superpozīcijas īpašība atbrīvo datorus no “binārā ierobežojuma”. Tas var būt līdzvērtīgs četriem datoriem, kas darbojas vienlaikus, un, ja mēs pievienojam šos kubitus, kvantu datora jauda pieaug eksponenciāli. Kvantu datori izmanto arī citu kvantu fizikas īpašību, ko sauc par “kvantu sapīšanos”, ko definējis Alberts Einšteins. Sapīšanās ir īpašība, kas ļauj kvantu daļiņām savienoties un sazināties neatkarīgi no to atrašanās vietas sistēmā. visums tā, ka viena stāvokļa maiņa var uzreiz ietekmēt otru. Divkāršās spējas "superpozīcija" un "sapīšanās" principā ir diezgan spēcīgas. Tāpēc tas, ko var sasniegt kvantu dators, nav iedomājams, salīdzinot ar klasiskajiem datoriem. Tas viss izklausās ļoti aizraujoši un vienkārši, tomēr šajā scenārijā pastāv problēma. Kvantu dators, ja kā ievadi izmanto kubitus (superpozētos bitus), tā izvade arī būs kvantu stāvoklī, ti, izvade ar superpozētiem bitiem, kuri var arī pastāvīgi mainīties atkarībā no tā, kādā stāvoklī tas atrodas. Šāda veida izvade t patiešām ļauj mums saņemt visu informāciju, un tāpēc lielākais izaicinājums kvantu skaitļošanas mākslā ir atrast veidus, kā iegūt pēc iespējas vairāk informācijas no šīs kvantu izvades.
Kvantu dators būs klāt!
Kvantu datorus var definēt kā jaudīgas mašīnas, kuru pamatā ir kvantu mehānikas principi, kas izmanto pilnīgi jaunu pieeju informācijas apstrādei. Viņi cenšas izpētīt sarežģītus dabas likumus, kas vienmēr ir pastāvējuši, bet parasti ir palikuši apslēpti. Ja šādas dabas parādības var izpētīt, kvantu skaitļošana var darbināt jauna veida algoritmus, lai apstrādātu informāciju, un tas varētu radīt novatoriskus sasniegumus materiālu zinātnē, zāļu atklāšanā, robotikā un mākslīgajā intelektā. Kvantu datora ideju tālajā 1982. gadā ierosināja amerikāņu teorētiskais fiziķis Ričards Feinmens. Mūsdienās tehnoloģiju uzņēmumi (piemēram, IBM, Microsoft, Google, Intel) un akadēmiskās institūcijas (piemēram, MIT un Prinstonas universitāte) strādā pie kvantu. datoru prototipus, lai izveidotu galveno kvantu datoru. International Business Machines Corp. (IBM) nesen paziņoja, ka tās zinātnieki ir izveidojuši jaudīgu kvantu skaitļošanas platformu un to var padarīt pieejamu piekļuvei, taču atzīmē, ka ar to nepietiek, lai veiktu lielāko daļu uzdevumu. Viņi saka, ka 50 kubitu prototips, kas pašlaik tiek izstrādāts, var atrisināt daudzas problēmas, ko mūsdienās veic klasiskie datori, un nākotnē 50–100 kubitu datori lielā mērā aizpildītu šo robu, ti, kvantu dators ar tikai dažiem simtiem kubitu vienlaikus veikt vairāk aprēķinu, nekā zināmajā ir atomu visums. Reāli runājot, ceļš uz to, kur kvantu dators faktiski var pārspēt klasisko datoru sarežģītos uzdevumos, ir grūts un izaicinājums. Nesen Intel paziņoja, ka uzņēmuma jaunais 49 kubitu kvantu dators ir solis ceļā uz šo "kvantu pārākumu", kas ir būtisks sasniegums uzņēmumam, kurš tikai pirms 17 mēnešiem demonstrēja 2 bitu kubitu sistēmu. Viņu prioritāte ir turpināt paplašināt projektu, pamatojoties uz izpratni, ka kubitu skaita palielināšana ir atslēga, lai radītu kvantu datorus, kas var nodrošināt reālus rezultātus.
Materiāls ir galvenais kvantu datora veidošanā
Materiāls silīcijs ir bijis neatņemama skaitļošanas sastāvdaļa gadu desmitiem, jo tā galveno iespēju kopums padara to labi piemērotu vispārējai (vai klasiskajai) skaitļošanai. Tomēr, ciktāl tas attiecas uz kvantu skaitļošanu, uz silīciju balstīti risinājumi nav pieņemti galvenokārt divu iemeslu dēļ: pirmkārt, ir grūti kontrolēt uz silīcija ražotus kubitus, un, otrkārt, joprojām nav skaidrs, vai silīcija kubiti varētu mērogot tikpat labi kā citi. risinājumus. Intel ir attīstījusies ļoti nesen1 jauna veida kubits, kas pazīstams kā "spin qubit", kas tiek ražots uz parastā silīcija. Spin kubiti ļoti atgādina pusvadītāju elektroniku, un tie nodrošina savu kvantu jaudu, piesaistot viena elektrona spinu uz silīcija ierīces un kontrolējot kustību ar sīkiem mikroviļņu impulsiem. Divas galvenās priekšrocības, kas noveda pie Intel virzības šajā virzienā, ir, pirmkārt, Intel kā uzņēmums jau ir ieguldījis lielus līdzekļus silīcija nozarē, un tādējādi tam ir vajadzīgās zināšanas silīcija jomā. Otrkārt, silīcija kubiti ir izdevīgāki, jo tie ir mazāki nekā parastie kubiti, un paredzams, ka tie saglabās saskaņotību ilgāku laiku. Tas ir ļoti svarīgi, ja kvantu skaitļošanas sistēmas ir jāpalielina (piemēram, pārejot no 100 kubitiem uz 200 kubitiem). Intel testē šo prototipu, un uzņēmums plāno ražot mikroshēmas ar tūkstošiem mazu kubitu masīvu, un šāda ražošana, ja tā tiek veikta lielapjomā, var būt ļoti laba kvantu datoru mērogošanas palielināšanai un var būt īsts spēļu mainītājs.
Nesenā pētījumā, kas publicēts Zinātne, Merilendas Universitātes (ASV) komanda ir izstrādājusi jaunizveidotu fotonisko kristālu modeli (ti, kristāla dizainu, kas ieviests fotoniskajā mikroshēmā), kas, pēc viņu domām, padarīs kvantu datorus pieejamākus.2. Šie fotoni ir mazākais zināmais gaismas daudzums, un šajos kristālos ir iestrādāti caurumi, kas izraisa gaismas mijiedarbību. Dažādi caurumu raksti maina veidu, kā gaisma liecas un atlec cauri kristālam, un šeit tika izveidoti tūkstoši trīsstūrveida caurumu. Šāda atsevišķu fotonu izmantošana ir svarīga kvantu datoru izveides procesā, jo datori pēc tam varēs aprēķināt lielus skaitļus un ķīmiskās reakcijas, kuras pašreizējie datori nespēj veikt. Mikroshēmas dizains nodrošina fotonu pārnešanu starp kvantu datoriem bez zaudējumiem. Šis zaudējums tika uzskatīts arī par lielu izaicinājumu kvantu datoriem, un tādējādi šī mikroshēma risina problēmu un nodrošina efektīvu Kvantu informāciju no vienas sistēmas uz otru.
Nākotne
Kvantu datori sola veikt aprēķinus, kas pārsniedz jebkuru parasto superdatoru. Viņiem ir potenciāls revolucionizēt jaunu materiālu atklāšanu, ļaujot simulēt matērijas uzvedību līdz atomu līmenim. Tas arī rada cerības uz mākslīgo intelektu un robotiku, apstrādājot datus ātrāk un efektīvāk. Komerciāli dzīvotspējīgas kvantu skaitļošanas sistēmas izveidi turpmākajos gados varētu veikt jebkura lielākā organizācija, jo šis pētījums joprojām ir beztermiņa un godīga spēle visiem. Lielākie paziņojumi ir gaidāmi nākamajos piecos līdz septiņos gados, un ideālā gadījumā, ņemot vērā virkni sasniegumu, būtu jārisina inženiertehniskās problēmas un 1 miljons vai vairāk kubitu kvantu datoram vajadzētu būt realitātei.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
1. Castelvecchi D. 2018. Silīcijs iegūst vietu kvantu skaitļošanas sacīkstēs. Daba. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Topoloģiskā kvantu optikas saskarne. Zinātne. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
