Paaiškinkite: kas yra kvantinis kompiuteris?

Vaizdą suteikė Rigetti Computing. Justino Fantlo nuotrauka.

Tai pirmasis iš kvantinės technologijos paaiškinimų serijos. Kiti du susiję su kvantiniu ryšiu ir postkvantine kriptografija.

Kvantinis kompiuteris panaudoja kai kuriuos beveik mistinius kvantinės mechanikos reiškinius, kad pasiektų didžiulius apdorojimo galios šuolius. Kvantinės mašinos žada aplenkti net pajėgiausius šiandienos ir rytojaus superkompiuterius.

Tačiau jie nesunaikins įprastų kompiuterių. Klasikinės mašinos naudojimas vis tiek bus lengviausias ir ekonomiškiausias sprendimas daugeliui problemų išspręsti. Tačiau kvantiniai kompiuteriai žada pažangą įvairiose srityse – nuo ​​medžiagų mokslo iki farmacijos tyrimų. Įmonės jau eksperimentuoja su jais, kad sukurtų lengvesnes ir galingesnes elektromobilių baterijas ir padėtų kurti naujus vaistus.

Kvantinio kompiuterio galios paslaptis slypi jo gebėjime generuoti ir manipuliuoti kvantiniais bitais arba kubitais.

Kas yra kubitas?

Šiuolaikiniai kompiuteriai naudoja bitus – elektrinių arba optinių impulsų srautą vienas s arba 0 s. Viskas nuo jūsų tviterių ir el. laiškų iki iTunes dainų ir YouTube vaizdo įrašų iš esmės yra ilgos šių dvejetainių skaitmenų eilutės.

Kita vertus, kvantiniai kompiuteriai naudoja kubitus, kurie paprastai yra subatominės dalelės, tokios kaip elektronai ar fotonai. Kubitų generavimas ir valdymas yra mokslinis ir inžinerinis iššūkis. Kai kurios įmonės, pvz., IBM, Google ir Rigetti Computing, naudoja superlaidžias grandines, aušinamas iki žemesnės nei giluminėje erdvėje temperatūros. Kiti, kaip IonQ, sulaiko atskirus atomus elektromagnetiniuose laukuose ant silicio lusto itin didelio vakuumo kamerose. Abiem atvejais tikslas yra izoliuoti kubitus kontroliuojamoje kvantinėje būsenoje.

Kubitai turi keletą keistų kvantinių savybių, o tai reiškia, kad sujungta jų grupė gali suteikti daug daugiau apdorojimo galios nei toks pat dvejetainių bitų skaičius. Viena iš tų savybių vadinama superpozicija, o kita – susipainiojimu.

Kas yra superpozicija?

Kubitai gali reikšti daugybę galimų derinių vienas ir 0 Tuo pačiu metu. Šis gebėjimas vienu metu būti keliose būsenose vadinamas superpozicija. Norėdami įdėti kubitus į superpoziciją, mokslininkai manipuliuoja jais naudodami tikslius lazerius arba mikrobangų spindulius.

Dėl šio prieštaringo reiškinio kvantinis kompiuteris su keliais superpozicijoje esančiais kubitais gali vienu metu susidoroti su daugybe galimų rezultatų. Galutinis skaičiavimo rezultatas pasirodo tik išmatavus kubitus, todėl jų kvantinė būsena iš karto žlunga į vienas arba 0 .

Kas yra susipainiojimas?

Tyrėjai gali sukurti susipynusių kubitų poras, o tai reiškia, kad du poros nariai egzistuoja vienoje kvantinėje būsenoje. Pakeitus vieno iš kubitų būseną, kito būsena akimirksniu pasikeis nuspėjamu būdu. Taip atsitinka net jei juos skiria labai dideli atstumai.

Niekas tiksliai nežino, kaip ir kodėl susipainiojimas veikia. Tai netgi suglumino Einšteiną, kuris garsiai apibūdino tai kaip baisų veiksmą per atstumą. Tačiau tai yra kvantinių kompiuterių galios raktas. Įprastame kompiuteryje padvigubinus bitų skaičių padvigubėja jo apdorojimo galia. Tačiau dėl susipynimo kvantinei mašinai pridedant papildomų kubitų, jos gebėjimas sumažinti skaičių išauga.

Kvantiniai kompiuteriai sujungia įsipainiojusius kubitus į savotišką kvantinę ramunėlių grandinę, kad sukurtų savo magiją. Mašinų gebėjimas paspartinti skaičiavimus naudojant specialiai sukurtus kvantinius algoritmus yra priežastis, kodėl tiek daug triukšmo apie jų potencialą.

Tai gera žinia. Blogos naujienos yra tai, kad kvantinės mašinos yra daug labiau linkusios į klaidas nei klasikiniai kompiuteriai dėl dekoherencijos.

Kas yra dekoherence?

Kubitų sąveika su aplinka tokiais būdais, dėl kurių jų kvantinis elgesys nyksta ir galiausiai išnyksta, vadinama dekoherence. Jų kvantinė būsena itin trapi. Dėl menkiausios vibracijos ar temperatūros pokyčio – trikdžių, vadinamų triukšmu kvantinėje kalboje – jie gali iškristi iš superpozicijos dar tinkamai neatlikus savo darbo. Štai kodėl mokslininkai daro viską, kad apsaugotų kubitus nuo išorinio pasaulio tuose peršaldomuose šaldytuvuose ir vakuuminėse kamerose.

Tačiau, nepaisant jų pastangų, triukšmas vis tiek sukelia daug klaidų, kurios patenka į skaičiavimus. Išmanieji kvantiniai algoritmai gali kompensuoti kai kuriuos iš jų, taip pat padeda pridėti daugiau kubitų. Tačiau greičiausiai prireiks tūkstančių standartinių kubitų, kad būtų sukurtas vienas labai patikimas, žinomas kaip loginis kubitas. Tai sumažins daug kvantinio kompiuterio skaičiavimo pajėgumų.

Ir čia yra trintis: iki šiol tyrėjams nepavyko sugeneruoti daugiau nei 128 standartinių kubitų (žr. mūsų kubitų skaitiklį čia ). Taigi mums dar daug metų liko iki kvantinių kompiuterių, kurie bus plačiai naudingi.

Tai nesužlugdė pionierių vilčių būti pirmiesiems, pademonstravusiems kvantinę viršenybę.

Kas yra kvantinė viršenybė?

Tai taškas, kai kvantinis kompiuteris gali atlikti matematinį skaičiavimą, kurio akivaizdžiai nepasiekia net galingiausias superkompiuteris.

Vis dar neaišku, kiek tiksliai kubitų reikės, kad tai būtų pasiekta, nes mokslininkai nuolat randa naujų algoritmų, kurie padidintų klasikinių mašinų našumą, o superkompiuterių aparatinė įranga vis gerėja. Tačiau mokslininkai ir įmonės sunkiai dirba, kad pretenduotų į titulą, atlieka bandymus su kai kuriais galingiausiais pasaulyje superkompiuteriais.

Mokslinių tyrimų pasaulyje vyksta daug diskusijų apie tai, koks reikšmingas bus šio etapo pasiekimas. Užuot laukę, kol bus paskelbta viršenybė, įmonės jau pradeda eksperimentuoti su kvantiniais kompiuteriais, kuriuos gamina tokios kompanijos kaip IBM, Rigetti ir Kanados įmonė D-Wave. Kinijos įmonės, tokios kaip „Alibaba“, taip pat siūlo prieigą prie kvantinių mašinų. Kai kurios įmonės perka kvantinius kompiuterius, o kitos naudoja tuos, kurie yra prieinami per debesų kompiuterijos paslaugas.

Kur pirmiausia kvantinis kompiuteris gali būti naudingiausias?

Vienas iš perspektyviausių kvantinių kompiuterių pritaikymo būdų yra medžiagos elgsenos modeliavimas iki molekulinio lygio. Automobilių gamintojai, tokie kaip Volkswagen ir Daimler, naudoja kvantinius kompiuterius, kad imituotų elektrinių transporto priemonių akumuliatorių cheminę sudėtį, kad padėtų rasti naujų būdų, kaip pagerinti jų veikimą. Ir farmacijos įmonės naudoja juos analizuodamos ir palygindamos junginius, kurie gali paskatinti naujų vaistų kūrimą.

Mašinos taip pat puikiai tinka optimizavimo problemoms spręsti, nes jos gali itin greitai susidoroti su daugybe galimų sprendimų. Pavyzdžiui, „Airbus“ naudoja juos, kad padėtų apskaičiuoti ekonomiškiausius orlaivių pakilimo ir nusileidimo kelius. O „Volkswagen“ pristatė paslaugą, kuri apskaičiuoja optimalius autobusų ir taksi maršrutus miestuose, siekdama sumažinti spūstis. Kai kurie mokslininkai taip pat mano, kad mašinos galėtų būti naudojamos dirbtiniam intelektui paspartinti.

Gali prireikti kelerių metų, kol kvantiniai kompiuteriai išnaudos visą savo potencialą. Universitetai ir su jais dirbančios įmonės susiduria su kvalifikuotų šios srities mokslininkų trūkumu ir kai kurių pagrindinių komponentų tiekėjų trūkumu. Tačiau jei šios egzotiškos naujos skaičiavimo mašinos ištesės savo pažadus, jos galėtų pakeisti ištisas pramonės šakas ir paskatinti pasaulines naujoves.

paslėpti