Řada průlomů v kvantovém počítání
Běžný počítač, který je dnes označován jako klasický nebo tradiční počítač, funguje na základním konceptu 0 a 1 (nul a jedniček). Když se ptáme na počítačový aby za nás udělal nějaký úkol, například matematický výpočet nebo rezervaci schůzky nebo cokoliv, co souvisí s každodenním životem, tento úkol se v daný okamžik převede (nebo přeloží) na řetězec 0s a 1s (který se pak nazývá vstup), je tento vstup zpracován algoritmem (definovaným jako sada pravidel, která se mají dodržovat při dokončení úkolu na počítači). Po tomto zpracování je vrácen nový řetězec 0s a 1s (nazývaný výstup), který zakóduje očekávaný výsledek a převede se zpět do jednodušší uživatelsky přívětivé informace jako „odpověď“ na to, co uživatel chtěl, aby počítač udělal. . Je fascinující, že bez ohledu na to, jak chytrý nebo chytrý algoritmus se může zdát a ať už je úroveň obtížnosti úkolu jakákoli, počítačový algoritmus dělá pouze jednu věc – manipuluje s řetězcem bitů – kde každý bit je buď 0, nebo 1. manipulace probíhá na počítači (na softwarové straně) a na úrovni stroje je reprezentována elektrickými obvody (na základní desce počítače). V hardwarové terminologii, když proud prochází těmito elektrickými obvody, je uzavřen a je otevřen, když není žádný proud.
Klasický vs kvantový počítač
Proto je v klasických počítačích bit jedinou informací, která může existovat ve dvou možných stavech – 0 nebo 1. Pokud však mluvíme o kvantové počítače, obvykle používají kvantové bity (nazývané také „qubity“). Jedná se o kvantové systémy se dvěma stavy, ale na rozdíl od obvyklého bitu (uloženého jako 0 nebo 1) mohou qubity uložit mnohem více informací a mohou existovat v libovolném předpokladu těchto hodnot. Abychom to lépe vysvětlili, qubit lze považovat za imaginární kouli, kde qubit může být jakýkoli bod na kouli. Dá se říci, že kvantové výpočty využívají schopnosti subatomárních částic existovat ve více než jednom stavu v kteroukoli danou dobu a stále se vzájemně vylučovat. Na druhou stranu, klasický bit může být pouze ve dvou stavech – příklad na konci dvou pólů koule. V běžném životě nejsme schopni tuto „superpozici“ vidět, protože jakmile je systém nahlížen jako celek, tyto superpozice mizí, a to je důvod, proč je pochopení takových superpozic nejasné.
Pro počítače to znamená, že kvantové počítače využívající qubity dokážou uložit obrovské množství informací s použitím menší energie než klasický počítač, takže operace nebo výpočty mohou být na kvantovém počítači relativně rychlejší. Takže klasický počítač může mít 0 nebo 1, dva bity v tomto počítači mohou být ve čtyřech možných stavech (00, 01, 10 nebo 11), ale v daném okamžiku je reprezentován pouze jeden stav. Kvantový počítač na druhé straně pracuje s částicemi, které mohou být v superpozici, což umožňuje dvěma qubitům reprezentovat přesně stejné čtyři stavy současně kvůli vlastnosti superpozice, která osvobozuje počítače od „binárního omezení“. To může být ekvivalentní čtyřem počítačům běžícím současně, a pokud přidáme tyto qubity, výkon kvantového počítače exponenciálně roste. Kvantové počítače také využívají další vlastnost kvantové fyziky zvanou „kvantové zapletení“, definované Albertem Einsteinem, zapletení je vlastnost, která umožňuje kvantovým částicím se spojovat a komunikovat bez ohledu na jejich umístění v vesmír takže změna stavu jednoho může okamžitě ovlivnit druhý. Dvojité schopnosti „superpozice“ a „zapletení“ jsou v principu poměrně silné. To, čeho může kvantový počítač dosáhnout, je proto ve srovnání s klasickými počítači nepředstavitelné. To vše zní velmi vzrušující a přímočaré, nicméně v tomto scénáři je problém. Kvantový počítač, pokud vezme qubity (superponované bity) jako svůj vstup, jeho výstup bude také podobně v kvantovém stavu, tj. výstup se superponovanými bity, které se mohou také neustále měnit v závislosti na tom, v jakém stavu se nachází. Tento druh výstupu není Ve skutečnosti nám umožňují přijímat všechny informace, a proto je největší výzvou v umění kvantových počítačů najít způsoby, jak z tohoto kvantového výstupu získat co nejvíce informací.
Kvantový počítač tu bude!
Kvantové počítače lze definovat jako výkonné stroje založené na principech kvantové mechaniky, které mají zcela nový přístup ke zpracování informací. Snaží se prozkoumat složité přírodní zákony, které vždy existovaly, ale obvykle zůstávaly skryté. Pokud lze takové přírodní jevy prozkoumat, kvantové výpočty mohou spustit nové typy algoritmů pro zpracování informací, což by mohlo vést k inovativním průlomům ve vědě o materiálech, objevování léků, robotice a umělé inteligenci. Myšlenku kvantového počítače navrhl americký teoretický fyzik Richard Feynman již v roce 1982. A dnes technologické společnosti (jako IBM, Microsoft, Google, Intel) a akademické instituce (jako MIT a Princetonská univerzita) pracují na kvantovém počítačové prototypy k vytvoření běžného kvantového počítače. Společnost International Business Machines Corp. (IBM) nedávno uvedla, že její vědci vybudovali výkonnou platformu kvantových počítačů, kterou lze zpřístupnit, ale poznamenává, že pro provádění většiny úkolů to nestačí. Říkají, že 50-qubitový prototyp, který je v současné době vyvíjen, může vyřešit mnoho problémů, které klasické počítače dělají dnes, a v budoucnu by 50-100-qubitové počítače z velké části zaplnily mezeru, tj. kvantový počítač s pouhými několika stovkami qubitů by byl schopen provádět více výpočtů současně, než je počet atomů ve známém stavu vesmír. Realisticky vzato, cesta k tomu, kde kvantový počítač může skutečně překonat klasický počítač v obtížných úkolech, je nabitá obtížemi a výzvami. Nedávno Intel prohlásil, že nový 49-qubitový kvantový počítač společnosti představuje krok k této „kvantové nadřazenosti“, což je významný pokrok pro společnost, která před pouhými 17 měsíci předvedla 2bitový qubitový systém. Jejich prioritou je pokračovat v rozšiřování projektu na základě pochopení, že rozšiřování počtu qubitů je klíčem k vytvoření kvantových počítačů, které mohou poskytovat výsledky v reálném světě.
Materiál je klíčový pro stavbu kvantového počítače
Materiál křemík je nedílnou součástí výpočetní techniky po celá desetiletí, protože jeho klíčová sada schopností jej činí vhodným pro obecné (nebo klasické) výpočty. Nicméně, pokud jde o kvantové výpočty, řešení na bázi křemíku nebyla přijata hlavně ze dvou důvodů, za prvé je obtížné řídit qubity vyrobené na křemíku, a za druhé, stále není jasné, zda by se křemíkové qubity mohly škálovat stejně dobře jako jiné. řešení. Ve velkém pokroku Intel nedávno vyvinul1 nový typ qubit známý jako 'spin qubit', který se vyrábí na konvenčním křemíku. Spinové qubity se velmi podobají polovodičové elektronice a dodávají svou kvantovou energii tím, že využívají rotaci jednoho elektronu na křemíkovém zařízení a řídí pohyb pomocí malých mikrovlnných pulzů. Dvě hlavní výhody, které vedly k tomu, že se Intel vydal tímto směrem, jsou, za prvé Intel jako společnost již značně investuje do křemíkového průmyslu, a má tedy v oboru křemíku ty správné zkušenosti. Za druhé, křemíkové qubity jsou výhodnější, protože jsou menší než konvenční qubity a očekává se, že udrží koherenci po delší dobu. To je prvořadé, když je potřeba rozšířit kvantové výpočetní systémy (např. přechod ze 100 qubitů na 200 qubitů). Intel testuje tento prototyp a společnost očekává, že bude vyrábět čipy s tisíci malých qubitových polí a taková produkce, když se provádí ve velkém, může být velmi dobrá pro škálování kvantových počítačů a může být skutečným převratem.
V nedávném výzkumu publikovaném v Věda, nově navržený vzor pro fotonické krystaly (tj. design krystalu implementovaný na fotonickém čipu) byl vyvinut týmem na University of Maryland, USA, o kterém tvrdí, že učiní kvantové počítače dostupnějšími.2. Tyto fotony jsou nejmenší známé množství světla a tyto krystaly byly opevněny otvory, které způsobují interakci světla. Různé vzory otvorů mění způsob, jakým se světlo ohýbá a odráží skrz krystal, a zde byly vytvořeny tisíce trojúhelníkových otvorů. Takové použití jednotlivých fotonů je důležité pro proces vytváření kvantových počítačů, protože počítače pak budou mít schopnost vypočítat velká čísla a chemické reakce, které současné počítače nejsou schopny. Konstrukce čipu umožňuje přenos fotonů mezi kvantovými počítači bez jakýchkoli ztrát. Tato ztráta byla také vnímána jako velká výzva pro kvantové počítače, a proto tento čip řeší problém a umožňuje efektivní cestu kvantové informace z jednoho systému do druhého.
Budoucnost
Kvantové počítače slibují provádění výpočtů daleko za hranicemi jakéhokoli konvenčního superpočítače. Mají potenciál způsobit revoluci v objevování nových materiálů tím, že umožňují simulovat chování hmoty až na atomovou úroveň. Vzbuzuje také naději pro umělou inteligenci a robotiku tím, že zpracovává data rychleji a efektivněji. Dodání komerčně životaschopného kvantového výpočetního systému by mohla v nadcházejících letech provést kterákoli z velkých organizací, protože tento výzkum je stále otevřený a férová hra pro všechny. Zásadní oznámení se očekávají v nadcházejících pěti až sedmi letech a v ideálním případě by se s řadou pokroků, které jsou prováděny, měly řešit technické problémy a kvantový počítač s 1 milionem nebo více qubity by měl být realitou.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
1. Castelvecchi D. 2018. Křemík se prosazuje v závodě kvantových počítačů. Příroda. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. a kol. 2018. Topologické rozhraní kvantové optiky. Věda. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
