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.
What this means for the computers is that quantum computers using qubits can store a huge amount of information using lesser energy than a classical computer and thus operations or calculations can be relatively done much faster on a quantum computer. So, a classical computer can take a 0 or 1, two bits in this computer can be in four possible states (00, 01, 10 or 11), but only one state is represented at any given time. A quantum computer, on the other hand works with particles that can be in superposition, allowing two qubits to represent the exact same four states at the same time because of the property of superposition freeing up the computers from ‘binary constraint’. This can be equivalent to four computers running simultaneously and if we add these qubits, the power of the quantum computer grows exponentially. Quantum computers also take advantage of another property of quantum physics called ‘quantum entanglement’, defined by Albert Einstein, entanglement is a property which allows quantum particles to connect and communicate regardless of their location in the vesmír so that changing the state of one may instantaneously affect the other. The dual capabilities of ‘superposition’ and ‘entanglement’ are quite powerful in principle. Therefore, what a quantum computer can achieve is unimaginable when compared to classical computers. This all sounds very exciting and straightforward, however, there is problem in this scenario. A quantum computer, if takes qubits (superposed bits) as its input, its output will also be similarly in a quantum state i.e. an output having superposed bits which can also keep changing depending on what state it is in. This kind of output doesn’t really allow us to receive all the information and therefore the biggest challenge in the art of quantum computing is to find ways of gaining as much information from this quantum output.
Kvantový počítač tu bude!
Quantum computers can be defined as powerful machines, based on the principals of quantum mechanics that take a completely new approach to processing information. They seek to explore complex laws of nature that have always existed but have usually remained hidden. If such natural phenomena can be explored, quantum computing can run new types of algorithms to process information and this could lead to innovative breakthroughs in materials science, drug discovery, robotics and artificial intelligence. The idea of a quantum computer was proposed by American theoretical physicist Richard Feynman way back in 1982. And today, technology companies (such as IBM, Microsoft, Google, Intel) and academic institutions (like MIT, and Princeton University) are working on quantum computer prototypes to create a mainstream quantum computer. International Business Machines Corp. (IBM) has said recently that its scientists have built a powerful quantum computing platform and it can be made available for access but remark that it’s not enough for performing most of the tasks. They say that a 50-qubit prototype which is currently being developed can solve many problems which classical computers do today and in the future 50-100 qubit computers would largely fill the gap i.e. a quantum computer with just a few hundred qubits would be able to perform more calculations simultaneously than there are atoms in the known vesmír. Realistically speaking, the path to where a quantum computer can actually outperform a classical computer on difficult tasks is laden with difficulties and challenges. Recently Intel has declared that the company’s new 49-qubit quantum computer represented a step towards this “quantum supremacy”, in a major advancement for the company who had demonstrated a 17-bit qubit system only just 2 months ago. Their priority is to keep expanding the project, based upon the understanding that expanding number of qubits is the key to creating quantum computers that can deliver real-world results.
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
