Wyjaśnienie: Co to jest komputer kwantowy?

Zdjęcie dzięki uprzejmości Rigetti Computing. Zdjęcie: Justin Fantl.

To pierwsze z serii objaśnień na temat technologii kwantowej. Pozostałe dwa dotyczą komunikacji kwantowej i kryptografii post-kwantowej.

Komputer kwantowy wykorzystuje niektóre z niemal mistycznych zjawisk mechaniki kwantowej, aby dokonać ogromnych postępów w zakresie mocy obliczeniowej. Maszyny kwantowe obiecują prześcignąć nawet najbardziej wydajne dzisiejsze — i przyszłe — superkomputery.

Nie zniszczą jednak konwencjonalnych komputerów. Korzystanie z klasycznej maszyny nadal będzie najłatwiejszym i najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem większości problemów. Jednak komputery kwantowe mogą przyczynić się do ekscytujących postępów w różnych dziedzinach, od materiałoznawstwa po badania farmaceutyczne. Firmy już z nimi eksperymentują, aby opracować lżejsze i wydajniejsze akumulatory do samochodów elektrycznych oraz pomóc w tworzeniu nowatorskich leków.

Sekret mocy komputera kwantowego tkwi w jego zdolności do generowania i manipulowania bitami kwantowymi lub kubitami.

Co to jest kubit?

Dzisiejsze komputery używają bitów — strumienia impulsów elektrycznych lub optycznych reprezentujących: jeden s lub 0 s. Wszystko, od tweetów i e-maili po utwory z iTunes i filmy z YouTube, to w zasadzie długie ciągi tych cyfr binarnych.

Z drugiej strony komputery kwantowe wykorzystują kubity, które są zazwyczaj cząstkami subatomowymi, takimi jak elektrony lub fotony. Generowanie i zarządzanie kubitami to wyzwanie naukowe i inżynierskie. Niektóre firmy, takie jak IBM, Google i Rigetti Computing, stosują obwody nadprzewodnikowe chłodzone do temperatur niższych niż przestrzeń kosmiczna. Inne, takie jak IonQ, zatrzymują pojedyncze atomy w polach elektromagnetycznych na chipie krzemowym w komorach o bardzo wysokiej próżni. W obu przypadkach celem jest wyizolowanie kubitów w kontrolowanym stanie kwantowym.

Kubity mają pewne dziwaczne właściwości kwantowe, co oznacza, że ​​połączona ich grupa może zapewnić znacznie większą moc obliczeniową niż ta sama liczba bitów binarnych. Jedna z tych właściwości nazywana jest superpozycją, a druga nazywa się splątaniem.

Co to jest superpozycja?

Kubity mogą reprezentować wiele możliwych kombinacji jeden oraz 0 w tym samym czasie. Ta zdolność do jednoczesnego przebywania w wielu stanach nazywana jest superpozycją. Aby umieścić kubity w superpozycji, naukowcy manipulują nimi za pomocą precyzyjnych laserów lub wiązek mikrofalowych.

Dzięki temu sprzecznemu z intuicją zjawisku komputer kwantowy z kilkoma kubitami w superpozycji może jednocześnie przebić się przez ogromną liczbę potencjalnych wyników. Ostateczny wynik obliczeń pojawia się dopiero po zmierzeniu kubitów, co natychmiast powoduje załamanie ich stanu kwantowego do jeden lub 0 .

Co to jest splątanie?

Naukowcy mogą generować splątane pary kubitów, co oznacza, że ​​dwaj członkowie pary istnieją w jednym stanie kwantowym. Zmiana stanu jednego z kubitów spowoduje natychmiastową zmianę stanu drugiego w przewidywalny sposób. Dzieje się tak, nawet jeśli dzielą je bardzo duże odległości.

Nikt tak naprawdę nie wie, jak i dlaczego działa splątanie. Zaskoczyło to nawet Einsteina, który opisał to jako upiorne działanie na odległość. Ale to klucz do mocy komputerów kwantowych. W konwencjonalnym komputerze podwojenie liczby bitów podwaja jego moc obliczeniową. Ale dzięki splątaniu dodanie dodatkowych kubitów do maszyny kwantowej powoduje wykładniczy wzrost jej zdolności do przetwarzania liczb.

Komputery kwantowe wykorzystują splątane kubity w swego rodzaju łańcuchy kwantowe, aby działać swoją magią. Zdolność maszyn do przyspieszania obliczeń przy użyciu specjalnie zaprojektowanych algorytmów kwantowych jest powodem, dla którego tak dużo szumu wzbudza ich potencjał.

To dobra wiadomość. Zła wiadomość jest taka, że ​​maszyny kwantowe są znacznie bardziej podatne na błędy niż klasyczne komputery z powodu dekoherencji.

Czym jest dekoherencja?

Interakcja kubitów z otoczeniem w sposób, który powoduje rozpad ich zachowania kwantowego i ostatecznie zanik, nazywana jest dekoherencją. Ich stan kwantowy jest niezwykle kruchy. Najmniejsze wibracje lub zmiana temperatury — zakłócenia znane jako hałas w mowie kwantowej — mogą spowodować ich wypadnięcie z superpozycji, zanim ich praca zostanie właściwie wykonana. Dlatego naukowcy dokładają wszelkich starań, aby chronić kubity przed światem zewnętrznym w tych przechłodzonych lodówkach i komorach próżniowych.

Jednak pomimo ich wysiłków hałas nadal powoduje wiele błędów w obliczeniach. Inteligentne algorytmy kwantowe mogą skompensować niektóre z nich, a dodanie większej liczby kubitów również pomaga. Jednak utworzenie jednego, wysoce niezawodnego, znanego jako kubit logiczny, wymaga prawdopodobnie tysięcy standardowych kubitów. Spowoduje to zmniejszenie mocy obliczeniowej komputera kwantowego.

I jest problem: do tej pory naukowcy nie byli w stanie wygenerować więcej niż 128 standardowych kubitów (zobacz nasz licznik kubitów tutaj ). Tak więc wciąż dzieli nas wiele lat od uzyskania komputerów kwantowych, które będą szeroko przydatne.

To nie osłabiło nadziei pionierów na to, że jako pierwsi zademonstrują supremację kwantową.

Czym jest supremacja kwantowa?

Jest to punkt, w którym komputer kwantowy może wykonać matematyczne obliczenia, które są wyraźnie poza zasięgiem nawet najpotężniejszego superkomputera.

Nadal nie jest jasne, ile dokładnie kubitów będzie potrzebnych do osiągnięcia tego celu, ponieważ naukowcy wciąż znajdują nowe algorytmy zwiększające wydajność klasycznych maszyn, a sprzęt superkomputerowy jest coraz lepszy. Jednak naukowcy i firmy ciężko pracują, aby zdobyć tytuł, przeprowadzając testy na niektórych z najpotężniejszych superkomputerów na świecie.

W świecie badań toczy się wiele debat na temat tego, jak ważne będzie osiągnięcie tego kamienia milowego. Zamiast czekać na ogłoszenie wyższości, firmy już zaczynają eksperymentować z komputerami kwantowymi wyprodukowanymi przez takie firmy jak IBM, Rigetti i kanadyjska firma D-Wave. Chińskie firmy, takie jak Alibaba, również oferują dostęp do maszyn kwantowych. Niektóre firmy kupują komputery kwantowe, podczas gdy inne korzystają z tych udostępnianych za pośrednictwem usług przetwarzania w chmurze .

Gdzie komputer kwantowy może być najbardziej przydatny jako pierwszy?

Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań komputerów kwantowych jest symulowanie zachowania materii aż do poziomu molekularnego. Producenci samochodów, tacy jak Volkswagen i Daimler, używają komputerów kwantowych do symulacji składu chemicznego akumulatorów pojazdów elektrycznych, aby znaleźć nowe sposoby na poprawę ich wydajności. Firmy farmaceutyczne wykorzystują je do analizowania i porównywania związków, które mogą prowadzić do stworzenia nowych leków.

Maszyny te doskonale nadają się również do rozwiązywania problemów z optymalizacją, ponieważ mogą niezwykle szybko przeszukiwać ogromną liczbę potencjalnych rozwiązań. Na przykład Airbus używa ich do obliczania najbardziej oszczędnych pod względem zużycia paliwa ścieżek wznoszenia i opadania samolotów. A Volkswagen zaprezentował usługę, która oblicza optymalne trasy dla autobusów i taksówek w miastach w celu zminimalizowania zatorów. Niektórzy badacze sądzą również, że maszyny można by wykorzystać do przyspieszenia sztucznej inteligencji.

Może minąć kilka lat, zanim komputery kwantowe osiągną swój pełny potencjał. Uniwersytety i przedsiębiorstwa nad nimi pracujące borykają się z niedoborem wykwalifikowanych badaczy w tej dziedzinie oraz brakiem dostawców niektórych kluczowych komponentów. Ale jeśli te egzotyczne nowe maszyny obliczeniowe spełnią swoją obietnicę, mogą przekształcić całe gałęzie przemysłu i przyspieszyć globalne innowacje.

ukryć