Серия прорывов в квантовых вычислениях
Обычный компьютер, который теперь называют классическим или традиционным компьютером, работает на основе базовой концепции нулей и единиц (нулей и единиц). Когда мы спрашиваем компьютер для выполнения задачи за нас, например математического расчета или записи на прием или чего-либо, связанного с повседневной жизнью, эта задача в данный момент преобразуется (или переводится) в строку из нулей и единиц (которая затем называется input), этот ввод обрабатывается алгоритмом (определенным как набор правил, которым необходимо следовать для выполнения задачи на компьютере). После этой обработки возвращается новая строка из 0 и 1 (называемая выходом), которая кодирует ожидаемый результат и преобразуется обратно в более простую, удобную для пользователя информацию в качестве «ответа» на то, что пользователь хотел, чтобы компьютер сделал. . Удивительно, что независимо от того, насколько умным или умным может казаться алгоритм и каким бы ни был уровень сложности задачи, компьютерный алгоритм выполняет только одну вещь - манипулирует цепочкой битов, где каждый бит равен 0 или 1. манипуляции происходят на компьютере (со стороны программного обеспечения), а на машинном уровне они представлены электрическими цепями (на материнской плате компьютера). В аппаратной терминологии, когда ток проходит через эти электрические цепи, он замкнут и разомкнут, когда нет тока.
Классический против квантового компьютера
Следовательно, в классических компьютерах бит - это единичная информация, которая может существовать в двух возможных состояниях - 0 или 1. Однако, если мы говорим о квантовый компьютеры, они обычно используют квантовые биты (также называемые «кубитами»). Это квантовые системы с двумя состояниями, однако, в отличие от обычного бита (хранящегося как 0 или 1), кубиты могут хранить гораздо больше информации и могут существовать при любом предположении этих значений. Чтобы объяснить лучше, кубит можно представить как воображаемую сферу, где кубит может быть любой точкой на сфере. Можно сказать, что квантовые вычисления используют возможность субатомных частиц существовать в более чем одном состоянии в любой момент времени и при этом быть взаимоисключающими. С другой стороны, классический бит может находиться только в двух состояниях - например, на конце двух полюсов сферы. В обычной жизни мы не можем видеть эту «суперпозицию», потому что, если рассматривать систему целиком, эти суперпозиции исчезают, и это причина того, что понимание таких суперпозиций неясно.
Для компьютеров это означает, что квантовые компьютеры, использующие кубиты, могут хранить огромное количество информации, используя меньшую энергию, чем классический компьютер, и, таким образом, операции или вычисления на квантовом компьютере могут выполняться относительно намного быстрее. Итак, классический компьютер может принимать 0 или 1, два бита в этом компьютере могут находиться в четырех возможных состояниях (00, 01, 10 или 11), но в любой момент времени представлено только одно состояние. С другой стороны, квантовый компьютер работает с частицами, которые могут находиться в суперпозиции, позволяя двум кубитам одновременно представлять одни и те же четыре состояния из-за свойства суперпозиции, освобождающего компьютеры от «бинарных ограничений». Это может быть эквивалентно одновременной работе четырех компьютеров, и если мы добавим эти кубиты, мощность квантового компьютера вырастет в геометрической прогрессии. Квантовые компьютеры также используют другое свойство квантовой физики, называемое «квантовой запутанностью», определенное Альбертом Эйнштейном. Запутанность — это свойство, которое позволяет квантовым частицам соединяться и общаться независимо от их местоположения в пространстве. вселенная так что изменение состояния одного может мгновенно повлиять на другое. Двойные возможности «суперпозиции» и «запутывания» в принципе весьма сильны. Поэтому то, чего может достичь квантовый компьютер, невозможно представить по сравнению с классическими компьютерами. Все это звучит очень увлекательно и просто, однако в этом сценарии есть проблема. Квантовый компьютер, если в качестве входных данных принимает кубиты (наложенные биты), его выходные данные также будут находиться в квантовом состоянии, то есть выходные данные будут иметь наложенные биты, которые также могут постоянно меняться в зависимости от того, в каком состоянии он находится. Этот тип вывода не имеет На самом деле они не позволяют нам получать всю информацию, и поэтому самая большая проблема в искусстве квантовых вычислений — найти способы получить как можно больше информации из этого квантового вывода.
Квантовый компьютер будет здесь!
Квантовые компьютеры можно определить как мощные машины, основанные на принципах квантовой механики и использующие совершенно новый подход к обработке информации. Они стремятся исследовать сложные законы природы, которые существовали всегда, но обычно оставались скрытыми. Если такие природные явления удастся изучить, квантовые вычисления смогут использовать новые типы алгоритмов для обработки информации, и это может привести к инновационным прорывам в материаловедении, открытии лекарств, робототехнике и искусственном интеллекте. Идея квантового компьютера была предложена американским физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом еще в 1982 году. И сегодня технологические компании (такие как IBM, Microsoft, Google, Intel) и академические учреждения (такие как Массачусетский технологический институт и Принстонский университет) работают над квантовым компьютером. компьютерные прототипы для создания массового квантового компьютера. Корпорация International Business Machines (IBM) недавно заявила, что ее ученые создали мощную платформу квантовых вычислений и к ней можно получить доступ, но отмечают, что ее недостаточно для выполнения большинства задач. Они говорят, что 50-кубитный прототип, который сейчас разрабатывается, может решить многие проблемы, которые сегодня решают классические компьютеры, а в будущем 50-100-кубитные компьютеры в значительной степени восполнят этот пробел, т.е. квантовый компьютер всего с несколькими сотнями кубитов сможет решить многие проблемы, которые классические компьютеры решают сегодня. одновременно выполнять больше вычислений, чем имеется атомов в известном вселенная. Говоря реалистично, путь к тому, чтобы квантовый компьютер действительно мог превзойти классический компьютер в решении сложных задач, полон трудностей и проблем. Недавно Intel заявила, что новый 49-битный квантовый компьютер компании представляет собой шаг к этому «квантовому превосходству», что является большим достижением для компании, которая всего 17 месяца назад продемонстрировала 2-битную кубитную систему. Их приоритетом является дальнейшее расширение проекта, основанное на понимании того, что увеличение количества кубитов является ключом к созданию квантовых компьютеров, способных давать реальные результаты.
Материал - ключ к созданию квантового компьютера
Материальный кремний был неотъемлемой частью вычислений на протяжении десятилетий, потому что его ключевые возможности делают его хорошо подходящим для общих (или классических) вычислений. Однако, что касается квантовых вычислений, решения на основе кремния не были приняты в основном по двум причинам: во-первых, трудно контролировать кубиты, изготовленные на кремнии, а во-вторых, все еще неясно, могут ли кремниевые кубиты масштабироваться так же хорошо, как и другие. решения. Одним из важных достижений, недавно разработанных Intel1 новый тип кубита, известный как «спиновый кубит», который производится на обычном кремнии. Спиновые кубиты очень похожи на полупроводниковую электронику, и они передают свою квантовую мощность, используя спин одного электрона на кремниевом устройстве и управляя движением с помощью крошечных микроволновых импульсов. Два основных преимущества, которые привели к движению Intel в этом направлении: во-первых, Intel как компания уже вложила значительные средства в кремниевую промышленность и, следовательно, имеет необходимый опыт в области кремния. Во-вторых, кремниевые кубиты более полезны, потому что они меньше обычных кубитов и, как ожидается, будут сохранять согласованность в течение более длительного периода времени. Это имеет первостепенное значение, когда квантовые вычислительные системы необходимо масштабировать (например, переход от 100 кубитов к 200 кубитам). Intel тестирует этот прототип, и компания рассчитывает производить чипы с тысячами небольших массивов кубитов, и такое производство, когда оно выполняется массово, может быть очень хорошим для масштабирования квантовых компьютеров и может изменить правила игры.
В недавнем исследовании, опубликованном в Наука, недавно разработанный образец для фотонных кристаллов (то есть дизайн кристалла, реализованный на фотонном чипе) был разработан командой из Университета Мэриленда, США, который, как они утверждают, сделает квантовые компьютеры более доступными.2. Эти фотоны представляют собой наименьшее известное количество света, и в этих кристаллах есть дыры, которые заставляют свет взаимодействовать. Различные рисунки отверстий меняют то, как свет изгибается и отражается через кристалл, и здесь были сделаны тысячи треугольных отверстий. Такое использование одиночных фотонов важно для процесса создания квантовых компьютеров, потому что тогда компьютеры будут иметь возможность вычислять большие числа и химические реакции, которые современные компьютеры не могут выполнять. Конструкция чипа позволяет передавать фотоны между квантовыми компьютерами без потерь. Эта потеря также рассматривалась как большая проблема для квантовых компьютеров, и поэтому этот чип решает эту проблему и обеспечивает эффективный путь квантовый информация из одной системы в другую.
Будущее
Квантовые компьютеры обещают выполнять вычисления, намного превосходящие возможности любого обычного суперкомпьютера. У них есть потенциал, чтобы произвести революцию в открытии новых материалов, позволяя моделировать поведение материи вплоть до атомного уровня. Это также вселяет надежду на искусственный интеллект и робототехнику, обрабатывая данные быстрее и эффективнее. Создание коммерчески жизнеспособной системы квантовых вычислений может быть выполнено любой крупной организацией в ближайшие годы, поскольку это исследование все еще является открытым и является справедливой игрой для всех. Основные объявления ожидаются в ближайшие пять-семь лет, и, в идеале, с учетом ряда достигнутых успехов, инженерные проблемы должны быть решены, и квантовый компьютер на 1 миллион или более кубитов должен стать реальностью.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
1. Кастельвекки Д. 2018. Кремний набирает обороты в гонке квантовых вычислений. Природа. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Интерфейс топологической квантовой оптики. Наука. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
