Серия прорывов в квантовых вычислениях
Обычный компьютер, который сейчас называют классическим или традиционным компьютером, работает на основе концепции нулей и единиц (0 и 1). Когда мы просим компьютер выполнить для нас задачу, например, математический расчет, запись на прием или что-либо, связанное с повседневной жизнью, эта задача в данный момент преобразуется (или переводится) в строку нулей и единиц (которая называется входными данными). Эти входные данные обрабатываются алгоритмом (определяемым как набор правил, которые необходимо соблюдать для выполнения задачи на компьютере). После этой обработки возвращается новая строка нулей и единиц (называемая выходными данными), 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, каким бы умным или изощренным ни казался алгоритм и как бы сложна ни была задача, компьютерный алгоритм делает только одно — манипулирует последовательностью битов, где каждый бит равен либо 0, либо 1. Манипуляции происходят на компьютере (на программном уровне), а на уровне машины это представлено электрическими цепями (на материнской плате компьютера). В терминологии аппаратного обеспечения, когда ток проходит через эти электрические цепи, цепь замкнута, и разомкнута, когда тока нет.
Классический против квантового компьютера
Таким образом, в классических компьютерах бит — это отдельный фрагмент информации, который может существовать в двух возможных состояниях — 0 или 1. Однако, если говорить о квантовых компьютерах, то обычно используются 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 в любом предположении этих значений. Для лучшего понимания, кубит можно представить как воображаемую сферу, где кубит может находиться в любой точке сферы. Можно сказать, что квантовые вычисления используют способность субатомных частиц существовать более чем в одном состоянии в любой момент времени, оставаясь при этом взаимоисключающими. С другой стороны, классический бит может находиться только в двух состояниях — например, на конце двух полюсов сферы. В обычной жизни мы не можем наблюдать эту «суперпозицию», потому что, как только система рассматривается целиком, эти суперпозиции исчезают, и именно поэтому понимание таких суперпозиций остается неясным.
Для компьютеров это означает, что квантовые компьютеры, использующие кубиты, могут хранить огромный объем информации, потребляя меньше энергии, чем классический компьютер, и, следовательно, операции или вычисления могут выполняться значительно быстрее на квантовом компьютере. Таким образом, 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. Квантовый компьютер, с другой стороны, работает с частицами, которые могут находиться в суперпозиции, что позволяет двум кубитам одновременно представлять одни и те же четыре состояния благодаря свойству суперпозиции, освобождающему компьютеры от «бинарного ограничения». Это может быть эквивалентно одновременной работе четырех компьютеров, и если мы сложим эти кубиты, мощность квантового компьютера будет расти экспоненциально. Квантовые компьютеры также используют ещё одно свойство квантовой физики, называемое «квантовой запутанностью», определённое Альбертом Эйнштейном. Запутанность — это свойство, позволяющее квантовым частицам соединяться и взаимодействовать независимо от их местоположения во Вселенной, так что изменение состояния одной частицы может мгновенно повлиять на другую. Двойственные возможности «суперпозиции» и «запутанности» в принципе очень мощны. Поэтому то, чего может достичь квантовый компьютер, невообразимо по сравнению с классическими компьютерами. Всё это звучит очень захватывающе и просто, однако в этом сценарии есть проблема. Если квантовый компьютер принимает на вход кубиты (суперпозированные биты), его выход также будет находиться в квантовом состоянии, то есть выход будет иметь суперпозицию битов, которая может постоянно меняться в зависимости от текущего состояния. Такой выходной сигнал не позволяет получить всю информацию, и поэтому самая большая проблема в области квантовых вычислений — найти способы извлечения как можно большего количества информации из этого квантового выходного сигнала.
Квантовый компьютер будет здесь!
Квантовые компьютеры можно определить как мощные машины, основанные на принципах квантовой механики, которые используют совершенно новый подход к обработке информации. Они стремятся исследовать сложные законы природы, которые существовали всегда, но обычно оставались скрытыми. Если такие природные явления удастся исследовать, квантовые вычисления смогут запускать новые типы алгоритмов для обработки информации, что может привести к инновационным прорывам в материаловедении, разработке 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 (например, Массачусетский технологический институт и Принстонский университет) работают над прототипами квантовых компьютеров, чтобы создать массовый квантовый компьютер. Компания International Business Machines Corp. (IBM) недавно заявила, что ее ученые создали мощную платформу квантовых вычислений, и она может быть предоставлена для использования, но отметила, что этого недостаточно для выполнения большинства задач. Говорят, что разрабатываемый в настоящее время прототип с 50 кубитами может решить многие задачи, которые сегодня решают классические компьютеры, и в будущем компьютеры с 50-100 кубитами в значительной степени заполнят этот пробел, то есть квантовый компьютер всего с несколькими сотнями кубитов сможет одновременно выполнять больше вычислений, чем атомов в известной Вселенной . Реалистично говоря, путь к тому, чтобы квантовый компьютер действительно превзошел классический компьютер в сложных задачах, полон трудностей и вызовов. Недавно Intel заявила, что ее новый 49-кубитный квантовый компьютер представляет собой шаг к этому «квантовому превосходству», что является значительным достижением для компании, которая всего два месяца назад продемонстрировала 17-битную систему. Их приоритетом является дальнейшее расширение проекта, исходя из понимания того, что увеличение числа кубитов является ключом к созданию квантовых компьютеров, способных давать реальные результаты.
Материал - ключ к созданию квантового компьютера
Кремний на протяжении десятилетий является неотъемлемой частью вычислительной техники, поскольку его ключевые возможности делают его хорошо подходящим для общих (или классических) вычислений. Однако, что касается квантовых вычислений, решения на основе кремния не получили широкого распространения в основном по двум причинам: во-первых, сложно контролировать кубиты, изготовленные на кремнии, и, во-вторых, до сих пор неясно, смогут ли кремниевые кубиты масштабироваться так же хорошо, как и другие решения. В качестве значительного шага компания Intel совсем недавно разработала новый тип кубита, известный как «спиновый кубит», который производится на обычном кремнии. Спиновые кубиты очень похожи на полупроводниковую электронику и передают свою квантовую мощность, используя спин одного электрона в кремниевом устройстве и управляя его движением с помощью крошечных микроволновых импульсов. Два основных преимущества, которые побудили Intel двигаться в этом направлении, заключаются в том, что, во-первых, компания Intel уже вложила значительные средства в кремниевую индустрию и, следовательно, обладает необходимым опытом в этой области. Во-вторых, кремниевые кубиты более выгодны, поскольку они меньше обычных кубитов и, как ожидается, сохраняют когерентность в течение более длительного периода времени. Это имеет первостепенное значение, когда необходимо масштабировать системы квантовых вычислений (например, перейти от 100-кубитных к 200-кубитным). Intel тестирует этот прототип, и компания рассчитывает начать производство чипов с тысячами небольших массивов кубитов. Такое массовое производство может оказаться очень эффективным для масштабирования квантовых компьютеров и стать настоящим прорывом.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science , группа ученых из Университета Мэриленда (США) разработала новую структуру фотонных кристаллов (то есть кристаллическую конструкцию, реализованную на фотонном чипе), которая, по их утверждению, сделает квантовые компьютеры более доступными² . Эти фотоны представляют собой наименьшее известное количество света, и в кристаллах были проделаны отверстия, которые вызывают взаимодействие света. Различные схемы расположения отверстий изменяют способ преломления и отражения света в кристалле, и здесь были сделаны тысячи треугольных отверстий. Такое использование одиночных фотонов важно для процесса создания квантовых компьютеров, поскольку компьютеры смогут вычислять большие числа и химические реакции, которые недоступны современным компьютерам. Конструкция чипа позволяет передавать фотоны между квантовыми компьютерами без потерь. Эти потери также рассматривались как серьезная проблема для квантовых компьютеров, и поэтому этот чип решает эту проблему и обеспечивает эффективную передачу квантовой информации от одной системы к другой.
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.
Источник (ы)
1. Кастельвекки Д. 2018. Кремний набирает обороты в гонке квантовых вычислений. Nature. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Сабьясачи Б. и др. 2018. Интерфейс топологической квантовой оптики. Science. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
