Výzva kvantového výpočtu

Obsah

• Kvantová realita
• Tvorba kvantového bitu
• Žiadne chyby, žiadny stres - Váš sprievodca krok za krokom k vytvoreniu softvéru na zmenu života bez zničenia vášho života
• Ako blízko sme?
• záver

Zdroj: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Zobrať:

Pozrime sa bližšie na kvantové výpočty, ako to funguje a jeho budúci potenciál.

„Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej fyzike, nerozumiete kvantovej fyzike.“ Táto citácia sa pripisuje fyzikovi Richardovi Feynmanovi, nie je však jasné, či to skutočne povedal. Tu je spoľahlivejšia citácia Feynmana z publikácie MIT z roku 1995: „Myslím, že môžem bezpečne povedať, že nikto nerozumie kvantovej mechanike.“

Kvantová realita

Teraz, keď sme to dostali z cesty, uvidíme, či existuje niečo, čo vieme. Kvantová mechanika je divná. Tieto drobné častice na kvantovej úrovni sa nesprávajú podľa očakávania. Veci sú odlišné.

V kvantovom vesmíre sa dejú šialené veci. Je tu vnútorná náhodnosť, neistota, zapletenie. Vyzerá to tak trochu.

Teraz vieme, že atómy a subatomárne častice fungujú, akoby boli spojené. Einstein nazval kvantové zapletenie „strašidelnou činnosťou na diaľku“. Predstavte si dva objekty, ktoré sú fyzicky oddelené, ale správajú sa rovnako, majú rovnaké vlastnosti a pôsobia ako jeden. Teraz si predstavte, že tieto dva objekty sú od seba vzdialené 100 000 svetelných rokov. Je to čudné.

Je toho viac. Princíp neistoty v kvantovej mechanike hovorí, že určité vlastnosti častíc jednoducho nemôžu byť známe. Pridajte k tomu problém ozdobenia, ktorý má niečo spoločné s funkciou kolapsu vĺn. Zdá sa, že verzie experimentu s dvoma štrbinami naznačujú, že jeden kvantový objekt môže byť súčasne na dvoch miestach, že pozorovanie mení povahu subatomárnych častíc alebo že sa zdá, že elektróny sa vrátili v čase.

Teraz vidíte, prečo môže byť zostavenie kvantového počítača takou výzvou. Ale to nebráni ľuďom v skúšaní. (Viac informácií o kvantovom výpočte nájdete v časti Prečo kvantový výpočet môže byť ďalším krokom na diaľnici veľkých dát.)

Tvorba kvantového bitu

Problém s neistotou spočíva v tom, že sťažuje výpočet. Cieľ je vždy v pohybe. A aj keď si vytvoríte nejaký matematický systém, ako opravíte chyby? A ty si si myslel, že binárne je ťažké.

„Qubit je kvantový mechanický systém, ktorý možno za určitých vhodných okolností považovať za systém s iba dvoma kvantovými úrovňami,“ hovorí profesor Andrea Morello z University of New South Wales v Austrálii. "A akonáhle to máte, môžete ho použiť na kódovanie kvantových informácií."

Žiadne chyby, žiadny stres - Váš sprievodca krok za krokom k vytvoreniu softvéru na zmenu života bez zničenia vášho života

Svoje programovacie schopnosti si nemôžete vylepšiť, keď sa nikto nestará o kvalitu softvéru.

Ľahšie povedané, ako urobené. Súčasné kvantové počítače ešte nie sú príliš silné. Stále sa snažia správne uviesť stavebné kamene.

Kvantový bit, tiež známy ako qubit, má exponenciálne väčší potenciál ako klasický bit v binárnom digitálnom výpočte. Elementárna častica môže byť súčasne vo viacerých stavoch, čo je kvalita známa ako superpozícia. Zatiaľ čo klasický bit môže byť v jednom z dvoch stavov (jeden alebo nula), qubit môže byť v obidvoch týchto pozíciách súčasne.

Myslite na mincu. Má dve strany: hlavy alebo chvosty. Minca je binárna. Predstavte si však, že mincu vyhodíte do vzduchu a bude vám to donekonečna listovať. Kým sa to obracia, sú to hlavy alebo chvosty? Čo to bude, keby niekedy pristálo? Ako môžete vyčísliť vyhodenú mincu? Je to slabý pokus o ilustráciu superpozície.

Ako si teda urobíte hranicu? Ak kvantoví fyzici nerozumejú kvantovej mechanike, potom by sme tu sotva zvládli primerané vysvetlenie. Poďme sa uspokojiť s užším výberom technológií, ktoré sa testujú na vytvorenie qubits:

• Supravodivé obvody
• Spin qubits
• Iónové pasce
• Fotonické obvody
• Topologické vrkoče

Najpopulárnejšie z nich sú prvé dva. Ostatné sú predmetom univerzitného výskumu. Pri prvej technike sú supravodiče podchladené, aby sa eliminovalo elektromagnetické rušenie. Časy súdržnosti sú však relatívne krátke a veci sa rozpadajú. Profesor Morello pracuje na technike odstreďovania. Kvantové častice majú elektrický náboj, rovnako ako magnety. Pomocou mikrovlnných impulzov je schopný prinútiť elektrón, aby sa roztočil skôr ako nadol, čím vytvorí tranzistor s jedným elektrónom.

Potom zostáva otázka tolerancie chýb a korekcie chýb. Vedcom z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare sa podarilo dosiahnuť 99,4% vernosť svojimi bránami. Dosiahli vernosť brány 99,9% na Oxfordskej univerzite. Tak sme tam ešte?

Ako blízko sme?

Edwin Cartlidge sa pýta na túto otázku v článku z októbra 2016 pre správy z oblasti optiky a fotoniky. Varovanie od ETSI v roku 2015, že organizácie by mali prejsť na „kvantovo bezpečné“ šifrovacie techniky, by vám malo povedať, že niečo je na obzore.

Google, Microsoft, Intel a IBM sú v hre. Jedným z prahov, ktoré spoločnosť Google sleduje, je niečo, čo nazývajú „kvantová nadradenosť“. Používa sa na opis toho bodu, v ktorom kvantový počítač robí niečo, čo klasický počítač nemôže.

Spoločnosť IBM plánuje uviesť na trh „univerzálny“ kvantový počítač v roku 2017, tvrdí David Castelvecchi z Scientific American. Dotykom „IBM Q“ bude cloudová služba dostupná cez internet za poplatok. Ak chcete vyskúšať svoje kvantové skúsenosti, ktoré sú teraz k dispozícii online, môžete získať chuť toho, na čom pracujú. Ale Castelvecchi tvrdí, že žiadne z týchto snáh nie je výkonnejšie ako bežné počítače - zatiaľ. Nadradenosť kvantovej ešte nebola stanovená.

Ako spoločnosť Techopedia informovala v roku 2013, spoločnosť Google má k dispozícii množstvo aplikácií pre vyspelý kvantový počítač. Microsoft pracuje na topologickom kvantovom výpočte. Vyrastá niekoľko startupov a v teréne sa vykonáva veľa práce. Niektorí odborníci však varujú, že jedlo ešte nemusí byť úplne uvarené. „Nebudem robiť žiadne tlačové správy o budúcnosti,“ hovorí Rainer Blatt z University of Innsbruck v Rakúsku. A fyzik David Wineland hovorí: „Z dlhodobého hľadiska som optimistický, ale čo znamená„ dlhodobý “, neviem.“ (Pozri 5 skvelých vecí, ktoré by spoločnosť Google mohla urobiť s kvantovým počítačom.)

Aj keď sa dosiahne kvantová nadradenosť výpočtovej techniky, nečakajte, že ju čoskoro nahradíte. Kvantové počítače, rovnako ako ich binárne náprotivky v prvých dňoch, môžu byť len špecializované zariadenia určené na konkrétne účely. Jedným z najbežnejších použití by bolo mať kvantovú počítačovú simuláciu kvantovej mechaniky. Okrem intenzívnych počítačových operácií, ako je predpovedanie počasia, môže byť použitie kvantovej výpočty centralizované a obmedzené na cloud. To môže byť, samozrejme, tým pravým miestom.

záver

Profesor Morello jasne identifikoval hlavnú výzvu kvantového počítania. Predtým, ako začnete kódovať informácie, musíte byť schopní určiť dve diskrétne kvantové úrovne pomocou quitu. Po dosiahnutí kvantovej výpočty „získate prístup k exponenciálne väčšiemu výpočtovému priestoru“ ako klasický počítač. Kvantový počítač, napríklad, s 300 qubits (N qubits = 2^N klasické bity) by boli schopné spracovať viac bitov informácií, ako sú častice vo vesmíre.

To je veľa bitov. Ale dostať sa sem odtiaľ bude vyžadovať niečo.