Komputer kwantowy

Treść artykułów

• Co to jest komputer kwantowy?
• Korzyści
• Jak działa qubit?
• Obliczenia kwantowe
• Superpozycja i zaciemnianie
• Decoherence
• Prawdopodobieństwo stworzenia komputera kwantowego
• Gdzie można stosować komputery kwantowe?

Zwiększenie mocy obliczeniowej technologii jest jednym z głównych zadań naukowców i inżynierów. Komputer kwantowy może to rozwiązać. Urządzenie jest opracowywane przez Google, IBM, Intel i inne firmy. Teoretycznie komputer kwantowy będzie działać 100 milionów razy szybciej niż zwykle.

Co to jest komputer kwantowy?

Takie urządzenie komputerowe nie działa z bitami, ale z kubitami. Z tego powodu komputer kwantowy może jednocześnie przetwarzać wszystkie możliwe stany obiektu. Ale w praktyce superkomputery wykonują taką samą liczbę operacji logicznych na minutę..

Korzyści

Główną zaletą nowej technologii jest przewaga kwantowa. Jest to zdolność urządzeń komputerowych do rozwiązywania zadań niedostępnych dla potężnych superkomputerów. Nie wszyscy naukowcy popierają pomysł stworzenia takiego komputera. Głównym argumentem przeciwko temu jest niemożność zweryfikowania poprawności uzyskanego rozwiązania. Podczas obliczeń urządzenie może popełnić błąd, mieszając 0 i 1, i nie będzie możliwe zidentyfikowanie problemu.

Obecnie głównym problemem w tworzeniu kwantowej wyższości jest stabilność kubitów. Elementy te wymagają ostrożnego obchodzenia się: przypadkowy hałas lub wibracje prowadzą do utraty danych, które komputer był w stanie obliczyć. Aby zapewnić stabilną pracę urządzenia, temperatura otoczenia nie powinna przekraczać 20 mK.

Jak działa qubit?

Na standardowych komputerach informacje są reprezentowane w kodzie binarnym. Bity do przechowywania i przetwarzania danych przyjmują wartości 0 lub 1. Tranzystory wykonują operacje matematyczne, a wynik konwersji kodu binarnego pojawia się na ekranie.

Qubit to jednostka przechowywania informacji w komputerze kwantowym. Oprócz 0 i 1 może znajdować się w nieokreślonym stanie granicznym zwanym superpozycją. Aby uzyskać kubit, musisz wziąć jeden atom, naprawić i ustabilizować go, chronić przed obcym promieniowaniem, związać go z innym atomem.

Im więcej takich elementów jest ze sobą powiązanych, tym bardziej stabilny jest system. Aby przewyższyć klasyczny superkomputer, musisz powiązać ponad 49 kubitów. Jest to bardzo trudne: atomy, niezależnie od użytych materiałów, są zawsze niestabilne.

Obliczenia kwantowe

Teoria mówi, że bez interakcji z innymi cząsteczkami elektron nie ma jednoznacznych współrzędnych na orbicie atomowej. Dopiero podczas pomiaru niepewność znika, a lokalizacja cząstki staje się znana.

Probabilistyczny charakter zmian umożliwia wykorzystanie obliczeń kwantowych do przeszukiwania nieustrukturyzowanych baz danych..

Superpozycja i zaciemnianie

Działanie komputera opiera się na dwóch zjawiskach mechanicznych:

1. Splątanie. Zjawisko, w którym stan dwóch lub więcej obiektów jest współzależny. Na przykład, w 2 fotonach w stanie splątanym, helikalność będzie ujemna i dodatnia. Relacja pozostanie, jeśli usuniesz obiekty w przestrzeni.
2. Spójna superpozycja. Jednoczesny wpływ na cząstkę alternatywnych (wykluczających się wzajemnie) warunków.

Decoherence

Jest to proces, w którym stan układu kwantowego staje się niekontrolowany. Decoherence występuje, gdy wiele kubitów jest od siebie zależnych. Problem występuje, gdy komputer wchodzi w interakcje z promieniowaniem, promieniami kosmicznymi lub polem magnetycznym..

Do ochrony komputerów przed „toczeniem się” do zwykłych procesów obliczeniowych stosowane są różne metody. D-Wave Systems chłodzi atomy do zera, aby chronić je przed wpływami zewnętrznymi. Procesor kwantowy jest umieszczony w osłonach ochronnych, więc gotowe urządzenie jest bardzo nieporęczne.

Prawdopodobieństwo stworzenia komputera kwantowego

Kubit nie może być zbudowany z kilku cząstek, a tylko atomy mogą znajdować się w wymaganym stanie. Domyślnie te liczne cząstki są nierozstrzygnięte. Chińscy i kanadyjscy naukowcy próbowali wykorzystać układy fotonowe do opracowania komputera, ale badania zakończyły się niepowodzeniem.

Istniejące typy komputerów kwantowych:

• w półprzewodnikowych kryształach krzemu;
• na elektronach w półprzewodnikowych kropkach kwantowych;
• w mikroprobiskach z pojedynczą wnęką;
• na liniowych elementach optycznych;
• na jony w jednowymiarowym krysztale uwięzionym w Paulu.

Obliczenia kwantowe obejmują sekwencję operacji wykonywanych za pomocą jednego lub więcej kubitów, co powoduje zmiany w całym systemie. Zadanie polega na wybraniu spośród wszystkich jego stanów poprawnego, który daje wynik obliczeń. Może istnieć jak najwięcej stanów, jak najbliżej prawdy.

Dokładność tych obliczeń prawie zawsze różni się od jedności..

Pełnowartościowy komputer kwantowy wymaga znacznych postępów w dziedzinie fizyki. Programowanie powinno różnić się od obecnego. Kwantowe urządzenia obliczeniowe nie będą w stanie rozwiązać problemów wykraczających poza możliwości zwykłych, ale przyspieszą rozwiązania tych, z którymi sobie radzą..

Najnowszym przełomem było stworzenie przez Google procesora Bristlecone. Wiosną 2024 r. Firma wydała oświadczenie o uzyskaniu procesora 72-kubitowego, ale jej zasady działania nie zostały zatwierdzone. Uważa się, że aby osiągnąć „wyższość kwantową”, gdy komputer zaczyna przekraczać zwykłe, wymagane będzie 49 kubitów. Google spełniło warunek, ale prawdopodobieństwo błędu obliczeniowego (0,6%) pozostało powyżej wymaganego.

Gdzie można stosować komputery kwantowe?

Współczesna kryptografia opiera się na tym, że niemożliwe jest szybkie rozłożenie liczby na 40-50 znaków. Aby to zrobić, klasyczne komputery potrzebują 1-2 miliardów lat. Komputer kwantowy wykona te obliczenia matematyczne za 25 sekund. Oznacza to, że dowolny algorytm szyfrowania może zostać natychmiast złamany..

Inne zastosowania kwantowych urządzeń obliczeniowych:

• modelowanie reakcji chemicznych;
• Sztuczna inteligencja;
• rozwój nowych leków.

Nowoczesne komputery kwantowe nie wiedzą jak.

Urządzenia są w stanie wykonać jeden algorytm matematyczny z ogromną wydajnością..

Są one nabywane przez duże firmy, na przykład w celu gromadzenia statystyk użytkowników.