Seria przełomów w obliczeniach kwantowych
Zwykły komputer, który obecnie określa się mianem klasycznego lub tradycyjnego komputera, działa na podstawowym założeniu zer i jedynek (zer i jedynek). Kiedy pytamy komputer aby wykonać dla nas zadanie, np. obliczenia matematyczne lub umówienie się na wizytę lub cokolwiek związanego z codziennym życiem, zadanie to w danym momencie jest konwertowane (lub tłumaczone) na ciąg zer i jedynek (który jest wtedy nazywany dane wejściowe), dane wejściowe są przetwarzane przez algorytm (zdefiniowany jako zestaw reguł, których należy przestrzegać, aby wykonać zadanie na komputerze). Po tym przetworzeniu zwracany jest nowy ciąg zer i jedynek (nazywany wyjściem), który koduje oczekiwany wynik i jest tłumaczony z powrotem na prostsze, przyjazne dla użytkownika informacje jako „odpowiedź” na to, czego użytkownik chciał, aby komputer zrobił . To fascynujące, że bez względu na to, jak inteligentny lub sprytny może się wydawać algorytm i bez względu na poziom trudności zadania, algorytm komputerowy robi tylko jedną rzecz – manipuluje ciągiem bitów – gdzie każdy bit ma wartość 0 lub 1. manipulacja odbywa się na komputerze (po stronie oprogramowania), a na poziomie maszyny jest to reprezentowane przez obwody elektryczne (na płycie głównej komputera). W terminologii sprzętowej, gdy prąd przepływa przez te obwody elektryczne, jest on zamknięty i otwarty, gdy nie ma prądu.
Klasyczny komputer Vs Quantum
Dlatego w klasycznych komputerach bit to pojedyncza informacja, która może istnieć w dwóch możliwych stanach – 0 lub 1. Jeśli jednak mówimy o kwant komputery, zwykle używają bitów kwantowych (zwanych również „kubitami”). Są to układy kwantowe z dwoma stanami, jednak w przeciwieństwie do zwykłego bitu (przechowywanego jako 0 lub 1), kubity mogą przechowywać znacznie więcej informacji i mogą istnieć w dowolnym założeniu tych wartości. Aby wyjaśnić lepiej, kubit można traktować jako wyimaginowaną sferę, w której kubit może być dowolnym punktem na sferze. Można powiedzieć, że informatyka kwantowa wykorzystuje zdolność cząstek subatomowych do istnienia w więcej niż jednym stanie w danym czasie i nadal wzajemnie się wykluczają. Z drugiej strony bit klasyczny może być tylko w dwóch stanach – na przykład na końcu dwóch biegunów kuli. W zwykłym życiu nie jesteśmy w stanie zobaczyć tej „superpozycji”, ponieważ kiedy system jest postrzegany jako całość, te superpozycje znikają i dlatego zrozumienie takich superpozycji jest niejasne.
Oznacza to dla komputerów to, że komputery kwantowe wykorzystujące kubity mogą przechowywać ogromną ilość informacji przy mniejszym zużyciu energii niż komputer klasyczny, dzięki czemu operacje i obliczenia można wykonywać stosunkowo szybciej na komputerze kwantowym. Zatem klasyczny komputer może przyjmować wartość 0 lub 1, dwa bity w tym komputerze mogą znajdować się w czterech możliwych stanach (00, 01, 10 lub 11), ale w danym momencie reprezentowany jest tylko jeden stan. Z drugiej strony komputer kwantowy współpracuje z cząstkami, które mogą znajdować się w superpozycji, umożliwiając dwóm kubitom reprezentowanie dokładnie tych samych czterech stanów w tym samym czasie, ze względu na właściwość superpozycji uwalniającą komputery od „ograniczeń binarnych”. Może to być równoznaczne z pracą czterech komputerów jednocześnie, a jeśli dodamy te kubity, moc komputera kwantowego wzrośnie wykładniczo. Komputery kwantowe wykorzystują także inną właściwość fizyki kwantowej zwaną „splątaniem kwantowym”, zdefiniowaną przez Alberta Einsteina. Splątanie to właściwość, która pozwala cząstkom kwantowym łączyć się i komunikować niezależnie od ich położenia w wszechświat tak że zmiana stanu jednego może natychmiast wpłynąć na drugi. Podwójne możliwości „superpozycji” i „splątania” są w zasadzie dość potężne. Dlatego to, co może osiągnąć komputer kwantowy, jest niewyobrażalne w porównaniu z komputerami klasycznymi. Wszystko to brzmi bardzo ekscytująco i prosto, jednak w tym scenariuszu pojawia się problem. Jeśli komputer kwantowy przyjmuje na wejściu kubity (nałożone na siebie bity), jego dane wyjściowe również będą w podobnym stanie kwantowym, tj. wyjście będzie miało nałożone na siebie bity, które również mogą się zmieniać w zależności od stanu, w jakim się znajduje. Ten rodzaj wyjścia nie tak naprawdę nie pozwalają nam otrzymać wszystkich informacji i dlatego największym wyzwaniem w dziedzinie obliczeń kwantowych jest znalezienie sposobów uzyskania jak największej ilości informacji z tego wyjścia kwantowego.
Komputer kwantowy będzie tutaj!
Komputery kwantowe można zdefiniować jako potężne maszyny, oparte na zasadach mechaniki kwantowej, które przyjmują zupełnie nowe podejście do przetwarzania informacji. Starają się badać złożone prawa natury, które zawsze istniały, ale zwykle pozostawały ukryte. Jeśli uda się zbadać takie zjawiska naturalne, obliczenia kwantowe pozwolą na uruchomienie nowych typów algorytmów do przetwarzania informacji, co może doprowadzić do innowacyjnych przełomów w materiałoznawstwie, odkrywaniu leków, robotyce i sztucznej inteligencji. Pomysł komputera kwantowego zaproponował amerykański fizyk teoretyczny Richard Feynman już w 1982 roku. Dziś firmy technologiczne (takie jak IBM, Microsoft, Google, Intel) i instytucje akademickie (takie jak MIT i Princeton University) pracują nad komputerami kwantowymi. prototypy komputerów w celu stworzenia głównego nurtu komputera kwantowego. Firma International Business Machines Corp. (IBM) oświadczyła niedawno, że jej naukowcy zbudowali potężną platformę obliczeń kwantowych i można ją udostępnić, zauważa jednak, że nie wystarczy ona do wykonania większości zadań. Mówią, że obecnie opracowywany prototyp 50-kubitowy może rozwiązać wiele problemów, z którymi borykają się dziś klasyczne komputery, a w przyszłości komputery 50-100-kubitowe w dużej mierze wypełniłyby tę lukę, czyli komputer kwantowy posiadający zaledwie kilkaset kubitów byłby w stanie wykonywać jednocześnie więcej obliczeń, niż jest atomów w znanym wszechświat. Realistycznie rzecz biorąc, droga do tego, aby komputer kwantowy mógł faktycznie przewyższać komputer klasyczny w przypadku trudnych zadań, jest pełna trudności i wyzwań. Niedawno Intel oświadczył, że nowy komputer kwantowy z 49 kubitami stanowi krok w kierunku „supremacji kwantowej” i stanowi poważny postęp dla firmy, która zaledwie 17 miesiące temu zademonstrowała 2-bitowy system kubitów. Ich priorytetem jest dalsze rozwijanie projektu w oparciu o przekonanie, że powiększanie liczby kubitów jest kluczem do stworzenia komputerów kwantowych, które mogą dostarczać wyniki w świecie rzeczywistym.
Materiał jest kluczem do budowy komputera kwantowego
Materiał krzemowy jest od dziesięcioleci integralną częścią komputerów, ponieważ jego kluczowy zestaw możliwości sprawia, że dobrze nadaje się do ogólnych (lub klasycznych) obliczeń. Jednak jeśli chodzi o obliczenia kwantowe, rozwiązania oparte na krzemie nie zostały przyjęte głównie z dwóch powodów, po pierwsze trudno jest kontrolować kubity wytworzone na krzemie, a po drugie nadal nie jest jasne, czy kubity krzemowe mogą skalować się tak samo jak inne rozwiązania. W ramach dużego postępu, jaki firma Intel opracowała bardzo niedawno1 nowy typ kubitu, znany jako „kubit obrotowy”, który jest wytwarzany na konwencjonalnym krzemie. Kubity spinowe bardzo przypominają elektronikę półprzewodnikową i dostarczają swoją moc kwantową, wykorzystując spin pojedynczego elektronu na urządzeniu krzemowym i kontrolując ruch za pomocą maleńkich impulsów mikrofalowych. Dwie główne zalety, które doprowadziły Intela do podążania w tym kierunku, to po pierwsze, Intel jako firma jest już mocno zainwestowany w przemysł krzemowy i dzięki temu ma odpowiednią wiedzę fachową w zakresie krzemu. Po drugie, kubity krzemowe są korzystniejsze, ponieważ są mniejsze niż konwencjonalne kubity i oczekuje się, że będą zachowywać spójność przez dłuższy czas. Ma to pierwszorzędne znaczenie, gdy systemy obliczeń kwantowych muszą być skalowane (np. przejście od 100 kubitów do 200 kubitów). Intel testuje ten prototyp i firma spodziewa się, że będzie produkować chipy z tysiącami małych macierzy kubitowych, a taka produkcja, wykonywana masowo, może być bardzo dobra do skalowania komputerów kwantowych i może być prawdziwym zmieniaczem gier.
W ostatnich badaniach opublikowanych w nauka, nowo zaprojektowany wzór kryształów fotonicznych (tj. projekt kryształu zaimplementowany na chipie fotonicznym) został opracowany przez zespół z University of Maryland w USA, który, jak twierdzą, zwiększy dostępność komputerów kwantowych2. Te fotony to najmniejsza znana ilość światła, a kryształy te zostały otoczone dziurami, które powodują interakcję światła. Różne wzory otworów zmieniają sposób, w jaki światło załamuje się i odbija w krysztale i tutaj powstało tysiące trójkątnych otworów. Takie wykorzystanie pojedynczych fotonów jest ważne w procesie tworzenia komputerów kwantowych, ponieważ komputery będą wtedy miały zdolność obliczania dużych liczb i reakcji chemicznych, których nie są w stanie wykonać obecne komputery. Konstrukcja układu umożliwia bezstratne przesyłanie fotonów pomiędzy komputerami kwantowymi. Ta strata była również postrzegana jako duże wyzwanie dla komputerów kwantowych, dlatego ten układ rozwiązuje problem i umożliwia wydajną trasę kwant informacje z jednego systemu do drugiego.
Przyszłość
Komputery kwantowe obiecują przeprowadzać obliczenia znacznie wykraczające poza jakikolwiek konwencjonalny superkomputer. Mają potencjał, aby zrewolucjonizować odkrywanie nowych materiałów, umożliwiając symulowanie zachowania materii aż do poziomu atomowego. Buduje również nadzieję na sztuczną inteligencję i robotykę, przetwarzając dane szybciej i wydajniej. Dostarczenie komercyjnie opłacalnego systemu obliczeń kwantowych może być wykonane przez każdą z głównych organizacji w nadchodzących latach, ponieważ badania te są nadal otwarte i uczciwą grą dla wszystkich. Oczekuje się, że główne ogłoszenia pojawią się w ciągu najbliższych pięciu do siedmiu lat, a najlepiej mówiąc o szeregu dokonanych postępów, należy rozwiązać problemy inżynieryjne, a komputer kwantowy o wartości 1 miliona lub więcej kubitów powinien stać się rzeczywistością.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
1. Castelvecchi D. 2018. Krzem zdobywa popularność w wyścigu komputerów kwantowych. Natura. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. i in. 2018. Topologiczny interfejs optyki kwantowej. Nauka. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
