Предизвикателството на квантовите изчисления

Съдържание

• Квантова реалност
• Създаване на квантов бит
• Без грешки, без стрес - Вашето стъпка по стъпка ръководство за създаване на софтуер, променящ живота, без да разрушава живота ви
• Колко близо сме?
• заключение

Източник: Rcmathiraj / Dreamstime.com

За вкъщи:

Погледнете по-отблизо квантовите изчисления, как работи и бъдещият му потенциал.

„Ако мислите, че разбирате квантовата физика, вие не разбирате квантовата физика.“ Този цитат се приписва на физика Ричард Фейнман, но не е ясно дали той наистина го е казал. Ето по-надежден цитат на Фейнман от публикация на MIT от 1995 г.: „Мисля, че спокойно мога да кажа, че никой не разбира квантовата механика.“

Квантова реалност

Сега, когато сме го измъкнали, нека да видим дали има нещо, което знаем. Квантовата механика е странна. Тези малки частици на квантово ниво просто не се държат както се очаква. Там нещата са различни.

Луди неща се случват в квантовата вселена. Има вътрешната случайност, несигурността, заплитането. Всичко изглежда малко.

Вече знаем, че атомите и субатомните частици действат така, сякаш са свързани. Айнщайн нарече квантовото заплитане „призрачно действие на разстояние.“ Представете си два обекта, които са физически разделени, но те се държат по същия начин, имат едни и същи свойства и действат като едно цяло. А сега си представете, че тези два обекта са на разстояние 100 000 светлинни години. Странно наистина.

Има още. Принципът на несигурност в квантовата механика казва, че някои свойства на частиците просто не могат да бъдат известни. Към това добавете проблема с декохерентността, който има нещо общо с колапса на вълновата функция. И версиите на експеримента с двойни процепи изглежда предполагат, че един квантов обект може да бъде на две места едновременно, че наблюдението променя естеството на субатомните частици или че електроните изглежда са пътували назад във времето.

Сега виждате защо изграждането на квантов компютър може да бъде такова предизвикателство. Но това не спира хората да се опитват. (За повече информация за квантовите изчисления вижте защо квантовите изчисления могат да бъдат следващият завой по магистралата за големи данни.)

Създаване на квантов бит

Проблемът с несигурността е, че затруднява изчисленията. Целта винаги се движи. И дори да разработите някаква математическа система, как коригирате грешките? И си помислихте, че бинарното е трудно.

„Кубитът е квантова механична система, която при някои подходящи обстоятелства може да се третира като само две квантови нива“, казва професор Андреа Морело от Университета на Нов Южен Уелс в Австралия. "И след като имате това, можете да го използвате за кодиране на квантова информация."

Без грешки, без стрес - Вашето стъпка по стъпка ръководство за създаване на софтуер, променящ живота, без да разрушава живота ви

Не можете да подобрите уменията си за програмиране, когато никой не се интересува от качеството на софтуера.

По-лесно казано, отколкото направено. Сегашните квантови компютри все още не са много мощни. Все още се опитват да оправят градивните елементи.

Квантов бит, известен още като кубит, има експоненциално по-голям потенциал от класическия бит в двоичните цифрови изчисления. Елементарна частица може да бъде в множество състояния едновременно, качество, известно като суперпозиция. Докато класически бит може да бъде в едно от двете състояния (едно или нула), кубитът може да бъде и в двете позиции едновременно.

Помислете за монета. Тя има две страни: глави или опашки. Монета е двоична. Но представете си, че хвърляте монетата във въздуха и тя продължава да се върти безкрайно. Докато той се прелиства, глави ли е или опашки? Какво ще бъде, ако някога ще кацне? Как можете да определите количествено прелистващата монета? Това е слаб опит за илюстриране на суперпозицията.

И така, как да направите кубит? Е, ако квантовите физици не разбират квантовата механика, едва ли тук можем да управляваме адекватно обяснение. Нека се примирим с кратък списък от технологии, които се тестват за създаване на кубити:

• Свръхпроводящи вериги
• Спин кубит
• Йонни капани
• Фотонични вериги
• Топологични плитки

Най-популярните от тях са първите две. Останалите са обект на университетски изследвания. При първата техника свръхпроводниците се преохлаждат, за да се елиминират електромагнитните смущения. Но времената за съгласуваност са сравнително кратки и нещата се разпадат. Професор Морело работи върху техниката на въртене. Квантовите частици имат електрически заряд, точно както правят магнитите. Чрез микровълнови импулси той успява да накара един електрон да се върти нагоре, а не надолу, като по този начин създава едноелектронния транзистор.

Тогава остава въпросът за поносимост на грешките и коригиране на грешки. Изследователи от Калифорнийския университет в Санта Барбара успяха да достигнат 99.4 процента вярност със своите кубитни порти. Те са постигнали 99,9 процента вярност на портата в Оксфордския университет. Значи вече сме там?

Колко близо сме?

Edwin Cartlidge задава този въпрос в статия от октомври 2016 г. за Optics & Photonics News. Предупреждение от ETSI през 2015 г., че организациите трябва да преминат към „квантово безопасни“ техники за криптиране, трябва да ви каже, че нещо е на хоризонта.

Google, Microsoft, Intel и IBM са в играта. Един от праговете, които Google преследва, е нещо, което са нарекли „квантово надмощие“. Използва се за описание на тази точка, в която квантовият компютър прави нещо, което класическият компютър не може.

IBM планира да въведе „универсален“ квантов компютър през 2017 г., според Дейвид Кастелвечки от Scientific American. Озаглавен „IBM Q“, това ще бъде облачна услуга, достъпна през интернет срещу заплащане. Можете да опитате какво работят върху тях, като изпробвате техния Quantum Experience, който вече е достъпен онлайн. Но Castelvecchi казва, че нито едно от тези усилия не е по-мощно от конвенционалните компютри - все още. Все още не е установено върховенството на квантите.

Както Techopedia съобщи през 2013 г., Google има много приложения за зрял квантов компютър, веднъж разработен. Microsoft работи върху топологичните квантови изчисления. Няколко стартиращи компании се разрастват и в полето се работи много. Но някои експерти предупреждават, че ястието може още да не е напълно приготвено. „Не правя никакви прессъобщения за бъдещето“, казва Райнер Блат от университета в Инсбрук в Австрия. А физикът Дейвид Уайнланд казва: „Аз съм оптимист в дългосрочен план, но какво„ дългосрочен план “означава, не знам.“ (Вижте 5 готини неща от квантовия компютър на Google Googles.

Дори когато се постигне превъзходство в квантовите изчисления, не го търсете скоро да замени вашия лаптоп. Квантовите компютри, като техните двоични колеги в първите дни, може да са просто специализирани устройства, предназначени за конкретни цели. Едно от най-често използваните разуми би било да има квантов компютър, симулиращ квантова механика. Освен интензивни компютърни операции като прогнозиране на времето, използването на квантови изчисления може да бъде централизирано и ограничено до облака. Разбира се, това може да е идеалното място за това.

заключение

Професор Морело ясно определи основното предизвикателство на квантовите изчисления. Преди да започнете да кодирате информация, трябва да можете да установите две дискретни квантови нива с кубита. Веднъж постигнато, квантовите изчисления „ви дават достъп до експоненциално по-голямо изчислително пространство“ от класическия компютър. Квантов компютър, например, с 300 кубита (N кубита = 2^н класически битове) биха могли да обработват повече битове информация, отколкото има частици във Вселената.

Това е много битове. Но стигането от тук до там ще отнеме някои действия.