Vysvetľovač: Čo je to kvantový počítač?

Obrázok s láskavým dovolením Rigetti Computing. Foto Justin Fantl.



Toto je prvý zo série vysvetlení kvantovej technológie. Ďalšie dve sú o kvantovej komunikácii a postkvantovej kryptografii.

Kvantový počítač využíva niektoré takmer mystické javy kvantovej mechaniky, aby priniesol obrovské skoky vpred vo výkone spracovania. Kvantové stroje sľubujú, že predbehnú aj tie najschopnejšie dnešné – a zajtrajšie – superpočítače.





technológiu, ktorú v súčasnosti používajú smartfóny

Nezničia však konvenčné počítače. Použitie klasického stroja bude stále najjednoduchším a najhospodárnejším riešením na riešenie väčšiny problémov. Kvantové počítače však sľubujú vzrušujúci pokrok v rôznych oblastiach, od vedy o materiáloch až po farmaceutický výskum. Spoločnosti s nimi už experimentujú, aby vyvinuli veci ako ľahšie a výkonnejšie batérie pre elektrické autá a pomohli vytvoriť nové lieky.

Tajomstvo sily kvantového počítača spočíva v jeho schopnosti generovať a manipulovať s kvantovými bitmi alebo qubitmi.

Čo je to qubit?

Dnešné počítače používajú bity – prúd elektrických alebo optických impulzov, ktoré predstavujú jeden s alebo 0 s. Všetko od vašich tweetov a e-mailov po vaše skladby z iTunes a videá YouTube sú v podstate dlhé reťazce týchto binárnych číslic.



Kvantové počítače na druhej strane používajú qubity, čo sú typicky subatomárne častice, ako sú elektróny alebo fotóny. Generovanie a správa qubitov je vedecká a inžinierska výzva. Niektoré spoločnosti, ako napríklad IBM, Google a Rigetti Computing, používajú supravodivé obvody chladené na teploty chladnejšie ako hlboký vesmír. Iné, ako napríklad IonQ, zachytávajú jednotlivé atómy v elektromagnetických poliach na silikónovom čipe v komorách s ultravysokým vákuom. V oboch prípadoch je cieľom izolovať qubity v riadenom kvantovom stave.

Qubity majú niektoré nepredvídateľné kvantové vlastnosti, čo znamená, že ich prepojená skupina môže poskytnúť oveľa viac výpočtového výkonu ako rovnaký počet binárnych bitov. Jedna z týchto vlastností je známa ako superpozícia a ďalšia sa nazýva zapletenie.

Čo je superpozícia?

Qubity môžu predstavovať množstvo možných kombinácií jeden a 0 v rovnaký čas. Táto schopnosť byť súčasne vo viacerých stavoch sa nazýva superpozícia. Aby sa qubity umiestnili do superpozície, výskumníci s nimi manipulujú pomocou presných laserov alebo mikrovlnných lúčov.

Vďaka tomuto protiintuitívnemu javu môže kvantový počítač s niekoľkými qubitmi v superpozícii naraz preraziť obrovské množstvo potenciálnych výsledkov. Konečný výsledok výpočtu sa objaví až po zmeraní qubitov, čo okamžite spôsobí kolaps ich kvantového stavu na buď jeden alebo 0 .



Čo je to zapletenie?

Výskumníci môžu generovať páry qubitov, ktoré sú zapletené, čo znamená, že dvaja členovia páru existujú v jedinom kvantovom stave. Zmena stavu jedného z qubitov okamžite zmení stav druhého predvídateľným spôsobom. Stáva sa to aj vtedy, ak sú od seba vzdialené veľmi veľké vzdialenosti.

Nikto presne nevie, ako a prečo zapletenie funguje. Dokonca to zmiatlo Einsteina, ktorý to skvele opísal ako strašidelnú akciu na diaľku. Ale je to kľúč k sile kvantových počítačov. V bežnom počítači zdvojnásobenie počtu bitov zdvojnásobí jeho výpočtový výkon. Vďaka zapleteniu však pridanie ďalších qubitov do kvantového stroja spôsobuje exponenciálne zvýšenie jeho schopnosti lámať čísla.

čo je ben gay

Kvantové počítače využívajú zapletené qubity do akejsi kvantovej reťaze sedmokrásky, aby fungovali kúzlo. Schopnosť strojov urýchliť výpočty pomocou špeciálne navrhnutých kvantových algoritmov je dôvodom, prečo je o ich potenciáli toľko hluku.

To je dobrá správa. Zlou správou je, že kvantové stroje sú oveľa náchylnejšie na chyby ako klasické počítače kvôli dekoherencii.

Čo je dekoherencia?

Interakcia qubitov s ich prostredím spôsobom, ktorý spôsobí, že sa ich kvantové správanie rozpadne a nakoniec zmizne, sa nazýva dekoherencia. Ich kvantový stav je mimoriadne krehký. Najmenšia vibrácia alebo zmena teploty – rušenia známe ako hluk v kvantovej reči – môžu spôsobiť, že sa prepadnú zo superpozície skôr, ako bude ich práca riadne vykonaná. To je dôvod, prečo výskumníci robia, čo môžu, aby ochránili qubity pred vonkajším svetom v týchto podchladených chladničkách a vákuových komorách.

Ale napriek ich úsiliu hluk stále spôsobuje veľa chýb, ktoré sa vkrádajú do výpočtov. Inteligentné kvantové algoritmy môžu kompenzovať niektoré z nich a pridanie ďalších qubitov tiež pomáha. Na vytvorenie jedného, ​​vysoko spoľahlivého, známeho ako logický qubit, však bude pravdepodobne potrebné tisíce štandardných qubitov. To zníži množstvo výpočtovej kapacity kvantového počítača.

A je tu háčik: výskumníci doteraz nedokázali vygenerovať viac ako 128 štandardných qubitov (pozri naše počítadlo qubitov tu ). Stále nás teda delí mnoho rokov od získania kvantových počítačov, ktoré budú všeobecne užitočné.

To nenarušilo nádeje priekopníkov, že budú prví, ktorí preukážu kvantovú prevahu.

Čo je kvantová nadradenosť?

Je to bod, v ktorom môže kvantový počítač dokončiť matematický výpočet, ktorý je preukázateľne mimo dosahu aj toho najvýkonnejšieho superpočítača.

Stále nie je jasné, koľko qubitov bude potrebných na dosiahnutie tohto cieľa, pretože výskumníci neustále nachádzajú nové algoritmy na zvýšenie výkonu klasických strojov a superpočítačový hardvér sa neustále zlepšuje. Výskumníci a spoločnosti však tvrdo pracujú na získaní titulu a testujú niektoré z najvýkonnejších superpočítačov na svete.

Vo svete výskumu sa veľa diskutuje o tom, aké významné bude dosiahnutie tohto míľnika. Namiesto toho, aby čakali na vyhlásenie nadvlády, spoločnosti už začínajú experimentovať s kvantovými počítačmi vyrobenými spoločnosťami ako IBM, Rigetti a D-Wave, kanadská firma. Čínske firmy ako Alibaba tiež ponúkajú prístup ku kvantovým strojom. Niektoré podniky kupujú kvantové počítače, zatiaľ čo iné využívajú počítače sprístupnené prostredníctvom služieb cloud computingu.

lídrov v oblasti kvantových počítačov

Kde bude kvantový počítač pravdepodobne najužitočnejší ako prvý?

Jednou z najsľubnejších aplikácií kvantových počítačov je simulácia správania hmoty až na molekulárnu úroveň. Výrobcovia automobilov ako Volkswagen a Daimler používajú kvantové počítače na simuláciu chemického zloženia batérií elektrických vozidiel, aby pomohli nájsť nové spôsoby, ako zlepšiť ich výkon. A farmaceutické spoločnosti ich využívajú na analýzu a porovnávanie zlúčenín, ktoré by mohli viesť k vytvoreniu nových liekov.

Stroje sú tiež skvelé na problémy s optimalizáciou, pretože dokážu extrémne rýchlo prelomiť obrovské množstvo potenciálnych riešení. Napríklad Airbus ich používa na výpočet palivovo najefektívnejších stúpacích a zostupových dráh pre lietadlá. A Volkswagen odhalil službu, ktorá vypočítava optimálne trasy pre autobusy a taxíky v mestách s cieľom minimalizovať zápchy. Niektorí výskumníci si tiež myslia, že stroje by mohli byť použité na zrýchlenie umelej inteligencie.

Kvantovým počítačom môže trvať niekoľko rokov, kým dosiahnu svoj plný potenciál. Univerzity a podniky, ktoré na nich pracujú, čelia nedostatku kvalifikovaných výskumníkov v tejto oblasti a nedostatku dodávateľov niektorých kľúčových komponentov. Ale ak tieto exotické nové výpočtové stroje splnia svoj sľub, mohli by transformovať celé priemyselné odvetvia a prebiť globálnu inováciu.

skryť

Skutočné Technológie

Kategórie

Nezaradené Do Kategórie

Technológie

Biotechnológia

Technická Politika

Zmena Podnebia

Ľudia A Technika

Silicon Valley

Výpočtový

Magazín Mit News

Umela Inteligencia

Priestor

Inteligentné Mestá

Blockchain

Celovečerný Príbeh

Profil Absolventov

Spojenie Absolventov

Funkcia Mit News

1865

Môj Názor

77 Mass Ave

Zoznámte Sa S Autorom

Profily Vo Štedrosti

Videné Na Akademickej Pôde

Listy Absolventov

Správy

Voľby 2020

S Indexom

Pod Kupolou

Požiarna Hadica

Nekonečné Príbehy

Pandemický Technologický Projekt

Od Prezidenta

Titulný Príbeh

Fotogaléria

Odporúčaná