Co to są obliczenia kwantowe?
Obliczenia kwantowe mają obietnicę rozwiązania niektórych największych wyzwań naszej planety - w obszarach środowiska, rolnictwa, zdrowia, energii, klimatu, nauki o materiałach i nie tylko. W przypadku niektórych z tych problemów przetwarzanie klasyczne jest coraz bardziej kwestionowane w miarę wzrostu rozmiaru systemu. W przypadku skalowania systemy kwantowe prawdopodobnie będą miały możliwości, które przekraczają te z dzisiejszych najpotężniejszych superkomputerów.
W tym artykule wyjaśniono zasady obliczeń kwantowych, sposób ich porównywania z klasycznymi obliczeniami oraz sposób korzystania z zasad mechaniki kwantowej.
Historia obliczeń kwantowych
Pomysł komputera kwantowego powstał z trudności symulacji systemów kwantowych na klasycznym komputerze. W 1980 roku Richard Feynman i Yuri Manin niezależnie sugerowali, że sprzęt oparty na zjawiskach kwantowych może być bardziej wydajny dla symulacji systemów kwantowych niż konwencjonalne komputery.
To, dlaczego symulacja mechaniki kwantowej jest tak trudna, można wytłumaczyć na wiele sposobów. Najprostszym sposobem jest sprawdzenie, że materia na poziomie kwantowym znajduje się w wielu możliwych konfiguracjach (nazywanych stanami).
Stany kwantowe rosną wykładniczo
Rozważ system elektronów, w którym istnieje $40$ możliwych lokalizacji, gdzie każda lokalizacja może mieć lub nie ma elektronu. W związku z tym system może znajdować się w dowolnej z $2^{40}$ konfiguracji (ponieważ każda lokalizacja ma dwie możliwe konfiguracje, o elektronie lub jest pusta). Aby przechowywać stan kwantowy elektronów w konwencjonalnej pamięci komputerowej, wymagałoby ponad $130$ GB pamięci! W przypadku zwiększenia liczby możliwych lokalizacji do $41$ liczba konfiguracji będzie dwukrotnie większa niż $2^{41}$ , co z kolei wymagałoby więcej niż $260$ GB pamięci do przechowywania stanu kwantowego.
Ta gra o zwiększenie liczby lokalizacji nie może być rozgrywana w nieskończoność. Przy kilkuset elektronach pamięć wymagana do przechowywania układu przekracza liczbę cząstek we wszechświecie; w związku z tym nie ma nadziei, że konwencjonalne komputery nigdy nie symulują dynamiki kwantowej.
Przekształcanie trudności w szansę sprzedaży
Obserwacja tego wykładniczego wzrostu doprowadziła naukowca do zadawania potężnego pytania: czy możemy symulować systemy kwantowe przy użyciu maszyny, która wykorzystuje dokładnie te same prawa fizyki? I czy możemy użyć tych, które maszyny zbadać inne zadania, które są dla nas kluczowe? Te pytania doprowadziły do genezy obliczeń kwantowych.
W 1985 roku David Deutsch pokazał, że komputer kwantowy może skutecznie symulować zachowanie dowolnego systemu fizycznego. To odkrycie było pierwszym wskazaniem, że komputery kwantowe mogą służyć do rozwiązywania problemów, które są nietrwałe na klasycznych komputerach.
W 1994 roku Peter Shor odkrył algorytm kwantowy do faktorowania liczb całkowitych, który działa wykładniczo szybciej niż najbardziej znany algorytm klasyczny. Rozwiązywanie faktoringu umożliwia złamanie wielu naszych systemów kryptograficznych kluczy publicznych będących podstawą bezpieczeństwa handlu elektronicznego, w tym RSA i Elliptic Curve Cryptography. To odkrycie wywołało ogromne zainteresowanie obliczeniami kwantowymi i doprowadziło do rozwoju algorytmów kwantowych dla wielu innych problemów.
Co to jest kubit?
Podobnie jak bity są podstawowym obiektem informacji w obliczeniach klasycznych, kubity (bity kwantowe) są podstawowym obiektem informacji w obliczeniach kwantowych.
Kubit to podstawowa jednostka informacji używana w obliczeniach kwantowych. Kubity odgrywają rolę w obliczeniach kwantowych podobną do roli bitów w obliczeniach klasycznych, ale działają w różny sposób. Bity klasyczne są binarne i mogą zawierać tylko pozycję $0$ lub $1$, ale kubity mogą przechowywać superpozycję wszystkich możliwych stanów. Oznacza to, że kubit może być w stanie 0, 1 lub dowolnej superpozycji kwantowej tych dwóch. Istnieją nieskończone możliwe superpozycje 0 i 1, a każdy z nich jest prawidłowym stanem kubitu.
W obliczeniach kwantowych informacje są kodowane w superpozycji stanów 0 i 1. Na przykład w przypadku 8 bitów można kodować 256$ różnych wartości, ale musisz wybrać jedną z nich, aby ją zakodować$, ponieważ 256 wartości nie mogą współistnieć. W przypadku 8 kubitów można kodować 256 wartości w tym samym czasie. To zachowanie jest spowodowane tym, że kubit może znajdować się w superpozycji wszystkich możliwych stanów.
Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Kubit w obliczeniach kwantowych.
Jakie są wymagania dotyczące tworzenia komputera kwantowego?
Komputer kwantowy to komputer, który wykorzystuje zjawiska kwantowe mechaniczne. Komputery kwantowe używają stanów kwantowych materii do przechowywania i przetwarzania informacji. Mogą cytować &; program" zjawiska kwantowe do wykonywania rzeczy szybciej lub lepiej niż klasyczne komputery.
Tworzenie komputera kwantowego to złożone wyzwanie inżynieryjne, które wymaga głębokiego zrozumienia mechaniki kwantowej i możliwości kontrolowania systemów kwantowych na najmniejszych skalach. Podczas tworzenia komputera kwantowego ważne jest, aby zastanowić się, jak utworzyć kubity, a także jak je przechowywać, manipulować nimi i odczytywać wyniki obliczeń.
Dlatego naukowcy i inżynierowie pracują nad różnymi technologiami kubitów w celu tworzenia komputerów kwantowych, ponieważ każda technologia ma własne zalety i wady. Większość używanych technologii kubitów to kubity uwięzione jonowe, nadprzewodzące kubity i kubity topologiczne. W przypadku niektórych metod przechowywania kubitów jednostka, która mieści kubity, jest przechowywana w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego, aby zmaksymalizować ich spójność i zmniejszyć interferencję. Inne typy magazynów kubitów korzystają z komory próżniowej w celu zminimalizowania drgań i ustabilizowania kubitów. Istnieją różne metody wysyłania sygnałów do kubitów, na przykład mikrofale, laser i napięcie elektryczne.
Pięć kryteriów komputera kwantowego
Dobry komputer kwantowy powinien mieć te pięć funkcji:
- Skalowalne: może mieć wiele kubitów.
- Możliwe do zainicjowania: może ustawić kubity na określony stan (zazwyczaj stan 0).
- Odporność: może zachować kubity w stanie superpozycji przez długi czas.
- Universal: Komputer kwantowy nie musi wykonywać każdej możliwej operacji, tylko zestawu operacji nazywanych zestawem uniwersalnym. Zestaw uniwersalnych operacji kwantowych jest taki, że każda inna operacja może zostać rozłożona w sekwencję.
- Niezawodne: może dokładnie mierzyć kubity.
Te pięć kryteriów jest często nazywanych kryteriami Di Vincenzo do obliczeń kwantowych.
Budowa urządzeń spełniających te pięć kryteriów jest jednym z najbardziej wymagających wyzwań inżynieryjnych, jakie kiedykolwiek napotkała ludzkość. Usługa Azure Quantum oferuje różne rozwiązania do obliczeń kwantowych z różnymi technologiami kubitów. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz pełną listę dostawców usługi Azure Quantum.
Omówienie zjawisk kwantowych
Zjawiska kwantowe to podstawowe zasady, które odróżniają obliczenia kwantowe od klasycznych obliczeń. Zrozumienie tych zjawisk ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia sposobu działania komputerów kwantowych i ich trzymania takiego potencjału. Dwa najważniejsze zjawiska kwantowe to superpozycja i splątanie.
Superpozycja
Wyobraź sobie, że ćwiczysz u siebie w salonie. Skręcasz ciało maksymalnie w lewą stronę, a później w prawą. A teraz spróbuj jednocześnie skręcić w lewo i w prawo. Nie jest to możliwe (chyba, że się rozdzielisz na co najmniej dwie części). Oczywiście nie możesz jednocześnie znajdować się w obu tych stanach — nie możesz patrzeć w tym samym czasie w lewo i w prawo.
Jeśli jednak w wyobraźni zmienisz się w cząstkę kwantową, będziesz mieć pewne prawdopodobieństwo, że patrzysz w lewą stronę ORAZ pewne prawdopodobieństwo, że patrzysz w prawą stronę. Odpowiedzialne jest za to pewne zjawisko o nazwie superpozycja (zwane też koherencją).
W przeciwieństwie do cząstek klasycznych, jeśli dwa stany A i B są prawidłowymi stanami $kwantowymi cząstki kwantowej, każda liniowa kombinacja stanów jest również prawidłowym stanem kwantowym: $\text{stan kubitu}=\alpha A + \beta B$.$ $$ Ta liniowa kombinacja stanów $kwantowych A$ i $B$ jest nazywana superpozycją. $\alpha$ Tutaj i $\beta$ są amplitudy $prawdopodobieństwa odpowiednio A$ i $B$, tak, że $|\alpha|^ + |\beta|^{2}={{2} 1.$
Tylko systemy kwantowe, takie jak jony, elektrony lub obwody nadprzewodzące, mogą istnieć w stanach superpozycji, które umożliwiają moc obliczeń kwantowych. Cząstka kwantowa, taka jak elektron, ma własną właściwość "stoi w lewo lub w prawo", a mianowicie spin, nazywany albo w górę, czy w dół, więc stan kwantowy elektronu jest superpozycją cudzysłów &; zakręć cudzysłów&; i &cudzysłów; spin down".
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej i ćwiczyć z superpozycją, zobacz Moduł trenowania: Eksplorowanie superpozycji za pomocą polecenia Q#.
Splątanie
Splątanie to korelacja kwantowa między co najmniej dwoma systemami kwantowymi. Gdy dwa kubity są splątane, są skorelowane i dzielą się informacjami o swoich stanach, tak aby stan kwantowy poszczególnych kubitów nie mógł być opisywany niezależnie. W przypadku splątania kwantowego można znać tylko stan kwantowy systemu globalnego, a nie poszczególne stany.
Splątane systemy kwantowe utrzymują tę korelację nawet wtedy, gdy są oddzielone na dużych odległościach. Oznacza to, że niezależnie od operacji lub procesu stosowanego do jednego podsystemu jest również skorelowany z innym podsystemem. W związku z tym pomiar stanu jednego kubitu zawiera informacje o stanie drugiego kubitu — ta właściwość jest bardzo przydatna w obliczeniach kwantowych.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, zobacz Samouczek: Eksplorowanie splątania kwantowego za pomocą polecenia i, aby zapoznać się z Q# praktycznym modułem implementacji, zobacz Moduł szkoleniowy: Teleportowanie kubitu przy użyciu splątania.