Áttörések sorozata a kvantumszámítástechnikában
Egy közönséges számítógép, amelyet ma már klasszikus vagy hagyományos számítógépként emlegetnek, a 0-k és 1-ek (nullák és egyesek) alapkoncepcióján dolgozik. Amikor megkérdezzük a számítógép hogy elvégezzen helyettünk egy feladatot, például matematikai számítást vagy időpontfoglalást, vagy bármit, ami a mindennapi élethez kapcsolódik, akkor ez a feladat az adott pillanatban 0-s és 1-es karakterláncra konvertálódik (vagy lefordítva) (amit azután bemenet), ezt a bemenetet egy algoritmus dolgozza fel (amely a feladat számítógépen történő végrehajtásához követendő szabályok halmaza). A feldolgozás után egy új 0-s és 1-es karakterlánc kerül visszaadásra (ezt kimenetnek nevezzük), és ez kódolja a várt eredményt, és visszafordítja egyszerűbb, felhasználóbarát információvá, „válaszként” arra, hogy a felhasználó mit akart tenni a számítógéptől. . Lenyűgöző, hogy bármilyen okosnak vagy okosnak tűnik is az algoritmus, és bármilyen legyen is a feladat nehézségi szintje, a számítógépes algoritmus csak ezt az egy dolgot hajtja végre – a bitsorok manipulálását – ahol minden bit 0 vagy 1. A manipuláció a számítógépen történik (a szoftveres oldalon), és gépi szinten ezt elektromos áramkörök képviselik (a számítógép alaplapján). A hardveres terminológiában, amikor az áram áthalad ezeken az elektromos áramkörökön, az zárt és nyitott, ha nincs áram.
Klasszikus vs kvantum számítógép
Ezért a klasszikus számítógépekben a bit egyetlen információ, amely két lehetséges állapotban – 0 vagy 1 – létezhet. kvantum számítógépek, általában kvantumbiteket (más néven qubiteket) használnak. Ezek kétállapotú kvantumrendszerek, azonban a szokásos bittel (0 vagy 1-ként tárolva) ellentétben a qubitek sokkal több információt képesek tárolni, és ezeknek az értékeknek bármilyen feltételezésében létezhetnek. A jobb magyarázat érdekében a qubit képzeletbeli gömbnek tekinthető, ahol a qubit a gömb bármely pontja lehet. Elmondható, hogy a kvantumszámítás kihasználja a szubatomi részecskék azon képességét, hogy egy adott időpontban több állapotban is létezhetnek, és mégis kölcsönösen kizárják egymást. Másrészt egy klasszikus bit csak két állapotban lehet – például a gömb két pólusának végén. A hétköznapi életben nem láthatjuk ezt a „szuperpozíciót”, mert ha egy rendszert a maga teljességében szemlélünk, ezek a szuperpozíciók eltűnnek, és ez az oka annak, hogy az ilyen szuperpozíciók megértése nem világos.
Ez azt jelenti a számítógépek számára, hogy a qubiteket használó kvantumszámítógépek hatalmas mennyiségű információt képesek tárolni kisebb energia felhasználásával, mint a klasszikus számítógépek, így a műveletek vagy számítások viszonylag gyorsabban elvégezhetők kvantumszámítógépen. Tehát egy klasszikus számítógép 0-t vagy 1-et vehet fel, két bit ebben a számítógépben lehet négy lehetséges állapotban (00, 01, 10 vagy 11), de egy adott időpontban csak egy állapot van ábrázolva. A kvantumszámítógép viszont olyan részecskékkel dolgozik, amelyek szuperpozícióban lehetnek, lehetővé téve, hogy két qubit egyidejűleg pontosan ugyanazt a négy állapotot képviselje, mivel a szuperpozíció tulajdonsága felszabadítja a számítógépeket a „bináris kényszer” alól. Ez egyenértékű lehet négy számítógép egyidejű futtatásával, és ha ezeket a qubiteket összeadjuk, a kvantumszámítógép ereje exponenciálisan nő. A kvantumszámítógépek kihasználják a kvantumfizika egy másik tulajdonságát, az úgynevezett „kvantumösszefonódást”, amelyet Albert Einstein határoz meg. Az összefonódás egy olyan tulajdonság, amely lehetővé teszi a kvantumrészecskék számára, hogy kapcsolódjanak és kommunikáljanak, függetlenül attól, hogy hol helyezkednek el a kvantumban. világegyetem hogy az egyik állapotának megváltoztatása azonnal hatással legyen a másikra. A „szuperpozíció” és az „összefonódás” kettős képessége elvileg meglehetősen erős. Ezért elképzelhetetlen, hogy egy kvantumszámítógép mit tud elérni a klasszikus számítógépekkel összehasonlítva. Mindez nagyon izgalmasan és egyenesen hangzik, azonban ebben a forgatókönyvben van egy probléma. Egy kvantumszámítógép, ha qubiteket (szuperpozíciós biteket) vesz bemenetként, a kimenete is hasonlóan kvantumállapotú lesz, azaz egy szuperponált bitekkel rendelkező kimenet, amely szintén folyamatosan változhat attól függően, hogy milyen állapotban van. Ez a fajta kimenet nem Nem igazán teszi lehetővé számunkra, hogy megkapjuk az összes információt, és ezért a kvantumszámítástechnika művészetében a legnagyobb kihívás az, hogy megtaláljuk a módját, hogy minél több információt nyerjünk ebből a kvantumkimenetből.
Itt lesz a kvantumszámítógép!
A kvantumszámítógépek nagy teljesítményű gépekként határozhatók meg, a kvantummechanika alapelvei alapján, amelyek teljesen új megközelítést alkalmaznak az információfeldolgozásban. Olyan összetett természeti törvényeket igyekeznek feltárni, amelyek mindig is léteztek, de általában rejtve maradtak. Ha sikerül feltárni az ilyen természeti jelenségeket, a kvantumszámítástechnika új típusú algoritmusokat futtathat az információk feldolgozására, és ez innovatív áttörésekhez vezethet az anyagtudományban, a gyógyszerkutatásban, a robotikában és a mesterséges intelligenciában. A kvantumszámítógép ötletét Richard Feynman amerikai elméleti fizikus vetette fel még 1982-ben. Manapság pedig technológiai cégek (például IBM, Microsoft, Google, Intel) és tudományos intézmények (mint az MIT és a Princeton Egyetem) dolgoznak a kvantumokon. számítógépes prototípusok egy mainstream kvantumszámítógép létrehozásához. Az International Business Machines Corp. (IBM) a közelmúltban közölte, hogy tudósai egy nagy teljesítményű kvantumszámítási platformot építettek ki, amely elérhetővé válik, de megjegyzi, hogy ez nem elég a legtöbb feladat elvégzésére. Azt mondják, hogy egy jelenleg fejlesztés alatt álló 50 qubites prototípus sok olyan problémát megoldhat, amelyet a klasszikus számítógépek ma megoldanak, és a jövőben az 50-100 kubites számítógépek nagyrészt kitöltenék a hiányt, azaz egy mindössze néhány száz kubites kvantumszámítógép képes lenne több számítást végezzen egyszerre, mint ahány atom van az ismertben világegyetem. Reálisan szólva, az az út, ahol a kvantumszámítógép valóban felülmúlhatja a klasszikus számítógépet a nehéz feladatokban, nehézségekkel és kihívásokkal terhelt. A közelmúltban az Intel kijelentette, hogy a vállalat új, 49 qubites kvantumszámítógépe egy lépést jelent e „kvantumfölény” felé, jelentős előrelépésként a vállalat számára, amely mindössze 17 hónapja mutatott be egy 2 bites qubit rendszert. Prioritásuk a projekt folyamatos bővítése, annak tudatában, hogy a qubitek számának növelése a kulcsa a valós eredményeket hozó kvantumszámítógépek létrehozásának.
Az anyag kulcsfontosságú a kvantumszámítógép építéséhez
A szilícium anyag évtizedek óta a számítástechnika szerves részét képezi, mert kulcsfontosságú képességei miatt jól alkalmazható általános (vagy klasszikus) számítástechnikára. Ami azonban a kvantumszámítást illeti, a szilícium alapú megoldásokat elsősorban két okból nem fogadták el, egyrészt nehézkes a szilíciumból gyártott qubitek vezérlése, másrészt még mindig nem világos, hogy a szilícium qubitek skálázhatók-e másokhoz hasonlóan. megoldásokat. Az Intel a közelmúltban jelentős előrelépést jelent1 egy új típusú qubit, úgynevezett „spin qubit”, amelyet hagyományos szilíciumból állítanak elő. A spin qubitek nagyon hasonlítanak a félvezető elektronikára, és úgy adják le kvantumteljesítményüket, hogy egyetlen elektron spinjét kihasználják egy szilíciumeszközön, és apró mikrohullámú impulzusokkal szabályozzák a mozgást. Két fő előny, amely az Intel ebbe az irányba való elmozdulásához vezetett, az egyik, hogy az Intel mint vállalat már most is jelentős összegeket fektetett be a szilíciumiparba, és így megfelelő szakértelemmel rendelkezik a szilícium területén. Másodszor, a szilícium qubitek előnyösebbek, mivel kisebbek, mint a hagyományos qubitek, és várhatóan hosszabb ideig tartanak fenn koherenciát. Ez rendkívül fontos, amikor a kvantumszámítási rendszereket fel kell léptetni (pl. 100 qubitről 200 qubitre). Az Intel teszteli ezt a prototípust, és a vállalat arra számít, hogy több ezer kis qubit tömbből álló chipeket fog gyártani, és egy ilyen gyártás nagy mennyiségben nagyon jó lehet a kvantumszámítógépek felskálázásához, és valódi játékváltót jelenthet.
Egy nemrégiben megjelent kutatásban Tudomány, egy újonnan tervezett fotonikus kristálymintát (vagyis egy fotonikus chipen megvalósított kristálytervet) fejlesztett ki a Marylandi Egyetem (USA) csapata, amely állításuk szerint a kvantumszámítógépeket hozzáférhetőbbé teszi.2. Ezek a fotonok a legkisebb ismert fénymennyiség, és ezek a kristályok lyukakkal vannak bevésve, ami a fény kölcsönhatását okozza. A különböző lyukminták megváltoztatják a fény hajlítását és visszaverődését a kristályon, és itt ezer háromszög alakú lyuk készült. Az egyedi fotonok ilyen felhasználása fontos a kvantumszámítógépek létrehozásának folyamata szempontjából, mivel a számítógépek ekkor képesek lesznek olyan nagy számok és kémiai reakciók kiszámítására, amelyekre a jelenlegi számítógépek nem képesek. A chip kialakítása lehetővé teszi a fotonok átvitelét a kvantumszámítógépek között veszteség nélkül. Ezt a veszteséget a kvantumszámítógépek számára is nagy kihívásnak tekintették, így ez a chip megoldja a problémát, és hatékony útvonalat tesz lehetővé kvantum információk egyik rendszerből a másikba.
Jövő
A kvantumszámítógépek azt ígérik, hogy minden hagyományos szuperszámítógépen túlmutató számításokat hajtanak végre. Lehetőségük van forradalmasítani az új anyagok felfedezését azáltal, hogy lehetővé teszik az anyag viselkedésének szimulálását egészen az atomi szintig. Reményt épít a mesterséges intelligencia és a robotika számára az adatok gyorsabb és hatékonyabb feldolgozásával. Kereskedelmileg életképes kvantumszámítási rendszert az elkövetkező években bármelyik nagy szervezet megvalósíthat, mivel ez a kutatás még mindig nyitott, és mindenki számára tisztességes játék. Jelentős bejelentések várhatók az elkövetkező 1-XNUMX évben, és ideális esetben a folyamatban lévő fejlesztések sorozatával együtt a mérnöki problémákat meg kell oldani, és egy XNUMX millió vagy több kubites kvantumszámítógépnek valósággá kell válnia.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
1. Castelvecchi D. 2018. A szilícium teret hódít a kvantumszámítási versenyben. Természet. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Topológiai kvantumoptikai interfész. Tudomány. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
