Nuta
Dostęp do tej strony wymaga autoryzacji. Możesz spróbować się zalogować lub zmienić katalog.
Dostęp do tej strony wymaga autoryzacji. Możesz spróbować zmienić katalogi.
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
Systemy kwantowe, takie jak atomy i cząsteczki, mogą być trudne lub niemożliwe do symulowania na klasycznym komputerze. W 1980 roku Richard Feynman i Yuri Manin zasugerowali, że sprzęt oparty na zjawiskach kwantowych może być bardziej wydajny dla symulacji systemów kwantowych niż konwencjonalne komputery.
Istnieje kilka powodów, dla których systemy kwantowe są trudne do symulowania na zwykłych komputerach. Jedną z głównych przyczyn jest to, że materia na poziomie kwantowym jest opisana jako kombinacja wielu konfiguracji (nazywanych stanami) w tym samym czasie.
Stany kwantowe rosną wykładniczo
Rozważ układ cząstek i 40 możliwych miejsc, w których te cząstki mogą istnieć. System może znajdować się w dowolnym z $2^{40}$ unikatowych stanów, ponieważ każda lokalizacja może mieć lub nie mieć cząstki. Jeśli są to cząstki klasyczne, system jest zawsze w jednym ze $stanów 2^{40}$ , więc klasyczny komputer potrzebuje tylko 40 bitów, aby opisać stan systemu. Ale jeśli są to cząstki kwantowe, system istnieje w połączeniu wszystkich $stanów 2^{40}$ . Klasyczny komputer musi przechowywać $liczby 2^{40}$ w celu opisania systemu kwantowego, który wymaga ponad 130 GB pamięci. Jednak komputer kwantowy potrzebuje tylko 40 bitów kwantowych, aby opisać ten system kwantowy.
Jeśli dodamy kolejną lokalizację do systemu, aby elektrony mogły istnieć w 41 lokalizacjach, liczba unikatowych konfiguracji systemu podwoi się do $2^{41}$. Przechowywanie tego stanu kwantowego na klasycznym komputerze zajęłoby ponad 260 GB pamięci. Nie możemy grać w tę grę, zwiększając liczbę lokalizacji na zawsze. Aby przechowywać stan kwantowy na konwencjonalnym komputerze, szybko przekraczasz pojemność pamięci najpotężniejszych maszyn na świecie. Przy kilkuset elektronach pamięć wymagana do przechowywania układu przekracza liczbę cząstek we wszechświecie. Nie ma nadziei z naszych konwencjonalnych komputerów, aby całkowicie symulować dynamikę kwantową dla większych systemów!
Przekształcanie trudności w szansę
Obserwacja tego wykładniczego wzrostu stanowiła potężne pytanie: czy można przekształcić tę trudność w szansę? Jeśli systemy kwantowe są trudne do symulowania na zwykłych komputerach, co by się stało, jeśli utworzymy maszynę, która używa efektów kwantowych na potrzeby jego podstawowych operacji? Czy możemy symulować systemy kwantowe za pomocą maszyny, która wykorzystuje dokładnie te same prawa fizyki? A czy możemy użyć tej maszyny do zbadania innych ważnych problemów poza mechaniką kwantową? Są to rodzaje pytań, które wywołały pola informacji kwantowych i 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 zbyt trudne do rozwiązania na klasycznych komputerach.
W 1994 roku Peter Shor odkrył algorytm kwantowy, aby znaleźć podstawowe czynniki dużych liczb całkowitych. Algorytm Shora działa wykładniczo szybciej niż najbardziej znany klasyczny algorytm dla tego problemu faktorowania. Taki szybki algorytm może potencjalnie złamać wiele z naszych nowoczesnych systemów kryptograficznych kluczy publicznych, których używamy do zabezpieczania transakcji w handlu elektronicznym, takich jak Rivest-Shamir-Adleman (RSA) i Elliptic Curve Cryptography. To odkrycie wywołało ogromne zainteresowanie obliczeniami kwantowymi i doprowadziło do rozwoju algorytmów kwantowych dla wielu innych problemów.
Od tego czasu opracowano szybkie i wydajne algorytmy komputerów kwantowych dla innych problemów, które są trudne do rozwiązania na klasycznych komputerach. Na przykład mamy teraz algorytmy kwantowe do wyszukiwania nieurządzanej bazy danych, rozwiązywania systemów równań liniowych, wykonywania uczenia maszynowego i symulowania systemów fizycznych w chemii, fizyce i nauce o materiałach.
Co to jest kubit?
Podobnie jak bity są podstawowym obiektem informacji w obliczeniach klasycznych, kubity (bity kwantowe) są podstawowym obiektem informacji w obliczeniach kwantowych.
Kubity odgrywają podobną rolę w obliczeniach kwantowych, ponieważ bity odgrywają w obliczeniach klasycznych, ale kubity zachowują się inaczej niż bity. Bity klasyczne są binarne i w danym momencie mogą znajdować się tylko w jednym z dwóch stanów, 0 lub 1. Ale kubity mogą być w superpozycji zarówno stanów 0, jak i 1 w tym samym czasie. W rzeczywistości istnieją nieskończone możliwe superpozycje 0 i 1, a każdy z nich jest prawidłowym stanem kubitu.
W obliczeniach kwantowych informacje są kodowane w superpozycjach stanów 0 i 1. Na przykład 8 zwykłych bitów może kodować maksymalnie 256 unikatowych wartości, ale te 8 bitów mogą reprezentować tylko jedną z 256 wartości jednocześnie. W przypadku 8 kubitów możemy kodować wszystkie 256 wartości w tym samym czasie, ponieważ kubity mogą znajdować się w superpozycji wszystkich 256 możliwych stanów.
Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Kubit w obliczeniach kwantowych.
Jakie są wymagania dotyczące tworzenia komputera kwantowego?
Komputer kwantowy używa systemów kwantowych i właściwości mechaniki kwantowej do rozwiązywania problemów obliczeniowych. Systemy w komputerze kwantowym składają się z kubitów, interakcji między kubitami i operacji na kubitach do przechowywania i przetwarzania informacji. Za pomocą komputerów kwantowych możemy programować efekty, takie jak splątanie kwantowe i interferencja kwantowa, aby dokładnie rozwiązać pewne problemy szybciej niż na klasycznych komputerach.
Aby utworzyć komputer kwantowy, należy rozważyć sposób tworzenia i przechowywania kubitów. Musimy również zastanowić się, jak manipulować kubitami i jak mierzyć wyniki obliczeń.
Popularne technologie kubitów obejmują kubity pułapkowane jonowe, kubity nadprzewodzące i kubity topologiczne. W przypadku niektórych metod przechowywania kubitów jednostka, która mieści kubity, musi być 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. Sygnały można wysyłać do kubitów za pomocą różnych metod, takich jak kuchenka mikrofalowa, lasery lub napięcia.
Pięć kryteriów komputera kwantowego
Dobry komputer kwantowy powinien mieć te pięć funkcji:
- Skalowalne: może mieć wiele kubitów.
- Zdolne do inicjowania: 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 działania komputerów kwantowych i dlaczego mają one tak duży potencjał. Dwa najważniejsze zjawiska kwantowe to superpozycja i splątanie.
Superpozycja
Wyobraź sobie, że ćwiczysz u siebie w salonie. Przekręcasz się maksymalnie w lewo, a potem maksymalnie w prawo. A teraz spróbuj jednocześnie skręcić w lewo i w prawo. Nie możesz tego zrobić (przynajmniej bez podzielenia się na pół). Oczywiście nie możesz jednocześnie znajdować się w obu tych stanach — nie możesz patrzeć w tym samym czasie w lewo i w prawo.
Jednakże, jeśli jesteś cząstką kwantową, możesz mieć pewne prawdopodobieństwo patrzenia w lewą stronę ORAZ pewne prawdopodobieństwo patrzenia w prawą stronę ze względu na zjawisko zwane superpozycją (znane również jako koherencja).
Tylko systemy kwantowe, takie jak jony, elektrony lub obwody nadprzewodzące, mogą istnieć w stanach superpozycji, które umożliwiają moc obliczeń kwantowych. Na przykład elektrony są cząstkami kwantowymi, które mają własną właściwość "zwrotu w lewo lub w prawo", zwaną spinem. Dwa stany spinu są nazywane spin up i spin down, i stan kwantowy elektronu jest superpozycją stanów spin up i 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 jakakolwiek operacja lub proces zastosowany do jednego podsystemu jest również skorelowany z operacją lub procesem na innym podsystemie. 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 z Q#, a żeby poznać praktyczne zastosowanie, sprawdź Moduł szkoleniowy: Teleportowanie kubitu przy użyciu splątania.