Co to są obliczenia kwantowe?

Komputery kwantowe wprowadzają nowe pojęcia do tradycyjnych metod programowania za pomocą specjalnych reguł fizyki kwantowej do wykonywania obliczeń.

Zobaczmy, jak obliczenia kwantowe różnią się od klasycznych obliczeń i jak utworzyć komputer kwantowy.

Narodziny 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.

Systemy 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.

Jak utworzyć komputer kwantowy

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:

1. Skalowalne: może mieć wiele kubitów.
2. Możliwe do zainicjowania: Zawsze może ustawić kubity na określony stan początkowy (zazwyczaj stan 0).
3. Elastyczny: Może on przechowywać kubity w stanach superpozycji przez długi czas.
4. Uniwersalny: Może wykonywać zestaw uniwersalnych operacji kwantowych, tak aby każda inna operacja mogła zostać rozłożona na sekwencję operacji uniwersalnych.
5. Niezawodny: Może dokładnie i spójnie mierzyć kubity.

Te pięć kryteriów jest często nazywanych kryteriami DiVincenzo do obliczeń kwantowych.

Tworzenie urządzenia spełniającego wszystkie pięć kryteriów jest jednym z najbardziej wymagających wyzwań inżynieryjnych naszych czasów. Firma Microsoft współpracuje z niektórymi z najlepszych producentów komputerów kwantowych na całym świecie, aby zapewnić dostęp do najnowszych rozwiązań do obliczeń kwantowych za pośrednictwem usługi Azure Quantum.