Paskaidrojiet: kas ir kvantu dators?

Attēlu sniedza Rigetti Computing. Fotogrāfs Džastins Fantls.

Šis ir pirmais no kvantu tehnoloģiju skaidrojumiem. Pārējie divi ir saistīti ar kvantu komunikāciju un pēckvantu kriptogrāfiju.

Kvantu dators izmanto dažas no gandrīz mistiskām kvantu mehānikas parādībām, lai nodrošinātu milzīgus apstrādes jaudas lēcienus. Kvantu mašīnas sola apsteigt pat visspējīgākos mūsdienu un rītdienas superdatorus.

Tomēr tie neizdzēsīs parastos datorus. Klasiskās mašīnas izmantošana joprojām būs vienkāršākais un ekonomiskākais risinājums lielākās daļas problēmu risināšanai. Taču kvantu datori sola nodrošināt aizraujošus sasniegumus dažādās jomās, sākot no materiālu zinātnes līdz farmācijas pētījumiem. Uzņēmumi jau eksperimentē ar tiem, lai izstrādātu tādas lietas kā vieglākas un jaudīgākas elektromobiļu baterijas un palīdzētu radīt jaunas zāles.

Kvantu datora jaudas noslēpums slēpjas tā spējā ģenerēt un manipulēt ar kvantu bitiem jeb kubitiem.

Kas ir kubits?

Mūsdienu datori izmanto bitus — elektrisku vai optisku impulsu plūsmu viens s vai 0 s. Viss, sākot no jūsu tvītiem un e-pastiem līdz iTunes dziesmām un YouTube videoklipiem, būtībā ir garas šo bināro ciparu virknes.

No otras puses, kvantu datori izmanto kubitus, kas parasti ir subatomiskas daļiņas, piemēram, elektroni vai fotoni. Kubitu ģenerēšana un pārvaldība ir zinātnisks un inženiertehnisks izaicinājums. Daži uzņēmumi, piemēram, IBM, Google un Rigetti Computing, izmanto supravadošās ķēdes, kas atdzesētas līdz temperatūrai, kas ir zemāka par kosmosa temperatūru. Citi, piemēram, IonQ, aiztur atsevišķus atomus elektromagnētiskajos laukos uz silīcija mikroshēmas īpaši augsta vakuuma kamerās. Abos gadījumos mērķis ir izolēt kubitus kontrolētā kvantu stāvoklī.

Kubitiem ir dažas dīvainas kvantu īpašības, kas nozīmē, ka savienota to grupa var nodrošināt daudz lielāku apstrādes jaudu nekā tāds pats bināro bitu skaits. Viena no šīm īpašībām ir pazīstama kā superpozīcija, bet otra - sapīšanās.

Kas ir superpozīcija?

Kubiti var attēlot daudzas iespējamās kombinācijas viens un 0 tajā pašā laikā. Šo spēju vienlaikus atrasties vairākos stāvokļos sauc par superpozīciju. Lai ievietotu kubitus superpozīcijā, pētnieki manipulē ar tiem, izmantojot precīzus lāzerus vai mikroviļņu starus.

Pateicoties šai pretintuitīvajai parādībai, kvantu dators ar vairākiem kubitiem superpozīcijā var vienlaikus saskarties ar ļoti daudziem iespējamiem rezultātiem. Aprēķina gala rezultāts parādās tikai tad, kad tiek izmērīti kubiti, kas nekavējoties izraisa to kvantu stāvokļa sabrukumu vai nu viens vai 0 .

Kas ir sapīšanās?

Pētnieki var ģenerēt kubitu pārus, kas ir sapinušies, kas nozīmē, ka abi pāra locekļi pastāv vienā kvantu stāvoklī. Mainot viena no kubitiem stāvokli, uzreiz tiks mainīts otra kubits paredzamā veidā. Tas notiek pat tad, ja tos šķir ļoti lieli attālumi.

Neviens īsti nezina, kā un kāpēc sapīšanās darbojas. Tas pat samulsināja Einšteinu, kurš to slaveni raksturoja kā spokainu darbību no attāluma. Bet tas ir kvantu datoru jaudas atslēga. Parastā datorā bitu skaita dubultošana dubulto tā apstrādes jaudu. Bet, pateicoties sapīšanās, papildu kubitu pievienošana kvantu mašīnai rada eksponenciālu pieaugumu tās skaitļu kraušanas spēju.

Kvantu datori sapinušos kubitus izmanto sava veida kvantu margrietiņu ķēdē, lai īstenotu savu burvību. Iekārtu spēja paātrināt aprēķinus, izmantojot īpaši izstrādātus kvantu algoritmus, ir iemesls, kāpēc ir tik daudz diskusiju par to potenciālu.

Tās ir labās ziņas. Sliktā ziņa ir tā, ka dekoherences dēļ kvantu mašīnas ir daudz vairāk pakļautas kļūdām nekā klasiskie datori.

Kas ir dekoherence?

Kubitu mijiedarbību ar vidi tādā veidā, kas izraisa to kvantu uzvedības samazināšanos un galu galā izzušanu, sauc par dekoherenci. Viņu kvantu stāvoklis ir ārkārtīgi trausls. Mazākās vibrācijas vai temperatūras izmaiņas — traucējumi, kas kvantu runā tiek saukti par troksni — var izraisīt to izkļūšanu no superpozīcijas, pirms viņu darbs ir pareizi paveikts. Tāpēc pētnieki dara visu iespējamo, lai aizsargātu kubitus no ārpasaules pārdzesētajos ledusskapjos un vakuuma kamerās.

Bet, neskatoties uz viņu pūlēm, troksnis joprojām rada daudz kļūdu, kas iekļūst aprēķinos. Viedie kvantu algoritmi var kompensēt dažus no tiem, un arī vairāk kubitu pievienošana palīdz. Tomēr, iespējams, būs nepieciešami tūkstošiem standarta kubitu, lai izveidotu vienu ļoti uzticamu, kas pazīstams kā loģisks kubits. Tas ievērojami samazinās kvantu datora skaitļošanas jaudu.

Un tur ir rupji: līdz šim pētnieki nav spējuši ģenerēt vairāk par 128 standarta kubitiem (skatiet mūsu kubitu skaitītāju šeit ). Tātad mums joprojām ir daudz gadu attālumā, lai iegūtu kvantu datorus, kas būs plaši noderīgi.

Tas nav mazinājis pionieru cerības būt pirmajiem, kas demonstrēs kvantu pārākumu.

Kas ir kvantu pārākums?

Tas ir punkts, kurā kvantu dators var veikt matemātiskos aprēķinus, kas acīmredzami nav sasniedzami pat jaudīgākajam superdatoram.

Joprojām nav skaidrs, cik kubitu būs nepieciešams, lai to sasniegtu, jo pētnieki turpina atrast jaunus algoritmus, lai uzlabotu klasisko mašīnu veiktspēju, un superskaitļošanas aparatūra turpina uzlaboties. Taču pētnieki un uzņēmumi smagi strādā, lai iegūtu titulu, veicot testus ar dažiem no pasaulē jaudīgākajiem superdatoriem.

Pētniecības pasaulē notiek daudz diskusiju par to, cik nozīmīga būs šī pavērsiena sasniegšana. Tā vietā, lai gaidītu, kamēr tiks pasludināts pārākums, uzņēmumi jau sāk eksperimentēt ar kvantu datoriem, ko ražo tādi uzņēmumi kā IBM, Rigetti un Kanādas uzņēmums D-Wave. Ķīnas uzņēmumi, piemēram, Alibaba, arī piedāvā piekļuvi kvantu mašīnām. Daži uzņēmumi pērk kvantu datorus, bet citi izmanto tos, kas ir pieejami, izmantojot mākoņdatošanas pakalpojumus.

Kur kvantu dators varētu būt visnoderīgākais vispirms?

Viens no daudzsološākajiem kvantu datoru lietojumiem ir matērijas uzvedības modelēšana līdz molekulārajam līmenim. Automašīnu ražotāji, piemēram, Volkswagen un Daimler, izmanto kvantu datorus, lai simulētu elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru ķīmisko sastāvu, lai palīdzētu atrast jaunus veidus, kā uzlabot to veiktspēju. Un farmācijas uzņēmumi tos izmanto, lai analizētu un salīdzinātu savienojumus, kas varētu novest pie jaunu zāļu radīšanas.

Iekārtas ir lieliski piemērotas arī optimizācijas problēmu risināšanai, jo tās var ārkārtīgi ātri pārvarēt lielu skaitu potenciālo risinājumu. Piemēram, Airbus izmanto tos, lai palīdzētu aprēķināt visefektīvākos gaisa kuģu pacelšanās un nolaišanās ceļus. Un Volkswagen ir atklājis pakalpojumu, kas aprēķina optimālos maršrutus autobusiem un taksometriem pilsētās, lai samazinātu sastrēgumus. Daži pētnieki arī domā, ka mašīnas varētu izmantot mākslīgā intelekta paātrināšanai.

Var paiet vairāki gadi, līdz kvantu datori pilnībā izmantos savu potenciālu. Universitātes un uzņēmumi, kas strādā ar tiem, saskaras ar kvalificētu pētnieku trūkumu šajā jomā un dažu galveno komponentu piegādātāju trūkumu. Bet, ja šīs eksotiskās jaunās skaitļošanas mašīnas attaisnos savus solījumus, tās varētu pārveidot veselas nozares un veicināt globālās inovācijas.

paslēpties