Како функционира квантно рачунање и зашто је важно

Рачунари су корјенито променили друштво. Убрзо након завршетка Другог светског рата, научници су користили рачунаре за решавање свих врста проблема. Напредак је био невероватно брз. До 1970-их рођен је кућни рачунар.

Ипак, уз сав тај напредак, неки проблеми су и даље заиста тешки. Без обзира колико добри рачунари добили, изазови попут факторинга великог броја или оптимизације курирских рута остају тешки.

Али битови нису једини начин за израчунавање. Квантна механика - правила која управљају светом атома и молекула - такође се може користити за израчунавање. А та се рачунања обављају на невјероватно другачији начин.

Нада је да ће једног дана ови „квантни рачунари“ бити у стању да реше тешке проблеме. Али шта су заправо квантни рачунари и како функционишу?

16-кбитни квантни рачунар од ИБМ-а (ИБМ квантно искуство)

Детаљан поглед испод хаубе квантног рачунара открива зашто се истраживачи толико надају да ће ови рачунари бити толико моћни - а не моћни као нова генерација процесора из Интела. Не, практични квантни рачунар може да промени свет. Компаније попут Д-Ваве, ИБМ и Гоогле, заједно са истраживачким лабораторијама широм света, утркују се у производњи првих практичних квантних рачунара.

Шта квантни рачунар чини другачијим?

Да би илустровао разлику између квантног и традиционалног рачунања, Даниел Лидар, професор физичке теоријске хемије на Универзитету Јужна Калифорнија, користи следећу аналогију (коју сам модификовао).

Замислите да тражите црну куглу у кутији пуној белих куглица, а не можете да видите унутар кутије. Да бисте пронашли црну куглу, слепо зграбите лопту, прегледате боју и баците је ако није црна. Можете покушати да зграбите црну куглу при првом покушају или је одаберете последњу.

Највероватнији исход: кутију уништавате у фрустрацији.

Сада прелазимо на квантни алгоритам. Твоје квантне руке посежу у кутију, али не хватају лопту. Уместо тога, ове руке држе вероватноће да су одабрале сваку лопту - укључујући и црну. Ако у кутији има 10 куглица, ваше квантне руке држе 10 једнаких вероватноћа.

Затим покрећете квантни алгоритам који повећава вероватноћу да је лопта црна. После проверавате своју руку: Разочарано, лопта је бела. Враћаш се назад у кутију. Али овај пут вероватноће нису једнаке: Вероватноћа да ћете наћи црну куглу је сада већа него за остале лопте.

Као да је претходни покушај бацио додатну белу лопту заједно с оном коју сте пронашли. То се догађа при сваком покушају, па се шанса за проналажење црне кугле брзо повећава. Кључ за начин на који се те вероватноће мењају је у начину на који се квантитативним стањима - или „кубитима“, у случају рачунања - манипулише.

Квантне државе суперпозиције

Идемо разбити причу о кутији са лоптицама да видимо како све то функционише.

Квантна рука посеже у кутију и хвата вероватноће. У традиционалном рачунању информације се чувају као битови који имају одређене вредности. Мало је или једна или нула. Провера вредности бита не мења га ни на који начин.

Али кубит не представља директно вредност бита; она држи вероватноћу да ће кубит бити једнак или нула. То се назива „квантним стањем суперпозиције“.

Међутим, када проверимо вредност кубита, не добијамо вероватноћу. Мерење открива један или нулу - избор насумично одређен из вероватноће суперпозиције. Мерење поставља вредност кбит. Ако измеримо кубит и добијемо га, проверавање ће такође резултирати једним.

Кад дођемо до кутије, ми заправо узимамо сет кубика - довољно да представља све куглице. Кубити се стављају у стање суперпозиције које држи вероватноће проналажења сваке куглице. Пошто је претрага потпуно случајна, свака лопта је представљена с једнаком вероватноћом.

Сада покрећемо алгоритам који повећава вероватноћу проналаска црне кугле.

Можда ћете се запитати: Како можете повећати вероватноћу без да паднете врхунац? Одговор лежи у томе како један кбит држи вероватноће. Вероватноћа је представљена бројем између нуле и један. Али кубити садрже амплитуде вероватноће, које могу бити позитивне или негативне.

Као што Лидар каже: „[Т] тамо је где постоји стварна разлика. Не постоји појам негативне вероватноће (у класичној физици), то је бесмислено ... Али у квантном случају, можемо имати [а] негативну [вероватноћу] амплитуду која отказује позитивне [вероватноће] амплитуде. Управо кроз манипулације ових сметњи можемо да почнемо да разумемо како квантно рачунање може да добије предност. "

У том цитату су скривене две кључне тачке. Када негативна амплитуда задовољава позитивну амплитуду, нето резултат је нешто ближи нули, тако да вероватноћа тог одређеног исхода опада; ако се сусретну две позитивне амплитуде, вероватноћа за тај исход се повећава. Односно, можемо да манипулишемо вероватноћом одређеног исхода без мерења квида. (Не заборавите, мерењем ће се уништити стање суперпозиције.)

Што је још важније, кбиди се могу направити да то ураде сами. Када говоримо о позитивној амплитуди која испуњава негативну, они могу бити из истог кубита. А ако то не узрокује да се ваш ум мало савија и шкрипа, ништа неће.

Као резултат тога, квантни рачунар може брзо смањити вероватноћу добијања погрешног одговора и повећати изгледе за добијање тачног одговора. То је управо врста трика који квантни рачунар користи да повећа вероватноћу да нађе праву лопту.

Процес подложан грешкама

Да би се извршило рачунање, стање суперпозиције многих кубита је модификовано. Али између намерних измена, околина такође мења стање суперпозиције. Тај је шум непријатељ квантног рачунања, уништавајући стања суперпозиције готово онолико брзо колико их можемо створити.

Резултат тога је да су кубити непоуздани и склони грешкама. А те грешке морају бити откривене и исправљене.

Ово није тривијално. Као што Лидар каже: „[В] ће требати да користи висок степен сувишности да би се осигурало да се квантно рачунање може правилно извршити. Па, шта је онда ово покриће због кодирања? Па, може да буде прилично озбиљно, може да буде због фактора од 1.000 или 1.000.000. "

Другим речима, сваки део информација се кодира у малу армију кубита уместо једног кбита.

Како да направите квантни рачунар

Постоји неколико основних приступа у изградњи квантног рачунара. Најчешћи је приступ сличан ономе што сада градимо рачунаре, а зове се кружни модел квантног рачунања.

Сваки програм је сломљен у низ специфичних логичких операција, од којих већина мења амплитуде вероватноће једног кбит-а, зависно од амплитуда вероватноће другог кбит-а. Квантно рачунало засновано на кругу узима почетни скуп кбита и извршава сваку операцију у програму узастопно. Након покретања програма, стања квита се читају како би добили одговор.

ИБМ гради квантне рачунаре ове врсте, и чак се можете играти са њима. Али никако није сигурно да ће ИБМ-ов или било који други модел кола постати стандардни. Смањивање броја и броја радног века до корисне величине није лак задатак.

И друге компаније, попут Д-Ваве-а и Гоогле-а, такође се занимају. Али њихов приступ се прилично разликује од приступа ИБМ-а и већине истраживачких лабораторија. Најчешћи приступ изградњи квантног рачунара јесте приближавање идеја из уобичајених рачунара: логичке капије које изводе секвенцијалне операције. Али такође је могуће направити рачунаре који раде без директних логичких операција.

Д-Ваве квантни оптимизатор (Д-Ваве Инц.)

Разлика између два приступа је прилично дубока. У рачунару који користи секвенцијалну логику физички изглед рачунара је прилично једноставан, али редослед операција (или програма) може постати дуг и компликован. Напуштањем секвенцијалне логике, програм постаје врло једноставан - у ствари, скоро да и нема програмирања - али физички изглед постаје веома изазован, јер сваки кубит мора бити повезан са свим осталим кубитима.

Канадски старт-уп Д-Ваве већ неко време нуди ограничен облик квантног рачунања, али у овом тренутку његови процесори су премали да би могли да реше практичне проблеме. Изглед Д-Ваве процесора не повезује све кубите једни с другима. Као резултат, може се користити само за решавање неких врста проблема, али не и других.

Да бисте закомпликовали ствари, из перформанси рачунара није могуће знати да је квантни рачунар. Уместо тога, то би могао бити веома ефикасан традиционални рачунар. Гоогле и Лидар (који не раде за Гоогле) користе сличан приступ као и Д-Ваве; међутим, разлика је у томе што они имају за циљ да контролишу како квитови утичу једни на друге. Из тога се надају да ће доказати да овај приступ води квантном рачунару.

Проблем у потрази за квантним решењем

Ако су свесни квантних рачунара, већина људи их повезује са ломљивим шифрирањем. Модерна криптографија се ослања на чињеницу да је врло тешко пронаћи главне факторе врло великог броја.

Практични квантни рачунар томе ће, највјероватније, стати у крај. Али постоје и мање злобне апликације.

Најузбудљивије у развоју је коришћење квантних рачунара за решавање проблема квантне механике. То је апликација која ће вероватно променити свет.

Квантна механика описује својства материјала, од памука у вашој одећи до фотосинтезе у биљкама. Чак и са најмоћнијим традиционалним рачунарима, прилично је немогуће израчунати својства било којег молекула који садржи више од око 30 атома. Уместо тога, узимамо пречице, које не раде увек баш најбоље.

Квантни рачунар може бити много тачнији, па можемо имати много више поверења у то израчунавање. Научници могу да замисле много вансеријска својства, попут материјала који се хладе када су изложени сунцу, а затим користе квантни рачунар да одреде потребну структуру. И страна својства која су заиста немогућа могу се брже уклонити.

Колико смо близу?

Квантна рачунара стигла су у теорији са првим демонстрацијама деведесетих година. Ипак, ваше тајне су сигурне, а нећете наћи ни квантни рачунар који ради гадне ствари на свом банковном рачуну. Истраживачи попут Лидара још неко време не очекују практичан квантни рачунар.

Лидар каже да са 100 кубита у свету у којем не постоји потреба за квантном исправком грешака „Ми бисмо могли да почнемо да симулирамо квантне системе користећи квантне рачунаре у скали која надилази оно што је могуће код најмоћнијих класичних рачунара.“

Али, истраживачи имају циљ који се зове, алармантно, квантна супериорност. Упркос свом величанственом имену, квантна супериорност само показује да било који проблем изван могућности традиционалног рачунара, чак и онај без практичне вредности, може бити решен на квантном рачунару.

Показивање да квантни рачунари могу да раде како је предвиђено важан је корак и онај за који нико није апсолутно сигуран да ће се догодити. Али тек тада можемо заиста да верујемо будућим квантним рачунарима који могу да испуне своја обећања.

Лидар очекује да ће у наредних 12 месеци видети рачунар који би требало да буде у стању да постигне квантну надмоћ. Чини се да Гоогле посебно настоји да постигне квантну надмоћ што је брже могуће, док ИБМ опрезније приступа.

Након тога нас чека мутна, али узбудљива будућност.