De la prima idee a unui computer cuantic din 1980 până astăzi, industria de calcul cuantic a crescut foarte mult, mai ales în ultimii 10 ani. Multe companii lucrează la calculatoare cuantice.
Înțelegerea calculului cuantic poate fi dificilă pentru majoritatea dintre noi, iar multe informații despre aceasta nu explică detaliile importante.
Acest articol intenționează să clarifice totul și, dacă citiți întregul articol, veți obține o înțelegere cuprinzătoare a ceea ce este calculul cuantic, diferitele tipuri de calcul cuantic, funcționarea lor, algoritmi, modele, abordări, provocări și aplicații.
Cuprins
Ce sunt calculatoarele cuantice?
Calculatoarele cuantice rezolvă problemele într-un mod diferit față de computerele cu care suntem familiarizați, la care, de acum înainte, mă voi referi ca fiind computere clasice.
Calculatoarele cuantice au anumite avantaje față de computerele normale pentru anumite probleme, care provin din capacitatea lor de a fi într-un număr mare de stări în același timp, în timp ce computerele clasice pot ocupa doar o singură stare la un moment dat.
Sursa imagine: IBM
Pentru a înțelege acest lucru și pentru a înțelege cum funcționează computerele cuantice, trebuie să înțelegeți trei lucruri: suprapunere, încurcare și interferență.
Elementele de bază ale unui computer obișnuit sunt biții, iar pentru un computer cuantic, sunt biți cuantici sau qubiți pe scurt. Ele operează în moduri fundamental distincte.
Un bit clasic este un fel ca un comutator care poate fi fie un 0, fie un 1, cu care probabil ești deja familiarizat ca informație binară sau binară. Când măsurăm puțin, revenim la starea în care se află în prezent, dar vom vedea că acest lucru nu este adevărat pentru qubiți. Un qubit este mai complicat.
Suprapunere
Pentru o vizualizare utilă, vă puteți gândi la ele ca la o săgeată care indică în spațiul 3D. Dacă arată în sus, sunt în starea 1 și dacă arată în jos, sunt în starea 0, la fel ca un bit clasic, dar au și opțiunea de a fi într-un lucru numit stare de suprapunere, care este atunci când săgeata indică în orice altă direcție.
Această stare de suprapunere este o stare combinată de 0 și 1.
Stare de suprapunere
Acum, când măsurați un qubit, rezultatul va fi în continuare fie 1, fie 0, dar care îl obțineți depinde de o probabilitate care este stabilită de direcția săgeții.
Dacă săgeata este îndreptată mai mult în sus, este mai probabil să obțineți un 1 decât un 0, iar dacă este îndreptată în jos, este mai probabil să obțineți un 0 decât un 1, iar dacă este exact pe ecuator, Vom obține oricare dintre stări cu o probabilitate de 50%.
Deci, acesta este efectul suprapunerii explicat; acum vom trece la încurcare.
Încurcarea
În calculatoarele clasice, biții sunt complet independenți unul de celălalt. Starea unui bit nu este influențată de starea niciunuia dintre ceilalți biți. Dar în computerele cuantice, qubiții pot fi încurcați unul cu celălalt, ceea ce înseamnă că devin parte dintr-o stare cuantică mare împreună.
De exemplu, să ne uităm la doi qubiți care sunt fiecare în stări diferite de suprapunere, dar nu sunt încă încurși. Puteți vedea probabilitățile lângă ele, iar aceste probabilități sunt în prezent independente unele de altele.
Dar când le încurcăm, trebuie să aruncăm acele probabilități independente și să calculăm o distribuție de probabilitate a tuturor stărilor posibile pe care le putem ieși. Fie 00, 01, 10 sau 11.
Punctul important aici este că qubiții sunt încurși; dacă schimbați direcția săgeții pe un qubit, se schimbă distribuția de probabilitate pentru întregul sistem, astfel încât qubiții nu mai sunt independenți unul de celălalt; toate fac parte din același stat mare.
Și acest lucru este adevărat indiferent de câți qubiți ai. Veți observa, de asemenea, că pentru un qubit aveți o distribuție de probabilitate pe 2 stări.
Cu doi qubiți, aveți o distribuție de probabilitate răspândită în patru stări. Pentru trei qubits aveți o distribuție pe 8 stări, iar aceasta continuă să se dubleze de fiecare dată când adăugați un alt qubit.
În general, un computer cuantic de n qubiți poate fi într-o combinație de 2^n stări. Deci, aș spune că aceasta este diferența de bază dintre computerele clasice și computerele cuantice.
Calculatoarele clasice pot fi în orice stare doriți, dar pot fi într-o singură stare la un moment dat, în timp ce computerele cuantice pot fi într-o suprapunere a tuturor acestor stări în același timp.
Dar s-ar putea să vă întrebați cum de a fi în această stare de suprapunere poate fi utilă într-un computer. Ei bine, pentru asta avem nevoie de componenta finală: Interferența.
Interferență
Pentru a explica efectul interferenței, trebuie să ne întoarcem și să ne uităm la imaginea mea a unui qubit numit tehnic sferă Bloch. Un qubit nu arată așa; acesta este doar un mod frumos de a vizualiza starea unui qubit.
În realitate, starea unui qubit este descrisă de o entitate mai abstractă cunoscută sub numele de funcție de undă cuantică. Funcțiile de undă sunt descrierea matematică fundamentală a tuturor lucrurilor din mecanica cuantică.
Când aveți mulți qubiți încurși, toate funcțiile lor de undă sunt adăugate într-o funcție de undă generală care descrie starea computerului cuantic.
Această adunare a funcțiilor de undă este interferența deoarece, la fel ca și în cazul ondulațiilor de apă, atunci când adăugăm valuri împreună, ele pot interfera constructiv și se pot adăuga împreună pentru a face un val mai mare sau pot interfera distructiv pentru a se anula reciproc.
Funcția de undă generală a computerului cuantic este cea care stabilește diferitele probabilități ale diferitelor stări, iar prin schimbarea stărilor diferiților qubiți putem schimba probabilitățile ca diferite stări să fie dezvăluite atunci când măsurăm computerul cuantic.
Amintiți-vă că, deși computerul cuantic poate fi într-o suprapunere de milioane de stări în același timp când îl măsurăm, obținem doar o singură stare.
Deci, atunci când utilizați un computer cuantic pentru a rezolva o problemă de calcul, trebuie să utilizați interferența constructivă pentru a crește probabilitatea răspunsului corect și să utilizați interferența distructivă pentru a reduce probabilitățile răspunsurilor incorecte, astfel încât atunci când o măsurați răspunsul corect va ieși.
Algoritmi cuantici
Acum, cum faci asta este domeniul algoritmilor cuantici, iar întreaga motivație din spatele calculului cuantic este că, teoretic, există o grămadă de probleme pe care le poți rezolva pe un computer cuantic despre care se crede că sunt insolubile pe computerele clasice.
Să aruncăm o privire la ele. Există mulți algoritmi cuantici, prea mulți pentru a fi descriși în acest articol, așa că ne vom concentra doar pe cel mai faimos și important din punct de vedere istoric: algoritmul lui Shor.
#1. Algoritmul lui Shor
Dacă aveți două numere mari și le înmulțiți împreună, există un algoritm foarte rapid, eficient, clasic pentru găsirea răspunsului. Totuși, dacă începi cu răspunsul și întrebi, care sunt numerele originale care se înmulțesc împreună pentru a face acest număr? Este mult mai dificil.
Acest lucru este cunoscut sub denumirea de factorizare, iar aceste numere sunt numite factori și motivul pentru care găsirea lor este atât de dificilă este că spațiul de căutare a posibililor factori este atât de mare. Și nu există un algoritm clasic eficient pentru găsirea factorilor numerelor mari.
Din acest motiv, folosim această proprietate matematică pentru criptarea internetului: site-uri web, e-mailuri și conturi bancare securizate. Dacă cunoașteți acești factori, puteți decripta cu ușurință informațiile, dar dacă nu știți, ar trebui să-i găsiți mai întâi, ceea ce este insolubil pe cele mai puternice computere din lume.
Algoritmul lui Shor
Acesta este motivul pentru care în 1994, când Peter Shor a publicat un algoritm cuantic rapid care ar putea găsi eficient factorii numerelor întregi mari, a provocat destulă agitație.
Acesta a fost momentul în care mulți oameni au început să ia în serios ideea de calcul cuantic, deoarece a fost prima aplicație la o problemă din lumea reală cu implicații potențial uriașe de securitate în lumea reală.
Dar când spun un algoritm cuantic „rapid”, cât de rapid și cu cât ar fi mai rapid decât un computer clasic? Pentru a răspunde la aceste întrebări trebuie să facem un mic ocol în lumea teoriei complexității cuantice.
Teoria complexității cuantice
Teoria complexității cuantice este un subdomeniu al lumii teoriei complexității computaționale, care se ocupă cu clasificarea algoritmilor, sortându-i în coșuri în funcție de cât de bine funcționează pe computere.
Clasificarea este determinată de creșterea nivelului de dificultate în rezolvarea problemei pe măsură ce aceasta devine mai mare. Aici, orice problemă din interiorul cutiei P este ușor de rezolvat de computerele clasice, dar orice în afara ei înseamnă că nu avem algoritmi clasici eficienți pentru a le rezolva, iar factorizarea numerelor mari este una dintre acestea.
Dar există un cerc, BQP, care este eficient pentru un computer cuantic, dar nu pentru un computer clasic. Și acestea sunt problemele pe care calculatoarele cuantice le vor rezolva mai bine decât computerele clasice.
După cum am spus, teoria complexității analizează cât de dificil este să rezolvi o problemă pe măsură ce problema devine mai mare. Deci, dacă factorizați un număr cu 8 cifre, apoi adăugați o altă cifră, cu cât este mai greu să factorizați noul număr în comparație cu cel vechi? Este de două ori mai greu?
Exponențial mai greu? Și care este tendința pe măsură ce adăugați din ce în ce mai multe cifre? Aceasta se numește complexitate sau scalare, iar pentru factorizare, este exponențială.
Orice cu N în exponent este exponențial greu. Aceste probleme exponențiale sunt problemele care te încurcă pe măsură ce problemele devin tot mai mari și, în lumea informaticii, poți câștiga respect și renume dacă găsești un algoritm mai bun pentru a rezolva aceste probleme cele mai grele.
Un exemplu în acest sens a fost algoritmul lui Shor, care a profitat de caracteristicile speciale ale calculatoarelor cuantice pentru a crea un algoritm care ar putea rezolva factorizarea întregilor cu o scalare mult mai bună decât cel mai bun algoritm clasic.
Cel mai bun algoritm clasic este exponențial, în timp ce algoritmul lui Shor este polinom, ceea ce este o afacere uriașă în lumea teoriei complexității și a informaticii în general, deoarece transformă o problemă de nerezolvat într-una rezolvabilă.
Rezolvat, adică dacă aveți un computer cuantic funcțional, la care lucrează oamenii. Dar încă nu trebuie să vă faceți griji cu privire la securitatea contului dvs. bancar, deoarece computerele cuantice de astăzi nu sunt încă capabile să ruleze algoritmul lui Shor pe numere mari.
IBM Quantum
Ar avea nevoie de aproximativ mulți qubiți pentru a face acest lucru, dar până acum, cele mai avansate computere cuantice universale au în jur 433.
De asemenea, oamenii lucrează la ceea ce este cunoscut sub numele de scheme de criptare post-cuantică, care nu utilizează factorizarea întregi, iar o altă tehnologie din lumea fizicii cuantice poate ajuta și aici, o schemă criptografică cunoscută sub numele de criptografie cuantică.
Așadar, a fost o privire la un singur algoritm cuantic, dar există multe altele, fiecare cu niveluri diferite de accelerare.
#2. Algoritmul lui Grover
Un alt exemplu notabil este algoritmul lui Grover, care poate căuta liste nestructurate de date mai rapid decât cel mai bun algoritm clasic.
Dar ar trebui să fim atenți aici pentru a ne asigura că nu caracterizăm greșit computerele clasice. Sunt dispozitive foarte versatile și nu există nimic de spus că cineva ar putea găsi un algoritm clasic foarte inteligent care ar putea rezolva cele mai grele probleme precum factorizarea întregilor mai eficient.
Oamenii cred că este foarte puțin probabil, dar nu este exclus. De asemenea, există probleme despre care putem dovedi că sunt imposibil de rezolvat pe computerele clasice, numite probleme necalculabile, precum problema opririi, dar acestea sunt și imposibil de rezolvat pe un computer cuantic.
Deci, din punct de vedere computațional, calculatoarele clasice și calculatoarele cuantice sunt echivalente între ele, diferențele vin toate din algoritmii pe care îi pot rula. Puteți chiar simula un computer cuantic pe un computer clasic și invers.
Simularea unui computer cuantic pe un computer clasic devine exponențial mai dificilă pe măsură ce crește numărul de qubiți simulați.
Acest lucru se datorează faptului că calculatoarele clasice se luptă să simuleze sisteme cuantice, dar pentru că calculatoarele cuantice sunt deja sisteme cuantice, nu au această problemă, ceea ce mă aduce la aplicația mea preferată de calculatoare cuantice: simularea cuantică.
#3. Simulare cuantică
Simularea cuantică simulează lucruri precum reacțiile chimice sau modul în care electronii se comportă în diferite materiale cu ajutorul unui computer. Aici, computerele cuantice au, de asemenea, o accelerare exponențială față de computerele clasice, deoarece computerele clasice se luptă să simuleze sistemele cuantice.
Dar simularea sistemelor cuantice cu cât mai puține particule este dificilă chiar și pe cele mai puternice supercalculatoare din lume. De asemenea, nu putem face acest lucru încă pe computerele cuantice, dar pe măsură ce se maturizează, un obiectiv principal este de a simula sisteme cuantice din ce în ce mai mari.
Acestea includ domenii precum comportamentul materialelor exotice la temperaturi scăzute, cum ar fi înțelegerea a ceea ce face ca unele materiale să conducă supraconducerea sau studierea reacțiilor chimice importante pentru a le îmbunătăți eficiența; un exemplu urmărește să producă îngrășăminte într-un mod care să emită mult mai puțin dioxid de carbon, deoarece producția de îngrășăminte contribuie la aproximativ 2% din emisiile globale de carbon.
Puteți afla în profunzime despre simularea chimiei cuantice.
Simulare cuantică
Alte aplicații potențiale ale simulării cuantice includ îmbunătățirea panourilor solare, îmbunătățirea bateriilor și dezvoltarea de noi medicamente, substanțe chimice sau materiale pentru aerospațial.
În general, simularea cuantică ar însemna că am fi capabili să prototipăm rapid multe materiale diferite în interiorul unui computer cuantic și să le testam toți parametrii fizici, în loc să trebuiască să le facem fizic și să le testam într-un laborator, ceea ce este mult mai laborios și mai costisitor. proces.
Acest lucru are potențialul de a accelera semnificativ procesele și de a duce la economii substanțiale de timp și costuri. Merită să repetăm că toate acestea sunt aplicații potențiale ale computerelor cuantice, deoarece nu avem încă niciun computer cuantic care să poată rezolva problemele din lumea reală mai bine decât computerele noastre normale. Dar acestea sunt tipurile de probleme pentru care computerele cuantice ar fi potrivite.
Modele de calculatoare cuantice
În lumea calculatoarelor cuantice, există o gamă largă de abordări pentru a transforma diferite tipuri de sisteme cuantice în calculatoare cuantice și există două straturi de nuanță despre care trebuie să vorbesc.
Modelul circuitului
În modelul de circuit, ei au qubiți care funcționează împreună și porți speciale care se joaca cu câțiva qubiți la un moment dat, schimbându-și stările fără a verifica. Ei au pus aceste porți într-o ordine specifică pentru a crea un algoritm cuantic. În cele din urmă, măsurați qubiții pentru a obține răspunsul necesar.
Credit imagine: qiskit
Calcul cuantic adiabatic
În calculul cuantic adiabatic, profitați de unul dintre comportamentele fundamentale din fizică, faptul că fiecare sistem din fizică se mișcă întotdeauna spre starea minimă de energie. Calculul cuantic adiabatic funcționează prin încadrarea problemelor, astfel încât starea cea mai scăzută de energie a sistemului cuantic să reprezinte soluția.
Recoacerea cuantică
Recoacere cuantică nu este o schemă de calcul cuantică universală, dar funcționează pe același principiu ca și calculul cuantic adiabatic, sistemul găsind starea minimă de energie a unui peisaj energetic pe care i-o oferiți.
Calcul cuantic topologic
În această abordare, qubiții sunt construiți dintr-o entitate din fizică numită cvasi-particulă Majorana în modul zero, care este un tip de oricine non-abelian. Se preconizează că aceste cvasiparticule vor fi mai stabile datorită separării lor fizice unele de altele.
Credit de imagine Civilsdayly
Provocări în construcție
Indiferent care este abordarea, toți se confruntă cu un set similar de obstacole, pe care trebuie să le aruncăm mai întâi o privire.
- Decoerență: este foarte greu să controlezi sistemele cuantice, deoarece dacă ai vreo interacțiune ușoară cu lumea exterioară, informațiile încep să se scurgă. Aceasta se numește decoerență. Qubiții tăi vor fi alcătuiți din materiale fizice și veți avea nevoie de alte lucruri fizice în apropiere pentru a le controla și măsura; qubiții tăi sunt muți; se vor încurca cu tot ce pot. Trebuie să vă proiectați qubiții cu mare atenție pentru a-i proteja de încurcarea cu mediul.
- Zgomot: trebuie să vă protejați qubiții de orice fel de zgomot, cum ar fi raze cosmice, radiații, energie termică sau particule necinstite. O anumită cantitate de decoerență și zgomot este inevitabil în orice sistem fizic și este imposibil de eliminat complet.
- Scalabilitate: pentru fiecare qubit, trebuie să aveți o grămadă de fire pentru a-l manipula și măsura. Pe măsură ce adăugați mai mulți qubiți, infrastructura necesară crește liniar, ridicând o provocare inginerească semnificativă. Orice proiectare de computer cuantic trebuie să găsească o modalitate de a încurca, controla și măsura eficient toți acești qubiți pe măsură ce crește.
- Corectarea erorilor cuantice: Corectarea erorilor cuantice este o schemă de corectare a erorilor pentru a face calculatoare cuantice tolerante la erori prin utilizarea mai multor qubiți încurși împreună pentru a reprezenta un qubit fără zgomot. Acest lucru necesită un număr mare de qubiți fizici pentru a face un qubit tolerant la erori.
Implementări fizice
Există o gamă largă de implementări fizice diferite ale computerelor cuantice, deoarece există atât de multe sisteme cuantice diferite din care le-ați putea construi. Iată câteva dintre cele mai utilizate și de succes abordări:
- Calculatoare cuantice supraconductoare: qubiții supraconductori sunt în prezent cea mai populară abordare. Acești qubiți sunt fabricați din fire supraconductoare cu o întrerupere în supraconductor numită joncțiune Josephson. Cel mai popular tip de qubit supraconductor se numește transmon.
- Calculatoare Quantum Dot Quantum: Qubiții sunt formați din electroni sau grupuri de electroni, iar sistemul cu două niveluri este codificat în spinul sau sarcina electronilor. Acești qubiți sunt construiți din semiconductori precum siliciul.
- Calcul cuantic optic liniar: calculatoarele cuantice optice folosesc fotoni de lumină ca qubiți și operează pe acești qubiți folosind elemente optice precum oglinzi, plăci de undă și interferometre.
- Calculatoare cuantice cu ioni prinși: Atomii încărcați sunt utilizați ca qubiți, iar acești atomi sunt ionizați, având un electron lipsă. Starea cu două niveluri care codifică qubit-ul este nivelurile de energie specifice ale atomului, care pot fi manipulate sau măsurate cu microunde sau fascicule laser.
- Centrul de culoare sau calculatoare cuantice cu azot liber: acești qubiți sunt fabricați din atomi încorporați în materiale precum azotul în diamant sau carbură de siliciu. Ele sunt create folosind spinurile nucleare ale atomilor încorporați și sunt încurcate împreună cu electronii.
- Atomi neutri în rețelele optice: această abordare captează atomi neutri într-o rețea optică, care este un aranjament încrucișat de fascicule laser. Sistemul cu două niveluri pentru qubiți poate fi nivelul de energie hiperfină al atomului sau stările excitate.
Acestea sunt câteva dintre abordările cheie ale construirii computerelor cuantice, fiecare având propriile caracteristici și provocări unice. Calculul cuantic se schimbă rapid, iar alegerea abordării corecte este vitală pentru succesul viitor.
Aplicații ale calculatoarelor cuantice
- Simulare cuantică: Calculatoarele cuantice au potențialul de a simula sisteme cuantice complexe, făcând posibilă studierea reacțiilor chimice, a comportamentului electronilor în materiale și a diferiților parametri fizici. Acest lucru are aplicații în îmbunătățirea panourilor solare, bateriilor, dezvoltării de medicamente, materialelor aerospațiale și multe altele.
- Algoritmi cuantici: algoritmi precum algoritmul lui Shor și algoritmul lui Grover pot rezolva probleme despre care se crede că sunt insolubile pentru computerele clasice. Acestea au aplicații în criptografie, optimizarea sistemelor complexe, învățarea automată și AI.
- Securitate cibernetică: computerele cuantice reprezintă o amenințare pentru sistemele clasice de criptare. Cu toate acestea, ele pot contribui și la securitatea cibernetică prin dezvoltarea unor scheme de criptare rezistente la cuantice. Criptografia cuantică, un domeniu legat de calculul cuantic, poate îmbunătăți securitatea.
- Probleme de optimizare: Calculatoarele cuantice pot aborda probleme complexe de optimizare mai eficient decât calculatoarele clasice. Aceasta are aplicații în diverse industrii, de la managementul lanțului de aprovizionare până la modelarea financiară.
- Prognoza meteo și schimbările climatice: deși nu sunt complet detaliate în articol, computerele cuantice ar putea îmbunătăți modelele de prognoză meteo și ar putea ajuta la abordarea provocărilor legate de schimbările climatice. Acesta este un domeniu care poate beneficia de calculul cuantic în viitor.
- Criptografia cuantică: Criptografia cuantică sporește securitatea datelor folosind principii cuantice pentru o comunicare sigură. Într-o perioadă de creștere a amenințărilor cibernetice, acest lucru este crucial.
Acum trebuie să fim puțin atenți la potențialul de hype aici, deoarece multe dintre pretențiile despre ce vor fi bune computerele cuantice vin de la oameni care strâng în mod activ bani pentru a le construi.
Dar punctul meu de vedere este că din punct de vedere istoric, atunci când o nouă tehnologie a apărut, oamenii vremii nu sunt cei mai buni în a putea spune pentru ce va fi folosită.
De exemplu, oamenii care au inventat primele computere nu au visat niciodată la internet și la toate lucrurile de pe el. Probabil că acest lucru va fi același pentru computerele cuantice.
Gânduri finale
Calculatoarele cuantice se îmbunătățesc în fiecare zi și, deși nu le putem folosi încă în viața de zi cu zi, ele au potențial pentru aplicații practice în viitor.
În acest articol, am discutat diferite aspecte ale calculatoarelor cuantice, inclusiv conceptele lor fundamentale, cum ar fi suprapunerea, încurcarea și interferența.
După aceea, am explorat algoritmi cuantici, inclusiv algoritmul lui Shor și algoritmul lui Grover. De asemenea, am studiat teoria complexității cuantice și diferitele modele de computere cuantice.
Ulterior, am abordat provocările și problemele practice de implementare asociate cu calculul cuantic. În cele din urmă, am examinat gama largă de aplicații potențiale pentru calculatoarele cuantice.
În continuare, puteți citi și despre Întrebări frecvente despre calculul cuantic.