Квантовыя кампутары - гэта не тое, што вы думаеце

Халадзільнік з развядзеннем, падобны на гэты ад IBM, астуджае квантавыя чыпы да дастаткова нізкіх тэмператур, пры якіх могуць адбывацца перапланіроўкі і заблытанасці без страты інфармацыі. Выява Грэма Карлава / IBM Research.

На працягу апошніх 50 гадоў наша тэхналогія сочыць за тым, што называюць законам Мура - законам, які паведамляе, што магутнасць кампутара падвойваецца прыблізна кожныя 18 месяцаў. Гэта значыць, мы чакаем, што кожны новы кампутар і смартфон будзе больш магутным, чым той, які быў да яго, і пры гэтым быў бы меншым і элегантным у дызайне. Аднак гэта не тэндэнцыя, якая можа працягвацца вечна. Некаторыя даследчыкі нават лічаць, што мы знаходзімся ў апошніх гадах гэтай карціны, бо наш прагрэс у галіне вылічальнай магутнасці пачынае нівеліравацца. Фізік Мічыё Каку мяркуе, што гэта азначае канец эпохі Сіліконавай даліны і можа выклікаць спад, калі мы не будзем выкарыстоўваць новыя матэрыялы, такія як графен, і не рэалізоўваць інструменты, такія як квантавыя кампутары, каб працягнуць свой прагрэс.

Перш чым перайсці да квантавых вылічэнняў, вось кароткі агляд таго, як працуюць звычайныя кампутары: камп'ютэрныя мікрасхемы складаюцца з асноўных модуляў, якія складаюцца з логічных варот, якія, у сваю чаргу, з'яўляюцца спалучэннем транзістараў. Гэта тое, што ўвесь кампутар - гэта шэраг простых крокаў, якія аб'ядноўваюцца, каб стварыць больш складаныя працэсы. Транзістары - гэта электрычныя перамыкачы, якія працуюць як выключальнік лямпачкі. Яны могуць быць альбо адкрытымі, альбо закрытымі, што дазваляе альбо блакуе электраэнергію і інфармацыю, якія паступаюць праз яе. Гэтыя простыя маленькія кампаненты маюць важнае значэнне для ўсёй нашай электронікі, і выдатная навіна заключаецца ў тым, што чым менш мы іх зробім, тым хутчэй яны будуць пры спажыванні менш энергіі. Вось чаму транзістары зараз набліжаюцца да памеру аднаго атама.

Але ёсць праблема з гэтай ідэяй.

Сёння мільярды транзістараў на вашым ноўтбуку і смартфоне складаюць прыблізна 14 нанаметраў і менш (каб атрымаць уяўленне пра тое, наколькі ён маленькі, шырыня адной пасмы валасоў складае каля 100 000 нанаметраў), гэта ўжо вельмі кампактна і ўражліва . Але як толькі транзістары дасягнуць дастаткова малых памераў, яны схільныя квантовай тунэліроўцы. Гэта азначае, што калі транзістары спрабуюць перашкодзіць праходжанню электронаў, яны могуць проста з'явіцца з іншага боку. Гэта прыводзіць да значна большай колькасці памылак і шуму, што прыводзіць да большага выпраўлення памылак, што патрабуе больш магутных працэсараў і гэтак далей. Ідэя квантовых кампутараў заключаецца ў тым, каб узяць гэтыя з'явы на квантавую сферу і выкарыстаць іх з карысцю для стварэння больш якасных машын.

У звычайных кампутарах інфармацыя кадуецца як біты, якія могуць быць як 1, так і 0. Чым больш бітаў вы маеце, тым больш складанай можа быць ваша інфармацыя. Гэтыя 1 і 0 могуць паходзіць з кампутара, які перагортвае напружанне ў ланцугу ўключэння і выключэння. Замест таго, каб выкарыстоўваць біты, квантавыя кампутары выкарыстоўваюць кубіты (квантавыя біты, якія можна зрабіць пры дапамозе фатона, электрона або ядра), якія могуць знаходзіцца ў стане 1, 0 альбо іх камбінацыі. У тым, што вядома як суперпазіцыя, кубіты могуць знаходзіцца паміж станамі. Напрыклад, гэта можа быць 30% і 70% 0. Кубіты ўпадуць у пэўны стан толькі ў тым выпадку, калі яны назіраліся.

Гэты патэнцыял азначае, што, хоць класічныя біты могуць быць толькі ў 1 з 16 магчымых камбінацый, у кубітах можа быць адначасова ўсе 16 гэтых камбінацый.

Звышправадны кубіт. Выява Эрыка Лучэра.

Калі гаварыць інакш, атамы круцяцца ўверх і ўніз у магнітным полі. Закруціцеся і гэта 0, круціцеся і гэта 1. Цяпер уявіце, што круціцца на нахіле. Гэтая здольнасць знаходзіцца ў некалькіх станах адразу - гэта сэрца суперпазіцыі.

Калі проста назіранне за гэтымі кубітамі змяняе іх і прыводзіць да страты інфармацыі, вы можаце ўявіць, наколькі яны адчувальныя. Адной з праблем з нашымі квантавымі кампутарамі з'яўляецца тое, што квантавыя эфекты вельмі далікатныя. Цяпло, шум і пыл могуць прывесці да таго, што кубіты могуць змяніць стан суперпазіцыі, так што яны павінны быць экранаваны і працаваць пры вельмі халодных тэмпературах, часам толькі на некалькі градусаў цяплей абсалютнага нуля (–459,67 ° F). Даследчыкі выкарыстоўваюць рэзанатары, каб убачыць і прачытаць стан кубітаў, так як рэзанатары значна прасцей мець зносіны.

Іншыя з'явы, якія гэтыя камп'ютэры выкарыстоўваюць, - гэта квантавае заблытанне і перашкода. Заблытванне - гэта вядомае "жахлівае дзеянне на адлегласці", пра якое казаў Эйнштэйн. Гэта сувязь паміж часціцамі, калі, змяняючы адзін, адразу ж зменіцца яго аналаг, незалежна ад таго, наколькі вялікая адлегласць паміж імі. Інтэрферэнцыя - гэта магчымасць кіраваць квантавымі станамі для прасоўвання сігналаў, накіраваных да правільнага адказу і адмены сігналаў, накіраваных да няправільнага, вельмі падобнага на тое, як навушнікі, якія адмяняюць шум, выкарыстоўваюць дакладныя хвалі, каб адмяніць якія ўваходзяць шумныя хвалі, пакідаючы толькі цішыню.

Хоць усё гэта гучыць - і ёсць - вельмі перспектыўна, шмат хто лічыць, што квантавыя кампутары будуць адказам на ўсё і прывядуць нас у новую эпоху супер прагрэсіўных тэхналогій і футурызму. Праўда, вы нават не маеце квантовага кампутара для асабістага карыстання. Яны толькі лепш, чым класічныя кампутары для вельмі спецыфічных функцый, такіх як атамная сувязь і пошук у базе дадзеных. Гэта праблемы, якія звычайныя кампутары складана выканаць. З пункту гледжання мадэлявання працэсаў у прыродзе, такіх як фотасінтэз, нашы кампутары наогул не могуць гэтага зрабіць, таму што прырода кадуе сваю інфармацыю ў квантавай механіцы. Для мадэлявання квантавых падзей патрабуецца квантавая машына.

Microsoft ужо распрацоўвае новую мову кадавання, якая будзе інтэграваць Python і C для палягчэння кадавання на квантавых кампутарах.

Іншае выкарыстанне для гэтых кампутараў будзе адлюстраванне чалавечага мозгу, мадэляванне хімічнай сувязі, аналіз вялікай колькасці дадзеных, выяўленне заканамернасцей, мадэляванне змяненняў клімату, павышэнне эфектыўнасці транспарту і забеспячэнне прагрэсу ў галіне штучнага інтэлекту.

Калі заданне патрабавала ад вас знайсці адзін правільны адказ са 100 мільёнаў варыянтаў, звычайны кампутар прайшоў бы 50 мільёнаў крокаў. Квантовы камп'ютэр можа прайсці толькі 10 000. Гэта вядома як алгарытм Гровера, і гэта прыклад таго, што квантавыя машыны маглі зрабіць лепш.

Мы сутыкаемся з многімі тымі ж праблемамі, што і перад праграмаваннем першых кампутараў, а таксама з новымі праблемамі, такімі як узгодненасць - як доўга кубіт можа захоўваць інфармацыю. Кампаніі таксама пачалі прымаць меры бяспекі, паколькі квантавыя кампутары маглі лёгка пралятаць праз матэматыку, якая ляжыць у аснове шыфравання, якое забяспечвае нашы чаты, сацыяльныя медыя, інтэрнэт-крамы і банкаўскія справы.

Цяпер хто-небудзь без квантавага кампутара нічога не прапускае. Квантовыя кампутары яшчэ не могуць працаваць лепш, чым нашы класічныя кампутары, і не чакаецца, што гэта будзе прынамсі яшчэ дзесяць гадоў.