Co jsou kvantové výpočty?
Kvantové výpočty slibují řešení některých největších výzev naší planety – v oblastech životního prostředí, zemědělství, zdraví, energie, klimatu, materiálové vědy a dalších. U některých z těchto problémů je klasický computing stále více vyzván, jak roste velikost systému. Při návrhu na škálování budou kvantové systémy pravděpodobně mít funkce, které překračují ty z dnešních nejvýkonnějších superpočítačů.
Tento článek vysvětluje principy kvantového computingu, jak se porovnává s klasickými výpočetními operacemi a jak používá principy kvantové mechaniky.
Historie kvantových výpočtů
Myšlenka kvantového počítače se narodila z obtížnosti simulace kvantových systémů na klasickém počítači. V 1980s, Richard Feynman a Yuri Manin nezávisle navrhli, že hardware založený na kvantových jevy může být efektivnější pro simulaci kvantových systémů než konvenční počítače.
Obtížnost simulace kvantové mechaniky je možné chápat mnoha způsoby. Nejjednodušší je vidět, že hmota na kvantové úrovni je v mnoha možných konfiguracích (označovaných jako stavy).
Kvantové stavy se exponenciálně rozrůstá.
Vezměte v úvahu systém elektronů, kde je $40$ možných míst, kde každé umístění může mít nebo nemá elektron. Systém proto může být v některé z $2^{40}$ konfigurací (protože každé umístění má dvě možné konfigurace, buď s elektronem nebo prázdným). K uložení kvantového stavu elektronů v konvenční počítačové paměti by se vyžadovalo více než $130$ GB paměti! Pokud zvýšíte počet možných umístění na $41$, bude k uložení kvantového stavu vyžadovat více než $260$ GB paměti dvakrát tolik konfigurací $na 2^{41}$.
Tato hra zvýšení počtu míst se nedá hrát neomezeně dlouho. Při několika stovkách elektronů paměť potřebná k uložení systému překračuje počet částic ve vesmíru; proto neexistuje naděje, že by konvenční počítače někdy simulují kvantovou dynamiku.
Přeměna obtížnosti na příležitost
Pozorování tohoto exponenciálního růstu vedlo vědce k položení výkonné otázky: mohli bychom simulovat kvantové systémy pomocí počítače, který využívá přesně stejné zákony fyziky? A mohli bychom použít ty, které tento počítač používá k prozkoumání dalších úloh, které jsou pro nás zásadní? Tyto otázky vedly k genezi kvantového computingu.
V roce 1985 ukázal David Deutsch, že kvantový počítač může efektivně simulovat chování jakéhokoli fyzického systému. Toto zjišťování bylo první indikací, že kvantové počítače je možné použít k řešení problémů, které jsou na klasických počítačích nečitelné.
V roce 1994 peter Shor objevil kvantový algoritmus pro faktoring celých čísel, které běží exponenciálně rychleji než nejznámější klasický algoritmus. Řešení faktoringu umožňuje zlomit mnoho našich kryptografických systémů veřejných klíčů, které jsou základem zabezpečení elektronického obchodování dnes, včetně RSA a Elliptic Curve Cryptography. Toto zjištění vyvolalo obrovský zájem o kvantové výpočty a vedlo k vývoji kvantových algoritmů pro mnoho dalších problémů.
Co je qubit?
Stejně jako bity jsou základním objektem informací v klasickém computingu, qubity (kvantové bity ) jsou základním objektem informací v kvantovém computingu.
Qubit je základní jednotka informace v kvantových výpočtech. Qubity hrají v kvantových výpočtech podobnou roli jako bity ve výpočtech klasických, ale chovají se naprosto jinak. Klasické bity jsou binární a mohou obsahovat pouze pozici $0$ nebo $1$, ale qubity mohou obsahovat superpozici všech možných stavů. To znamená, že qubit může být ve stavu 0, 1 nebo jakékoli kvantové superpozici těchto dvou. Existují nekonečné možné superpozice 0 a 1 a každý z nich je platným stavem qubitu.
V kvantových výpočtech se informace kódují do superpozice stavů 0 a 1. Například s 8 bity můžete kódovat $256$ různých hodnot, ale musíte zvolit jeden z nich, abyste ho zakódovali, protože 256 hodnot nemůže existovat. S 8 qubity můžete současně kódovat 256 hodnot. Toto chování je způsobeno tím, že qubit může být v superpozici všech možných stavů.
Další informace najdete v tématu Qubit v kvantových výpočtech.
Jaké jsou požadavky na vytvoření kvantového počítače?
Kvantový počítač je počítač, který využívá kvantové mechanické jevy. Kvantové počítače používají kvantové stavy hmoty k ukládání a výpočtu informací. &Mohou uvozovat; program" kvantové jevy, které dělají věci rychleji nebo lépe než klasické počítače.
Vytvoření kvantového počítače je složitá technická výzva, která vyžaduje hluboké pochopení kvantové mechaniky a schopnost řídit kvantové systémy v nejmenších měřítkuch. Při vytváření kvantového počítače je důležité myslet na to, jak vytvořit qubity a jak je uložit, manipulovat s nimi a číst výsledky výpočtů.
Proto vědci a technici pracují na různých technologiích qubitů při vytváření kvantových počítačů, protože každá technologie má své vlastní výhody a nevýhody. Nejčastěji používané technologie qubitů jsou zachycené iontové qubity, superkonduktivní qubity a topologické qubity. U některých metod úložiště qubitů se jednotka, ve které jsou qubity uloženy, uchovává při teplotě téměř k absolutní nule, aby maximalizovala jejich soudržnost a snížila interferenci. Jiné způsoby uchovávání qubitů používají vakuovou komoru, která minimalizuje vibrace a zajišťuje stabilitu. Signály mohou být na qubity přenášeny s využitím nejrůznějších metod, včetně mikrovln, laserů nebo elektrického napětí.
Pět kritérií kvantového počítače
Dobrý kvantový počítač by měl mít tyto pět funkcí:
- Škálovatelné: Může mít mnoho qubitů.
- Inicializovatelné: Může nastavit qubity na určitý stav (obvykle stav 0).
- Odolné: Qubity se můžou uchovávat ve stavu superpozice po dlouhou dobu.
- Univerzální: Kvantový počítač nemusí provádět všechny možné operace, pouze sadu operací označovanou jako univerzální sada. Sada univerzálních kvantových operací je taková, že jakoukoli jinou operaci lze rozdělit do posloupnosti.
- Spolehlivá: Dokáže přesně měřit qubity.
Tato pět kritérií se často označují jako di vincenzoová kritéria pro kvantové výpočty.
Vytváření zařízení, která splňují tato pět kritérií, je jednou z nejnáročnějších technických výzev, kterým lidstvo čelí. Azure Quantum nabízí různé řešení kvantových výpočtů s různými technologiemi qubitu. Další informace najdete v úplném seznamu poskytovatelů Azure Quantum.
Principy kvantových jevů
Kvantové jevy jsou základní principy, které odlišují kvantové výpočty od klasického computingu. Pochopení těchto jevů je zásadní pro pochopení toho, jak kvantové počítače fungují a proč takový potenciál mají. Dvě nejdůležitější kvantové jevy jsou superpozice a propletení.
Superpozice
Představte si, že cvičíte ve svém pokoji. Otáčíte se kam až to jde doleva a pak zase doprava. A teď se zkuste otočit doleva a doprava současně. Asi to nepůjde (tedy pokud se nerozdvojíte). Samozřejmě nemůžete být v obou těchto stavech najednou – nemůžete být otočení doleva i doprava zároveň.
Pokud jste ale subatomickou částicí, můžete s nějakou pravděpodobností směřovat doleva a SOUČASNĚ s nějakou pravděpodobností směřovat doprava díky jevu, který se označuje jako superpozice (někdy také jako koherence).
Na rozdíl od klasických částic jsou-li dva stavy A a B platnými kvantovými stavy kvantové částice, pak jakákoli lineární kombinace stavů je také platným kvantovým stavem: $\text{stav}=\alpha qubitu A + \beta B$.$ $$ $ Tato lineární kombinace kvantových stavů $A$ a $B$ se nazývá superpozice. $\alpha$ Tady a $\beta$ jsou amplitudy $pravděpodobnosti A$ a $B$, v uvedeném pořadí, tak^{{2} $|\alpha|+ |\beta|^{2}= 1$.
Ve stavech superpozice, které umožňují výkon kvantového computingu, mohou existovat pouze kvantové systémy, jako jsou ionty, elektrony nebo superkondukční obvody. Kvantová částice, jako je elektron, má svou vlastní vlastnost "směřující doleva nebo doprava", konkrétně rotace, označovaná jako buď nahoru nebo dolů, takže kvantový stav elektronu je superpozice " spin up" and " spin down".
Pokud se chcete dozvědět více a cvičit se superpozicí, podívejte se na školicí modul: Prozkoumání superpozice pomocí Q#.
Provázání
Propletení je kvantová korelace mezi dvěma nebo více kvantovými systémy. Když jsou dva qubity propletené, korelují a sdílejí informace o jejich stavech tak, aby se kvantový stav jednotlivých qubitů nedají popsat nezávisle. S kvantovým propletením můžete znát pouze kvantový stav globálního systému, nikoli jednotlivé stavy.
Propletené kvantové systémy udržují tuto korelaci i v případě, že jsou odděleny nad velkými vzdálenostmi. To znamená, že jakákoli operace nebo proces, který použijete u jednoho subsystému, koreluje i s druhým subsystémem. Měření stavu jednoho qubitu tedy poskytuje informace o stavu druhého qubitu – tato konkrétní vlastnost je velmi užitečná při kvantovém computingu.
Pokud se chcete dozvědět více, podívejte se na kurz: Prozkoumání kvantového propletení s Q# a praktickou implementací si projděte školicí modul: Teleportování qubitu pomocí propletení.