Poznámka:
Přístup k této stránce vyžaduje autorizaci. Můžete se zkusit přihlásit nebo změnit adresáře.
Přístup k této stránce vyžaduje autorizaci. Můžete zkusit změnit adresáře.
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
Kvantové systémy, jako jsou atomy a molekuly, mohou být obtížné nebo nemožné simulovat na klasickém počítači. V roce 1980 richard Feynman a Yuri Manin navrhli, že hardware založený na kvantových jevech může být efektivnější pro simulaci kvantových systémů než běžné počítače.
Existuje několik důvodů, proč jsou kvantové systémy obtížně simulované na běžných počítačích. Jedním z hlavních důvodů je, že hmota na kvantové úrovni je popsaná jako kombinace více konfigurací (označovaných jako stavy) současně.
Kvantové stavy rostou exponenciálně
Zvažte systém částic a 40 možných míst, kde mohou tyto částice existovat. Systém může být v libovolném z $2^{40}$ jedinečných stavů, protože každé umístění může mít nebo nemá částice. Pokud se jedná o klasické částice, systém je vždy v jednom ze $stavů 2^{40}$ , takže klasický počítač potřebuje pouze 40 bitů k popisu stavu systému. Ale pokud se jedná o kvantové částice, pak systém existuje v kombinaci všech $2^{40}$ stavů. Klasický počítač potřebuje uložit 2^$ čísel pro popis kvantového systému, což vyžaduje více než 130 GB paměti. K popisu tohoto kvantového systému však kvantový počítač potřebuje pouze 40 kvantových bitů.
Pokud do systému přidáme další umístění tak, aby elektrony mohly existovat ve 41 lokalitách, počet jedinečných konfigurací systému se zdvojnásobí na $2^{41}$. Uložení tohoto kvantového stavu na klasickém počítači by trvalo více než 260 GB paměti. Nemůžeme donekonečna pokračovat ve zvyšování počtu míst. Pokud chcete uložit kvantový stav na konvenčním počítači, rychle překročíte kapacity paměti nejvýkonnějších počítačů na světě. Při několika stovkách elektronů paměť potřebná k uložení systému překračuje počet částic ve vesmíru. V našich konvenčních počítačích neexistuje žádná naděje na úplnou simulaci kvantové dynamiky pro větší systémy!
Přeměna obtížnosti na příležitost
Pozorování tohoto exponenciálního růstu představovalo silnou otázku: je možné tuto potíže změnit na příležitost? Pokud je obtížné simulovat kvantové systémy na běžných počítačích, co by se stalo, když vytvoříme počítač, který používá kvantové efekty pro své základní operace? Mohli bychom simulovat kvantové systémy pomocí počítače, který využívá přesně stejné zákony fyziky? A mohli bychom tento počítač použít k prozkoumání dalších důležitých problémů mimo kvantovou mechaniku? Jedná se o druhy otázek, které vznikly v oblasti kvantových informací a kvantových výpočtů.
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 příliš obtížné vyřešit na klasických počítačích.
V roce 1994 peter Shor objevil kvantový algoritmus, který najde základní faktory velkých celých čísel. Shorův algoritmus se spouští exponenciálně rychleji než nejznámější klasický algoritmus pro tento faktoringový problém. Takový rychlý algoritmus by mohl potenciálně narušit mnoho našich moderních kryptografických systémů veřejných klíčů, které používáme k zabezpečení transakcí v elektronickém obchodování, jako je Rivest–Shamir–Adleman (RSA) a Elliptic Curve Cryptography. Toto zjištění vyvolalo obrovský zájem o kvantové výpočty a vedlo k vývoji kvantových algoritmů pro mnoho dalších problémů.
Od té doby byly rychlé a efektivní kvantové počítačové algoritmy vyvinuty pro jiné problémy, které se obtížně řeší na klasických počítačích. Teď máme například kvantové algoritmy, které umožňují prohledávat neuspořádanou databázi, řešit systémy lineárních rovnic, provádět strojové učení a simulovat fyzické systémy v chemii, fyzikě a materiálové vědě.
Co je qubit?
Stejně jako bity jsou základním objektem informací v klasickém computingu, qubity (kvantové bity) jsou základním objektem informací v kvantovém computingu.
Qubity hrají v kvantovém computingu podobnou roli jako bity v klasickém computingu, ale qubity se chovají jinak než bity. Klasické bity jsou binární a v každém okamžiku mohou být pouze v jednom ze dvou stavů, 0 nebo 1. Qubity ale mohou být ve superpozici jak 0, tak 1 stavů najednou. Ve skutečnosti existují nekonečné možné superpozice 0 a 1 a každý z nich je platným stavem qubitu.
V kvantových výpočtech se informace kódují do superpozicí stavů 0 a 1. Například 8 běžných bitů může kódovat až 256 jedinečných hodnot, ale tyto 8 bitů můžou představovat pouze jednu z 256 hodnot najednou. S 8 qubity bychom mohli současně zakódovat všechny hodnoty 256, protože qubity můžou být v superpozici všech 256 možných stavů.
Další informace najdete v tématu Qubit v kvantových výpočtech.
Jaké jsou požadavky na vytvoření kvantového počítače?
Kvantový počítač používá kvantové systémy a vlastnosti kvantové mechaniky k řešení výpočetních problémů. Systémy v kvantovém počítači se skládají z qubitů, interakcí mezi qubity a operacemi na qubitech pro ukládání a výpočetní informace. Pomocí kvantových počítačů můžeme programovat efekty, jako jsou kvantové propletení a kvantová interference, abychom přesně vyřešili určité problémy rychleji než na klasických počítačích.
Abychom mohli vytvořit kvantový počítač, musíme zvážit, jak vytvořit a uložit qubity. Musíme také přemýšlet o tom, jak manipulovat s qubity a jak měřit výsledky našich výpočtů.
Mezi oblíbené technologie qubitů patří zachycené iontové qubity, superkondukční qubity a topologické qubity. U některých metod úložiště qubitů musí být jednotka, ve které jsou qubity uloženy, při teplotě téměř absolutní nuly, aby se maximalizovala jejich soudržnost a snížila interference. Jiné způsoby uchovávání qubitů používají vakuovou komoru, která minimalizuje vibrace a zajišťuje stabilitu. Signály lze do qubitů odesílat různými metodami, jako jsou mikrovlnné trouby, lasery nebo 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 úplně doleva a pak úplně doprava. A teď se zkuste otočit doleva a doprava současně. Nepodaří se vám to (tedy pokud se nerozdělíte na dvě části, alespoň). 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).
Ve stavech superpozice, které umožňují výkon kvantového computingu, mohou existovat pouze kvantové systémy, jako jsou ionty, elektrony nebo superkondukční obvody. Například elektrony jsou kvantové částice, které mají vlastní &vlastnost 'směřování doleva nebo doprava',&zvanou spin. Dva stavy spinu se nazývají spin nahoru a spin dolů, a kvantový stav elektronu je superpozicí stavů spin nahoru a spin dolů.
Pokud se chcete dozvědět více a cvičit se superpozicí, podívejte se na školicí modul: Prozkoumání superpozice pomocí Q#.
Propletení
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 pro praktickou implementaci si projděte výukový modul: Teleportace qubitu pomocí propletení.