Co jsou kvantové výpočty?
Kvantové počítače představují nové koncepty tradičních programovacích metod pomocí speciálních pravidel kvantové fyziky k výpočtům.
Pojďme se podívat, jak se kvantové výpočty liší od klasických výpočtů a jak vytvořit kvantový počítač.
Narození kvantových výpočtů
Myšlenka kvantového počítače se narodila z obtížnosti simulace kvantových systémů 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 mnoho způsobů, jak pochopit, proč se kvantové systémy obtížně simulují. Nejjednodušší je vidět, že hmota na kvantové úrovni je ve spoustě možných konfigurací (označovaných jako stavy) najednou.
Kvantové výpočty se exponenciálně rozrůstá
Představte si například systém kvantových částic, například elektronů. Existují $40$ možné pozice nebo místa pro elektrony. Systém proto může být v jakékoli konfiguraci $2^{40}$, protože každé umístění může mít nebo nemá elektron. K uložení kvantového stavu elektronů v běžné počítačové paměti bychom jí potřebovali víc než $130$ GB! Pokud by elektrony byly povoleny do jednoho dodatečného umístění, aby mohly být v jakékoli pozici $41$, bylo by k uložení kvantového stavu dvakrát tolik konfigurací na $2^{41}$, což by pak vyžadovalo více než $260$ GB paměti.
Tato hra zvýšení počtu míst se nedá hrát neomezeně dlouho. Pokud chcete uložit stav konvenčním způsobem, rychle byste překročili paměťové kapacity nejvýkonnějších počítačů na světě. Při několika stovkách elektronů paměť potřebná k uložení systému překračuje počet částic ve vesmíru; a naše konvenční počítače tedy nemají žádnou naději, že budou simulovat jejich kvantovou dynamiku.
Přeměna obtížnosti na příležitost
Pozorování tohoto exponenciálního růstu vedlo k položení silné otázky: je možné tuto potíže změnit na příležitost? Konkrétně platí, že pokud je obtížné simulovat kvantové systémy, co by se stalo, když vytvoříme hardware, který má kvantové účinky jako základní operace? Mohli bychom simulovat kvantové systémy interakce částic pomocí stroje, který využívá přesně stejné zákony fyziky? A mohli bychom tento stroj použít k prozkoumání dalších úloh, které chybí z kvantových částic, ale 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.
Od té doby, rychlé a efektivní kvantové počítačové algoritmy byly vyvinuty pro mnoho našich tvrdých klasických úloh: simulace fyzických systémů v chemii, fyziky a materiálové vědě, vyhledávání neřazené databáze, řešení systémů lineárních rovnic a strojového učení.
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 kvantovém computingu podobnou roli jako bity v klasickém computingu, ale chovají se jinak. Klasické bity jsou binární a mohou obsahovat pouze pozici $0$ nebo $1$, ale qubity mohou obsahovat superpozici všech možných stavů. Toto chování znamená, že qubit může být ve stavu $0$, $1$ nebo jakékoli kvantové superpozici těchto dvou. Existují nekonečné možné superpozice $0$ a $1$, přičemž každý z nich je platným stavem qubitu.
V kvantovém computingu se informace kódují do superpozice stavů $0$ a $1$. Například s $8$ bity bychom mohli kódovat $256$ různé hodnoty, ale musíme si vybrat jeden z nich, abychom ho zakódovali. S qubity $8$ bychom mohli současně kódovat hodnoty $256$, protože qubit může být v superpozici všech možných stavů.
Jak vytvořit kvantový počítač
Kvantový počítač je počítač, který využívá kvantové mechanické jevy. Kvantové počítače používají kvantové stavy hmoty k ukládání a výpočtu informací. Můžou "programovat" kvantovou interferenci a dělat věci rychleji nebo lépe než klasické počítače.
Při vytváření kvantového počítače se musíme zamyslet nad tím, jak vytvořit qubity a jak je uložit. Musíme se také zamyslet nad tím, jak s nimi manipulovat a jak číst výsledky našich výpočtů.
Nejčastěji používané technologie qubitů jsou zachycené iontové qubity, superkondukční 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 lze do qubitů odesílat různými metodami, včetně mikrovln, laseru a napětí.
Pět kritérií kvantového počítače
Dobrý kvantový počítač by měl mít tyto pět funkcí:
- Škálovatelné: Může mít mnoho qubitů.
- Inicializovatelné: Může nastavit qubity na konkrétní 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.
Technická výzva k vytváření zařízení, která splňují tato pět kritérií, je jednou z nejnáročnějších lidí, kterým čelí lidstvo. Microsoft spolupracuje s některými špičkovými výrobci kvantových počítačů po celém světě, abyste získali přístup k nejnovějším řešením kvantových výpočtů prostřednictvím Azure Quantum.