Megosztás a következőn keresztül:

Mi az a kvantum-számítástechnika?

A kvantum-számítástechnika biztosítja bolygónk legnagyobb kihívásainak megoldását – a környezet, a mezőgazdaság, az egészség, az energia, az éghajlat, az anyagtudomány és egyebek területén. Néhány ilyen probléma esetén a klasszikus számítástechnika egyre nagyobb kihívást jelent a rendszer méretének növekedésével. A méretezésre tervezett kvantumrendszerek valószínűleg olyan képességekkel rendelkeznek, amelyek meghaladják a mai legerősebb szuperszámítógépek képességeit.

Ez a cikk a kvantum-számítástechnika alapelveit, a klasszikus számítástechnikával való összehasonlítását és a kvantummechanika alapelveinek használatát ismerteti.

A kvantum-számítástechnika története

A kvantumszámítógép ötlete a kvantumrendszerek klasszikus számítógépen való szimulálásának nehézségeiből született. Richard Feynman és Yuri Manin az 1980-ban egymástól függetlenül azt javasolta, hogy a kvantumjelenségeken alapuló hardver hatékonyabb lehet a kvantumrendszerek szimulációjához, mint a hagyományos számítógépek.

A kvantummechanikai szimuláció nehézségeinek megértéséhez számos megközelítés áll rendelkezésre. A legegyszerűbb látni, hogy az anyag kvantumszinten számos lehetséges konfigurációban (más néven állapotban) található.

A kvantumállapotok exponenciálisan növekednek

Vegyünk egy elektronrendszert, ahol 40 lehetséges hely van, ahol minden hely rendelkezhet vagy nem rendelkezhet elektronokkal. A rendszer ezért a 2^$ konfiguráció bármelyikében lehet, mivel minden hely két lehetséges állapotú, vagy van elektronja, vagy üres. Az elektronok kvantumállapotának hagyományos számítógépes memóriában való tárolásához több mint 130 GB memória szükséges! Ha a lehetséges helyek számát 41-esre növeli, akkor a 2^${41}$kétszer annyi konfiguráció lenne, ami több mint 260 GB memóriát igényelne a kvantumállapot tárolásához.

Ez a játék a helyek számának növelésével nem játszható le határozatlan ideig. Néhány száz elektronnál a rendszer tárolásához szükséges memória meghaladja a részecskék számát az univerzumban; így a hagyományos számítógépekben nincs remény arra, hogy valaha is szimulálják a kvantumdinamikai dinamikát.

A nehézség lehetőséggé alakításával

Ennek az exponenciális növekedésnek a megfigyelése arra késztette a tudósokat, hogy tegyenek fel egy erőteljes kérdést: szimulálhatjuk-e a kvantumrendszereket egy olyan géppel, amely pontosan ugyanazokat a fizikai törvényeket használja ki? És használhatjuk ezt a gépet más, számunkra kulcsfontosságú feladatok vizsgálatára? Ezek a kérdések a Quantum Computing geneziséhez vezettek.

1985-ben David Deutsch kimutatta, hogy egy kvantumszámítógép képes hatékonyan szimulálni bármely fizikai rendszer viselkedését. Ez a felfedezés volt az első jele annak, hogy a kvantumszámítógépek a klasszikus számítógépeken nem követhető problémák megoldására használhatók.

1994-ben Peter Shor felfedezett egy kvantum-algoritmust az egész számok faktorálására, amely exponenciálisan gyorsabban fut, mint a legismertebb klasszikus algoritmus. A megoldási faktorálás lehetővé teszi az e-kereskedelem biztonságának alapjául szolgáló nyilvános kulcsú kriptorendszerek nagy részének feltörését, beleértve az RSA-t és az elliptikus görbe titkosítását. Ez a felfedezés nagy érdeklődést váltott ki a kvantum-számítástechnika iránt, és sok más probléma esetén kvantum-algoritmusok fejlesztéséhez vezetett.

Mi az a qubit?

Ahogyan a klasszikus számítástechnikában a bitek az információ alapvető objektumai, a qubitek (kvantumbitek) a kvantum-számítástechnika alapvető információobjektumai.

A qubit az információk alapegysége a kvantum-számítástechnikában. A qubitek ahhoz hasonló szerepet játszanak a kvantuminformatikában, amilyet a klasszikus számítástechnikában a bitek, de ezektől nagyon eltérően viselkednek. A klasszikus bitek binárisak, és csak 0$ vagy $1$ pozíciót $tartalmazhatnak, de a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozícióját képesek tárolni. Ez azt jelenti, hogy a qubitek 0, 1 vagy a kettő bármely kvantum szuperpozíciójának állapotában lehetnek. A 0 és az 1 végtelen lehetséges szuperpozíciói vannak, és mindegyik érvényes qubitállapot.

A kvantum-számítástechnikában az információ a 0 és az 1 állapot szuperpozíciójában van kódolva. Például 8 bittel 256 különböző értéket kódolhat, de ki kell választania egyet ezek közül a kódoláshoz, mert a 256 érték nem létezhet együtt. 8 qubittel egyszerre kódolhatja a 256 értéket. Ennek a viselkedésnek az az oka, hogy a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozíciójában lehetnek.

További információ: A kvantum-számítástechnika qubitje.

Mik a kvantumszámítógépek készítésének követelményei?

A kvantumszámítógép olyan számítógép, amely kihasználja a kvantummechanikai jelenségeket. A kvantumszámítógépek az anyag kvantumállapotait használják az információk tárolására és kiszámítására. Képesek "programozni" a kvantumjelenségeket, hogy a feladatokat gyorsabban vagy jobban végezzék el, mint a klasszikus számítógépek.

A kvantumszámítógépek létrehozása összetett mérnöki feladat, amely megköveteli a kvantummechanika alapos megértését és a kvantumrendszerek legkisebb léptékű vezérlésének képességét. A kvantumszámítógépek létrehozásakor elengedhetetlen, hogy átgondoljuk a qubitek létrehozásának módját, és azt is, hogyan tároljuk, módosítsuk és olvassuk el a számítások eredményeit.

A tudósok és mérnökök ezért dolgoznak különböző qubit-technológiákon a kvantumszámítógépek fejlesztésén, mivel minden technológia saját előnyökkel és hátrányokkal rendelkezik. A leggyakrabban használt qubit-technológiák a csapdába esett ion qubitek, a szupravezető qubitek és a topológiai qubitek. A qubitek tárolásának egyes módszereinél a qubiteket tartalmazó egységet abszolút nullához közeli hőmérsékleten tartják a koherencia maximalizálása és az interferencia csökkentése érdekében. Más típusú qubittárolók egy vákuumkamra segítségével minimalizálják a rezgéseket és stabilizálják a qubiteket. Jelek különböző módszerekkel küldhetők a qubiteknek, például mikrohullámok, lézer és feszültség használatával.

A kvantumszámítógép öt kritériuma

Egy jó kvantumszámítógépnek az alábbi öt funkcióval kell rendelkeznie:

  1. Méretezhető: Sok qubitet tartalmazhat.
  2. Inicializálható: Beállíthatja a qubiteket egy adott állapotra (általában a 0 állapotra).
  3. Rugalmas: Hosszú ideig szuperpozíciós állapotban tarthatja a qubiteket.
  4. Univerzális: A kvantumszámítógépnek nem kell minden lehetséges műveletet végrehajtania, csak egy univerzális készletnek nevezett műveletkészletet. Az univerzális kvantumműveletek halmaza olyan, hogy bármely más művelet felbontható egy sorozatba.
  5. Megbízható: Pontosan képes mérni a qubiteket.

Ezt az öt kritériumot gyakran Di Vincenzo-kritériumként ismerjük a kvantumszámításhoz.

Az ilyen öt kritériumnak megfelelő eszközök létrehozása az emberiség egyik legigényesebb mérnöki kihívása. Az Azure Quantum számos különböző kvantum-számítási megoldást kínál különböző qubit-technológiákkal. További információkért tekintse meg az Azure Quantum-szolgáltatók teljes listáját.

Kvantumjelenségek megismerése

A kvantumjelenségek azok az alapelvek, amelyek megkülönböztetik a kvantum-számítástechnikát a klasszikus számítástechnikától. Ezeknek a jelenségeknek a megértése elengedhetetlen a kvantumszámítógépek működésének megértéséhez, és hogy miért rendelkeznek ilyen potenciállal. A két legfontosabb kvantumjelenség a szuperpozíció és az összefonódás.

Szuperpozíció

Tegyük fel, hogy Ön a nappalijában edz. Teljesen elfordul balra, majd teljesen jobbra. Most forduljon egyszerre balra és jobbra. Nem tudja megcsinálni (legalábbis anélkül nem, hogy ketté ne osztódna). Nyilvánvaló, hogy egyszerre nem lehet mindkét helyzetben – nem tud ugyanabban a pillanatban balra és jobbra is nézni.

Ha viszont Ön egy kvantumrészecske, akkor a szuperpozíció (más néven koherencia) néven ismert jelenség révén bizonyos valószínűséggel balra néz, ÉS bizonyos valószínűséggel jobbra néz.

A kvantum-számítástechnika hatékonyságát lehetővé tevő szuperpozíciós állapotokban csak olyan kvantumrendszerek létezhetnek, mint az ionok, elektronok vagy szupravezető áramkörök. Az elektronok például olyan kvantumrészecskék, amelyeknek saját &"balra vagy jobbra néző"& tulajdonságuk van, amit spinnek neveznek. A két pörgetési állapotot spin up-nak és spin down-nak nevezzük, az elektron kvantumállapota pedig a spin up és a spin down állapot szuperpozíciója.

Ha többet szeretne megtudni, és gyakorolni szeretne a szuperpozícióval, olvassa el a Betanítás modult: A szuperpozíció felfedezése a következővel Q#:

Összefonódás

Az összefonódás két vagy több kvantumrendszer közötti kvantum-korreláció. Ha két qubit össze van fonva, korrelálnak, és megosztják az állapotuk adatait, így az egyes qubitek kvantumállapotát nem lehet egymástól függetlenül leírni. A kvantum-összefonódással csak a globális rendszer kvantumállapotát ismerheti meg, az egyes állapotokat nem.

Az összefonódott kvantumrendszerek akkor is fenntartják ezt a korrelációt, ha nagy távolságokra vannak elválasztva. Ez azt jelenti, hogy bármilyen művelet vagy folyamat, amelyet az egyik alrendszerre alkalmaz, a másik alrendszerre is érvényes. Így az egyik qubit állapotának mérése információt nyújt a másik qubit állapotáról – ez a tulajdonság nagyon hasznos a kvantum-számítástechnikában.

Ha többet szeretne megtudni, tekintse meg az oktatóanyagot: A kvantum-összefonódás Q# felfedezése és gyakorlati megvalósításért tekintse meg a Betanítási modult: Qubit teleportálása entanglement használatával.

Kapcsolódó tartalom