Megjegyzés
Az oldalhoz való hozzáféréshez engedély szükséges. Megpróbálhat bejelentkezni vagy módosítani a címtárat.
Az oldalhoz való hozzáféréshez engedély szükséges. Megpróbálhatja módosítani a címtárat.
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 kvantumrendszerek, például az atomok és a molekulák nehézkesek vagy lehetetlenek lehetnek a klasszikus számítógépeken való szimulálásukhoz. Richard Feynman és Yuri Manin az 1980-ban azt javasolta, hogy a kvantumjelenségeken alapuló hardver hatékonyabb lehet a kvantumrendszerek szimulációjához, mint a hagyományos számítógépek.
Számos oka van annak, hogy a kvantumrendszereket nehéz szimulálni normál számítógépeken. Ennek egyik fő oka, hogy az anyag kvantumszinten egyszerre több konfiguráció (más néven állapot) kombinációjaként van leírva.
A kvantumállapotok exponenciálisan növekednek
Fontolja meg a részecskék rendszerét, és 40 lehetséges helyet, ahol ezek a részecskék létezhetnek. A rendszer bármelyik 2^$ egyedi állapotban lehet, mert minden hely rendelkezhet részecskével vagy lehet anélkül is. Ha ezek klasszikus részecskék, akkor a rendszer mindig csak egy a $2^{40}$ állapot közül van, így a klasszikus számítógép leírásához csak 40 bitre van szüksége. De ha ezek kvantumrészecskék, akkor a rendszer mind $a 2^{40}$ állapot kombinációjában létezik. A klasszikus számítógépeknek 2^-os$ számokat kell tárolniuk {40}$a kvantumrendszer leírásához, ami több mint 130 GB memóriát igényel. A kvantumszámítógépnek azonban csak 40 kvantumbitre van szüksége a kvantumrendszer leírásához.
Ha hozzáadunk egy másik helyet a rendszerhez, hogy az elektronok 41 helyen létezhessenek, akkor a rendszer egyedi konfigurációinak száma megduplázódik 2^$-ra{41}$. A kvantumállapot klasszikus számítógépen való tárolásához több mint 260 GB memóriára lenne szükség. Nem játszhatjuk ezt a játékot, hogy folyamatosan növeljük a helyek számát. Egy kvantumállapot hagyományos számítógépen való tárolásához gyorsan túllépheti a világ legerősebb gépeinek memóriakapacitását. Néhány száz elektronnál a rendszer tárolásához szükséges memória meghaladja a részecskék számát az univerzumban. A hagyományos számítógépeinkben nincs remény a kvantumdinamika nagyobb rendszerekhez való teljes szimulálására!
A nehézség lehetőséggé alakításával
Ennek az exponenciális növekedésnek a megfigyelése erőteljes kérdést vet fel: lehetséges-e ezt a nehézséget lehetőséggé alakítani? Ha a kvantumrendszereket nehéz szimulálni normál számítógépeken, mi történne, ha olyan gépet építenénk, amely kvantumeffektusokat használ az alapvető műveleteihez? Szimulálhatnánk kvantumrendszereket olyan géppel, amely pontosan ugyanazokat a fizikai törvényeket használja ki? És használhatnánk ezt a gépet más fontos problémák vizsgálatára a kvantummechanikán kívül? Ezek azok a kérdések, amelyek a kvantuminformációk és a kvantum-számítástechnika területeit adták.
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 olyan problémák megoldására használhatók, amelyeket túl nehéz megoldani a klasszikus számítógépeken.
1994-ben Peter Shor felfedezett egy kvantum-algoritmust, amely a nagy egész számok elsődleges tényezőit keresi. A Shor algoritmusa exponenciálisan gyorsabban fut, mint a legjobban ismert klasszikus algoritmus ehhez a faktorálási problémához. Egy ilyen gyors algoritmus számos modern nyilvános kulcsú kriptorendszerünket megtörheti, amelyeket az e-kereskedelemben történő tranzakciók védelmére használunk, például a Rivest–Shamir–Adleman (RSA) és az Elliptikus görbe titkosítása. Ez a felfedezés nagy érdeklődést váltott ki a kvantum-számítástechnika iránt, és sok más probléma esetén kvantum-algoritmusok fejlesztéséhez vezetett.
Azóta gyors és hatékony kvantumszámítógép-algoritmusokat fejlesztettek ki a klasszikus számítógépeken nehezen megoldható egyéb problémákra. Most például kvantum-algoritmusokkal keresünk egy rendezetlen adatbázist, oldjuk meg a lineáris egyenletrendszereket, gépi tanulást végzünk, és fizikai rendszereket szimulálunk a kémia, a fizika és az anyagtudomány területén.
Mi az a qubit?
Ahogyan a klasszikus számítástechnikában a bitek az információ alapvető objektumai, a qubitek (kvantumbitek) a kvantum-számítástechnika alapvető információobjektumai.
A qubitek hasonló szerepet játszanak a kvantum-számítástechnikában, mint a bitek a klasszikus számítástechnikában, de a qubitek másképp viselkednek, mint a bitek. A klasszikus bitek binárisak, és bármikor csak egy állapotban lehetnek, 0 vagy 1. A qubitek ugyanakkor a 0 és az 1 állapot szuperpozíciójában is lehetnek. Valójában a 0 és az 1 végtelen lehetséges szuperpozíciói vannak, és mindegyik érvényes qubitállapot.
A kvantum-számítástechnikában az információ a 0 és az 1 állapot szuperpozícióiban van kódolva. Például 8 normál bit legfeljebb 256 egyedi értéket kódolhat, de ez a 8 bit egyszerre csak a 256 érték egyikét jelölheti. 8 qubittel egyszerre kódolhatjuk mind a 256 értéket, mivel a qubitek mind a 256 lehetséges állapot szuperpozíciójában lehetnek.
További információ: A kvantum-számítástechnika qubitje.
Mik a kvantumszámítógépek készítésének követelményei?
A kvantumszámítógépek kvantumrendszereket és a kvantummechanika tulajdonságait használják a számítási problémák megoldásához. A kvantumszámítógép rendszerei a qubitekből, a qubitek közötti interakciókból és a qubiteken végzett műveletekből állnak az információk tárolásához és kiszámításához. Kvantumszámítógépekkel olyan effektusokat programzhatunk, mint a kvantum-összefonódás és a kvantum-interferencia, hogy bizonyos problémákat gyorsabban oldjunk meg, mint a klasszikus számítógépeken.
Kvantumszámítógép létrehozásához meg kell fontolnunk, hogyan hozhatjuk létre és tárolhatjuk a qubiteket. Azt is át kell gondolnunk, hogyan manipulálhatjuk a qubiteket, és hogyan mérhetjük a számítások eredményeit.
A népszerű qubit-technológiák közé tartoznak a csapdába esett ion qubitek, a szupravezető qubitek és a topológiai qubitek. A qubitek tárolásának egyes módszereinél a qubiteket tartalmazó egységet abszolút nulla közelében kell tartani a koherencia maximalizálása és az interferencia csökkentése érdekében. Más típusú qubittárolók egy vákuumkamra segítségével minimalizálják a rezgéseket és stabilizálják a qubiteket. A jelek különböző módszerekkel, például mikrohullámú sütőkkel, lézerekkel vagy feszültségekkel küldhetők a qubiteknek.
A kvantumszámítógép öt kritériuma
Egy jó kvantumszámítógépnek az alábbi öt funkcióval kell rendelkeznie:
- Méretezhető: Sok qubitet tartalmazhat.
- Inicializálható: Beállíthatja a qubiteket egy adott állapotra (általában a 0 állapotra).
- Rugalmas: Hosszú ideig szuperpozíciós állapotban tarthatja a qubiteket.
- 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.
- 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.