Примечание.
Для доступа к этой странице требуется авторизация. Вы можете попробовать войти или изменить каталоги.
Для доступа к этой странице требуется авторизация. Вы можете попробовать изменить каталоги.
Квантовые вычисления обещают решить некоторые из крупнейших проблем нашей планеты - в областях окружающей среды, сельского хозяйства, здравоохранения, энергии, климата, материаловедения и т. д. Некоторые из таких задач уже становятся очень сложными для классических вычислений из-за увеличения размера систем. Когда квантовые системы проектируются с учётом масштабируемости, скорее всего, они будут обладать способностями, превышающими возможности сегодняшних самых мощных суперкомпьютеров.
В этой статье описываются принципы квантовых вычислений, сравнение с классическими вычислениями и использование принципов квантовой механики.
История квантовых вычислений
Квантовые системы, такие как атомы и молекулы, могут быть трудными или невозможными для имитации на классическом компьютере. В 1980-х годах Ричард Фейнман и Юрий Манин предположили, что оборудование на основе квантовых явлений может быть более эффективным для моделирования квантовых систем, чем обычные компьютеры.
Существует несколько причин, по которым квантовые системы трудно имитировать на обычных компьютерах. Одна из основных причин заключается в том, что материя на квантовом уровне описывается как сочетание нескольких конфигураций (известных как состояния) одновременно.
Квантовые состояния растут экспоненциально
Рассмотрим систему частиц и 40 возможных расположений, где эти частицы могут существовать. Система может находиться в любом из $2^{40}$ уникальных состояний, так как каждое расположение может иметь или не иметь частицу. Если это классические частицы, то система всегда находится только в одном из $2^{40}$ состояний, поэтому классический компьютер нуждается только в 40 битах, чтобы описать состояние системы. Но если это квантовые частицы, то система существует в сочетании всех $2^{40}$ состояний. Классический компьютер должен хранить $2^{40}$ чисел, чтобы описать квантовую систему, которая требует более 130 ГБ памяти. Однако квантовому компьютеру требуется всего 40 квантовых бит для описания этой квантовой системы.
Если добавить в систему другое расположение, чтобы электроны могли существовать в 41 расположениях, то число уникальных конфигураций системы удвоится до $2^{41}$. Для хранения квантового состояния на классическом компьютере потребуется более 260 ГБ памяти. Мы не можем играть в эту игру, увеличивая количество мест навсегда. Чтобы сохранить квантовое состояние на обычном компьютере, вы быстро превышаете объем памяти самых мощных в мире компьютеров. На несколько сотен электронов память, необходимая для хранения системы, превышает количество частиц во вселенной. Нет никакой надежды на наши обычные компьютеры, чтобы полностью имитировать квантовые динамики для больших систем!
Превратив трудности в возможность
Наблюдение за этим экспоненциальным ростом поставило мощный вопрос: можно ли превратить эту трудность в возможность? Если квантовые системы трудно имитировать на обычных компьютерах, что произойдет, если мы создадим компьютер, использующий квантовые эффекты для своих фундаментальных операций? Можно ли имитировать квантовые системы с машиной, которая использует точно те же законы физики? И мы могли бы использовать этот компьютер для исследования других важных проблем за пределами квантовой механики? Это типы вопросов, которые привели к полям квантовой информации и квантовых вычислений.
В 1985 году Дэвид Дейтш показал, что квантовый компьютер может эффективно имитировать поведение любой физической системы. Это обнаружение было первым признаком того, что квантовые компьютеры можно использовать для решения проблем, которые слишком трудно решить на классических компьютерах.
В 1994 году Питер Шор обнаружил квантовый алгоритм, чтобы найти основные факторы больших целых чисел. Алгоритм Shor выполняется экспоненциально быстрее, чем самый известный классический алгоритм для этой задачи факторинга. Такой быстрый алгоритм может потенциально нарушить многие из наших современных криптосистем открытого ключа, которые мы используем для защиты транзакций в электронной коммерции, таких как Rivest-Shamir-Adleman (RSA) и Криптография эллиптических кривых. Это обнаружение вызвало огромный интерес к квантовым вычислениям и привело к разработке квантовых алгоритмов для многих других проблем.
С этого времени для других проблем, которые трудно решить на классических компьютерах, были разработаны быстрые и эффективные квантовые алгоритмы. Например, теперь у нас есть квантовые алгоритмы для поиска неупорядоченной базы данных, решения систем линейных уравнений, выполнения машинного обучения и имитации физических систем в химии, физике и материаловедение.
Что такое кубит?
Так же, как биты являются основным объектом информации в классических вычислениях, кубиты (квантовые биты) являются основным объектом информации в квантовых вычислениях.
Кубиты играют аналогичную роль в квантовых вычислениях, как биты играют в классических вычислениях, но кубиты ведут себя по-разному, чем биты. Классические биты являются двоичными и в любое время могут находиться только в одном из двух состояний, 0 или 1. Но кубиты могут находиться в суперпозиции как 0, так и 1 состояний одновременно. На самом деле существует бесконечное возможное суперпозиции 0 и 1, и каждое из них является допустимым состоянием кубита.
В квантовых вычислениях информация кодируется в суперпозициях состояний 0 и 1. Например, 8 обычных битов могут кодировать до 256 уникальных значений, но эти 8 битов могут представлять только одно из 256 значений одновременно. С 8 кубитами мы можем закодировать все 256 значений одновременно, так как кубиты могут находиться в суперпозиции всех 256 возможных состояний.
Дополнительные сведения см. в разделе "Кубит" в квантовых вычислениях.
Каковы требования к созданию квантового компьютера?
Квантовый компьютер использует квантовые системы и свойства квантовой механики для решения вычислительных задач. Системы на квантовом компьютере состоят из кубитов, взаимодействия между кубитами и операциями с кубитами для хранения и вычисления информации. Мы можем использовать квантовые компьютеры для программирования таких эффектов, как квантовое запутание и квантовое вмешательство, чтобы точно решить определенные проблемы быстрее, чем на классических компьютерах.
Чтобы создать квантовый компьютер, необходимо рассмотреть вопрос о создании и хранении кубитов. Нам также нужно подумать о том, как управлять кубитами и как измерять результаты наших вычислений.
Популярные технологии кубитов включают ионные кубиты с ловушками, сверхпроводящие кубиты и топологические кубиты. Для некоторых методов хранилища кубитов единица, в которой размещаются кубиты, должна храниться на температуре почти абсолютной нулю, чтобы максимально повысить их согласованность и уменьшить помехи. В других случаях хранилище представляет собой вакуумную камеру, что позволяет минимизировать вибрации и стабилизировать кубиты. Сигналы можно отправлять к кубитам с помощью различных методов, таких как микроволн, лазеры или напряжение.
Пять критериев для квантового компьютера
Хороший квантовый компьютер должен иметь следующие пять функций:
- Масштабируемый: он может иметь множество кубитов.
- Инициализируемый: он может задать кубиты определенному состоянию (обычно 0).
- Устойчивый: он может хранить кубиты в состоянии суперпозиции в течение длительного времени.
- Универсальный: квантовый компьютер не должен выполнять каждую возможную операцию, только набор операций, называемых универсальным набором. Набор универсальных квантовых операций заключается в том, что любая другая операция может быть разложена в последовательность.
- Надежный: он может точно измерять кубиты.
Эти пять критериев часто называются критериями Di Vincenzo для квантовых вычислений.
Создание устройств, соответствующих этим пяти критериям, является одной из самых ресурсоемких инженерных задач, с которой когда-либо сталкивались люди. Azure Quantum предлагает различные решения квантовых вычислений с различными технологиями кубитов. Для получения дополнительных сведений см. полный список поставщиков Azure Quantum.
Хороший квантовый компьютер должен иметь следующие пять функций:
Масштабируемый: он может иметь множество кубитов. Инициализируемый: он всегда может задать кубиты для определенного начального состояния (обычно это состояние 0). Устойчивый: он может хранить кубиты в состояниях суперпозиции в течение длительного времени. Универсальный: он может выполнять набор универсальных квантовых операций, таких как любая другая операция может быть разложена в последовательность универсальных операций. Надежный: он может измерять кубиты точно и согласованно. Эти пять критериев часто называются критериями DiVincenzo для квантовых вычислений.
Создание устройства, соответствующего всем пяти критериям, является одним из самых требовательных инженерных задач нашего времени. Корпорация Майкрософт сотрудничает с некоторыми из лучших производителей квантовых компьютеров в классе по всему миру, чтобы предоставить вам доступ к последним решениям квантовых вычислений через Azure Quantum.
Общие сведения о квантовых явлениях
Квантовые явления являются основными принципами, которые отличают квантовые вычисления от классических вычислений. Понимание этих явлений имеет решающее значение для понимания того, как квантовые компьютеры работают и почему они держат такой потенциал. Два наиболее важных квантовых явления — суперпозиция и запутанность.
Суперпозиция
Представьте, что вы тренируетесь у себя в комнате. Вы выполняете полный поворот налево, а затем полный поворот направо. Теперь попробуйте повернуться одновременно и налево, и направо. Вы не можете это сделать (по крайней мере, без того чтобы не разорваться на две части). Очевидно, что вы не можете находиться в обоих этих состояниях одновременно, то есть вы не можете смотреть налево и направо одновременно.
Но если бы вы были квантовой частицей, то у вас была бы определенная вероятность выполнить поворот налево И определенная вероятность выполнить поворот направо. Это возможно благодаря явлению, которое называется суперпозицией (или когерентностью).
В состояниях суперпозиции могут существовать только квантовые системы, такие как ионы, электроны или сверхпроводящие цепи, которые обеспечивают мощность квантовых вычислений. Например, электроны являются квантовыми частицами, имеющими собственное свойство, называемое спином, с ориентацией «повернутыми налево или направо». Два состояния спина называются спин вверх и спин вниз, и квантовое состояние электрона является суперпозицией состояний спина вверх и спина вниз.
Если вы хотите узнать больше о суперпозиции и потренироваться, см. модуль обучения: Изучите суперпозицию с Q#.
Запутанность
Запутанность — это квантовая корреляция между двумя или несколькими квантовыми системами. Когда два кубита запутаны, они коррелируются и обмениваются информацией о своих состояниях, таким образом, что квантовое состояние отдельных кубитов не может быть описано независимо. С помощью квантовой запутанности можно знать только квантовое состояние глобальной системы, а не отдельные состояния.
Запутанные квантовые системы поддерживают эту корреляцию даже при разделении на большие расстояния. Это означает, что любая операция или процесс, который вы применяете к одной подсистеме, влияет и на другие подсистемы. Таким образом, измерение состояния одного кубита предоставляет информацию о состоянии другого кубита - это конкретное свойство очень полезно в квантовых вычислениях.
Дополнительные сведения см. в Руководство: Изучение квантовой запутанности с Q# и для практической реализации ознакомьтесь с Модуль обучения: Телепортация кубита с использованием запутанности.