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
Идея квантового компьютера родилась из сложности имитации квантовых систем на классическом компьютере. В 1980-х годах Ричард Фейнман и Юрий Манин независимо предположили, что оборудование на основе квантовых явлений может быть более эффективным для моделирования квантовых систем, чем обычные компьютеры.
Существует много способов понять, почему квантовую механику трудно моделировать. Проще всего увидеть, что материя на квантовом уровне находится в множестве возможных конфигураций (известных как состояния).
Квантовые состояния увеличиваются экспоненциально
Рассмотрим систему электронов, где есть 40 возможных расположений, где каждое расположение может иметь или нет электрона. Таким образом, система может находиться в любой из конфигураций (так как каждое расположение имеет две возможные конфигурации, имеющие электрон или пустое). Для хранения квантового состояния электронов в обычной памяти компьютера потребуется более 130 ГБ памяти! Если увеличить число возможных расположений до 41, для хранения квантового состояния потребуется в два раза больше конфигураций в , что, в свою очередь, потребует более 260 ГБ памяти.
В эту игру по увеличению числа локаций нельзя играть бесконечно. На несколько сотен электронов память, необходимая для хранения системы, превышает количество частиц во вселенной; таким образом, нет надежды на обычные компьютеры, чтобы когда-либо имитировать квантовую динамику.
Превратив трудности в возможность
Наблюдение за этим экспоненциальным ростом привело ученых задать мощный вопрос: можно ли имитировать квантовые системы с помощью машины, которая эксплуатирует точно те же законы физики? И могли бы мы использовать ту машину для исследования других задач, которые важны для нас? Эти вопросы привели к рождению 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 являются неразрешимыми на классических компьютерах.
В 1994 году Питер Шор обнаружил квантовый алгоритм для коэффициентирования целых чисел, которые выполняются экспоненциально быстрее, чем самый известный классический алгоритм. Решение факторинга позволяет разбить многие из наших криптосистем открытого ключа, лежащих в основе безопасности электронной коммерции сегодня, включая RSA и Эллиптические кривые криптографии. Это обнаружение вызвало огромный интерес к квантовым вычислениям и привело к разработке квантовых алгоритмов для многих других проблем.
Как и бит, который является основным объектом информации в классических вычислениях, кубит (квантовый бит) является основным объектом информации в квантовых вычислениях.
Кубит — базовая единица информации в квантовых вычислениях. Кубиты играют в квантовых вычислениях ту же роль, что и биты в классических вычислениях, но ведут себя по-другому. Классические биты являются двоичными и могут содержать только позицию или , но кубиты могут содержать суперпозицию всех возможных состояний. Это означает, что кубит может находиться в состоянии 0, 1 или любой квантовой суперпозиции двух. Существуют бесконечные возможные суперпозиции 0 и 1, и каждый из них является допустимым состоянием кубита.
В квантовых вычислениях информация кодируется в суперпозиции состояний 0 и 1. Например, с 8 битами можно закодировать 256его, так как 256 значений не могут сосуществовать. С помощью 8 кубитов можно одновременно закодировать 256 значений. Это происходит потому, что кубит может находиться в суперпозиции всех возможных состояний.
Дополнительные сведения см. в разделе "Кубит" в квантовых вычислениях.
Каковы требования к созданию квантового компьютера?
Квантовый компьютер — это компьютер, который использует преимущества квантовых механических явлений. Квантовые компьютеры используют квантовые состояния материи для хранения и вычисления информации. Они могут «программировать» квантовые явления, чтобы они работали быстрее или лучше, чем классические компьютеры.
Создание квантового компьютера — это сложная инженерная задача, требующая глубокого понимания квантовой механики и способности управлять квантовыми системами в наименьших масштабах. При создании квантового компьютера важно подумать о том, как создавать кубиты, а также как хранить их, управлять ими и читать результаты вычислений.
Именно поэтому ученые и инженеры работают над различными технологиями кубитов для создания квантовых компьютеров, потому что каждая технология имеет свои собственные преимущества и недостатки. Наиболее используемые технологии кубитов включают кубиты с захваченными ионами, сверхпроводящие кубиты и топологические кубиты. Для некоторых методов хранилища кубитов единица, на которой размещаются кубиты, хранится на температуре почти до абсолютного нуля, чтобы максимально повысить их согласованность и уменьшить помехи. В других случаях хранилище представляет собой вакуумную камеру, что позволяет минимизировать вибрации и стабилизировать кубиты. Для передачи кубитам сигналов применяются различные способы, в том числе с использованием микроволн, лазера и разности потенциалов.
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.
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.
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).
Только квантовые системы, такие как ионы или сверхпроводящие цепи, могут иметь состояния суперпозиции, позволяющие использовать квантовые вычисления. Квантовая частица, такая как электрон, имеет свойство «спина», которое может быть направлено вверх или вниз, так что квантовое состояние электрона является суперпозицией состояний «спин вверх» и «спин вниз».
Если вы хотите узнать больше о суперпозиции и потренироваться, см. модуль обучения: Изучите суперпозицию с Q#.
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.