Proveržių serija kvantinėje kompiuterijoje
Paprastas kompiuteris, kuris dabar vadinamas klasikiniu arba tradiciniu kompiuteriu, veikia pagal pagrindinę 0 ir 1 (nulių ir vienetų) sąvoką. Kai klausiame kompiuteris Norėdami atlikti už mus užduotį, pavyzdžiui, matematinį skaičiavimą, susitikimo rezervavimą ar bet ką, kas susiję su kasdieniu gyvenimu, ši užduotis tam tikru momentu paverčiama (arba išverčiama) į 0 ir 1 eilutę (kuri tada vadinama įvestis), šią įvestį apdoroja algoritmas (apibrėžiamas kaip taisyklių rinkinys, kurio reikia laikytis norint atlikti užduotį kompiuteryje). Po šio apdorojimo grąžinama nauja 0 ir 1 eilutė (vadinama išvestimi), kuri užkoduoja laukiamą rezultatą ir paverčiama atgal į paprastesnę vartotojui patogią informaciją kaip „atsakymą“ į tai, ką vartotojas norėjo, kad kompiuteris padarytų. . Įdomu tai, kad nesvarbu, koks protingas ar sumanus atrodytų algoritmas ir koks būtų užduoties sudėtingumo lygis, kompiuterinis algoritmas atlieka tik vieną dalyką – manipuliuoja bitų eilute – kur kiekvienas bitas yra 0 arba 1. manipuliacijos vyksta kompiuteryje (programinės įrangos gale), o mašinos lygiu tai rodo elektros grandinės (kompiuterio pagrindinėje plokštėje). Aparatūros terminologijoje, kai srovė praeina per šias elektros grandines, ji yra uždaryta ir yra atidaryta, kai nėra srovės.
Klasikinis vs kvantinis kompiuteris
Todėl klasikiniuose kompiuteriuose bitas yra viena informacijos dalis, kuri gali egzistuoti dviejose galimose būsenose – 0 arba 1. Tačiau jei kalbėtume apie kvantinė kompiuteriuose, jie dažniausiai naudoja kvantinius bitus (taip pat vadinamus „kubitais“). Tai yra kvantinės sistemos su dviem būsenomis, tačiau, skirtingai nei įprastas bitas (saugomas kaip 0 arba 1), kubitai gali saugoti daug daugiau informacijos ir gali egzistuoti bet kokiame šių reikšmių prielaidoje. Norint geriau paaiškinti, kubitas gali būti laikomas įsivaizduojama sfera, kur kubitas gali būti bet kuris sferos taškas. Galima sakyti, kad kvantinis kompiuteris naudojasi subatominių dalelių galimybe bet kuriuo metu egzistuoti daugiau nei vienoje būsenoje ir vis tiek viena kitą paneigia. Kita vertus, klasikinis bitas gali būti tik dviejų būsenų – pavyzdžiui, dviejų sferos polių gale. Įprastame gyvenime mes negalime pamatyti šios „superpozicijos“, nes pažvelgus į sistemą visą, šios superpozicijos išnyksta ir dėl šios priežasties tokių superpozicijų supratimas yra neaiškus.
What this means for the computers is that quantum computers using qubits can store a huge amount of information using lesser energy than a classical computer and thus operations or calculations can be relatively done much faster on a quantum computer. So, a classical computer can take a 0 or 1, two bits in this computer can be in four possible states (00, 01, 10 or 11), but only one state is represented at any given time. A quantum computer, on the other hand works with particles that can be in superposition, allowing two qubits to represent the exact same four states at the same time because of the property of superposition freeing up the computers from ‘binary constraint’. This can be equivalent to four computers running simultaneously and if we add these qubits, the power of the quantum computer grows exponentially. Quantum computers also take advantage of another property of quantum physics called ‘quantum entanglement’, defined by Albert Einstein, entanglement is a property which allows quantum particles to connect and communicate regardless of their location in the visata so that changing the state of one may instantaneously affect the other. The dual capabilities of ‘superposition’ and ‘entanglement’ are quite powerful in principle. Therefore, what a quantum computer can achieve is unimaginable when compared to classical computers. This all sounds very exciting and straightforward, however, there is problem in this scenario. A quantum computer, if takes qubits (superposed bits) as its input, its output will also be similarly in a quantum state i.e. an output having superposed bits which can also keep changing depending on what state it is in. This kind of output doesn’t really allow us to receive all the information and therefore the biggest challenge in the art of quantum computing is to find ways of gaining as much information from this quantum output.
Kvantinis kompiuteris bus čia!
Quantum computers can be defined as powerful machines, based on the principals of quantum mechanics that take a completely new approach to processing information. They seek to explore complex laws of nature that have always existed but have usually remained hidden. If such natural phenomena can be explored, quantum computing can run new types of algorithms to process information and this could lead to innovative breakthroughs in materials science, drug discovery, robotics and artificial intelligence. The idea of a quantum computer was proposed by American theoretical physicist Richard Feynman way back in 1982. And today, technology companies (such as IBM, Microsoft, Google, Intel) and academic institutions (like MIT, and Princeton University) are working on quantum computer prototypes to create a mainstream quantum computer. International Business Machines Corp. (IBM) has said recently that its scientists have built a powerful quantum computing platform and it can be made available for access but remark that it’s not enough for performing most of the tasks. They say that a 50-qubit prototype which is currently being developed can solve many problems which classical computers do today and in the future 50-100 qubit computers would largely fill the gap i.e. a quantum computer with just a few hundred qubits would be able to perform more calculations simultaneously than there are atoms in the known visata. Realistically speaking, the path to where a quantum computer can actually outperform a classical computer on difficult tasks is laden with difficulties and challenges. Recently Intel has declared that the company’s new 49-qubit quantum computer represented a step towards this “quantum supremacy”, in a major advancement for the company who had demonstrated a 17-bit qubit system only just 2 months ago. Their priority is to keep expanding the project, based upon the understanding that expanding number of qubits is the key to creating quantum computers that can deliver real-world results.
Medžiaga yra labai svarbi kuriant kvantinį kompiuterį
Medžiaga silicis dešimtmečius buvo neatsiejama skaičiavimo dalis, nes dėl pagrindinių savybių rinkinio jis puikiai tinka bendram (arba klasikiniam) skaičiavimui. Tačiau, kalbant apie kvantinį skaičiavimą, silicio pagrindu pagaminti sprendimai nebuvo priimti daugiausia dėl dviejų priežasčių: pirma, sunku valdyti kubitus, pagamintus iš silicio, ir, antra, vis dar neaišku, ar silicio kubitai gali keistis taip pat, kaip ir kitos. sprendimus. Labai neseniai „Intel“ sukūrė didelę pažangą1 naujo tipo kubitas, žinomas kaip „sukamasis kubitas“, gaminamas naudojant įprastą silicį. Sukimosi kubitai labai primena puslaidininkinę elektroniką ir suteikia savo kvantinę galią panaudodami vieno elektrono sukimąsi silicio įrenginyje ir valdydami judėjimą mažais mikrobangų impulsais. Du pagrindiniai pranašumai, paskatinę „Intel“ judėti šia kryptimi, yra tai, kad „Intel“, kaip įmonė, jau yra daug investavusi į silicio pramonę, todėl turi reikiamą patirtį silicio srityje. Antra, silicio kubitai yra naudingesni, nes jie yra mažesni nei įprasti kubitai, ir tikimasi, kad jie išlaikys darną ilgesnį laiką. Tai labai svarbu, kai reikia padidinti kvantinių skaičiavimų sistemas (pvz., nuo 100 kubitų iki 200 kubitų). „Intel“ bando šį prototipą ir bendrovė tikisi gaminti lustus, turinčius tūkstančius mažų kubitų matricų, o tokia gamyba, kai ji atliekama masiškai, gali būti labai naudinga kvantinių kompiuterių masteliui padidinti ir gali būti tikras žaidimų keitiklis.
Neseniai paskelbtame tyrime Mokslas, Merilendo universiteto (JAV) komanda sukūrė naujai sukurtą fotoninių kristalų modelį (ty kristalų dizainą, įgyvendintą fotoninėje lustoje), kuris, jų teigimu, padarys kvantinius kompiuterius prieinamesnius.2. Šie fotonai yra mažiausias žinomas šviesos kiekis, o šiuose kristaluose yra skylių, dėl kurių šviesa sąveikauja. Skirtingi skylių raštai keičia šviesos lenkimą ir atsimušimą per kristalą ir čia buvo padaryta tūkstančiai trikampių skylių. Toks pavienių fotonų naudojimas yra svarbus kvantinių kompiuterių kūrimo procesui, nes tada kompiuteriai galės apskaičiuoti didelius skaičius ir chemines reakcijas, kurių dabartiniai kompiuteriai negali atlikti. Dėl lusto konstrukcijos fotonų perkėlimas tarp kvantinių kompiuterių gali vykti be jokių nuostolių. Šis praradimas taip pat buvo laikomas dideliu iššūkiu kvantiniams kompiuteriams, todėl šis lustas išsprendžia problemą ir leidžia efektyviai kvantinė informaciją iš vienos sistemos į kitą.
Ateitis
Kvantiniai kompiuteriai žada atlikti daug daugiau skaičiavimų nei bet kuris įprastas superkompiuteris. Jie gali sukelti revoliuciją naujų medžiagų atradime, suteikdami galimybę imituoti materijos elgesį iki atominio lygio. Tai taip pat sukuria viltį dirbtinio intelekto ir robotikos, nes apdoroja duomenis greičiau ir efektyviau. Per ateinančius metus komerciškai perspektyvią kvantinio skaičiavimo sistemą galėtų sukurti bet kuri iš pagrindinių organizacijų, nes šis tyrimas vis dar yra neterminuotas ir tinkamas visiems. Svarbių pranešimų tikimasi per ateinančius penkerius ar septynerius metus, o idealiu atveju, atsižvelgiant į pažangą, turėtų būti sprendžiamos inžinerinės problemos, o 1 milijono ar daugiau kubitų kvantinis kompiuteris turėtų tapti realybe.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicis įsitvirtina kvantinių skaičiavimų lenktynėse. Gamta. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. ir kt. 2018. Topologinė kvantinės optikos sąsaja. Mokslas. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
