Серия от пробиви в квантовите изчисления
Един обикновен компютър, който сега се нарича класически или традиционен компютър, работи върху основната концепция за 0s и 1s (нули и единици). Когато попитаме за компютър за да изпълни задача вместо нас, например математическо изчисление или резервация на среща или нещо, свързано с ежедневния живот, тази задача в дадения момент се преобразува (или превежда) в низ от 0s и 1s (който след това се нарича input), този вход се обработва от алгоритъм (дефиниран като набор от правила, които трябва да се следват за изпълнение на задача на компютър). След тази обработка се връща нов низ от 0s и 1s (наречен изход) и това кодира очаквания резултат и се превежда обратно в по-проста удобна за потребителя информация като „отговор“ на това, което потребителят иска компютърът да направи . Удивително е, че без значение колко интелигентен или умен може да изглежда алгоритъмът и каквото и да е нивото на трудност на задачата, компютърният алгоритъм прави само това едно нещо – манипулира низ от битове – където всеки бит е или 0, или 1. манипулацията се случва на компютъра (в края на софтуера) и на ниво машина това се представя от електрически вериги (на дънната платка на компютъра). В хардуерната терминология, когато токът преминава през тези електрически вериги, той е затворен и е отворен, когато няма ток.
Класически срещу квантов компютър
Следователно в класическите компютри битът е единична информация, която може да съществува в две възможни състояния – 0 или 1. Въпреки това, ако говорим за квант компютри, те обикновено използват квантови битове (наричани още „кубити“). Това са квантови системи с две състояния, но за разлика от обичайния бит (съхранен като 0 или 1), кубитите могат да съхраняват много повече информация и могат да съществуват във всяко предположение за тези стойности. За да обясним по по-добър начин, кубитът може да се разглежда като въображаема сфера, където кубитът може да бъде всяка точка от сферата. Може да се каже, че квантовите изчисления се възползват от способността на субатомните частици да съществуват в повече от едно състояние във всеки даден момент и все пак да се изключват взаимно. От друга страна, класическият бит може да бъде само в две състояния – например в края на два полюса на сферата. В обикновения живот ние не сме в състояние да видим тази „суперпозиция“, защото след като една система бъде разгледана в нейната цялост, тези суперпозиции изчезват и това е причината разбирането на такива суперпозиции да е неясно.
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 вселена 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.
Квантовият компютър ще бъде тук!
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 вселена. 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.
Материалът е ключов за изграждането на квантов компютър
Материалният силиций е неразделна част от компютрите от десетилетия, защото неговият ключов набор от възможности го прави много подходящ за общи (или класически) изчисления. Въпреки това, що се отнася до квантовите изчисления, решенията, базирани на силиций, не са приети главно поради две причини, първо, трудно е да се контролират кубити, произведени на силиций, и второ, все още не е ясно дали силициевите кубити могат да се мащабират, както и други решения. В основен напредък Intel съвсем наскоро разработи1 нов тип кубит, известен като 'spin qubit', който се произвежда върху конвенционален силиций. Спиновите кубити много наподобяват полупроводниковата електроника и доставят своята квантова мощност, като използват въртенето на един електрон върху силициево устройство и контролират движението с малки микровълнови импулси. Две основни предимства, които накараха Intel да се придвижи в тази посока, са, първо, Intel като компания вече е инвестирала сериозно в силициевата индустрия и по този начин има правилния опит в силиция. Второ, силициевите кубити са по-полезни, защото са по-малки от конвенционалните кубити и се очаква да запазят кохерентност за по-дълъг период от време. Това е от първостепенно значение, когато квантовите изчислителни системи трябва да бъдат мащабирани (например преминаване от 100-кубита на 200-кубита). Intel тества този прототип и компанията очаква да произвежда чипове с хиляди малки кубитни масиви и такова производство, когато се извършва на едро, може да бъде много добро за мащабиране на квантовите компютри и може да бъде истинска промяна на играта.
В скорошно изследване, публикувано в наука, новоразработен модел за фотонни кристали (т.е. кристален дизайн, реализиран на фотонен чип) е разработен от екип от Университета на Мериленд, САЩ, за който те твърдят, че ще направи квантовите компютри по-достъпни2. Тези фотони са най-малкото известно количество светлина и тези кристали са били вкопани с дупки, което кара светлината да взаимодейства. Различните модели на дупки променят начина, по който светлината се огъва и отскача през кристала и тук бяха направени хиляди триъгълни дупки. Такова използване на единични фотони е важно за процеса на създаване на квантови компютри, тъй като компютрите ще имат способността да изчисляват големи числа и химични реакции, които настоящите компютри не са в състояние да направят. Дизайнът на чипа прави възможно прехвърлянето на фотони между квантовите компютри да се извършва без никакви загуби. Тази загуба също се разглежда като голямо предизвикателство за квантовите компютри и по този начин този чип се грижи за проблема и позволява ефективен маршрут на квант информация от една система в друга.
Бъдеще
Квантовите компютри обещават да извършват изчисления много отвъд всеки конвенционален суперкомпютър. Те имат потенциала да революционизират откриването на нови материали, като правят възможно да се симулира поведението на материята до атомно ниво. Той също така създава надежда за изкуствен интелект и роботика, като обработва данните по-бързо и по-ефективно. Предоставянето на комерсиално жизнеспособна квантова изчислителна система може да бъде направено от всяка от големите организации през следващите години, тъй като това изследване все още е отворено и е честна игра за всички. Очакват се големи съобщения през следващите пет до седем години и в идеалния случай с поредицата от напредък, който се прави, инженерните проблеми трябва да бъдат адресирани и 1 милион или повече qubit квантов компютър трябва да бъде реалност.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
1. Кастелвеки Д. 2018 г. Силиций се налага в надпреварата за квантови изчисления. природата. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Топологичен интерфейс на квантовата оптика. наука. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
