РЕКЛАМА

Стъпка по-близо до квантовия компютър

ИНЖЕНЕРИНГ И ТЕХНОЛОГИЯСтъпка по-близо до квантовия компютър

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.

Това означава за компютрите, че квантовите компютри, използващи кубити, могат да съхраняват огромно количество информация, използвайки по-малко енергия от класическия компютър и по този начин операциите или изчисленията могат да се извършват много по-бързо на квантов компютър. И така, класическият компютър може да приеме 0 или 1, два бита в този компютър могат да бъдат в четири възможни състояния (00, 01, 10 или 11), но само едно състояние е представено във всеки даден момент. Квантовият компютър, от друга страна, работи с частици, които могат да бъдат в суперпозиция, позволявайки на два кубита да представят точно същите четири състояния по едно и също време поради свойството на суперпозиция, освобождаващо компютрите от „двоично ограничение“. Това може да бъде еквивалентно на четири компютъра, работещи едновременно и ако добавим тези кубити, мощността на квантовия компютър нараства експоненциално. Квантовите компютри също се възползват от друго свойство на квантовата физика, наречено „квантово заплитане“, дефинирано от Алберт Айнщайн, заплитането е свойство, което позволява на квантовите частици да се свързват и комуникират независимо от местоположението им във Вселената, така че състоянието на човек може да се промени моментално. засягат другия. Двойните възможности на „суперпозиция“ и „заплитане“ са доста мощни по принцип. Следователно това, което квантовият компютър може да постигне, е невъобразимо в сравнение с класическите компютри. Всичко това звучи много вълнуващо и просто, но в този сценарий има проблем. Квантовият компютър, ако приеме кубити (надложени битове) като свой вход, неговият изход също ще бъде в квантово състояние, т.е. изход с насложени битове, които също могат да се променят в зависимост от това в какво състояние се намира. тя наистина ни позволява да получаваме цялата информация и следователно най-голямото предизвикателство в изкуството на квантовите изчисления е да намерим начини да получим колкото се може повече информация от този квантов изход.

Квантовият компютър ще бъде тук!

Квантовите компютри могат да бъдат определени като мощни машини, базирани на принципите на квантовата механика, които използват напълно нов подход към обработката на информация. Те се стремят да изследват сложни природни закони, които винаги са съществували, но обикновено остават скрити. Ако подобни природни явления могат да бъдат изследвани, квантовите изчисления могат да изпълняват нови типове алгоритми за обработка на информация и това може да доведе до иновативни пробиви в науката за материалите, откриването на лекарства, роботиката и изкуствения интелект. Идеята за квантов компютър е предложена от американския физик-теоретик Ричард Файнман през далечната 1982 г. И днес технологични компании (като IBM, Microsoft, Google, Intel) и академични институции (като MIT и Принстънския университет) работят върху квантовите компютърни прототипи за създаване на основен квантов компютър. International Business Machines Corp. (IBM) заяви наскоро, че нейните учени са изградили мощна квантова изчислителна платформа и тя може да бъде предоставена за достъп, но отбелязва, че не е достатъчна за изпълнение на повечето от задачите. Те казват, че 50-кубитовият прототип, който се разработва в момента, може да реши много проблеми, които класическите компютри правят днес, а в бъдеще компютрите с 50-100 кубита ще запълнят до голяма степен празнината, т.е. квантов компютър само с няколкостотин кубита ще бъде в състояние да извършва повече изчисления едновременно, отколкото има атоми в известната вселена. Реално казано, пътят до мястото, където квантовият компютър може действително да превъзхожда класическия компютър при трудни задачи, е натоварен с трудности и предизвикателства. Наскоро Intel обяви, че новият 49-кубитов квантов компютър на компанията представлява стъпка към това „квантово надмощие“, което е голям напредък за компанията, която демонстрира 17-битова кубитова система само преди 2 месеца. Техният приоритет е да продължат да разширяват проекта, въз основа на разбирането, че разширяването на броя на кубитите е ключът към създаването на квантови компютри, които могат да доставят резултати в реалния свят.

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

Екип на SCIEU
Екип на SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Значителен напредък в науката. Въздействие върху човечеството. Вдъхновяващи умове.

Абонирай се за нашия бюлетин

Да се ​​актуализира с всички най-нови новини, оферти и специални съобщения.

- Реклама -

Най-популярни статии

SARS-CoV-2: Колко сериозен е вариантът B.1.1.529, сега наречен Omicron

Вариантът B.1.1.529 беше съобщен за първи път на СЗО от...

Възможно ли е „Прехвърляне на памет“ от един организъм в друг?

Ново проучване показва, че е възможно да...

Генният вариант, който предпазва от тежък COVID-19

Генен вариант на OAS1 е замесен в...
- Реклама -
99,636Феновекато
66,080последователиСледвай ни
6,297последователиСледвай ни
31АбонатиЗапиши се