Серија откритија во квантното пресметување
Обичен компјутер, кој сега се нарекува класичен или традиционален компјутер, работи на основниот концепт на 0 и 1 (нули и единици). Кога ги прашуваме компјутер за да направиме задача за нас, на пример математичко пресметување или закажување термин или нешто поврзано со секојдневниот живот, оваа задача во дадениот момент се претвора (или преведува) во низа од 0 и 1 (која потоа се нарекува влез), овој влез се обработува со алгоритам (дефиниран како збир на правила што треба да се следат за да се заврши задачата на компјутер). По оваа обработка, се враќа нова низа од 0 и 1 (наречена излез), и таа го кодира очекуваниот резултат и се преведува назад во поедноставни кориснички информации како „одговор“ на она што корисникот сакал компјутерот да го направи . Фасцинантно е тоа што без разлика колку е паметен или паметен алгоритмот и без оглед на нивото на тежина на задачата, компјутерскиот алгоритам го прави само ова - манипулирање со низа од битови - каде што секој бит е или 0 или 1. манипулацијата се случува на компјутерот (на крајот на софтверот) и на ниво на машината тоа е претставено со електрични кола (на матичната плоча на компјутерот). Во хардверската терминологија кога струјата минува низ овие електрични кола, таа е затворена и е отворена кога нема струја.
Класичен против квантен компјутер
Затоа, кај класичните компјутери, битот е единствена информација која може да постои во две можни состојби – 0 или 1. Меѓутоа, ако зборуваме за квантната компјутери, тие обично користат квантни битови (исто така наречени „кубити“). Ова се квантни системи со две состојби, меѓутоа, за разлика од вообичаениот бит (зачуван како 0 или 1), кубитите можат да складираат многу повеќе информации и можат да постојат во секоја претпоставка за овие вредности. За да се објасни на подобар начин, кјубитот може да се замисли како имагинарна сфера, каде што кубитот може да биде која било точка на сферата. Може да се каже дека квантното пресметување ја користи способноста на субатомските честички да постојат во повеќе од една состојба во даден момент и сепак да бидат меѓусебно исклучувачки. Од друга страна, класичниот бит може да биде само во две состојби - пример на крајот на два пола на сферата. Во обичниот живот не можеме да ја видиме оваа „суперпозиција“ затоа што штом системот ќе се погледне во целост, овие суперпозиции исчезнуваат и тоа е причината што разбирањето на таквите суперпозиции е нејасно.
Она што ова значи за компјутерите е дека квантните компјутери кои користат кјубити можат да складираат огромна количина на информации користејќи помала енергија од класичниот компјутер и на тој начин операциите или пресметките можат релативно побрзо да се направат на квантен компјутер. Значи, класичниот компјутер може да земе 0 или 1, два бита во овој компјутер може да бидат во четири можни состојби (00, 01, 10 или 11), но само една состојба е претставена во дадено време. Квантен компјутер, од друга страна, работи со честички кои можат да бидат во суперпозиција, дозволувајќи им на два кјубита да ги претставуваат точно истите четири состојби во исто време поради својството на суперпозиција што ги ослободува компјутерите од „бинарно ограничување“. Ова може да биде еквивалентно на четири компјутери кои работат истовремено и ако ги додадеме овие кубити, моќта на квантниот компјутер расте експоненцијално. Квантните компјутери исто така ја користат предноста од друго својство на квантната физика наречено „квантно заплеткување“, дефинирано од Алберт Ајнштајн, заплетката е својство што им овозможува на квантните честички да се поврзат и да комуницираат без оглед на нивната локација во универзумот така што промената на состојбата на едниот може моментално да влијае на другиот. Двојните способности на „суперпозиција“ и „заплеткување“ се прилично моќни во принцип. Затоа, она што еден квантен компјутер може да го постигне е незамисливо во споредба со класичните компјутери. Сето ова звучи многу возбудливо и едноставно, сепак, има проблем во ова сценарио. Квантен компјутер, ако зема кубити (суперпонирани битови) како свој влез, неговиот излез исто така ќе биде во квантна состојба, т.е. Навистина ни дозволуваат да ги примаме сите информации и затоа најголемиот предизвик во уметноста на квантното пресметување е да најдеме начини да добиеме што повеќе информации од овој квантен излез.
Квантен компјутер ќе биде тука!
Квантните компјутери може да се дефинираат како моќни машини, засновани на принципите на квантната механика кои заземаат сосема нов пристап во обработката на информациите. Тие се обидуваат да истражат сложени закони на природата кои отсекогаш постоеле, но обично останувале скриени. Ако може да се истражат такви природни феномени, квантното пресметување може да изврши нови типови на алгоритми за обработка на информации и тоа би можело да доведе до иновативни откритија во науката за материјали, откривањето лекови, роботиката и вештачката интелигенција. Идејата за квантен компјутер беше предложена од американскиот теоретски физичар Ричард Фајнман уште во 1982 година. И денес, технолошките компании (како IBM, Microsoft, Google, Intel) и академските институции (како MIT и Универзитетот Принстон) работат на квантната компјутерски прототипови за да се создаде мејнстрим квантен компјутер. International Business Machines Corp. (IBM) неодамна соопшти дека нејзините научници изградиле моќна платформа за квантно пресметување и може да биде достапна за пристап, но забележа дека тоа не е доволно за извршување на повеќето задачи. Тие велат дека прототипот од 50 кјубити кој моментално се развива може да реши многу проблеми што ги прават класичните компјутери денес, а во иднина компјутерите од 50 до 100 кубити во голема мера би ја пополниле празнината, односно квантен компјутер со само неколку стотини кубити би можел да извршуваат повеќе пресметки истовремено отколку што има атоми во познатите универзумот. Реално гледано, патот до каде квантен компјутер всушност може да го надмине класичниот компјутер на тешки задачи е оптоварен со тешкотии и предизвици. Неодамна Интел објави дека новиот 49-битен квантен компјутер на компанијата претставува чекор кон оваа „квантна надмоќ“, што претставува голем напредок за компанијата која демонстрираше 17-битен квантен систем пред само 2 месеци. Нивниот приоритет е да продолжат да го прошируваат проектот, врз основа на разбирањето дека проширувањето на бројот на кубити е клучот за создавање квантни компјутери кои можат да дадат резултати од реалниот свет.
Материјалот е клучен за изградба на квантен компјутер
Материјалот силикон е интегрален дел од компјутерите со децении, бидејќи неговиот клучен сет на способности го прави добро прилагоден за општо (или класично) пресметување. Сепак, што се однесува до квантното пресметување, решенијата засновани на силикон не се усвоени главно поради две причини, прво е тешко да се контролираат кјубитите произведени на силикон, и второ, сè уште е нејасно дали силиконските кјубити би можеле да се размерат како и други решенија. Во голем напредок Интел неодамна го разви1 нов тип на кјубит познат како 'spin qubit' кој се произведува на конвенционален силикон. Спин-кубитите многу личат на полупроводничка електроника и тие ја испорачуваат својата квантна моќ преку искористување на спинот на еден електрон на силиконски уред и контролирање на движењето со мали, микробранови импулси. Двете главни предности кои доведоа до тоа Интел да се движи во оваа насока се, прво, Интел како компанија веќе има големо инвестирање во индустријата за силикон и со тоа ја има вистинската експертиза во силиконот. Второ, силиконските кјубити се покорисни затоа што се помали од конвенционалните кјубити и се очекува да држат кохерентност подолг временски период. Ова е од примарна важност кога треба да се зголемат системите за квантно пресметување (на пр. од 100-кјубити на 200-кубити). Интел го тестира овој прототип и компанијата очекува да произведува чипови со илјадници мали кубитни низи и таквото производство кога ќе се направи на големо може да биде многу добро за зголемување на квантните компјутери и може да биде вистински менувач на игри.
Во едно неодамнешно истражување објавено во наука, новодизајнирана шема за фотонски кристали (т.е. кристален дизајн имплементиран на фотонски чип) е развиен од тим од Универзитетот во Мериленд, САД, кој тие тврдат дека ќе ги направи квантните компјутери подостапни2. Овие фотони се најмалото количество на светлина познато и овие кристали беа вградени со дупки што предизвикуваат светлината да заемодејствува. Различните обрасци на дупки го менуваат начинот на кој светлината се наведнува и отскокнува низ кристалот и тука се направени илјадници триаголни дупки. Таквата употреба на единечни фотони е важна за процесот на создавање квантни компјутери бидејќи компјутерите потоа ќе имаат способност да пресметаат големи броеви и хемиски реакции што сегашните компјутери не се во можност да ги направат. Дизајнот на чипот овозможува пренос на фотони помеѓу квантните компјутери да се случи без никакви загуби. Оваа загуба, исто така, се сметаше за голем предизвик за квантните компјутери и на тој начин овој чип се грижи за проблемот и овозможува ефикасна рута на квантната информации од еден до друг систем.
Иднина
Квантните компјутери ветуваат дека ќе извршуваат пресметки многу подалеку од секој конвенционален суперкомпјутер. Тие имаат потенцијал да го револуционизираат откривањето на нови материјали со тоа што овозможуваат симулирање на однесувањето на материјата до атомско ниво. Таа, исто така, гради надеж за вештачка интелигенција и роботика со обработка на податоците побрзо и поефикасно. Обезбедувањето на комерцијално остварлив квантен компјутерски систем може да го направи која било од големите организации во наредните години бидејќи ова истражување е сè уште отворено и е фер игра за сите. Се очекуваат големи најави во наредните пет до седум години и идеално кажано со серијата напредоци што се прават, инженерските проблеми треба да се решат и квантен компјутер од 1 милион или повеќе кубити треба да биде реалност.
***
{Можете да го прочитате оригиналниот истражувачки труд со кликнување на врската DOI дадена подолу во списокот со цитирани извори}
Извор (и)
1. Castelvecchi D. 2018 година. Природата. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Тополошки интерфејс за квантна оптика. Науката. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
