Kvantni procesor: opis, načelo rada

O kvantnim izračunima, barem u teoriji, govore nekoliko desetljeća. Suvremeni tipovi strojeva koji koriste ne-klasičnu mehaniku za rukovanje potencijalno nezamislivim količinama podataka postali su veliki proboj. Prema programerima, njihova implementacija je možda bila najsloženija tehnologija ikada stvorena. Kvantni procesori rade na razinama materije, o kojima je čovječanstvo naučilo samo prije 100 godina. Potencijal takvih izračuna je ogroman. Korištenje quirky kvantnih svojstava će ubrzati izračune, tako da će se riješiti mnoge zadatke koji su trenutno izvan uobičajenih za klasična računala. I ne samo u području kemije i znanosti o materijalima. Wall Street također pokazuje interes.

Ulaganje u budućnost

CME Group uložila je u tvrtku Vancouver 1QB Information Technologies Inc., koja razvija softver za kvantne tipove procesora. Prema investitorima, takvi izračuni vjerojatno će imati najveći utjecaj na industrije koje rade s velikim količinama vremena osjetljivih podataka. Primjer takvih potrošača su financijske institucije. Goldman Sachs ulaže u D-Wave sustave, a In-Q-Tel financira CIA. Prvi proizvodi strojeve koji rade ono što se naziva "kvantno žarenje", tj. Rješava zadatke optimizacije niske razine uz pomoć kvantnog procesora. Intel također ulaže u ovu tehnologiju, iako smatra da je njegova implementacija stvar budućnosti.

Zašto je to nužno?

Razlog zašto je kvantno računalstvo tako uzbudljivo je u njihovoj idealnoj kombinaciji sa strojnim učenjem. Trenutno je to glavna aplikacija za takve izračune. Djelomično ovo je posljedica sama ideja kvantnog računala je upotreba fizičkog uređaja za pronalaženje rješenja. Ponekad je ovaj koncept objašnjen na primjeru igre Angry Birds. Kako bi simulirao gravitaciju i interakciju objekata koji se sudaraju, procesor tableta koristi matematičke jednadžbe. Kvantni procesori stavljaju takav pristup naopako. Oni "bacaju" nekoliko ptica i vide što se događa. Zapisi o mikročipu zadatak: ovo ptice, bacaju se, koja je optimalna putanja? Zatim se provjeravaju sva moguća rješenja, ili barem veoma velika kombinacija od njih i daju se odgovor. Na kvantnom računalu riješiti problem Nije matematičar, umjesto da radi zakone fizike.

Kako to radi?

Osnovni građevni blokovi našeg svijeta su kvantno mehanički. Ako pogledamo molekule, razlog zašto su formirani i ostaju stabilni je interakcija njihovih elektronskih orbitala. Svi kvantni mehanički izračuni sadržani su u svakoj od njih. Njihov broj raste eksponencijalno na rast broja simuliranih elektrona. Na primjer, za 50 elektrona ima 2 u 50. snazi ​​mogućih varijanti. Ovo je fenomenalno veliki broj, tako da ga danas ne možete izračunati. Povezivanje teorije informacija s fizikom može ukazivati ​​na način rješavanja takvih problema. 50-qubit računalo može to učiniti.

Zora nove ere

Prema Landon Downs, predsjednik i suosnivač 1QBit, kvantne procesor - moguće je koristiti snagu obrade subatomskoj svijeta, što je presudno za dobivanje novih materijala ili stvaranje novih lijekova. Postoji prijelaz iz paradigme otkrića u novu eru dizajna. Na primjer, kvantna računanja mogu se koristiti za simulaciju katalizatora koji omogućuju ekstrakciju ugljika i dušika iz atmosfere, čime se pomaže za zaustavljanje globalnog zatopljenja.

Na čelu napredovanja

Zajednica programera ove tehnologije iznimno je uzbuđena i zauzet aktivnim radom. Timovi širom svijeta grade strojeve u startupima, korporacijama, sveučilištima i vladinim laboratorijima koji koriste različite pristupe obradi kvantnih informacija. Supravodljivi qubit čips i zamrzivači na zarobljenim ionima stvorili su istraživači sa Sveučilišta Maryland i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju Sjedinjenih Država. Microsoft razvija topološki pristup pod nazivom Station Q, koji ima za cilj koristiti ne-Abelian anion, čije postojanje još nije dokazano dokazano.

Godina probnog otkrića

A ovo je samo početak. Od kraja svibnja 2017., broj kvantnih procesora koji jedinstveno čine nešto brže ili bolje od klasičnog računala je nula. Takav događaj će utvrditi "kvantnu superiornost", ali do sada se nije dogodilo. Iako je vjerojatno da se to može dogoditi i ove godine. Većina insidera kažu da je jasan favorit Googleov tim predvođen John Martini, profesorom fizike na Kalifornijskom sveučilištu u Santa Barbari. Njezin je cilj postići računalnu superiornost s 49-bitnim procesorom. Do kraja svibnja 2017. tim je uspješno testovao čip 22 čipa kao srednji korak za rastavljanje klasičnog superračunala.

Kako je sve počelo?

Ideja korištenja kvantne mehanike za obradu podataka već desetljećima. Jedan od ključnih događaja dogodio se 1981. kada su IBM i MIT zajednički organizirali konferenciju o računalnoj fizici. Poznati fizičar Richard Feynman predložio je izgradnju kvantnog računala. Kao što je rekao, za modeliranje potrebno je koristiti sredstva kvantne mehanike. I ovo je velika zadaća, jer ne izgleda tako jednostavno. U kvantnom procesoru, načelo djelovanja temelji se na nekoliko neobičnih svojstava atoma - superpozicije i zapletenosti. Čestica može biti istodobno u dvije države. Međutim, kada ga mjerite, bit će samo u jednoj od njih. I nemoguće je predvidjeti u kojoj, osim iz položaja teorije vjerojatnosti. Ovaj je učinak temelj eksperimenta misli s Schrodingerovom mačkom, koja je u kutiji istodobno mrtva i živa sve dok promatrač ne ulazi u nju. Ništa u svakodnevnom životu ne funkcionira ovako. Ipak, oko 1 milijun pokusa provedenih od početka dvadesetog stoljeća pokazuju da superpozicija doista postoji. I sljedeći korak će se utvrditi kako koristiti ovaj koncept.

Kvantni procesor: Opis posla

Klasični bitovi mogu uzeti vrijednost 0 ili 1. Ako preskačete njihov redak kroz "logička vrata" (AND, OR, NOT, itd.), Možete umnožiti brojeve, nacrtati slike itd. Kubit može uzeti vrijednosti 0, 1 ili oboje u isto vrijeme. Ako su, naprimjer, 2 qubits zbunjeni, onda ih čini potpuno korelirani. Kvantni tip procesora može koristiti logičke porta. T. n. Hadamardov ventil, na primjer, postavlja qubit u stanju savršene superpozicije. Ako se superpozicija i zgušnjavanje kombiniraju s pametno lociranim kvantnim vratima, onda se potencijal subatomskog računanja počinje razvijati. 2 qubits vam omogućuje da ispitate 4 stanja: 00, 01, 10 i 11. Načelo kvantnog procesora je takvo da izvršenje logičkog rada omogućava da istodobno funkcionira sa svim pozicijama. A broj raspoloživih država iznosi snagu broja qubita. Dakle, ako napravimo 50-qubit univerzalno kvantno računalo, teoretski je moguće simultano istraľiti sve 1.125 kvadrilionne kombinacije.

Kudite

Kvantni procesor u Rusiji drukčije se promatra. Znanstvenici iz MIPT-a i ruskog kvantnog centra stvorili su "kudit", koji su nekoliko "virtualnih" qubita s različitim razinama "energije".

amplituda

Kvantni tip procesora ima prednost da se kvantna mehanika temelji na amplitudama. Amplitude su slične vjerojatnosti, ali mogu biti i negativni i složeni brojevi. Dakle, ako trebate izračunati vjerojatnost događaja, možete dodati amplitude svih mogućih opcija za njihov razvoj. Ideja kvantnog računanja je pokušati uspostaviti uzorak smetnji tako da neki od načina do pogrešnih odgovora imaju pozitivnu amplitudu, a neki negativni i stoga će se nadoknaditi. A staze koje vode do točnog odgovora imale bi amplitude koje su međusobno u fazi. Trik je da morate organizirati sve, a da unaprijed ne znate koji je odgovor točan. Dakle, eksponencijalnost kvantnih stanja u kombinaciji s potencijalom interferencije između pozitivnih i negativnih amplituda je prednost izračuna ovog tipa.

Shoreov algoritam

Postoji mnogo zadataka koje računalo ne može riješiti. Na primjer, šifriranje. Problem je u tome što nije tako jednostavno pronaći jednostavne množitelja od 200 znamenki. Čak i ako prijenosnik radi s izvrsnim softverom, možda ćete morati pričekati godine da pronađete odgovor. Stoga je drugi algoritam u kvantnom računanju algoritam objavljen 1994. godine Peter Shore, sada profesor matematike na MIT-u. Njegova metoda sastoji se u traženju množitelja velikog broja uz pomoć kvantnog računala, koji tada nije postojao. Zapravo, algoritam izvršava operacije koje upućuju na područja s točnim odgovorom. Sljedeće godine Shor je otkrio metodu ispravljanja kvantne pogreške. Tada su mnogi shvatili da je ovo alternativni način računanja, koji u nekim slučajevima može biti moćniji. Zatim je uslijedio veliki interes od strane fizičara kako bi stvorio granice i logičke kanale između njih. A sada, dva desetljeća kasnije, čovječanstvo je na rubu stvaranja punog kvantnog računala.