Serija prebojev na področju kvantnega računalništva
Običajni računalnik, ki ga danes imenujemo klasičen ali tradicionalni računalnik, deluje na osnovnem konceptu 0s in 1s (niče in enote). Ko vprašamo računalnik da naredite nalogo namesto nas, na primer matematični izračun ali rezervacijo sestanka ali karkoli v zvezi z vsakodnevnim življenjem, se ta naloga v danem trenutku pretvori (ali prevede) v niz 0s in 1s (ki se nato imenuje vhod), ta vhod obdela algoritem (opredeljen kot niz pravil, ki jih je treba upoštevati za dokončanje naloge v računalniku). Po tej obdelavi se vrne nov niz 0s in 1s (imenovan izhod), ki kodira pričakovani rezultat in se prevede nazaj v preprostejše uporabniku prijazne informacije kot »odgovor« na to, kaj uporabnik želi, da računalnik naredi. . Fascinantno je, da ne glede na to, kako pameten ali pameten se algoritem morda zdi in ne glede na stopnjo zahtevnosti naloge, računalniški algoritem naredi samo to eno stvar – manipulira z nizom bitov – kjer je vsak bit 0 ali 1. Manipulacija se dogaja na računalniku (na koncu programske opreme), na ravni stroja pa to predstavljajo električni tokokrogi (na matični plošči računalnika). V strojni terminologiji, ko tok teče skozi te električne tokokroge, je zaprt in odprt, ko ni toka.
Klasični vs kvantni računalnik
Zato je bit v klasičnih računalnikih en sam podatek, ki lahko obstaja v dveh možnih stanjih – 0 ali 1. Če pa govorimo o kvantni računalniki običajno uporabljajo kvantne bite (imenovane tudi "kubiti"). To so kvantni sistemi z dvema stanjema, vendar lahko kubiti za razliko od običajnega bita (shranjenega kot 0 ali 1) shranijo veliko več informacij in lahko obstajajo v kateri koli predpostavki teh vrednosti. Če želimo bolje razložiti, lahko qubit predstavljamo kot namišljeno kroglo, kjer je kubit lahko katera koli točka na krogli. Lahko rečemo, da kvantno računalništvo izkorišča zmožnost subatomskih delcev, da v danem trenutku obstajajo v več kot enem stanju in se še vedno medsebojno izključujejo. Po drugi strani pa je klasična bit lahko samo v dveh stanjih – na primer na koncu dveh polov krogle. V običajnem življenju te 'superpozicije' ne moremo videti, ker ko enkrat pogledamo na sistem v celoti, te superpozicije izginejo in je to razlog, da je razumevanje takšnih superpozicij nejasno.
Za računalnike to pomeni, da lahko kvantni računalniki, ki uporabljajo kubite, shranijo ogromno informacij z manj energije kot klasični računalnik, zato je mogoče operacije ali izračune na kvantnem računalniku opraviti relativno hitreje. Torej, klasičen računalnik lahko sprejme 0 ali 1, dva bita v tem računalniku sta lahko v štirih možnih stanjih (00, 01, 10 ali 11), vendar je v danem trenutku predstavljeno samo eno stanje. Po drugi strani pa kvantni računalnik deluje z delci, ki so lahko v superpoziciji, kar omogoča, da dva kubita hkrati predstavljata natanko ista štiri stanja zaradi lastnosti superpozicije, ki računalnike osvobodi 'binarne omejitve'. To je lahko enakovredno štirim računalnikom, ki delujejo hkrati, in če dodamo te kubite, moč kvantnega računalnika eksponentno raste. Kvantni računalniki izkoriščajo tudi drugo lastnost kvantne fizike, imenovano 'kvantna zapletenost', ki jo je opredelil Albert Einstein. Zapletenost je lastnost, ki kvantnim delcem omogoča povezovanje in komunikacijo ne glede na njihovo lokacijo v Vesolje tako da lahko sprememba stanja enega v trenutku vpliva na drugega. Dvojni zmožnosti 'superpozicije' in 'prepletanja' sta načeloma zelo močni. Zato je tisto, kar lahko kvantni računalnik doseže, nepredstavljivo v primerjavi s klasičnimi računalniki. Vse to zveni zelo vznemirljivo in preprosto, vendar je v tem scenariju težava. Če kvantni računalnik kot vhod vzame kubite (superponirane bite), bo njegov izhod prav tako v kvantnem stanju, tj. izhod s superponiranimi bitmi, ki se lahko prav tako spreminjajo glede na stanje, v katerem je. Ta vrsta izhoda ne Resnično nam ne omogoča, da prejmemo vse informacije, zato je največji izziv v umetnosti kvantnega računalništva najti načine, kako pridobiti čim več informacij iz tega kvantnega rezultata.
Kvantni računalnik bo tukaj!
Kvantne računalnike lahko opredelimo kot zmogljive stroje, ki temeljijo na načelih kvantne mehanike in imajo povsem nov pristop k obdelavi informacij. Prizadevajo si raziskati kompleksne naravne zakone, ki so vedno obstajali, a so običajno ostali skriti. Če je takšne naravne pojave mogoče raziskati, lahko kvantno računalništvo poganja nove vrste algoritmov za obdelavo informacij, kar bi lahko vodilo do inovativnih prebojev v znanosti o materialih, odkrivanju zdravil, robotiki in umetni inteligenci. Zamisel o kvantnem računalniku je predlagal ameriški teoretični fizik Richard Feynman davnega leta 1982. In danes tehnološka podjetja (kot so IBM, Microsoft, Google, Intel) in akademske ustanove (kot sta MIT in univerza Princeton) delajo na kvantnem računalniški prototipi za ustvarjanje glavnega kvantnega računalnika. Podjetje International Business Machines Corp. (IBM) je pred kratkim sporočilo, da so njegovi znanstveniki zgradili zmogljivo kvantno računalniško platformo in jo lahko dajo na voljo za dostop, vendar opozarjajo, da to ni dovolj za opravljanje večine nalog. Pravijo, da lahko 50-kubitni prototip, ki se trenutno razvija, reši veliko težav, ki jih danes počnejo klasični računalniki, v prihodnosti pa bi 50-100-kubitni računalniki v veliki meri zapolnili vrzel, tj. kvantni računalnik z le nekaj sto kubiti bi bil sposoben izvede več izračunov hkrati, kot je znanih atomov Vesolje. Realno gledano je pot do mesta, kjer lahko kvantni računalnik pri težkih nalogah dejansko prekaša klasični računalnik, polna težav in izzivov. Pred kratkim je Intel izjavil, da je novi 49-kubitni kvantni računalnik podjetja korak k tej »kvantni nadmoči«, kar je velik napredek za podjetje, ki je 17-bitni sistem qubit predstavilo šele pred 2 mesecema. Njihova prednostna naloga je nadaljevanje širjenja projekta, ki temelji na razumevanju, da je povečanje števila kubitov ključ do ustvarjanja kvantnih računalnikov, ki lahko zagotavljajo rezultate v resničnem svetu.
Material je ključen za gradnjo kvantnega računalnika
Material silicij je že desetletja sestavni del računalništva, saj je zaradi njegovih ključnih zmogljivosti zelo primeren za splošno (ali klasično) računalništvo. Vendar, kar zadeva kvantno računalništvo, rešitve, ki temeljijo na siliciju, niso bile sprejete predvsem zaradi dveh razlogov, prvič, težko je nadzorovati kubite, izdelane na siliciju, in drugič, še vedno ni jasno, ali bi silicijevi kubiti lahko obsegali tako dobro kot drugi rešitve. Intel je pred kratkim razvil velik napredek1 nov tip kubita, znan kot "spin qubit", ki se proizvaja na običajnem siliciju. Spin kubiti zelo spominjajo na polprevodniško elektroniko in zagotavljajo svojo kvantno moč tako, da izkoriščajo vrtenje enega samega elektrona na silicijevi napravi in nadzorujejo gibanje z drobnimi mikrovalovnimi impulzi. Dve glavni prednosti, ki sta privedli do tega, da se je Intel premaknil v to smer, sta, prvič, da je Intel kot podjetje že močno vložen v silicijevo industrijo in ima tako pravo strokovno znanje o siliciju. Drugič, silicijevi kubiti so bolj koristni, ker so manjši od običajnih kubitov in se pričakuje, da bodo imeli skladnost dlje časa. To je bistvenega pomena, ko je treba kvantne računalniške sisteme povečati (npr. s 100-kubitov na 200-kubitov). Intel preizkuša ta prototip in podjetje pričakuje, da bo proizvajalo čipe z na tisoče majhnih nizov qubitov in taka proizvodnja, ko se izvede v razsutem stanju, je lahko zelo dobra za povečevanje kvantnih računalnikov in je lahko prava sprememba igre.
V nedavni raziskavi, objavljeni v Znanost, je ekipa na Univerzi v Marylandu v ZDA razvila novo oblikovan vzorec za fotonske kristale (tj. kristalno zasnovo, implementirano na fotonski čip), za katero trdijo, da bo kvantne računalnike naredil bolj dostopne2. Ti fotoni so najmanjša znana količina svetlobe in ti kristali so bili zasidrani z luknjami, ki povzročajo interakcijo svetlobe. Različni vzorci lukenj spreminjajo način, kako se svetloba upogiba in odbija skozi kristal in tu je bilo narejenih na tisoče trikotnih lukenj. Takšna uporaba posameznih fotonov je pomembna za proces ustvarjanja kvantnih računalnikov, saj bodo računalniki potem lahko izračunali velika števila in kemične reakcije, ki jih trenutni računalniki ne zmorejo. Zasnova čipa omogoča prenos fotonov med kvantnimi računalniki brez kakršnih koli izgub. Ta izguba je veljala tudi za velik izziv za kvantne računalnike, zato ta čip skrbi za težavo in omogoča učinkovito pot do kvantni informacije iz enega sistema v drugega.
Prihodnost
Kvantni računalniki obljubljajo, da bodo izvajali izračune veliko dlje kot kateri koli običajni superračunalnik. Imajo potencial za revolucijo pri odkrivanju novih materialov, tako da omogočijo simulacijo obnašanja snovi do atomske ravni. Prav tako ustvarja upanje za umetno inteligenco in robotiko s hitrejšo in učinkovitejšo obdelavo podatkov. V prihodnjih letih bi lahko zagotovila komercialno izvedljiv sistem kvantnega računalništva katera koli od večjih organizacij, saj je ta raziskava še vedno odprta in je poštena igra za vse. Večje napovedi se pričakujejo v prihodnjih petih do sedmih letih, v idealnem primeru pa bi bilo treba z nizom napredkov, ki so bili doseženi, rešiti inženirske težave in kvantni računalnik z 1 milijonom ali več kubitov bi moral biti resničnost.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicij se uveljavlja v dirki kvantnega računalništva. Narava. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Topološki vmesnik kvantne optike. znanost. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
