Книжная полка

Квантовая механика возникла как раздел физики в начале 1900-х годов для объяснения природы в масштабе атомов и привела к таким достижениям, как транзисторы, лазеры и магнитно-резонансная томография. Идея объединить квантовую механику и теорию информации возникла в 1970-х годах, но привлекла мало внимания до 1982 года, когда физик Ричард Фейнман выступил с докладом, в котором он рассуждал, что вычисления, основанные на классической логике, не могут обрабатывать вычисления, описывающие квантовые явления. Однако вычисления, основанные на квантовых явлениях, сконфигурированные для моделирования других квантовых явлений, не будут иметь таких же узких мест. Хотя это приложение в конечном итоге стало областью квантового моделирования, в то время оно не вызвало особой исследовательской активности.

Однако в 1994 году интерес к квантовым вычислениям резко возрос, когда математик Питер Шор разработал квантовый компьютер. алгоритм, который мог эффективно находить простые множители больших чисел. Здесь «эффективно» означает время, имеющее практическую значимость, которое выходит за рамки возможностей современных классических алгоритмов. Хотя это может показаться просто странным, невозможно переоценить важность проницательности Шора. Безопасность почти каждой онлайн-транзакции сегодня зависит от криптосистемы RSA, которая зависит от неразрешимости проблемы факторинга для классических алгоритмов.

ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ?

И квантовые, и классические компьютеры пытаются решать проблемы, но способы манипулирования данными для получения ответов принципиально различаются. В этом разделе дается объяснение того, что делает квантовые компьютеры уникальными, благодаря введению двух принципов квантовой механики, критически важных для их работы, суперпозиции и сцепления.

Суперпозиция — это парадоксальная способность квантового объекта, такого как электрон одновременно существовать в нескольких «состояниях». В случае электрона одно из этих состояний может быть самым низким уровнем энергии в атоме, а другое — первым возбужденным уровнем. Если электрон приготовлен в суперпозиции этих двух состояний, у него есть некоторая вероятность находиться в нижнем состоянии и некоторая вероятность оказаться в верхнем. Измерение разрушит эту суперпозицию, и только тогда можно будет сказать, что она находится в нижнем или верхнем состоянии.

Понимание суперпозиции позволяет понять основной компонент информации в квантовых вычислениях, кубит. В классических вычислениях биты — это транзисторы, которые могут быть выключены или включены, что соответствует состояниям 0 и 1. В кубитах, таких как электроны, 0 и 1 просто соответствуют состояниям, таким как нижний и верхний уровни энергии, обсужденные выше. Кубиты отличаются от классических битов, которые всегда должны находиться в состоянии 0 или 1, своей способностью находиться в суперпозициях с различными вероятностями, которыми можно манипулировать с помощью квантовых операций во время вычислений..

Запутанность — это явление, при котором квантовые сущности создаются и/или управляются таким образом, что ни одна из них не может быть описана без ссылки на другие. Индивидуальные личности теряются. Эту концепцию чрезвычайно сложно осмыслить, если учесть, как запутанность может сохраняться на больших расстояниях. Измерение одного члена запутанной пары немедленно определяет измерения его партнера, создавая впечатление, будто информация может перемещаться быстрее скорости света. Это кажущееся действие на расстоянии было настолько тревожным, что даже Эйнштейн назвал его «жутким» (Born 1971, p. 158).

В популярной прессе часто пишут, что квантовые компьютеры ускоряются, пробуя все возможные варианты. ответ на проблему параллельно. На самом деле квантовый компьютер использует взаимосвязь между кубитами и вероятностями, связанными с суперпозициями, для выполнения ряда операций (квантовый алгоритм), так что одни вероятности увеличиваются (т. Е. Вероятности правильных ответов), а другие уменьшаются даже до нуля ( т. е. неправильных ответов). Когда измерение выполняется в конце вычисления, вероятность измерения правильного ответа должна быть максимальной. То, как квантовые компьютеры используют вероятности и запутанность, отличает их от классических компьютеров.

ПОЧЕМУ МЫ ЭТО ХОЧЕМ?

Множество дополнительных приложений для кубитных систем, не связанных с вычисления или моделирование также существуют и являются активными областями исследований, но они выходят за рамки этого обзора. Двумя наиболее известными областями являются (1) квантовое зондирование и метрология, которые используют крайнюю чувствительность кубитов к окружающей среде для реализации зондирования за пределами классического предела дробового шума, и (2) квантовые сети и коммуникации, которые могут привести к революционным путям. для обмена информацией.

КАК МЫ ПЫТАЕМСЯ ПОЛУЧИТЬ ЕГО?

Создание квантовых компьютеров невероятно сложно. Многие системы-кандидаты кубитов существуют в масштабе отдельных атомов, и физики, инженеры и материаловеды, которые пытаются выполнять квантовые операции в этих системах, постоянно сталкиваются с двумя конкурирующими требованиями.. Во-первых, кубиты необходимо защитить от окружающей среды, поскольку она может разрушить тонкие квантовые состояния, необходимые для вычислений. Чем дольше кубит остается в желаемом состоянии, тем дольше его «время когерентности». С этой точки зрения изоляция ценится. Во-вторых, однако, для выполнения алгоритма кубиты должны быть запутаны, перемещены по физической архитектуре и управляться по запросу. Чем лучше могут быть выполнены эти операции, тем выше их «точность». Трудно найти баланс между необходимой изоляцией и взаимодействием, но после десятилетий исследований несколько систем стали лучшими кандидатами для крупномасштабной обработки квантовой информации.

Сверхпроводящие системы, захваченные атомные ионы и полупроводники — это лишь некоторые из них. ведущих платформ для создания квантового компьютера. У каждого есть свои преимущества и недостатки, связанные с согласованностью, точностью и максимальной масштабируемостью до больших систем. Однако ясно, что всем этим платформам потребуются протоколы исправления ошибок определенного типа, чтобы они были достаточно надежными для выполнения значимых вычислений, и то, как разработать и реализовать эти протоколы, само по себе является большой областью исследований. Обзор квантовых вычислений с более подробной информацией об экспериментальных реализациях см. В Ladd et al. (2010).

В этой статье «квантовые вычисления» до сих пор использовались как общий термин, описывающий все вычисления, в которых используются квантовые явления. На самом деле существует несколько типов операционных структур. Логические квантовые вычисления на основе вентилей, вероятно, являются наиболее признанными. В нем кубиты подготавливаются в начальных состояниях, а затем подвергаются серии «вентильных операций», таких как импульсы тока или лазерные импульсы, в зависимости от типа кубита. Через эти вентили кубиты складываются в суперпозиции, запутываются и подвергаются логическим операциям, таким как вентили И, ИЛИ и НЕ в традиционных вычислениях. Затем кубиты измеряются, и получается результат.

Другой структурой являются вычисления на основе измерений, в которых сильно запутанные кубиты служат отправной точкой. Затем вместо выполнения операций манипуляции с кубитами выполняются измерения одного кубита, оставляя целевой отдельный кубит в окончательном состоянии. На основе результата дальнейшие измерения проводятся на других кубитах и, в конце концов, достигается ответ.

Третья структура — топологические вычисления, в которых кубиты и операции основаны на квазичастицах и их операциях плетения. Хотя зарождающиеся реализации компонентов топологических квантовых компьютеров еще предстоит продемонстрировать, этот подход привлекателен, поскольку эти системы теоретически защищены от шума, который нарушает когерентность других кубитов.

Наконец, есть аналоговые квантовые компьютеры или квантовые симуляторы, представленные Фейнманом. Квантовые симуляторы можно рассматривать как квантовые компьютеры специального назначения, которые можно запрограммировать для моделирования квантовых систем.. Благодаря этой способности они могут задавать вопросы, например, как работают высокотемпературные сверхпроводники или как реагируют определенные химические вещества, или как создавать материалы с определенными свойствами.

ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Квантовые компьютеры могут произвести революцию в вычислениях, сделав некоторые типы классически неразрешимых проблем решаемыми. Хотя ни один квантовый компьютер еще не является достаточно сложным, чтобы выполнять вычисления, которые не может выполнять классический компьютер, в настоящее время наблюдается большой прогресс. Несколько крупных компаний и небольших стартапов теперь имеют работающие квантовые компьютеры без исправления ошибок, состоящие из нескольких десятков кубитов, и некоторые из них даже доступны для общественности через облако. Кроме того, квантовые симуляторы делают успехи в различных областях, от молекулярной энергетики до физики многих тел.

По мере того, как небольшие системы появляются в сети, область, ориентированная на краткосрочные применения квантовых компьютеров, начинает расцветать. Этот прогресс может позволить реализовать некоторые преимущества и идеи квантовых вычислений задолго до того, как будет завершен поиск крупномасштабного квантового компьютера с исправленными ошибками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • Борн М. Письма Борна-Эйнштейна. Лондон: Уокер; 1971.
  • Фейнман Р.П. Моделирование физики с помощью компьютеров. Международный журнал теоретической физики. 1982; 21 (6-7): 467–488.
  • Ladd TD, Jelezko F, ​​Laflamme R, Nakamura Y, Monroe C, O’Brien JL . Квантовые компьютеры. Природа. 2010. 464 (7285): 45–53. [PubMed: 20203602]
  • Шор PW. Алгоритмы квантовых вычислений: дискретные логарифмы и факторизация. Материалы 35-го ежегодного симпозиума по основам информатики; 1994. С. 124–134. https://arxiv .org/abs/Quant-ph/9508027.
Оцените статью
Botgadget.ru
Добавить комментарий