Что такое квантовые вычисления?
Квантовые компьютеры представляют новые понятия для традиционных методов программирования с помощью специальных правил квантовой физики для выполнения вычислений.
Давайте посмотрим, как квантовые вычисления отличаются от классических вычислений и как создать квантовый компьютер.
Рождение квантовых вычислений
Идея квантового компьютера родилась из сложности имитации квантовых систем на классическом компьютере. В 1980-х годах Ричард Фейнман и Юрий Манин предположили, что оборудование на основе квантовых явлений может быть более эффективным для моделирования квантовых систем, чем обычные компьютеры.
Существует множество способов понять, почему квантовые системы трудно имитировать. Проще всего увидеть, что материя на квантовом уровне находится в нескольких возможных конфигурациях (известных как состояния) одновременно.
Квантовые вычисления экспоненциально увеличиваются
Рассмотрим систему квантовых частиц, например электронов. Существует 40$ возможных позиций или расположений для электронов. Таким образом, система может находиться в любой из конфигураций $2^{40}$, так как каждое расположение может иметь или нет электрона. Для сохранения квантового состояния электронов в обычной компьютерной памяти потребуется свыше $130$ Гб памяти. Если бы электроны были разрешены к одному дополнительному расположению, чтобы они могли находиться в любой из $41$ позиций, было бы в два раза больше конфигураций на $2^{41}$, что, в свою очередь, потребует более $ 260$ памяти для хранения квантового состояния.
Эта игра увеличения числа расположений не может быть сыграна бесконечно. Если вы хотите сохранить состояние обычным образом, вы быстро превысите объем памяти самых мощных в мире компьютеров. На несколько сотен электронов память, необходимая для хранения системы, превышает количество частиц во вселенной; Таким образом, нет надежды на наши обычные компьютеры, чтобы когда-либо имитировать свою квантовую динамику.
Превратив трудности в возможность
Наблюдение за этим экспоненциальным ростом привело к тому, чтобы задать мощный вопрос: можно ли превратить эту трудность в возможность? В частности, если квантовые системы трудно имитировать, что произойдет, если мы создадим оборудование, которое имело квантовые эффекты в качестве фундаментальных операций? Можно ли имитировать квантовые системы взаимодействия частиц с помощью машины, которая использует точно те же законы физики? И мы могли бы использовать этот компьютер для исследования других задач, которые отсутствуют в квантовых частицах, но имеют решающее значение для нас? Эти вопросы привели к рождению квантовых вычислений.
В 1985 году Дэвид Дейтш показал, что квантовый компьютер может эффективно имитировать поведение любой физической системы. Это обнаружение было первым признаком того, что квантовые компьютеры можно использовать для решения проблем, которые являются неразрешимыми на классических компьютерах.
В 1994 году Питер Шор обнаружил квантовый алгоритм для коэффициентирования целых чисел, которые выполняются экспоненциально быстрее, чем самый известный классический алгоритм. Решение факторинга позволяет разбить многие из наших криптосистем открытого ключа, лежащих в основе безопасности электронной коммерции сегодня, включая RSA и Эллиптические кривые криптографии. Это обнаружение вызвало огромный интерес к квантовым вычислениям и привело к разработке квантовых алгоритмов для многих других проблем.
С этого времени для многих сложных классических задач были разработаны быстрые и эффективные квантовые компьютерные алгоритмы: имитация физических систем в химии, физике и материаловедение, поиск неупорядоченной базы данных, решение систем линейных уравнений и машинное обучение.
Что такое кубит?
Как и бит, который является основным объектом информации в классических вычислениях, кубит (квантовый бит) является основным объектом информации в квантовых вычислениях.
Кубит — базовая единица информации в квантовых вычислениях. Кубиты играют аналогичную роль в квантовых вычислениях, как биты играют в классических вычислениях, но они ведут себя по-разному. Классические биты являются двоичными и могут содержать только позицию $ 0$ или $1$, но кубиты могут содержать суперпозицию всех возможных состояний. Это означает, что кубит может находиться в состоянии $ 0$, $ 1$ или любой квантовой суперпозиции двух. Существуют бесконечные возможные суперпозиции $ 0$ и $ 1$, и каждый из них является допустимым состоянием кубита.
В квантовых вычислениях информация кодируется в суперпозиции состояний $0$ и $1$. Например, с битами $8$ мы могли бы закодировать 256$ разных значений, но нам нужно выбрать один из них, чтобы закодировать его. При использовании кубитов $ 8$ мы могли бы закодировать значения $ 256$ одновременно, потому что кубит может находиться в суперпозиции всех возможных состояний.
Создание квантового компьютера
Квантовый компьютер — это компьютер, который использует преимущества квантовых механических явлений. Квантовые компьютеры используют квантовые состояния материи для хранения и вычисления информации. Они могут "программировать" квантовое вмешательство, чтобы сделать вещи быстрее или лучше, чем классические компьютеры.
При создании квантового компьютера необходимо подумать о том, как создать кубиты и как сохранить их. Нам также нужно подумать о том, как управлять ими и как читать результаты наших вычислений.
Наиболее используемыми технологиями кубитов являются кубиты, сверхпроводящие кубиты и топологические кубиты. Для некоторых методов хранилища кубитов единица, на которой размещаются кубиты, хранится на температуре почти до абсолютного нуля, чтобы максимально повысить их согласованность и уменьшить помехи. В других случаях хранилище представляет собой вакуумную камеру, что позволяет минимизировать вибрации и стабилизировать кубиты. Сигналы можно отправлять к кубитам с помощью различных методов, включая микроволн, лазер и напряжение.
Пять критериев для квантового компьютера
Хороший квантовый компьютер должен иметь следующие пять функций:
- Масштабируемый: он может иметь множество кубитов.
- Инициализируемый: он может задать кубиты определенному состоянию (обычно состояние $0$).
- Устойчивый: он может хранить кубиты в состоянии суперпозиции в течение длительного времени.
- Универсальный: квантовый компьютер не должен выполнять каждую возможную операцию, только набор операций, называемых универсальным набором. Набор универсальных квантовых операций заключается в том, что любая другая операция может быть разложена в последовательность.
- Надежный: он может точно измерять кубиты.
Эти пять критериев часто называются критериями Di Vincenzo для квантовых вычислений.
Инженерный вызов строительства устройств, удовлетворяющих этим пяти критериям, является одним из самых требовательных, когда-либо сталкивающихся с человечеством. Корпорация Майкрософт сотрудничает с некоторыми из лучших производителей квантовых компьютеров в классе по всему миру, чтобы предоставить вам доступ к новейшим квантовым вычислениям через Azure Quantum.