Vad är kvantberäkning?
Kvantberäkning har löftet att lösa några av vår planets största utmaningar – inom områdena miljö, jordbruk, hälsa, energi, klimat, materialvetenskap med mera. För vissa av dessa problem utmanas klassisk databehandling alltmer i takt med att systemets storlek växer. När de är utformade för skalning har kvantsystem sannolikt funktioner som överskrider dagens mest kraftfulla superdatorer.
Den här artikeln förklarar principerna för kvantberäkning, hur den jämförs med klassisk databehandling och hur den använder principerna för kvantmekanik.
Historik över kvantberäkning
Idén om en kvantdator föddes ur svårigheten att simulera kvantsystem på en klassisk dator. På 1980-talet föreslog Richard Feynman och Yuri Manin oberoende att maskinvara baserad på kvantfenomen kan vara mer effektiv för simulering av kvantsystem än konventionella datorer.
Man kan förklara varför kvantmekanik är så svårt att simulera på flera olika sätt. Det enklaste är att se att frågan, på kvantnivå, finns i en mängd olika möjliga konfigurationer (kallas tillstånd).
Kvanttillstånd växer exponentiellt
Överväg ett system med elektroner där det finns $40$ möjliga platser, där varje plats antingen kan ha eller inte har en elektron. Systemet kan därför finnas i någon av $2^{40}$ konfigurationer (eftersom varje plats har två möjliga konfigurationer, antingen har en elektron eller är tom). För att lagra kvanttillståndet för elektronerna i ett konventionellt datorminne skulle det kräva mer än $130$ GB minne! Om du ökar antalet möjliga platser till $41$ skulle det finnas dubbelt så många konfigurationer vid $2^{41}$ vilket i sin tur skulle kräva mer än $260$ GB minne för att lagra kvanttillståndet.
Det här spelet för att öka antalet platser kan inte spelas på obestämd tid. Vid några hundra elektroner det minne som krävs för att lagra systemet överskrider antalet partiklar i universum; därför finns det inget hopp med konventionella datorer att någonsin simulera kvantdynamik.
Förvandla svårigheter till möjligheter
Observationen av denna exponentiella tillväxt fick forskare att ställa en kraftfull fråga: kan vi simulera kvantsystem med hjälp av en maskin som utnyttjar exakt samma fysiklagar? Och kan vi använda dem som datorn för att undersöka andra uppgifter som är avgörande för oss? Dessa frågor ledde till uppkomsten av kvantberäkning.
År 1985 visade David Deutsch att en kvantdator effektivt kunde simulera beteendet hos alla fysiska system. Den här identifieringen var den första indikationen på att kvantdatorer kan användas för att lösa problem som är svårlösta på klassiska datorer.
År 1994 upptäckte Peter Shor en kvantalgoritm för att räkna ut heltal som körs exponentiellt snabbare än den mest kända klassiska algoritmen. Genom att lösa faktorer kan du bryta många av våra kryptosystem med offentliga nycklar som ligger till grund för säkerheten för e-handel idag, inklusive RSA och Elliptic Curve Cryptography. Den här identifieringen väckte ett stort intresse för kvantberäkning och ledde till utvecklingen av kvantalgoritmer för många andra problem.
Vad är en kvantbit?
Precis som bitar är det grundläggande objektet för information inom klassisk databehandling är kvantbitar (kvantbitar) det grundläggande informationsobjektet inom kvantberäkning.
En kvantbit är den grundläggande informationsenheten inom kvantberäkning. Kvantbitar har en liknande roll inom kvantberäkning som bitar har i klassiska beräkningar, men de har ett helt annat beteende. Klassiska bitar är binära och kan bara innehålla en position på $0$ eller $1$, men kvantbitar kan innehålla en superposition av alla möjliga tillstånd. Det innebär att en kvantbit kan vara i tillståndet 0, 1 eller någon kvantsuperposition av de två. Det finns oändliga möjliga superpositioner på 0 och 1, och var och en av dem är ett giltigt qubit-tillstånd.
Inom kvantberäkning kodas informationen i superpositionen för tillstånden 0 och 1. Med 8 bitar kan du till exempel koda $256$ olika värden, men du måste välja en av dem för att koda den eftersom 256-värdena inte kan samexistera. Med 8 kvantbitar kan du koda 256 värden samtidigt. Det här beteendet beror på att en qubit kan vara i en superposition av alla möjliga tillstånd.
Mer information finns i Kvantbiten i kvantberäkning.
Vilka är kraven för att skapa en kvantdator?
En kvantdator är en dator som utnyttjar kvantmekaniska fenomen. Kvantdatorer använder kvanttillstånd för materia för att lagra och beräkna information. De kan &citera; program" kvantfenomen för att göra saker snabbare eller bättre än klassiska datorer.
Att skapa en kvantdator är en komplex teknisk utmaning som kräver en djup förståelse för kvantmekanik och möjligheten att styra kvantsystem i de minsta skalorna. När du skapar en kvantdator är det viktigt att tänka på hur du skapar kvantbitarna och hur du lagrar dem, manipulerar dem och läser resultatet av beräkningen.
Det är därför forskare och ingenjörer arbetar med olika kvantbitstekniker för att bygga kvantdatorer, eftersom varje teknik har sina egna fördelar och nackdelar. De flesta använda qubit-tekniker är kvantbitar med fångade joner, supraledande kvantbitar och topologiska kvantbitar. För vissa metoder för kvantbitslagring hålls den enhet som rymmer kvantbitarna vid en temperatur nära absolut noll för att maximera deras koherens och minska interferensen. Andra typer av kvantbitslagring använder en vakuumkammare för att minimera vibrationer och stabilisera kvantbitarna. Signaler kan skickas till kvantbitar med en mängd olika metoder, till exempel mikrovågor, laser och spänning.
De fem kriterierna för en kvantdator
En bra kvantdator bör ha följande fem funktioner:
- Skalbar: Den kan ha många kvantbitar.
- Initializable: Den kan ange kvantbitarna till ett specifikt tillstånd (vanligtvis 0-tillståndet).
- Elastisk: Den kan hålla kvantbitarna i superpositionstillstånd under lång tid.
- Universell: En kvantdator behöver inte utföra alla möjliga åtgärder, bara en uppsättning åtgärder som kallas universell uppsättning. En uppsättning universella kvantåtgärder är sådana att alla andra åtgärder kan delas upp i en sekvens av dem.
- Tillförlitlig: Den kan mäta kvantbitarna korrekt.
Dessa fem kriterier kallas ofta Di Vincenzo-kriterierna för kvantberäkning.
Att skapa enheter som uppfyller dessa fem kriterier är en av de mest krävande tekniska utmaningar som mänskligheten någonsin står inför. Azure Quantum erbjuder en mängd olika kvantberäkningslösningar med olika kvantbitstekniker. Mer information finns i den fullständiga listan över Azure Quantum-leverantörer.
Förstå kvantfenomen
Kvantfenomen är de grundläggande principerna som skiljer kvantberäkning från klassisk databehandling. Att förstå dessa fenomen är avgörande för att förstå hur kvantdatorer fungerar och varför de har en sådan potential. De två viktigaste kvantfenomenen är superposition och sammanflätning.
Superposition
Tänk dig att du motionerar i vardagsrummet. Du vrider på kroppen så långt du kan åt vänster och sedan åt höger. Nu försöker du vrida dig åt både vänster och höger samtidigt. Det lyckas du inte med (åtminstone inte utan gå itu). Det står klart att du inte kan befinna dig i båda dessa tillstånd samtidigt – det går inte att titta åt vänster och höger på samma gång.
Om du är en kvantpartikel har du dock en viss sannolikhet att titta åt vänster OCH en viss sannolikhet att titta åt höger tack vare ett fenomen som heter superposition (det kallas även koherens).
Till skillnad från klassiska partiklar, om två tillstånd $A$ och $B$ är giltiga kvanttillstånd för en kvantpartikel, är alla linjära kombinationer av tillstånden också ett giltigt kvanttillstånd: $\text{kvantbittillstånd}=\alpha A + \beta B$. Den här linjära kombinationen av kvanttillstånden $A$ och $B$ kallas superposition. Här, $\alpha$ och $\beta$ är sannolikheten amplituderna för $A$ $respektive B$, så att $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1.$
Endast kvantsystem som joner, elektroner eller supraledande kretsar kan finnas i superpositionstillstånden som möjliggör kraften i kvantberäkning. En kvantpartikel som en elektron har sin egen "vända åt vänster eller mot höger"-egenskap, nämligen spinn, som kallas antingen upp eller ner, så kvanttillståndet för en elektron är en superposition av " spin up" och " spin down".
Om du vill lära dig mer och öva med superposition kan du läsa Träningsmodul: Utforska superposition med Q#.
Sammanflätning
Sammanflätning är en kvantkorrelation mellan två eller flera kvantsystem. När två kvantbitar är sammanflätade korreleras de och delar informationen om sina tillstånd så att kvanttillståndet för enskilda kvantbitar inte kan beskrivas oberoende av varandra. Med kvantsammanflätning kan du bara känna till kvanttillståndet för det globala systemet, inte de enskilda tillstånden.
Sammanflätade kvantsystem upprätthåller den här korrelationen även när de separeras över stora avstånd. Det innebär att vilken åtgärd eller process du än tillämpar på ett undersystem korrelerar även med det andra undersystemet. Därför ger mätning av tillståndet för en kvantbit information om tillståndet för den andra kvantbiten – den här egenskapen är till stor hjälp vid kvantberäkning.
Om du vill veta mer kan du läsa Självstudie: Utforska kvantsammanflätning med Q# och, för en praktisk implementering, kolla in träningsmodulen: Teleporta en kvantbit med sammanflätning.