Výzva kvantového zpracování

Obsah

• Kvantová realita
• Tvorba kvantového bitu
• Žádné chyby, žádný stres - Váš průvodce krok za krokem k vytváření softwaru pro změnu života, aniž by došlo ke zničení vašeho života
• Jak jsme blízko?
• Závěr

Zdroj: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Odnést:

Podívejte se blíže na kvantové výpočty, jak to funguje a na jeho budoucí potenciál.

"Pokud si myslíte, že rozumíte kvantové fyzice, nerozumíte kvantové fyzice." Tato citace je připisována fyzikovi Richardu Feynmanovi, ale není jasné, zda to vlastně řekl. Zde je spolehlivější citát Feynmana z publikace MIT z roku 1995: „Myslím, že mohu bezpečně říci, že nikdo nechápe kvantovou mechaniku.“

Kvantová realita

Teď, když jsme to dostali z cesty, uvidíme, jestli existuje něco, co víme. Kvantová mechanika je divná. Ty drobné částice na kvantové úrovni se nechovají podle očekávání. Věci se tam liší.

V kvantovém vesmíru se dějí bláznivé věci. Je tu vnitřní náhodnost, nejistota, zapletení. Všechno to vypadá trochu moc.

Nyní víme, že atomy a subatomické částice fungují, jako by byly propojeny. Einstein nazval kvantové zapletení „strašidelnou akcí na dálku“. Představte si dva objekty, které jsou fyzicky oddělené, ale chovají se stejným způsobem, mají stejné vlastnosti a jednají jako jeden. Nyní si představte, že tyto dva objekty jsou od sebe vzdáleny 100 000 světelných let. Opravdu zvláštní.

Je toho víc. Princip nejistoty v kvantové mechanice říká, že určité vlastnosti částic prostě nelze poznat. Přidejte k tomu problém decoherence, který má co do činění s kolapsem vlnové funkce. Zdá se, že verze experimentu s dvojitým štěrbinem naznačují, že jeden kvantový objekt může být na dvou místech současně, že pozorování mění povahu subatomových částic nebo že se zdá, že elektrony cestovaly zpět v čase.

Nyní vidíte, proč může být stavba kvantového počítače takovou výzvou. Ale to nebrání lidem v pokusech. (Více informací o kvantovém zpracování naleznete v části Proč může být kvantové zpracování dalším obratem na dálnici velkých dat.)

Tvorba kvantového bitu

Problém s nejistotou spočívá v tom, že ztěžuje výpočet. Cíl se vždy pohybuje. A i když si vytvoříte nějaký matematický systém, jak opravujete chyby? A ty jsi si myslel, že binární je těžké.

„Qubit je kvantový mechanický systém, který lze za určitých vhodných okolností považovat za systém s pouze dvěma kvantovými úrovněmi,“ říká profesor Andrea Morello z University of New South Wales v Austrálii. "A jakmile to máte, můžete jej použít k zakódování kvantové informace."

Žádné chyby, žádný stres - Váš průvodce krok za krokem k vytváření softwaru pro změnu života, aniž by došlo ke zničení vašeho života

Nemůžete zlepšit své programovací schopnosti, když se nikdo nestará o kvalitu softwaru.

Snadnější řekl, než udělal. Současné kvantové počítače zatím nejsou moc silné. Stále se snaží dostat správné stavební bloky.

Kvantový bit, také známý jako qubit, má exponenciálně větší potenciál než klasický bit v binárním digitálním zpracování. Elementární částice může být ve více stavech současně, což je kvalita známá jako superpozice. Zatímco klasický bit může být v jednom ze dvou stavů (jeden nebo nula), qubit může být v obou těchto pozicích současně.

Myslete na mince. Má dvě strany: hlavy nebo ocasy. Mince je binární. Ale představte si, že hodíte minci do vzduchu a neustále točí. Zatímco se to hází, jsou to hlavy nebo je to ocas? Co to bude, kdyby někdy přistál? Jak můžete kvantifikovat převrácenou minci? To je slabý pokus o ilustraci superpozice.

Jak tedy uděláte qubit? Pokud kvantové fyziky nerozumí kvantové mechanice, pak bychom sotva zvládli odpovídající vysvětlení. Uspořádejme se s krátkým seznamem technologií, které se testují na vytvoření qubits:

• Supravodivé obvody
• Spin qubits
• Iontové pasti
• Fotonické obvody
• Topologické copánky

Nejoblíbenější z nich jsou první dva. Ostatní jsou předmětem univerzitního výzkumu. V první technice jsou supravodiče podchlazeny, aby se eliminovalo elektromagnetické rušení. Časy soudržnosti jsou však relativně krátké a věci se rozpadají. Profesor Morello pracuje na technice odstřeďování. Kvantové částice mají elektrický náboj, stejně jako magnety. Díky mikrovlnným impulzům je schopen přimět elektron, aby se roztočil spíše než dolů, čímž vytvoří tranzistor s jedním elektronem.

Poté zůstává otázka tolerance chyb a korekce chyb. Vědci z Kalifornské univerzity v Santa Barbara dokázali dosáhnout svými verbitovými branami 99,4 procent věrnosti. Na univerzitě v Oxfordu dosáhli věrnosti 99,9 procent. Takže už jsme tam?

Jak jsme blízko?

Edwin Cartlidge se ptá na tuto otázku v článku z října 2016 pro Optics & Photonics News. Varování ETSI v roce 2015, že by organizace měly přejít na „kvantově bezpečné“ šifrovací techniky, by vám mělo říci, že něco je na obzoru.

Google, Microsoft, Intel a IBM jsou ve hře. Jedním z prahů, které Google sleduje, je něco, čemu říkali „kvantová nadřazenost“. Používá se k popisu toho bodu, ve kterém kvantový počítač dělá něco, co klasický počítač nemůže.

Podle Davida Castelvecchiho z Scientific American plánuje IBM v roce 2017 zavést „univerzální“ kvantový počítač. Jmenuje se „IBM Q“, jedná se o cloudovou službu dostupnou přes internet za poplatek. Ochutnejte, na čem pracují, vyzkoušejte své kvantové zážitky, které jsou nyní k dispozici online. Ale Castelvecchi říká, že žádné z těchto snah není výkonnější než běžné počítače - zatím. Nadřazenost kvantové dosud nebyla stanovena.

Jak Techopedia oznámila v roce 2013, Google má spoustu aplikací pro zralý kvantový počítač, jakmile se vyvinul. Microsoft pracuje na topologickém kvantovém zpracování. Několik startupů se rozrůstá a v terénu se vykonává spousta práce. Někteří odborníci však varují, že jídlo ještě nemusí být zcela uvařeno. "Nevytvářím žádné tiskové zprávy o budoucnosti," říká Rainer Blatt z University of Innsbruck v Rakousku. A fyzik David Wineland říká: „Jsem z dlouhodobého hlediska optimistický, ale co„ dlouhodobý “znamená, to nevím.“ (Viz část 5 skvělých věcí, které může společnost Google provést s kvantovým počítačem.)

I když je dosaženo kvantové nadřazenosti výpočetní techniky, nehledejte ji, aby se váš laptop co nejdříve nahradil. Kvantové počítače, stejně jako jejich binární protějšky v prvních dnech, mohou být pouze specializovanými zařízeními určenými pro specifické účely. Jedním z nejběžnějších způsobů použití by bylo mít kvantovou počítačovou simulaci kvantové mechaniky. Kromě náročných počítačových operací, jako je předpovědi počasí, může být použití kvantového zpracování dat centralizováno a omezeno na cloud. To samozřejmě může být tím pravým místem.

Závěr

Profesor Morello jasně identifikoval primární výzvu kvantového počítání. Než budete moci začít kódovat informace, musíte být schopni stanovit dvě diskrétní kvantové úrovně s qubitem. Jakmile je dosaženo, kvantové zpracování „vám umožní přístup k exponenciálně většímu výpočetnímu prostoru“ než klasický počítač. Například kvantový počítač s 300 qubity (N qubits = 2^N klasické bity) budou schopny zpracovat více bitů informace, než jsou částice ve vesmíru.

To je hodně bitů. Ale dostat se odtamtud tam bude nějakou práci.