I computer quantistici. Perché loro ancora no, anche se già ci sono?

Cinquant'anni fa gli smartphone sembrerebbero assolutamente magici computer. Allo stesso modo, come i computer classici sono quasi stato inconcepibile per le generazioni precedenti, oggi ci troviamo di fronte con la nascita di un nuovo tipo di calcolo: qualcosa di così mistico, che può essere chiamato magico. Questo computer quantistici. Se la parola «quantistico» è sconosciuto, non siete soli. Questo è molto freddo, piccolo, delicato e molto strano mondo può sembrare discutibile sistema, su cui si propone di costruire commerciale di una macchina di calcolo, ma questo è esattamente ciò su cui stanno lavorando in IBM , Rigetti Computing e altre società.

Nel mese di gennaio al CES nell'ambito dell'iniziativa IBM Q hanno mostrato System One (vedi sopra): abbagliante, elegante e simile a un lampadario macchina, che è diventato il primo integrato al sistema di calcolo quantistico per uso commerciale, con cui possa giocare tutti.

Circa il potenziale di computer quantistici sentito, probabilmente ognuno di noi: le proprietà della fisica quantistica aprono in parallelo schema di calcolo che, probabilmente, garantiscono un enorme salto di potenza di calcolo e andare avanti di qualsiasi transistor supercomputer, con cui possiamo affrontare oggi e domani. Si produrrà una rivoluzione nel campo della chimica, farmacia, scienza dei materiali e di apprendimento.

Ma cosa rende i computer quantistici così potenti? Cerchiamo di capire.

Che cosa è un qubit?

Per iniziare, ricordiamo come funzionano i computer quantistici.

Il Segreto della loro abilità nel fatto che essi manipolano кубитами. Tutti, che gestisce il classico computer — testo, immagini, video e così via — è costituito da lunghe stringhe di zeri e di uno, o di bit. Intrinsecamente bit rappresenta una condizione dei due: on/off, o collegato il circuito elettrico, o no. Nei computer moderni bit è di solito rappresentato da tensione elettrica o un impulso di corrente.

I computer Quantistici, al contrario, si basano su qubit. Come binario bit, qubit sono alla base di calcolo, con una grande differenza: qubit, di solito, sono сверхпроводниками di elettroni o altre particelle subatomiche. Non c'è da stupirsi che la manipolazione кубитами rappresentano un complesso scientifico e ingegneria attività. IBM, ad esempio, utilizza diversi strati di superconduttori catene che si trovano in un ambiente controllato e gradualmente raffreddato a temperature inferiori spazio profondo — circa zero assoluto.

Dal momento che qubit abitano la realtà quantistica, hanno incredibili proprietà quantistiche.

Sovrapposizione, la partecipazione e l'interferenza

Se il bit di presentare come una moneta con l'aquila (0) o croce (1), qubit saranno presentati rotante moneta: in un certo senso, sono anche e aquile, e croci, e ogni stato ha una certa probabilità. Gli scienziati usano sono calibrati impulsi a microonde, per mettere qubit in sovrapposizione; allo stesso modo, altri la frequenza e la durata di questi impulsi può capovolgere qubit in modo che si trovi un po ' in un altro stato (ma ancora in sovrapposizione).

A causa della sovrapposizione Di singolo qubit può rappresentare molto di più informazioni di bit binari. In parte ciò è dovuto al fatto che quando iniziale di immissione qubit possono ordinare attraverso il metodo forza bruta di un enorme numero di possibili risultati contemporaneamente. La risposta definitiva appare solo quando gli scienziati misurano qubit — allo stesso modo, utilizzando segnali a microonde — che li fa «collassare» in binario e lo stato. Spesso gli scienziati devono fare i calcoli più volte, per verificare la risposta.

La Partecipazione è ancora più meraviglioso. L'applicazione degli impulsi radar per un paio di qubit può confondere in modo che essi saranno sempre esistere in uno stato quantistico. Questo permette agli scienziati di manipolare le coppie groviglio di qubit, semplicemente cambiando lo stato di uno di loro, anche se sono fisicamente separati da una grande distanza, da qui e «inquietante l'azione a distanza». A causa del prevedibile della natura della partecipazione, l'aggiunta di un qubit aumenta in modo esponenziale la potenza di calcolo di un computer quantistico.

L'Interferenza — l'ultima di proprietà, che implementano algoritmi quantistici. Immaginate di rotolamento onde: a volte si incastrano l'un l'altro (agiscono in modo costruttivo), a volte si annullano (distruttivo). L'uso di interferenza permette agli scienziati di monitorare lo stato, aumentando il tipo di segnali che portano alla risposta corretta, e che annulla quelli che danno risposte non corrette.

Come sono programmati i computer quantistici?

L'obiettivo Principale è quello di per codificare una parte dell'attività nel complesso lo stato quantico, utilizzando qubit, e quindi manipolare questa condizione, per portare a qualche soluzione, che sarà possibile misurare dopo il crollo суперпозиций in deterministici sequenze di zeri (0) e uno (1).

Non è Chiaro? Rileggi ancora una volta.

Sembra difficile, ma poiché tutti i termini che abbiamo già smontato, si può capire.

Come è il caso con il classico la programmazione, gli scienziati stanno sviluppando linguaggi assembler di basso livello che la macchina capisce meglio, per passare da loro a linguaggi di alto livello e grafica di interfacce, più adatto per la mente umana. IBM Qiskit, ad esempio, consente di экспериментаторам creare attività e trascinare elementi logici.

il Demone decoerenza

Perché i computer quantistici non ancora venduti in ogni angolo? In un certo senso, gli scienziati stanno cercando di costruireperfette macchine da imperfetti parti. I computer quantistici sono estremamente sensibili alle perturbazioni, rumore e altri influssi ambientali, che fanno il loro stato quantico vacillare e a svanire. Questo effetto è chiamato декогеренцией.

Per alcuni esperti decoerenza è un problema, immobilizzare la computazione quantistica. Anche se tutti i соблюденных misure di rumore può penetrare nei calcoli. Gli scienziati possono memorizzare l'informazione quantistica, finché lei non perde la sua integrità sotto l'influenza di decoerenza, che limita il numero di calcoli che si possono produrre consecutivi.

La Delicata natura del calcolo quantistico è anche la causa di ciò che è cieco l'aggiunta di un qubit in un sistema non necessariamente farà il suo più potente. La resilienza viene esaminato nel campo della computazione quantistica: la logica, l'aggiunta di un qubit può compensare alcuni problemi, ma per creare un unico, affidabile qbit per la migrazione dei dati потребутся milioni correttive errori di qubit. E noi oggi non più di 128. Forse aiuteranno algoritmi intelligenti, che anche in fase di sviluppo.

Simulazione quantistica con l'aiuto di un computer quantistico

Dal momento che i grandi dati di oggi è un tema caldo, ci si aspetterebbe che i computer quantistici saranno meglio gestire grandi insiemi di dati, di classici. Ma non è così.

Invece, i computer quantistici saranno particolarmente bravi nella modellazione della natura. Ad esempio, la computazione quantistica si potrebbe utilizzare per una più efficace di compilazione delle molecole dei farmaci, perché sono per lo più lavorano sulla stessa base, che e molecole, che cercano di simulare. Calcolo stato quantistico di una molecola incredibilmente un compito difficile, che è quasi scoraggiante nostri computer, ma i computer quantistici sono con lei in allegria.

Allo stesso modo computazione quantistica possono capovolgere l'area scienza dei materiali o la trasmissione di informazioni. Grazie della partecipazione, qubit, fisici separati da una grande distanza, possono creare un canale per la trasmissione di informazioni, che dal punto di vista scientifico sarà più sicuro dei nostri canali esistenti. Quantum internet è del tutto fattibile.

Ma la cosa più interessante è questo: non sappiamo nemmeno varietà impressionante di domande, che possono cercare di risolvere i computer quantistici. Solo avendo commerciale di un computer quantistico e permettendo alle persone di lavorare con lui, potremmo delineare nuove zone interessanti, adatti per questa splendida nuova tecnologia.

E quali compiti hanno cercato di risolvere un computer quantistico? Dì .