Kvante-datamaskiner. Hvorfor dem ennå, selv om de allerede har?

Femti år siden, smarttelefoner ville ha virket helt magisk datamaskiner. Akkurat som klassiske datamaskiner har blitt nesten ufattelig til tidligere generasjoner, og i dag står vi overfor fødselen av en helt ny type databehandling: noe så mystisk som den kan bli kalt magic. Det er kvante-datamaskiner. Hvis ordet "quantum" er ukjent for deg, du er ikke alene. Dette er veldig kul, liten, følsom og veldig merkelig verden kan synes tvilsom system der det er foreslått å bygge en kommersiell computational maskin, men det er akkurat hva du arbeider på IBM , Rigetti Computing og andre selskaper.

I januar på CES i rammen av initiativet IBM Q viste System (se ovenfor): en blendende vakre, grasiøse og lignende til den lysekrone av bilen, som ble den første integrert universal system av quantum computing for kommersiell bruk, og som kan spille av alle.

Om potensialet i kvante-datamaskiner hørt, sannsynligvis, alle: egenskapene til kvantefysikk tilbyr massivt parallell databehandling ordninger, som trolig vil gi et stort hopp i prosessorkraft og vil utkonkurrere alle transistor-basert superdatamaskiner, som vi kan møte i dag og i morgen. De vil revolusjonere innen kjemi, farmasi, materiallære, og maskinlæring.

Men hva gjør kvante-datamaskiner så kraftig? Let ' s deal.

Hva er en qubit?

For det første, husk hvordan er kvante-datamaskiner.

The Secret til sine ferdigheter som de manipulere qubits. Alt håndterer den klassiske pc — tekst, bilder, videoer og så videre — består av lange strenger av nuller og enere, eller biter. Iboende bit representerer en tilstand av to: på/av eller koblet til elektrisk krets eller ikke. I moderne datamaskiner, biter er vanligvis representert ved elektrisk spenning eller strøm puls.

Kvante-datamaskiner, derimot, kan du stole på qubits. Som binære biter, qubits er grunnlaget for beregning, med en stor forskjell: det qubits har en tendens til å være superledere, elektroner eller andre subatomære partikler. Det er ikke overraskende at manipulering av qubits representerer komplekse vitenskapelige og tekniske problem. IBM, for eksempel, bruker flere lag av superledende kretser som er i et kontrollert miljø og gradvis avkjølt til temperaturer som er lavere enn deep space er i nærheten absolutte nullpunkt.

Siden qubits bor i quantum virkeligheten, de har en bemerkelsesverdig quantum egenskaper.

Superposisjon, forviklinger og forstyrrelser

Om litt for å gi som en mynt med en eagle (0) eller mynt (1), qubits er representert av en spinnende mynten: i en forstand, de er både ørn, og haler, og hver stat har en viss sannsynlighet. Forskere bruker kalibrert mikrobølgeovn pulser å sette qubit i en superposisjon; på samme måte, den andre frekvensen og varigheten av disse pulser kan snu qubit slik som det var i enkelte andre land (men som fortsatt er i en superposisjon).

På grunn av blandingen av den enkelte qubit kan representere mye mer informasjon enn det binære bit. Dette er delvis på grunn av det faktum at når den første inngang qubits kan gå gjennom brute-force et stort antall mulige utfall på samme tid. Det endelige svaret vises bare når forskere måle qubits — også, ved hjelp av mikrobølgesignaler — hva er det som gjør dem "kollapse" i en binær tilstand. Ofte forskere har å gjøre beregninger flere ganger for å bekrefte svaret.

Den Forvirring er enda mer fantastisk. Bruk av mikrobølgeovn pulser på et par av qubits kan forvirre dem slik at de vil alltid eksistere i samme quantum staten. Det tillater forskere å manipulere fanget par av qubits, bare ved å endre tilstanden til en av dem, selv om de er fysisk adskilt av en stor avstand, derav "spooky action på avstand". På grunn av den forutsigbare arten av engasjement, tillegg av qubits øker eksponensielt regnekraft av en kvante-maskin.

Forstyrrelser — den siste av de egenskaper som implementerer quantum algoritmer. Tenk deg rullende bølger: noen ganger kan de presse hverandre (for å handle konstruktivt), og noen ganger slukket (destruktive). Bruk forstyrrelser tillater forskere å styre staten, forsterke signaler som fører til riktig svar, og avbryter de som gir feil svar.

Hvordan programmerbare kvante-datamaskiner?

Det Viktigste målet er for å kode en del av problemet i komplekse quantum tilstand ved hjelp av qubits, og deretter manipulere som betingelse for å få det til noen slags løsning som kan måles etter sammenbruddet av superpositions i en deterministisk sekvens av nuller (0) og de (1).

Korrekt? Leste om igjen.

Høres komplisert ut, men siden alle de uttrykkene vi har allerede diskutert, kan forstå.

Som i tilfellet med klassisk programmering, forskere er å utvikle et språk Assembly lavt nivå at maskinen forstår det er bedre å gå fra dem til høy-nivå språk og grafisk brukergrensesnitt, det er mer hensiktsmessig for det menneskelige sinn. IBM Qiskit, for eksempel, tillater forskere å lage oppgaver og dra-og-slipp-logikk elementer.

Demon decoherence

Hvorfor kvante-datamaskiner er ikke ennå selges på hvert gatehjørne? I en viss forstand, forskere prøver å byggeperfekt maskin ut av ufullkomne deler. Kvante-datamaskiner som er ekstremt følsomme for forstyrrelsene, støy og andre miljøpåvirkninger, som gjør at deres quantum staten til å waver og forsvinne. Denne effekten kalles decoherence.

For noen eksperter decoherence er et problem til å begrense en quantum computation. Selv med alle de observerte tiltak, støy kan sive inn i beregningene. Forskere kan lagre quantum informasjon så lenge det ikke mister sin integritet under påvirkning av decoherence, noe som begrenser antall beregninger som kan utføres i en rad.

Den sårbare arten av quantum computing er også grunnen til at blinde legge til qubits til systemet vil ikke nødvendigvis gjøre det mer kraftig. Feiltoleranse er nøye undersøkt i felt av quantum computing: logikk, og legger til qubits kan kompensere for noen problemer, men å skape et enkelt, pålitelig qubit til å overføre dataene som er nødvendige for millioner av feil utbedring av qubits. Og vi har dem i dag, er ikke større enn 128. Kan hjelpe smarte algoritmer, som også blir utviklet.

quantum Simulering ved hjelp av kvante-datamaskiner

Som big data er nå et hett tema, ville man forvente at kvante-datamaskiner vil bedre håndtere store datamengder enn klassisk. Men det er det ikke.

I Stedet, kvante-datamaskiner som er spesielt gode i modellering natur. For eksempel, quantum computing kunne brukes til mer effektivt å bygge molekyler av stoff fordi de i utgangspunktet fungerer på samme grunnlag som de molekylene som de forsøker å simulere. Beregning av quantum tilstand av et molekyl er en svært komplisert oppgave som er nesten umulig med våre datamaskiner, men kvante-datamaskiner kan håndtere hennes entusiasme.

På samme måte, quantum computing kan revolusjonere området for materialteknologi eller overføre informasjon. Takk til forviklinger, qubits, fysisk bredt fra hverandre, kan opprette en kanal for overføring av informasjon fra et vitenskapelig synspunkt ville det være tryggere for våre eksisterende kanaler. Quantum Internett er ganske mulig.

Men det mest interessante er dette: vi har ikke engang vet rekke fantastiske problemer som kan prøve å løse kvante-datamaskiner. Bare å ha en kommersiell quantum datamaskin og slik at folk til å jobbe med ham, kunne vi identifisere nye interessante områder som er aktuelle for dette fantastiske nye teknologien.

Og hva problemet ville prøve å løse på en quantum datamaskinen du trenger? Fortell oss .