От първата идея за квантов компютър през 1980 г. до днес, индустрията за квантови изчисления се разрасна много, особено през последните 10 години. Много компании работят върху квантови компютри.
Разбирането на квантовите изчисления може да бъде трудно за повечето от нас и много информация за тях не обяснява важните подробности.
Тази статия има за цел да изясни всичко и ако прочетете цялата част, ще получите цялостно разбиране за това какво е квантово изчисление, различните видове квантово изчисление, тяхното функциониране, алгоритми, модели, подходи, предизвикателства и приложения.
Съдържание
Какво представляват квантовите компютри?
Квантовите компютри решават проблеми по начин, различен от компютрите, с които сме запознати, които отсега нататък ще наричам класически компютри.
Квантовите компютри имат определени предимства пред нормалните компютри за определени проблеми, което идва от способността им да бъдат в огромен брой състояния едновременно, докато класическите компютри могат да заемат само едно състояние в даден момент.
Източник на изображението: IBM
За да разберете това и как работят квантовите компютри, трябва да разберете три неща: суперпозиция, заплитане и намеса.
Основите на обикновения компютър са битове, а за квантовия компютър това са квантови битове или накратко кубити. Те действат по фундаментално различни начини.
Класическият бит е нещо като превключвател, който може да бъде 0 или 1, което вероятно вече сте запознати като двоична или двоична информация. Когато измерваме малко, просто връщаме състоянието, в което е в момента, но ще видим, че това не е вярно за кубитите. Кубитът е по-сложен.
Суперпозиция
За полезна визуализация можете да ги представите като стрелка, сочеща в 3D пространство. Ако сочат нагоре, те са в състояние 1 и ако сочат надолу, те са в състояние 0, точно като класически бит, но също така имат опцията да бъдат в нещо, наречено състояние на суперпозиция, което е, когато стрелката точки във всяка друга посока.
Това състояние на суперпозиция е състояние на комбинация от 0 и 1.
Състояние на суперпозиция
Сега, когато измервате кубит, резултатът ще бъде или 1, или 0, но кой от тях ще получите зависи от вероятността, зададена от посоката на стрелката.
Ако стрелката сочи повече нагоре, е по-вероятно да получите обратно 1, отколкото 0, а ако сочи надолу, е по-вероятно да получите 0, отколкото 1, а ако е точно на екватора, вие ще получи всяко състояние с 50% вероятност.
И така, това е ефектът на суперпозицията обяснен; сега ще преминем към заплитането.
Заплитане
В класическите компютри битовете са напълно независими един от друг. Състоянието на един бит не се влияе от състоянието на който и да е от другите битове. Но в квантовите компютри кубитите могат да бъдат заплетени един в друг, което означава, че стават част от едно голямо квантово състояние заедно.
Например, нека да разгледаме два кубита, всеки от които е в различни състояния на суперпозиция, но все още не са заплетени. Можете да видите вероятностите до тях и тези вероятности в момента са независими една от друга.
Но когато ги заплитаме, трябва да изхвърлим тези независими вероятности и да изчислим вероятностно разпределение на всички възможни състояния, които можем да излезем. Или 00, 01, 10 или 11.
Важният момент тук е, че кубитите са заплетени; ако промените посоката на стрелката върху един кубит, това променя разпределението на вероятностите за цялата система, така че кубитите вече не са независими един от друг; всички те са част от една и съща голяма държава.
И това е вярно, без значение колко кюбита имате. Ще забележите също, че за един кубит имате вероятностно разпределение за 2 състояния.
С два кубита имате вероятностно разпределение, разпределено в четири състояния. За три кубита имате разпределение в 8 състояния и това продължава да се удвоява всеки път, когато добавите друг кубит.
Като цяло, квантов компютър от n кубита може да бъде в комбинация от 2^n състояния. Така че бих казал, че това е основната разлика между класическите компютри и квантовите компютри.
Класическите компютри могат да бъдат във всяко състояние, което искате, но могат да бъдат само в едно състояние в даден момент, докато квантовите компютри могат да бъдат в суперпозиция на всички тези състояния едновременно.
Но може да се чудите как това състояние на суперпозиция може да бъде полезно в компютъра. Е, за това се нуждаем от последния компонент: намеса.
Намеса
За да обясним ефекта от намесата, трябва да се върнем назад и да погледнем моята снимка на кюбит, технически наречен сфера на Блок. Кубитът не изглежда така; това е просто хубав начин за визуализиране на състоянието на кубит.
В действителност състоянието на кубита се описва от по-абстрактно образувание, известно като квантова вълнова функция. Вълновите функции са фундаменталното математическо описание на всичко в квантовата механика.
Когато имате много кубити, заплетени заедно, всичките им вълнови функции се добавят заедно в обща вълнова функция, описваща състоянието на квантовия компютър.
Това събиране на вълнови функции е интерференцията, защото, точно както при да кажем вълните на водата, когато добавяме вълни заедно, те могат конструктивно да се намесват и да се събират заедно, за да направят по-голяма вълна, или да се намесват разрушително, за да се компенсират взаимно.
Цялостната вълнова функция на квантовия компютър е това, което задава различните вероятности на различните състояния и чрез промяна на състоянията на различни кубити можем да променим вероятностите различните състояния да бъдат разкрити, когато измерваме квантовия компютър.
Не забравяйте, че въпреки че квантовият компютър може да бъде в суперпозиция на милиони състояния по едно и също време, когато го измерваме, ние получаваме само едно състояние.
Така че, когато използвате квантов компютър за решаване на изчислителен проблем, трябва да използвате конструктивна намеса, за да увеличите вероятността за правилния отговор, и да използвате разрушителна намеса, за да намалите вероятностите за неправилните отговори, така че когато го измервате, правилният отговор ще излезе.
Квантови алгоритми
Сега как да направите това е сферата на квантовите алгоритми и цялата мотивация зад квантовите изчисления е, че теоретично има куп проблеми, които можете да разрешите на квантов компютър, за които се смята, че са неразрешими на класическите компютри.
Нека да ги разгледаме. Има много квантови алгоритми, твърде много, за да ги опишем в тази статия, така че ще се съсредоточим върху най-известния и исторически важен: алгоритъмът на Шор.
#1. Алгоритъмът на Шор
Ако имате две големи числа и ги умножите заедно, има много бърз, ефективен, класически алгоритъм за намиране на отговора. Ако обаче започнете с отговора и попитате кои са оригиналните числа, които се умножават заедно, за да се получи това число? Много по-трудно е.
Това е известно като факторизация, а тези числа се наричат фактори и причината намирането им да е толкова трудно е, че пространството за търсене на възможни фактори е толкова голямо. И няма ефективен класически алгоритъм за намиране на множителите на големи числа.
Поради тази причина ние използваме това математическо свойство за интернет криптиране: защитени уебсайтове, имейли и банкови сметки. Ако знаете тези фактори, можете лесно да декриптирате информацията, но ако не знаете, ще трябва първо да ги намерите, което е неразрешимо на най-мощните компютри в света.
Алгоритъмът на Шор
Ето защо през 1994 г., когато Питър Шор публикува бърз квантов алгоритъм, който може ефективно да намери множителите на големи цели числа, това предизвика голямо вълнение.
Това беше моментът, в който много хора започнаха да приемат сериозно идеята за квантовите изчисления, защото това беше първото приложение към проблем от реалния свят с потенциално огромни последици за сигурността в реалния свят.
Но когато казвам „бърз“ квантов алгоритъм, колко бърз и колко по-бърз би бил той от класически компютър? За да отговорим на тези въпроси, трябва да направим малко отклонение в света на теорията на квантовата сложност.
Теория на квантовата сложност
Теорията на квантовата сложност е подполе на света на теорията на изчислителната сложност, което се занимава с категоризирането на алгоритмите, като ги сортира в контейнери според това колко добре работят на компютри.
Класификацията се определя от нарастващото ниво на трудност при решаването на проблема, тъй като той става по-голям. Тук всеки проблем вътре в кутията P е лесен за решаване от класическите компютри, но всичко извън него означава, че нямаме ефективни класически алгоритми за решаването им и разлагането на големи числа е едно от тях.
Но има кръг, BQP, който е ефективен за квантов компютър, но не и за класически компютър. И това са проблемите, които квантовите компютри ще бъдат по-добри от класическите компютри при решаването им.
Както казах, теорията на сложността разглежда колко трудно е да се реши проблем, когато проблемът става по-голям. Така че, ако разложите число с 8 цифри, след това добавите още една цифра, колко по-трудно е да разложите новото число в сравнение със старото? Два пъти по-трудно ли е?
Експоненциално по-трудно? И каква е тенденцията, когато добавяте все повече и повече цифри? Това се нарича нейна сложност или мащабиране, а за факторизацията е експоненциална.
Всичко с N в степента е експоненциално трудно. Тези експоненциални проблеми са проблемите, които ви прецакват, когато проблемите стават по-големи, а в света на компютърните науки можете да спечелите уважение и известност, ако намерите по-добър алгоритъм за решаване на тези най-трудни проблеми.
Един пример за това беше алгоритъмът на Шор, който се възползва от специалните характеристики на квантовите компютри, за да създаде алгоритъм, който може да реши целочислена факторизация с мащабиране, много по-добро от най-добрия класически алгоритъм.
Най-добрият класически алгоритъм е експоненциален, докато алгоритъмът на Шор е полиномиален, което е огромно нещо в света на теорията на сложността и компютърните науки като цяло, защото трансформира неразрешим проблем в разрешим
Решено, тоест ако имате работещ квантов компютър, върху чието изграждане хората работят. Но все още не е нужно да се тревожите за сигурността на банковата си сметка, защото днешните квантови компютри все още не са в състояние да изпълняват алгоритъма на Шор върху големи числа.
IBM Quantum
Те ще се нуждаят от около много кубити, за да направят това, но досега най-напредналите универсални квантови компютри имат около 433.
Освен това хората работят върху това, което е известно като схеми за пост-квантово криптиране, които не използват целочислена факторизация, и друга технология от света на квантовата физика също може да помогне тук, криптографска схема, известна като квантова криптография.
Така че това беше поглед само към един квантов алгоритъм, но има много повече, всеки с различни нива на ускоряване.
#2. Алгоритъм на Гроувър
Друг забележителен пример е алгоритъмът на Grover, който може да търси в неструктурирани списъци с данни по-бързо от най-добрия класически алгоритъм.
Но тук трябва да внимаваме, за да сме сигурни, че не характеризираме погрешно класическите компютри. Те са много гъвкави устройства и няма какво да се каже, че някой може да намери много умен класически алгоритъм, който би могъл да реши по-ефективно най-трудните проблеми като разлагането на цяло число.
Хората смятат, че е много малко вероятно, но не е изключено. Освен това има проблеми, които можем да докажем, че са невъзможни за решаване на класически компютри, наречени неизчислими проблеми, като проблема със спирането, но те също са невъзможни за решаване на квантов компютър.
Така че, изчислително, класическите компютри и квантовите компютри са еквивалентни един на друг, всички разлики идват от алгоритмите, които могат да изпълняват. Можете дори да симулирате квантов компютър на класически компютър и обратно.
Симулирането на квантов компютър на класически компютър става експоненциално по-предизвикателно, тъй като броят на кубитите, които се симулират, се увеличава.
Това е така, защото класическите компютри се борят да симулират квантови системи, но тъй като квантовите компютри вече са квантови системи, те нямат този проблем, което ме отвежда до любимото ми приложение на квантовите компютри: квантовата симулация.
#3. Квантова симулация
Квантовата симулация е симулиране на неща като химически реакции или как се държат електроните в различни материали с компютър. Тук квантовите компютри също имат експоненциално ускорение спрямо класическите компютри, защото класическите компютри се борят да симулират квантови системи.
Но симулирането на квантови системи с толкова малко частици е трудно дори на най-мощните суперкомпютри в света. Все още не можем да направим това на квантовите компютри, но с тяхното развитие основната цел е да симулираме все по-големи и по-големи квантови системи.
Те включват области като поведението на екзотични материали при ниски температури като разбиране какво прави някои материали свръхпроводими или изучаване на важни химични реакции за подобряване на тяхната ефективност; един пример има за цел да произвежда торове по начин, който отделя много по-малко въглероден диоксид, тъй като производството на торове допринася за около 2% от глобалните въглеродни емисии.
Можете да научите задълбочено за симулацията на квантовата химия.
Квантова симулация
Други потенциални приложения на квантовата симулация включват подобряване на слънчеви панели, подобряване на батерии и разработване на нови лекарства, химикали или материали за космическото пространство.
Като цяло, квантовата симулация би означавала, че ще можем бързо да създаваме прототипи на много различни материали вътре в квантов компютър и да тестваме всичките им физически параметри, вместо да се налага да ги правим физически и да ги тестваме в лаборатория, което е много по-трудоемко и скъпо процес.
Това има потенциала значително да ускори процесите и да доведе до значително спестяване на време и разходи. Струва си да повторим, че всички те са потенциални приложения на квантовите компютри, защото все още нямаме квантови компютри, които да могат да решават проблеми от реалния свят по-добре от нормалните ни компютри. Но това са видовете проблеми, за които квантовите компютри биха били много подходящи.
Модели на квантови компютри
В света на квантовите компютри има голям набор от подходи за превръщането на различни видове квантови системи в квантови компютри и има два слоя нюанси, за които трябва да говоря.
Моделът на веригата
В модела на веригата те имат кубити, които работят заедно, и специални порти, които се занимават с няколко кубита наведнъж, променяйки техните състояния без проверка. Те поставят тези врати в определен ред, за да създадат квантов алгоритъм. В крайна сметка измерете кюбитите, за да получите необходимия отговор.
Кредит за изображение: qiskit
Адиабатно квантово изчисление
При адиабатното квантово изчисление вие се възползвате от едно от фундаменталните поведения във физиката, фактът, че всяка система във физиката винаги се движи към минимално енергийно състояние. Адиабатното квантово изчисление работи чрез рамкиране на проблеми, така че най-ниското енергийно състояние на квантовата система да представлява решението.
Квантово отгряване
Квантовото отгряване не е универсална квантова изчислителна схема, но работи на същия принцип като адиабатното квантово изчисление, като системата намира минималното енергийно състояние на енергиен пейзаж, който й давате.
Топологично квантово изчисление
При този подход кубитите са изградени от образувание във физиката, наречено квазичастица с нулев режим на Майорана, което е вид неабелов анион. Предвижда се, че тези квазичастици са по-стабилни поради физическото им отделяне една от друга.
Кредит за изображение Civilsdaily
Предизвикателства в строителството
Без значение какъв е подходът, всички те са изправени пред подобен набор от препятствия, които първо трябва да разгледаме.
- Декохерентност: Наистина е трудно да се контролират квантовите системи, защото ако имате някакво леко взаимодействие с външния свят, информацията започва да изтича. Това се нарича декохерентност. Вашите кубити ще бъдат направени от физически неща и ще ви трябват други физически неща наблизо, за да ги контролирате и измервате; твоите кубити са тъпи; ще се оплетат с всичко, което могат. Трябва да проектирате своите кубити много внимателно, за да ги предпазите от оплитане с околната среда.
- Шум: Трябва да предпазите своите кубити от всякакъв вид шум, като космически лъчи, радиация, топлинна енергия или измамни частици. Известно количество декохерентност и шум са неизбежни във всяка физическа система и е невъзможно да се премахнат напълно.
- Мащабируемост: За всеки кубит трябва да имате куп кабели, за да го манипулирате и измервате. Докато добавяте повече кюбити, необходимата инфраструктура нараства линейно, което представлява значително инженерно предизвикателство. Всеки квантов компютърен дизайн трябва да намери начин ефективно да заплита, контролира и измерва всички тези кубити, докато се увеличава.
- Квантова корекция на грешки: Квантовата корекция на грешки е схема за коригиране на грешки, за да се направят устойчиви на грешки квантови компютри чрез използване на много заплетени кубити заедно, за да представляват един кубит без шум. Това изисква голям брой физически кубити, за да се направи един кубит, устойчив на грешки.
Физически реализации
Има огромен набор от различни физически реализации на квантовите компютри, защото има толкова много различни квантови системи, от които потенциално бихте могли да ги изградите. Ето някои от най-широко използваните и успешни подходи:
- Свръхпроводящи квантови компютри: Свръхпроводящите кубити в момента са най-популярният подход. Тези кубити са направени от свръхпроводящи проводници с прекъсване в свръхпроводника, наречено Джоузефсоново съединение. Най-популярният тип свръхпроводящ кубит се нарича трансмон.
- Квантови компютри с квантова точка: кубитите са направени от електрони или групи от електрони и системата от две нива е кодирана в въртенето или заряда на електроните. Тези кубити са изградени от полупроводници като силиций.
- Линейно оптично квантово изчисление: Оптичните квантови компютри използват фотони от светлина като кубити и оперират с тези кубити, използвайки оптични елементи като огледала, вълнови пластини и интерферометри.
- Квантови компютри с уловени йони: Заредените атоми се използват като кубити и тези атоми са йонизирани, като имат липсващ електрон. Състоянието на две нива, което кодира кубита, е специфичните енергийни нива на атома, които могат да бъдат манипулирани или измерени с микровълни или лазерни лъчи.
- Квантови компютри с цветен център или азотни вакансии: Тези кубити са направени от атоми, вградени в материали като азот в диамант или силициев карбид. Те се създават с помощта на ядрените завъртания на вградените атоми и се заплитат заедно с електрони.
- Неутрални атоми в оптични решетки: Този подход улавя неутрални атоми в оптична решетка, която представлява кръстосано подреждане на лазерни лъчи. Двустепенната система за кубитите може да бъде хиперфиното енергийно ниво на атома или възбудени състояния.
Това са някои от ключовите подходи за изграждане на квантови компютри, всеки със своите уникални характеристики и предизвикателства. Квантовото изчисление се променя бързо и изборът на правилния подход е жизненоважен за бъдещия успех.
Приложения на квантовите компютри
- Квантова симулация: Квантовите компютри имат потенциала да симулират сложни квантови системи, което прави възможно изучаването на химични реакции, поведението на електроните в материалите и различни физични параметри. Това има приложения за подобряване на слънчеви панели, батерии, разработване на лекарства, аерокосмически материали и др.
- Квантови алгоритми: Алгоритми като алгоритъма на Шор и алгоритъма на Гроувър могат да решават проблеми, за които се смята, че са неразрешими за класическите компютри. Те имат приложения в криптографията, оптимизирането на сложни системи, машинното обучение и AI.
- Киберсигурност: Квантовите компютри представляват заплаха за класическите системи за криптиране. Те обаче могат също да допринесат за киберсигурността чрез разработването на квантово устойчиви схеми за криптиране. Квантовата криптография, област, свързана с квантовите изчисления, може да подобри сигурността.
- Проблеми с оптимизацията: Квантовите компютри могат да се справят със сложни проблеми с оптимизацията по-ефективно от класическите компютри. Това има приложения в различни индустрии, от управление на веригата за доставки до финансово моделиране.
- Прогноза за времето и промяна на климата: Въпреки че не са напълно описани в статията, квантовите компютри биха могли потенциално да подобрят моделите за прогнозиране на времето и да помогнат за справяне с предизвикателствата, свързани с изменението на климата. Това е област, която може да се възползва от квантовите изчисления в бъдеще.
- Квантова криптография: Квантовата криптография повишава сигурността на данните, използвайки квантови принципи за безопасна комуникация. Във време на нарастващи киберзаплахи това е от решаващо значение.
Сега трябва да бъдем малко внимателни относно потенциала на рекламата тук, тъй като много от твърденията за това за какво квантовите компютри ще бъдат добри идват от хора, които активно набират пари за изграждането им.
Но моето мнение е, че исторически, когато се появи нова технология, хората от онова време не са най-добрите в това да могат да кажат за какво ще се използва.
Например, хората, които са изобретили първите компютри, никога не са мечтали за интернет и всички неща в него. Това вероятно ще бъде същото и за квантовите компютри.
Последни мисли
Квантовите компютри се подобряват всеки ден и въпреки че все още не можем да ги използваме в ежедневието си, те имат потенциал за практически приложения в бъдеще.
В тази статия обсъдих различни аспекти на квантовите компютри, включително техните основни концепции, като суперпозиция, заплитане и намеса.
След това изследвахме квантовите алгоритми, включително алгоритъма на Шор и алгоритъма на Гроувър. Ние също се задълбочихме в теорията на квантовата сложност и различните модели на квантовите компютри.
Впоследствие се обърнах към предизвикателствата и проблемите с практическото внедряване, свързани с квантовите изчисления. И накрая, разгледахме широката гама от потенциални приложения за квантовите компютри.
След това можете също да прочетете за често задаваните въпроси за квантовите изчисления.