Kvantový počítač

Obsah článku

• Co je to kvantový počítač?
• Výhody
• Jak funguje qubit?
• Kvantové výpočty
• Superpozice a zmatek
• Dekorace
• Pravděpodobnost vytvoření kvantového PC
• Kde lze použít kvantové počítače?

Zvyšování výpočetní síly technologie je jedním z hlavních úkolů vědců a techniků. Kvantový počítač to dokáže vyřešit. Zařízení vyvíjí společnost Google, IBM, Intel a další společnosti. Teoreticky bude kvantové PC pracovat 100 miliónkrát rychleji než obvykle.

Co je to kvantový počítač?

Takové výpočetní zařízení nepracuje s bity, ale s qubity. Kvůli tomu je kvantové PC schopné současně zpracovat všechny možné stavy objektu. V praxi však superpočítače provádějí stejný počet logických operací za minutu..

Výhody

Hlavní výhodou nové technologie je kvantová nadřazenost. To je schopnost výpočetních zařízení řešit úkoly nepřístupné výkonným superpočítačům. Ne všichni vědci podporují myšlenku vytvoření takového PC. Hlavním argumentem proti tomu je nemožnost ověření správnosti získaného řešení. Během výpočtů může zařízení udělat chybu smícháním 0 a 1 a problém nebude možné identifikovat.

V současné době je hlavním problémem při vytváření kvantové nadřazenosti stabilita qubits. Tyto prvky vyžadují pečlivé zacházení: náhodný hluk nebo vibrace vedou ke ztrátě dat, která počítač dokázal vypočítat. Pro stabilní provoz zařízení by okolní teplota neměla být vyšší než 20 mK.

Jak funguje qubit?

Ve standardních počítačích jsou informace reprezentovány v binárním kódu. Bity pro ukládání a zpracování dat mají hodnoty 0 nebo 1. Tranzistory provádějí matematické operace a výsledek převodu binárního kódu se objeví na obrazovce.

Qubit je jednotka ukládání informací v kvantovém počítači. Kromě 0 a 1 může být v neurčitém mezním stavu zvaném superpozice. Chcete-li získat qubit, musíte vzít jeden atom, opravit a stabilizovat ho, chránit ho před cizím zářením, vázat jej na jiný atom.

Čím více takových prvků je propojeno, tím stabilnější systém funguje. Chcete-li překonat klasický superpočítač, musíte svázat více než 49 qubits. Je to velmi obtížné: atomy, bez ohledu na použité materiály, jsou vždy nestabilní.

Kvantové výpočty

Teorie říká, že bez interakce s jinými částicemi nemá elektron v atomové oběžné dráze jednoznačné souřadnice. Teprve během měření nejistota zmizí a je známo umístění částice.

Pravděpodobnostní povaha změn umožňuje použití kvantového výpočtu k prohledávání nestrukturovaných databází..

Superpozice a zmatek

Provoz počítače je založen na dvou mechanických jevech:

1. Zmatek. Fenomén, ve kterém je stav dvou nebo více objektů vzájemně závislý. Například ve 2 fotonech v zapleteném stavu bude helicita negativní a pozitivní. Vztah zůstane, pokud odeberete objekty od sebe v prostoru.
2. Soudržná superpozice. Současný dopad na částici alternativních (vzájemně se vylučujících) podmínek.

Dekorace

Toto je proces, ve kterém se stav kvantového systému stává nekontrolovatelným. Decoherence nastane, když mnoho qubits závisí na sobě. K tomuto problému dochází, když počítač interaguje se zářením, kosmickými paprsky nebo magnetickým polem..

K ochraně počítačů před „válcováním“ k obvyklým výpočetním procesům se používají různé metody. Systémy D-Wave ochlazují atomy na nulu, aby byly chráněny před vnějšími vlivy. Kvantový procesor je umístěn v ochranných obalech, takže hotové zařízení je velmi objemné.

Pravděpodobnost vytvoření kvantového PC

Qubit nelze postavit z několika částic a pouze atomy mohou být v požadovaném stavu. Ve výchozím nastavení jsou tyto vícenásobné částice neuspokojené. Čínští a kanadští vědci se pokusili použít fotonové čipy k vývoji počítače, ale výzkum byl neúspěšný.

Existující typy kvantových počítačů:

• v polovodičových křemíkových krystalech;
• na elektronech v polovodičových kvantových tečkách;
• v mikrodutinách s jednoduchými dutinami;
• na lineárních optických prvcích;
• na iontech v jednorozměrném křišťálu uvězněném v Paulu.

Kvantové počítání zahrnuje sled operací, které jsou prováděny s jedním nebo více qubits, což způsobuje změny celého systému. Úkolem je vybrat ze všech svých stavů ten správný, který dává výsledek výpočtů. Může existovat co nejvíce stavů, co nejblíže skutečnému stavu.

Přesnost těchto výpočtů se téměř vždy liší od jednoty..

Plnohodnotné kvantové PC vyžaduje významné pokroky ve fyzice. Programování by se mělo lišit od stávajících. Kvantová výpočetní zařízení nebudou schopna řešit problémy, které jsou nad rámec běžných, ale urychlí řešení těch, s nimiž se potýkají..

Nejnovějším průlomem bylo vytvoření procesoru Bristlecone společností Google. Na jaře 2018 vydala společnost prohlášení o získání 72bitového procesoru, ale její zásady práce neschvalily. Předpokládá se, že k dosažení „kvantové nadřazenosti“, kdy počítač začne překračovat obvyklé, bude zapotřebí 49 qubits. Google dosáhl stavu, ale pravděpodobnost chyby výpočtu (0,6%) zůstala nad požadovanou hodnotou.

Kde lze použít kvantové počítače?

Moderní kryptografie je založena na skutečnosti, že je nemožné rychle rozložit číslo na 40-50 znaků. U klasických počítačů to bude trvat 1-2 miliardy let. Kvantové PC provede tyto matematické výpočty za 25 sekund. To znamená, že jakýkoli šifrovací algoritmus lze okamžitě rozbít..

Další aplikace kvantových výpočetních zařízení:

• modelování chemické reakce;
• Umělá inteligence;
• vývoj nových léků.

Moderní kvantová PC nevědí jak.

Zařízení jsou schopna provádět jeden matematický algoritmus s obrovským výkonem..

Získávají je například velké společnosti, aby shromažďovaly statistiky uživatelů.