Kwantumprocessor: omschrijving, operationeel principe

Over kwantumberekeningen, althans in theorie, spreken al enkele decennia. Moderne typen machines die niet-klassieke mechanica gebruiken om potentiële onvoorstelbare gegevensvolumes te verwerken zijn een grote doorbraak geworden. Volgens de ontwikkelaars bleek hun implementatie misschien wel de meest complexe technologie die ooit is gecreëerd. Quantum processors werken op niveaus van materie die de mensheid slechts 100 jaar geleden heeft geleerd. Het potentieel van dergelijke berekeningen is enorm. Met behulp van eigenzinnige eigenschappen van quanta worden de berekeningen versneld, zodat veel taken die momenteel buiten bereik zijn voor klassieke computers, opgelost worden. En niet alleen op het gebied van chemie en materiaalkunde. Wall Street toont ook interesse.

Investeren in de toekomst

CME Group belegde in Vancouver bedrijf 1QB Information Technologies Inc., die software ontwikkelt voor kwantum-type processors. Volgens beleggers zullen dergelijke berekeningen waarschijnlijk de grootste impact hebben op de industrieën die werken met grote hoeveelheden tijdgevoelige gegevens. Een voorbeeld van dergelijke consumenten zijn financiële instellingen. Goldman Sachs heeft geïnvesteerd in D-Wave Systems, en In-Q-Tel wordt gefinancierd door de CIA. De eerste produceert machines die doen wat 'quantum glowing' genoemd wordt, dat wil zeggen oplossingen op lage niveau optimaliseren met behulp van een quantum processor. Intel investeert ook in deze technologie, hoewel het haar implementatie een kwestie van de toekomst beschouwt.

Waarom is dit nodig?

De reden waarom quantum computing zo spannend is, is in hun ideale combinatie met machine leren. Momenteel is dit de belangrijkste applicatie voor dergelijke berekeningen. Dit is ten dele een gevolg van het idee van een kwantumcomputer - het gebruik van een fysiek apparaat om oplossingen te vinden. Soms wordt dit concept uitgelegd op het voorbeeld van het spel Angry Birds. Om de zwaartekracht en de interactie van botsende objecten te simuleren, gebruikt de CPU van de tablet wiskundige vergelijkingen. Quantum processors zetten een dergelijke aanpak ondersteboven. Ze "gooien" een paar vogels en zie wat er gebeurt. De microchip registreert de taak: ze zijn vogels, ze worden gegooid, wat is het optimale traject? Dan worden alle mogelijke oplossingen, of in ieder geval een zeer grote combinatie daarvan, getest en wordt een antwoord gegeven. In de kwantumcomputer wordt het probleem niet opgelost door een wiskundige, in plaats daarvan werken de wetten van de fysica.

Hoe werkt het?

De fundamentele bouwstenen van onze wereld zijn kwantummechanica. Als we naar moleculen kijken, zijn de redenen waarom ze gevormd worden en stabiel blijven, de interactie van hun elektronische orbitalen. Alle kwantummechanische berekeningen zijn in elk van hen opgenomen. Hun aantal groeit exponentieel naar de groei van het aantal gesimuleerde elektronen. Bijvoorbeeld, voor 50 elektronen zijn er 2 in de 50e kracht van mogelijke varianten. Dit is een fenomenaal groot aantal, dus je kan het vandaag niet berekenen. De verbinding van de informatie theorie naar de natuurkunde kan de weg wijzen op het oplossen van dergelijke problemen. Een 50-kbit-computer kan het doen.

Dawn of a new era

Volgens Landon Downes, voorzitter en mede-oprichter van 1QBit, is een kwantumprocessor de mogelijkheid om de computergracht van de subatomische wereld te gebruiken, die van groot belang is voor het verkrijgen van nieuwe materialen of het creëren van nieuwe drugs. Er is een overgang van het paradigma van ontdekkingen naar een nieuw tijdperk van ontwerp. Zo kunnen kwantumberekeningen worden gebruikt om katalysatoren te simuleren die de extractie van koolstof en stikstof uit de atmosfeer toestaan, waardoor de opwarming van de aarde wordt gestopt.

Op de voorgrond van de vooruitgang

De gemeenschap van ontwikkelaars van deze technologie is zeer enthousiast en bezig met actief werk. Teams over de hele wereld bouwen machines in startups, bedrijven, universiteiten en overheidslaboratoria die verschillende benaderingen gebruiken voor de verwerking van kwantuminformatie. Supergeleidende qubit-chips en qubits op opgesloten ionen werden gecreëerd door onderzoekers van de Universiteit van Maryland en het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie van de Verenigde Staten. Microsoft ontwikkelt een topologische aanpak genaamd Station Q, die erop gericht is een non-Abelian anion te gebruiken, waarvan het bestaan nog niet definitief is bewezen.

Jaar van de waarschijnlijke doorbraak

En dit is maar het begin. Vanaf eind mei 2017 is het aantal kwantum-type processors die uniek iets sneller of beter doen dan een klassieke computer nul. Zo'n gebeurtenis zal "kwantum superioriteit" vaststellen, maar tot nu toe is het niet gebeurd. Hoewel dit waarschijnlijk ook dit jaar kan gebeuren. De meeste insiders zeggen dat de duidelijke favoriet het Google-team is onder leiding van John Martini, een professor in fysica aan de universiteit van Californië in Santa Barbara. Het doel is om de computergrootheid te bereiken met behulp van een 49-bits CPU. Eind mei 2017 testte het team succesvol een 22-chip chip als een tussenstap om een klassieke supercomputer te demonteren.

Hoe is het allemaal begonnen?

Het idee om kwantummechanica te gebruiken voor de verwerking van informatie is al tientallen jaren. Een van de belangrijkste gebeurtenissen vond plaats in 1981, toen IBM en MIT gezamenlijk een conferentie organiseerden over computational physics. De beroemde natuurkundige Richard Feynman stelde voor om een kwantumcomputer op te bouwen. Zoals gezegd, voor modelleren is het nodig om kwantummechanica te gebruiken. En dit is een geweldige taak, omdat het er niet zo simpel uitziet. In een kwantumprocessor is het werkingsprincipe gebaseerd op verschillende vreemde eigenschappen van atomen - superpositie en verstopping. Een deeltje kan tegelijkertijd in twee staten zijn. Echter, wanneer deze gemeten wordt, zal het slechts in een van hen zijn. En het is onmogelijk om te voorspellen welke, behalve vanuit het perspectief van de waarschijnlijkheidstheorie. Dit effect vormt de basis van het gedachtexperiment met de Schrodinger-kat, die in de doos tegelijkertijd levend en dood is tot de waarnemer er in sluipt. Niets in het dagelijks leven werkt zo. Niettemin tonen ongeveer 1 miljoen experimenten sinds het begin van de twintigste eeuw dat de superpositie bestaat. En de volgende stap zal uitzoeken hoe je dit concept gebruikt.

Kwantumprocessor: beschrijving van het werk

Klassieke bits kunnen de waarde 0 of 1 nemen. Als u hun lijn overslaat via de "logische poorten" (EN, OF, NIET, enz.), Kunt u nummers vermenigvuldigen, beelden afdrukken etc. Kubit kan waarden 0, 1 of beide tegelijkertijd. Als bijvoorbeeld 2 qubits worden verstrikt, dan wordt dit volledig gecorreleerd. Een kwantum-type processor kan logische poorten gebruiken. T. n. De Hadamard-klep plaatst bijvoorbeeld de qubit in een staat van perfecte superpositie. Als superpositie en verstopping worden gecombineerd met knap gelegen kwantumpoorten, begint het potentieel van subatomische berekeningen te ontvouwen. 2 qubits laten 4 staten toe: 00, 01, 10 en 11. Het principe van de quantum processor is zodanig dat de uitvoering van een logische operatie het mogelijk maakt om met alle posities tegelijk te werken. En het aantal beschikbare staten is 2 aan de kracht van het aantal qubits. Dus, als we een 50-qubit universele kwantumcomputer maken, dan is het theoretisch mogelijk om alle 1.125 quadrillioncombinaties tegelijkertijd te onderzoeken.

De Kudits

De kwantumprocessor in Rusland is iets anders gezien. Wetenschappers uit MIPT en het Russische Kwantumcentrum creëerden "kudit", die verschillende "virtuele" qubits met verschillende "energie" niveaus hebben.

amplitude

Een kwantum-type processor heeft het voordeel dat de kwantummechanica op amplitudes is gebaseerd. Amplitudes lijken op waarschijnlijkheid, maar kunnen ook negatieve en complexe getallen zijn. Dus, als u de kans op een evenement moet berekenen, kunt u de amplitude van alle mogelijke opties voor hun ontwikkeling opnemen. Het idee van kwantumberekening is om het interferentiepatroon zodanig aan te passen dat sommige manieren op verkeerde antwoorden een positieve amplitude hebben, en sommige - een negatieve, en daarom zouden ze elkaar compenseren. En de paden die leiden tot het juiste antwoord zouden amplituden hebben die in fase zijn met elkaar. De truc is dat het nodig is om alles te organiseren zonder vooraf te weten welke antwoord juist is. Dus, de exponentialiteit van kwantumstaten in combinatie met het interferentiepotentieel tussen positieve en negatieve amplituuden is een voordeel van berekeningen van dit type.

Shor's algoritme

Er zijn veel taken die de computer niet kan oplossen. Bijvoorbeeld, encryptie. Het probleem is dat het niet zo makkelijk is om eenvoudige vermenigvuldigers van een 200-cijferig nummer te vinden. Zelfs als de laptop werkt met uitstekende software, dan moet u jaren wachten om het antwoord te vinden. Daarom was een ander algoritme in quantum computing het algoritme dat in 1994 werd gepubliceerd door Peter Shore, nu een professor in wiskunde bij MIT. Zijn methode is het vinden van vermenigvuldigers van een groot aantal met behulp van een kwantumcomputer, die er niet bestaat. In feite voert het algoritme operaties uit die gebieden met het juiste antwoord aanduiden. Het volgende jaar ontdekte Shor een methode van kwantumfoutcorrectie. Dan realiseerden velen dat dit een alternatieve manier van computeren is, die in sommige gevallen krachtiger kan zijn. Toen kwam er een belangstroompark van fysici om qubits en logische poorten tussen hen te creëren. En nu, twee decennia later, ligt de mensheid op de rand van het creëren van een volwaardige kwantumcomputer.