Reeks deurbrake in kwantumrekenaarkunde
'n Gewone rekenaar, waarna nou verwys word as 'n klassieke of tradisionele rekenaar, werk op die basiese konsep van 0'e en 1'e (nulle en ene). Wanneer ons vra die rekenaar om 'n taak vir ons te doen, byvoorbeeld 'n wiskundige berekening of bespreking van 'n afspraak of enigiets wat verband hou met die daaglikse lewe, word hierdie taak op die gegewe oomblik omgeskakel (of vertaal) in 'n string van 0'e en 1'e (wat dan die insette), word hierdie invoer verwerk deur 'n algoritme (gedefinieer as 'n stel reëls wat gevolg moet word om 'n taak op 'n rekenaar te voltooi). Na hierdie verwerking word 'n nuwe string van 0'e en 1'e teruggestuur (genoem die uitvoer), en dit kodeer vir die verwagte resultaat en word terugvertaal in eenvoudiger gebruikersvriendelike inligting as 'n "antwoord" op wat die gebruiker wou hê die rekenaar moet doen . Dit is fassinerend dat, ongeag hoe slim of slim die algoritme mag voorkom en wat ook al die moeilikheidsgraad van die taak mag wees, 'n rekenaaralgoritme net hierdie een ding doen – die manipulering van string bisse – waar elke bis óf 0 óf 1 is. manipulasie vind plaas op die rekenaar (aan die sagteware-kant) en op die masjienvlak word dit voorgestel deur elektriese stroombane (op die rekenaar moederbord). In hardeware-terminologie wanneer stroom deur hierdie elektriese stroombane gaan, is dit gesluit en is dit oop wanneer daar geen stroom is nie.
Klassieke vs Quantum rekenaar
Daarom, in klassieke rekenaars, is 'n bietjie 'n enkele stuk inligting wat in twee moontlike toestande kan bestaan - 0 of 1. As ons egter praat oor quantum rekenaars, gebruik hulle gewoonlik kwantumbisse (ook genoem 'qubits'). Dit is kwantumstelsels met twee toestande, maar anders as die gewone bis (geberg as 0 of 1), kan kwantumbits baie meer inligting stoor en kan in enige veronderstelling van hierdie waardes bestaan. Om op 'n beter manier te verduidelik, kan 'n kwbit beskou word as 'n denkbeeldige sfeer, waar kwbit enige punt op die sfeer kan wees. Daar kan gesê word dat kwantumberekening voordeel trek uit die vermoë van subatomiese deeltjies om op enige gegewe tyd in meer as een toestand te bestaan en steeds onderling uitsluitend te wees. Aan die ander kant kan 'n klassieke bis net in twee toestande wees - byvoorbeeld aan die einde van twee pole van die sfeer. In die gewone lewe is ons nie in staat om hierdie 'superposisie' te sien nie, want sodra 'n sisteem in sy geheel beskou word, verdwyn hierdie superposisies en dit is die rede dat die begrip van sulke superposisies onduidelik is.
Wat dit vir die rekenaars beteken, is dat kwantumrekenaars wat qubits gebruik 'n groot hoeveelheid inligting kan stoor wat minder energie gebruik as 'n klassieke rekenaar en dus kan bewerkings of berekeninge relatief baie vinniger op 'n kwantumrekenaar gedoen word. Dus, 'n klassieke rekenaar kan 'n 0 of 1 neem, twee bisse in hierdie rekenaar kan in vier moontlike toestande wees (00, 01, 10 of 11), maar slegs een toestand word op enige gegewe tydstip verteenwoordig. 'n Kwantumrekenaar, aan die ander kant, werk met deeltjies wat in superposisie kan wees, wat twee kwbits toelaat om presies dieselfde vier toestande op dieselfde tyd voor te stel as gevolg van die eienskap van superposisie wat die rekenaars van 'binêre beperking' bevry. Dit kan gelykstaande wees aan vier rekenaars wat gelyktydig loop en as ons hierdie kwantumbits bytel, groei die krag van die kwantumrekenaar eksponensieel. Kwantumrekenaars trek ook voordeel uit 'n ander eienskap van kwantumfisika genoem 'kwantumverstrengeling', gedefinieer deur Albert Einstein. Verstrengeling is 'n eienskap wat kwantumpartikels toelaat om te verbind en te kommunikeer, ongeag hul ligging in die heelal sodat die verandering van die toestand van die een die ander oombliklik kan beïnvloed. Die dubbele vermoëns van 'superposisie' en 'verstrengeling' is in beginsel baie kragtig. Daarom, wat 'n kwantumrekenaar kan bereik, is ondenkbaar in vergelyking met klassieke rekenaars. Dit klink alles baie opwindend en eenvoudig, maar daar is 'n probleem in hierdie scenario. 'n Kwantumrekenaar, as qubits (superposed bisse) as sy invoer neem, sal sy uitset ook in 'n kwantumtoestand wees, dws 'n uitset met superposed bisse wat ook kan aanhou verander na gelang van watter toestand dit in is. Dit laat ons regtig toe om al die inligting te ontvang en daarom is die grootste uitdaging in die kuns van kwantumrekenaar om maniere te vind om soveel inligting uit hierdie kwantumuitset te verkry.
Quantum rekenaar sal hier wees!
Kwantumrekenaars kan gedefinieer word as kragtige masjiene, gebaseer op die beginsels van kwantummeganika wat 'n heeltemal nuwe benadering tot die verwerking van inligting neem. Hulle poog om komplekse natuurwette te verken wat nog altyd bestaan het, maar gewoonlik verborge gebly het. As sulke natuurverskynsels ondersoek kan word, kan kwantumrekenaars nuwe soorte algoritmes gebruik om inligting te verwerk en dit kan lei tot innoverende deurbrake in materiaalwetenskap, geneesmiddelontdekking, robotika en kunsmatige intelligensie. Die idee van 'n kwantumrekenaar is reeds in 1982 deur die Amerikaanse teoretiese fisikus Richard Feynman voorgestel. En vandag werk tegnologiemaatskappye (soos IBM, Microsoft, Google, Intel) en akademiese instellings (soos MIT en Princeton Universiteit) aan kwantum rekenaarprototipes om 'n hoofstroom-kwantumrekenaar te skep. International Business Machines Corp. (IBM) het onlangs gesê sy wetenskaplikes het 'n kragtige kwantumrekenaarplatform gebou en dit kan vir toegang beskikbaar gestel word, maar merk op dat dit nie genoeg is om die meeste van die take uit te voer nie. Hulle sê dat 'n 50-qubit-prototipe wat tans ontwikkel word, baie probleme kan oplos wat klassieke rekenaars vandag doen en in die toekoms sal 50-100 qubit-rekenaars grootliks die gaping vul, dws 'n kwantumrekenaar met net 'n paar honderd qubits sal in staat wees om voer meer berekeninge gelyktydig uit as wat daar atome in die bekende is heelal. Realisties gesproke is die pad na waar 'n kwantumrekenaar eintlik beter kan presteer as 'n klassieke rekenaar op moeilike take, gelaai met probleme en uitdagings. Onlangs het Intel verklaar dat die maatskappy se nuwe 49-bit kwantumrekenaar 'n stap in die rigting van hierdie "kwantum-oorheersing" verteenwoordig het, in 'n groot vooruitgang vir die maatskappy wat net 17 maande gelede 'n 2-bis qubit-stelsel gedemonstreer het. Hulle prioriteit is om aan te hou om die projek uit te brei, gebaseer op die begrip dat die uitbreiding van die aantal qubits die sleutel is tot die skep van kwantumrekenaars wat werklike resultate kan lewer.
Materiaal is die sleutel vir die bou van kwantumrekenaar
Die materiaal silikon is al dekades lank 'n integrale deel van rekenaars, want die belangrikste stel vermoëns maak dit goed geskik vir algemene (of klassieke) rekenaars. Wat kwantumrekenaars betref, is silikongebaseerde oplossings egter nie aangeneem nie, hoofsaaklik weens twee redes, eerstens is dit moeilik om qubits wat op silikon vervaardig word te beheer, en tweedens is dit steeds onduidelik of silikon qubits kan skaal sowel as ander oplossings. In 'n groot vooruitgang het Intel baie onlangs ontwikkel1 'n nuwe tipe qubit bekend as 'n 'spin qubit' wat op konvensionele silikon vervaardig word. Spin qubits stem baie ooreen met halfgeleierelektronika en hulle lewer hul kwantumkrag deur die spin van 'n enkele elektron op 'n silikontoestel te benut en die beweging met klein mikrogolfpulse te beheer. Twee groot voordele wat daartoe gelei het dat Intel in hierdie rigting beweeg het, is eerstens dat Intel as 'n maatskappy reeds baie in die silikonbedryf belê is en dus die regte kundigheid in silikon het. Tweedens, silikon qubits is meer voordelig omdat hulle kleiner as konvensionele qubits is, en daar word verwag dat hulle samehang vir 'n langer tydperk sal hou. Dit is van groot belang wanneer kwantumrekenaarstelsels opgeskaal moet word (bv. gaan van 100-kwbit na 200-kwbit). Intel toets hierdie prototipe en die maatskappy verwag om skyfies met duisende klein qubit-skikkings te vervaardig en so 'n produksie kan, wanneer dit in grootmaat gedoen word, baie goed wees om die kwantumrekenaars op te skaal en kan 'n ware spelwisselaar wees.
In 'n onlangse navorsing gepubliseer in Wetenskap, 'n nuut ontwerpte patroon vir fotoniese kristalle (dws 'n kristalontwerp wat op 'n fotoniese skyfie geïmplementeer is) is ontwikkel deur 'n span by Universiteit van Maryland, VSA, wat volgens hulle kwantumrekenaars meer toeganklik sal maak2. Hierdie fotone is die kleinste hoeveelheid lig wat bekend is en hierdie kristalle was verskans met gate wat veroorsaak dat die lig in wisselwerking tree. Verskillende gatpatrone verander die manier waarop die lig deur die kristal buig en bons en hier is duisend driehoekige gate gemaak. So 'n gebruik van enkelfotone is belangrik vir die proses om kwantumrekenaars te skep omdat die rekenaars dan die vermoë sal hê om groot getalle en chemiese reaksies te bereken wat huidige rekenaars nie kan doen nie. Die skyfie se ontwerp maak dit moontlik dat die oordrag van fotone tussen kwantumrekenaars sonder enige verliese kan plaasvind. Hierdie verlies is ook beskou as 'n groot uitdaging vir kwantumrekenaars en hierdie skyfie sorg dus vir die probleem en laat doeltreffende roete van quantum inligting van een stelsel na 'n ander.
toekomstige
Kwantumrekenaars beloof om berekeninge veel verder as enige konvensionele superrekenaar uit te voer. Hulle het die potensiaal om die ontdekking van nuwe materiale te revolusioneer deur dit moontlik te maak om gedrag van materie tot op atoomvlak te simuleer. Dit bou ook hoop op vir kunsmatige intelligensie en robotika deur data vinniger en doeltreffender te verwerk. Die lewering van 'n kommersieel lewensvatbare kwantumrekenaarstelsel kan in die komende jare deur enige van die groot organisasies gedoen word, aangesien hierdie navorsing steeds oop is en 'n regverdige speletjie vir almal is. Groot aankondigings word in die komende vyf tot sewe jaar verwag en ideaal gesproke met die reeks vorderings wat gemaak word, moet ingenieursprobleme aangespreek word en 'n 1 miljoen of meer qubits kwantumrekenaar moet 'n werklikheid wees.
***
{Jy kan die oorspronklike navorsingsartikel lees deur die DOI-skakel wat hieronder gegee word in die lys van aangehaalde bronne te klik}
Bronne)
1. Castelvecchi D. 2018. Silikon wen veld in kwantumrekenaarwedren. Aard. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. 'n Topologiese kwantumoptika-koppelvlak. Wetenskap. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
