Procesor cuantic: descriere, principiu de funcționare

Despre calculele cuantice, cel puțin în teorie, vorbesc de câteva decenii. Tipurile moderne de mașini care folosesc mecanici non-clasice pentru a gestiona volume potențial de neimaginat de date au devenit o descoperire importantă. Potrivit dezvoltatorilor, implementarea lor a fost probabil cea mai complexă tehnologie creată vreodată. Procesoarele cuantice funcționează la niveluri de materie, despre care umanitatea a învățat acum 100 de ani. Potențialul acestor calcule este imens. Utilizarea proprietăților quanta quirky va accelera calculele, astfel încât multe sarcini care sunt în prezent obișnuite pentru computerele clasice vor fi rezolvate. Și nu numai în domeniul chimiei și științei materialelor. De asemenea, Wall Street prezintă interes.

Investiția în viitor

Grupul CME a investit în compania Vancouver 1QB Information Technologies Inc., care dezvoltă software pentru procesoare cu cuantum. Potrivit investitorilor, astfel de calcule ar putea avea cel mai mare impact asupra industriilor care lucrează cu volume mari de date sensibile la timp. Un exemplu de astfel de consumatori sunt instituțiile financiare. Goldman Sachs a investit în D-Wave Systems, iar In-Q-Tel este finanțat de CIA. Primul produce mașini care fac ceea ce se numește "recoacerea cuantică", adică rezolvă sarcinile de optimizare la nivel scăzut cu ajutorul unui procesor cuantic. Intel investește și în această tehnologie, deși consideră implementarea sa o chestiune de viitor.

De ce este necesar?

Motivul pentru care computația cuantică este atât de interesantă este în combinația lor ideală cu învățarea în mașină. În prezent, aceasta este principala aplicație pentru astfel de calcule. În parte aceasta este o consecință însăși ideea unui calculator cuantic este utilizarea unui dispozitiv fizic pentru a găsi soluții. Uneori, acest concept este explicat pe exemplul jocului Angry Birds. Pentru a simula gravitatea și interacțiunea obiectelor care se ciocnesc, procesorul tabletei utilizează ecuații matematice. Procesoarele cuantice pun o astfel de abordare cu susul în jos. Ei "aruncă" câteva păsări și văd ce se întâmplă. Înregistrările microcipului sarcină: acest lucru păsări, sunt aruncate, care este traiectoria optimă? Apoi, toate soluțiile posibile sunt verificate, sau cel puțin o combinație foarte mare dintre ele și se dă un răspuns. Într-un calculator cuantic rezolva problema Nu este un matematician, în loc să lucreze legile fizicii.

Cum funcționează?

Blocurile de bază ale lumii noastre sunt mecanice cuantice. Dacă privim moleculele, motivul pentru care se formează și rămân stabile este interacțiunea orbitalilor lor electronici. Toate calculele cuantice mecanice sunt conținute în fiecare dintre ele. Numărul lor crește exponențial la creșterea numărului de electroni simulari. De exemplu, pentru 50 de electroni există 2 în cea de-a 50-a putere de variante posibile. Acest lucru este fenomenal un număr mare, astfel încât să nu puteți calcula azi. Conectarea teoriei informațiilor la fizică poate indica modul de rezolvare a acestor probleme. Un computer cu 50 de qubit-uri o poate face.

Zorii unei noi ere

Potrivit lui Landon Downs, presedinte si co-fondator al 1QBit, procesor cuantic - este posibil să se utilizeze puterea de procesare a lumii subatomice, este esențial să se obțină materiale noi sau crearea de noi medicamente. Există o tranziție de la o paradigmă a descoperirilor la o nouă eră de proiectare. De exemplu, calculele cuantice pot fi utilizate pentru a simula catalizatorii care permit extracția de carbon și azot din atmosferă, contribuind astfel la oprirea încălzirii globale.

În prim-planul progresului

Comunitatea de dezvoltatori a acestei tehnologii este extrem de încântată și ocupată cu o activitate activă. Echipele din întreaga lume construiesc mașini în companii, corporații, universități și laboratoare guvernamentale care folosesc abordări diferite în prelucrarea informațiilor cuantice. Creat qubiți supraconductoare qubit si chips-uri de pe ionii capturate, care a implicat cercetatori de la Universitatea din Maryland și Institutul Național de Standarde și Tehnologie. Microsoft dezvoltă o abordare topologică numită Stația Q, care urmărește utilizarea unui anion non-abelian, a cărui existență nu a fost încă dovedită în mod concludent.

Anul progresului probabil

Și acesta este doar începutul. De la sfârșitul lunii mai 2017, numărul de procesoare de tip cuantic care fac în mod unic ceva mai rapid sau mai bun decât un calculator clasic este zero. Un astfel de eveniment va stabili "superioritatea cuantică", dar până acum nu sa întâmplat. Deși este posibil ca acest lucru să se întâmple chiar și în acest an. Cei mai mulți dintre cei prezenți spun că favoritul clar este echipa Google, condusă de John Martini, profesor de fizică la Universitatea din California, Santa Barbara. Scopul său este de a obține o superioritate computațională cu un CPU de 49 biți. Până la sfârșitul lunii mai 2017, echipa a testat cu succes un cip de 22 de cipuri ca pas intermediar în dezasamblarea unui supercomputer clasic.

Cum a început totul?

Ideea utilizării mecanicii cuantice pentru prelucrarea informațiilor a fost de zeci de ani. Unul dintre evenimentele cheie a avut loc în 1981, când IBM și MIT au organizat împreună o conferință privind fizica computațională. Fizicianul celebru Richard Feynman a sugerat construirea unui calculator cuantic. Așa cum a spus, pentru modelare este necesar să se folosească mijloace de mecanică cuantică. Și aceasta este o mare sarcină, pentru că nu pare atât de simplă. Într-un procesor cuantic, principiul acțiunii se bazează pe câteva proprietăți ciudate ale atomilor - suprapunerea și entanglementarea. O particulă poate fi simultan în două stări. Cu toate acestea, atunci când îl măsurați, va fi doar în unul dintre ele. Și este imposibil să se prevadă care, cu excepția poziției de teorie a probabilității. Acest efect stă la baza experimentului de gândire cu pisica Schrodinger, care se găsește în cutie odată moartă și în viață, până când observatorul intră acolo cu stealth. Nimic din viața de zi cu zi nu funcționează așa. Cu toate acestea, aproximativ 1 milion de experimente efectuate de la începutul secolului al XX-lea arată că suprapunerea există într-adevăr. Iar următorul pas va fi imaginarea utilizării acestui concept.

Procesor cuantic: Descrierea postului

biți Classic poate avea valoarea 0 sau 1, este posibil să se multiplice numere, desena imagini și așa mai departe. N. qubit poate fi, de asemenea 0 în cazul în care pierdeți o linie prin „porți logice“ (d. AND, OR, NOT, etc.), 1 sau ambele în același timp. Dacă, de exemplu, 2 qubits sunt confuze, atunci acest lucru le face complet corelate. Un procesor de tip quantum poate folosi porți logice. T. n. Valva Hadamard, de exemplu, plasează qubit-ul într-o stare de suprapunere perfectă. Dacă suprapunerea și entanglementul sunt combinate cu porți cuantice inteligent localizate, atunci potențialul de calcul subatomic începe să se desfășoare. 2 permite studiul qubitului 4 state: 00, 01, 10 și 11. Principiul de funcționare al procesorului cuantic astfel încât executarea operațiunilor logice face posibilă pentru a lucra cu toate pozițiile dintr-o dată. Și numărul de stări disponibile este de 2 la puterea numărului de qubite. Deci, dacă face un 50-qubit calculator cuantic universal, teoretic, este posibil să se examineze toate combinațiile 1.125 de cvadrilioane simultan.

Kudiți

Procesorul cuantic din Rusia este văzut oarecum diferit. Oamenii de știință din MIPT și Centrul Quantum din Rusia au creat "kudit", care sunt mai mulți qubit-uri "virtuale" cu niveluri de "energie" diferite.

amplitudine

Un procesor de tip cuantic are avantajul că mecanica cuantică se bazează pe amplitudini. Amplitudinile sunt similare cu probabilitatea, dar ele pot fi și numere negative și complexe. Deci, dacă trebuie să calculați probabilitatea unui eveniment, puteți adăuga amplitudinile tuturor opțiunilor posibile pentru dezvoltarea lor. Ideea de calcul cuantic este de a încerca să înființeze model de interferență astfel încât unele moduri de răspuns greșit au amplitudine pozitivă, iar unele - negative și, prin urmare, s-ar compensa reciproc. Iar căile care duc la răspunsul corect ar avea amplitudini care se află în fază una cu cealaltă. Trucul este că trebuie să organizați totul fără a ști în prealabil ce răspuns este corect. Astfel, exponenŃialitatea stărilor cuantice în combinaŃie cu potenŃialul de interferenŃă dintre amplitudinile pozitive și negative reprezintă un avantaj al calculelor de acest tip.

Algoritmul lui Shore

Există multe sarcini pe care computerul nu le poate rezolva. De exemplu, criptarea. Problema este că nu este atât de ușor să găsești multiplicatori simpli ai unui număr de 200 de cifre. Chiar dacă laptopul funcționează cu software excelent, atunci ar putea fi necesar să așteptați ani pentru a găsi răspunsul. Prin urmare, un alt algoritm în calculul cuantic a fost un algoritm publicat în 1994 de Peter Shore, acum un profesor de matematică la MIT. Metoda lui constă în căutarea multiplicatorilor unui număr mare cu ajutorul unui calculator cuantic, care nu exista atunci. De fapt, algoritmul efectuează operații care indică zonele cu răspunsul corect. În anul următor, Shor a descoperit metoda corecției erorilor cuantice. Apoi mulți au realizat că acesta este un mod alternativ de calcul, care, în unele cazuri, poate fi mai puternic. Apoi a urmat o creștere a interesului din partea fizicienilor pentru a crea qubite și porți logice între ele. Și acum, două decenii mai târziu, omenirea se află pe punctul de a crea un calculator cuantic cu drepturi depline.