Provocarea calculării cuantice

Conţinut

• Realitatea cuantică
• Realizarea unui bit cuantic
• Fără bug-uri, fără stres - Ghidul dvs. pas cu pas pentru crearea de software care poate schimba viața fără a vă distruge viața
• Cât de aproape suntem?
• Concluzie

Sursa: Rcmathiraj / Dreamstime.com

La pachet:

Aruncați o privire mai atentă asupra calculării cuantice, a modului de funcționare și a potențialului său viitor.

„Dacă credeți că înțelegeți fizica cuantică, nu înțelegeți fizica cuantică.” Acest citat este atribuit fizicianului Richard Feynman, dar nu este clar dacă a spus-o de fapt. Iată un citat mai fiabil al lui Feynman dintr-o publicație MIT din 1995: „Cred că pot spune în siguranță că nimeni nu înțelege mecanica cuantică.”

Realitatea cuantică

Acum că am obținut acest lucru, să vedem dacă există ceva ce știm. Mecanica cuantică este ciudată. Aceste particule minuscule la nivel cuantic nu se comportă așa cum era de așteptat. Lucrurile sunt diferite acolo.

În universul cuantic se întâmplă lucruri nebunești. Există aleatoriu intrinsec, incertitudinea, încurcarea. Totul pare puțin.

Știm acum că atomii și particulele subatomice acționează ca și cum ar fi conectate. Einstein a numit înțelegerea cuantică „acțiune înspăimântătoare la distanță”. Imaginează-ți două obiecte care sunt fizice separate, dar se comportă la fel, au aceleași proprietăți și acționează ca unul. Acum imaginați-vă că acele două obiecte sunt la 100.000 de ani lumină între ele. Ciudat, într-adevăr.

Mai este. Principiul incertitudinii în mecanica cuantică spune că anumite proprietăți ale particulelor nu pot fi cunoscute. Adăugați la aceasta problema decelenței, care are ceva de-a face cu prăbușirea funcției de undă. Și versiunile experimentului cu fanta dublă par să sugereze că un obiect cuantic poate fi în două locuri în același timp, că observația schimbă natura particulelor subatomice sau că electronii par să fi călătorit în timp.

Acum vedeți de ce construirea unui computer cuantic poate fi o astfel de provocare. Dar asta nu împiedică oamenii să încerce. (Pentru mai multe despre calculul cuantic, consultați De ce calcularea cuantică poate fi următoarea pornire pe autostrada Big Data.)

Realizarea unui bit cuantic

Problema cu incertitudinea este că îngreunează calcularea. Ținta este mereu în mișcare. Și chiar dacă dezvoltați un sistem matematic, cum vă corectați pentru erori? Și ai crezut că binarul este greu.

„Un qubit este un sistem mecanic cuantic care, în anumite circumstanțe adecvate, poate fi tratat ca având doar două niveluri cuantice”, spune profesorul Andrea Morello, de la Universitatea din New South Wales, în Australia. „Și după ce ai asta, poți să o folosești pentru a codifica informații cuantice.”

Fără bug-uri, fără stres - Ghidul dvs. pas cu pas pentru crearea de software care poate schimba viața fără a vă distruge viața

Nu îți poți îmbunătăți abilitățile de programare atunci când nimeni nu îi pasă de calitatea software-ului.

Mai ușor de zis decât de făcut. Calculatoarele cuantice actuale nu sunt încă foarte puternice. Încă încearcă să îmbunătățească blocurile de construcții.

Un bit cuantic, cunoscut și sub denumirea de qubit, are un potențial exponențial mai mare decât bitul clasic în calculul digital binar. O particulă elementară poate fi în mai multe stări simultan, o calitate cunoscută sub denumirea de superpoziție. În timp ce un bit clasic poate fi în una dintre cele două stări (una sau zero), un qubit poate fi în ambele poziții în același timp.

Gândește-te la o monedă. Are două laturi: capete sau cozi. O monedă este binară. Însă imaginați-vă că aruncați moneda în aer și aceasta continuă să flipzească la nesfârșit. În timp ce flipping, este capul sau este cozi? Ce va fi dacă ar trebui să aterizeze vreodată? Cum poți cuantifica moneda flipping? Aceasta este o încercare slabă de a ilustra suprapunerea.

Deci, cum faci un qubit? Ei bine, dacă fizicienii cuantici nu înțeleg mecanica cuantică, atunci cu greu am putea gestiona aici o explicație adecvată. Să ne mulțumim cu o listă scurtă de tehnologii testate pentru a crea cabluri:

• Circuite supraconductoare
• Învârtituri rotative
• Capcane Ion
• Circuite fotonice
• Împletituri topologice

Cele mai populare dintre acestea sunt primele două. Celelalte sunt subiecte de cercetare universitară. În prima tehnică, supraconductorii sunt suprasolicitați pentru a elimina interferențele electromagnetice. Dar timpul de coerență este relativ scurt și lucrurile se descompun. Profesorul Morello lucrează la tehnica spinului. Particulele cuantice au sarcină electrică, la fel ca și magneții. Prin utilizarea impulsurilor cu microunde, el este capabil să obțină un electron să se rotească mai degrabă decât în ​​jos, creând astfel un tranzistor cu un singur electron.

Apoi rămâne problema toleranței la erori și corectarea erorilor. Cercetătorii de la Universitatea din California, Santa Barbara au reușit să atingă o fidelitate de 99,4 la sută cu porțile lor de qubit. Ei au obținut o fidelitate de 99,9% la poartă la Universitatea din Oxford. Deci suntem acolo?

Cât de aproape suntem?

Edwin Cartlidge pune această întrebare într-un articol din octombrie 2016 pentru Optics & Photonics News. Un avertisment din partea ETSI din 2015 că organizațiile ar trebui să treacă la tehnici de criptare „în condiții de siguranță cuantică” ar trebui să vă spună că ceva este la orizont.

Google, Microsoft, Intel și IBM sunt în joc. Unul dintre pragurile pe care Google le urmărește este un lucru pe care l-au numit „supremație cuantică”. Este folosit pentru a descrie acel punct în care un computer cuantic face ceva pe care un computer clasic nu îl poate.

IBM intenționează să lanseze un computer cuantic „universal” în 2017, potrivit David Castelvecchi, în Scientific American. Numit „IBM Q”, va fi un serviciu bazat pe cloud disponibil pe internet contra cost. Vă puteți bucura de ceea ce lucrează, încercând experiența lor cuantică, disponibilă acum online. Castelvecchi spune însă că niciunul dintre aceste eforturi nu este mai puternic decât computerele convenționale. Supremația cuantului nu a fost încă stabilită.

După cum a raportat Techopedia în 2013, Google are o mulțime de aplicații pentru un computer cuantic matur, odată dezvoltat. Microsoft lucrează la calculul cuantic topologic. Mai multe startup-uri se acumulează și se lucrează mult pe teren. Dar unii experți avertizează că farfuria poate să nu fie încă complet gătită. „Nu fac niciun comunicat de presă despre viitor”, spune Rainer Blatt la Universitatea din Innsbruck din Austria. Și fizicianul David Wineland spune: „Sunt optimist pe termen lung, dar ceea ce înseamnă„ termen lung ”, nu știu”.

Chiar și atunci când este atinsă supremația calculului cuantic, nu o căutați pentru a înlocui laptopul în curând. Calculatoarele cuantice, ca și omologii lor binari din primele zile, pot fi doar dispozitive specializate dedicate unor scopuri specifice. Una dintre cele mai obișnuite utilizări ar fi să ai un computer cuantificativ care să simuleze mecanica cuantică. În afară de operațiunile cu computer intensiv precum previziunea vremii, utilizarea calculelor cuantice poate fi centralizată și limitată la cloud. Desigur, acesta poate fi locul perfect pentru asta.

Concluzie

Profesorul Morello a identificat clar provocarea principală a calculării cuantice. Înainte de a putea începe codificarea informațiilor, trebuie să fiți în măsură să stabiliți două niveluri cuantice discrete cu ajutorul qubit-ului. Odată obținut, calculul cuantic „vă oferă acces la un spațiu de calcul exponențial mai mare” decât un computer clasic. Un computer cuantic, de exemplu, cu 300 de cbți (N qubits = 2^N biți clasici) ar putea prelucra mai mulți biți de informație decât există particule în univers.

Este o mulțime de biți. Dar de a ajunge de aici până acolo va dura ceva.