Kvantový procesor: popis, princip činnosti

O kvantových výpočtech, přinejmenším v teorii, mluvíme několik desetiletí. Moderní typy strojů, které používají neklasickou mechaniku pro zvládnutí potenciálně nepředstavitelných objemů dat, se staly velkým průlomem. Podle vývojářů byla jejich realizace možná nejkomplexnější technologie, jakou kdy vznikla. Kvantové procesory pracují na úrovni hmoty, o které se lidstvo poučilo před pouhými 100 lety. Potenciál těchto výpočtů je obrovský. Použití zvláštních vlastností quanta urychlí výpočty, takže bude vyřešeno mnoho úkolů, které jsou v současné době běžné pro klasické počítače. A nejen v oblasti chemie a vědy o materiálech. Wall Street také projevuje zájem.

Investujte do budoucnosti

Skupina CME investovala do společnosti Vancouver 1QB Information Technologies Inc., která vyvíjí software pro procesory s kvantovým typem. Podle investorů je pravděpodobné, že tyto výpočty budou mít největší dopad na odvětví, která pracují s velkými objemy časově citlivých údajů. Příkladem těchto spotřebitelů jsou finanční instituce. Goldman Sachs investoval do společnosti D-Wave Systems a společnost In-Q-Tel je financována ze strany CIA. První produkuje stroje, které dělají to, co se nazývá "kvantové žíhání", tj. Řeší nízké úrovně optimalizačních úkolů pomocí kvantového procesoru. Společnost Intel také investuje do této technologie, i když považuje její implementaci za záležitost budoucnosti.

Proč je to nutné?

Důvodem, proč je kvantová výpočetní technika tak vzrušující, je v jejich ideální kombinaci s strojovým učením. V současné době je to hlavní aplikace pro takové výpočty. Částečně to je důsledek samotná myšlenka kvantového počítače je použití fyzického zařízení k nalezení řešení. Někdy je tento pojem vysvětlen na příkladu hry Angry Birds. Pro simulaci gravitace a interakce kolizních objektů používá CPU tabletu matematické rovnice. Kvantové procesory dávají takový přístup vzhůru nohama. "Hodí" pár ptáků a uvidí, co se stane. Mikročipové záznamy úkol: toto ptáci, jsou hodeni, jaká je optimální trajektorie? Poté se kontrolují všechna možná řešení nebo alespoň velmi velká kombinace a odpověď je dána. V kvantovém počítači úkoly Není to matematik, namísto toho pracuje zákony fyziky.

Jak to funguje?

Základní stavební kameny našeho světa jsou kvantově mechanické. Pokud se podíváme na molekuly, důvodem, proč jsou vytvořeny a zůstávají stabilní, je interakce jejich elektronických orbitálů. Všechny kvantové mechanické výpočty jsou obsaženy v každém z nich. Jejich počet exponenciálně roste k růstu počtu simulovaných elektronů. Například pro 50 elektronů je 2 v 50. síle možných variant. To je fenomenální velké množství, takže ji dnes nelze vypočítat. Spojení teorie informací s fyzikou může ukázat způsob řešení těchto problémů. Počítač s kapacitou 50 kbitů to dokáže.

Úsvit nové éry

Podle Landon Downs, prezident a spoluzakladatel 1QBit, kvantový procesor - je možné využít výpočetní výkon na subatomární svět, je velmi důležité pro získání nových materiálů nebo vytvoření nových léků. Existuje přechod z paradigmatu objevů do nové éry designu. Například, kvantová práce na počítači může být použit pro modelování katalyzátorů, které umožňují získat uhlík a dusík z atmosféry, a tím pomoci zastavit globální oteplování.

V popředí pokroku

Komunita vývojářů této technologie je mimořádně nadšená a zaneprázdněna aktivní činností. Týmy na celém světě staví stroje v začínajících firmách, korporacích, univerzitách a vládních laboratořích, které používají různé přístupy k zpracování kvantových informací. Supravodivé qubitové čipy a qubits na zachycených iontech byly vytvořeny výzkumníky z University of Maryland a National Institute of Standards and Technology Spojených států. Společnost Microsoft rozvíjí topologický přístup nazvaný Station Q, jehož cílem je použití non-abelovského aniontu, jehož existence nebyla dosud jednoznačně prokázána.

Rok pravděpodobného průlomu

A to je jen začátek. Od konce května 2017 je počet kvantových procesorů, které jednoznačně dělají něco rychlejšího nebo lepšího než klasický počítač, nulový. Taková událost vytvoří "kvantovou nadřazenost", ale zatím se nestalo. I když je pravděpodobné, že k tomu dojde iv letošním roce. Většina insiderů říká, že jasným favoritem je tým společnosti Google vedený Johnem Martini, profesorem fyziky na Kalifornské univerzitě v Santa Barbara. Jeho cílem je dosáhnout výpočetní nadřazenosti s 49bitovým CPU. Koncem května 2017 tým úspěšně testoval čip s kapacitou 22 čipů jako mezistupně k demontáži klasického superpočítače.

Jak to všechno začalo?

Myšlenka využití kvantové mechaniky pro zpracování informací je po desetiletí. Jedna z klíčových událostí nastala v roce 1981, kdy IBM a MIT společně uspořádali konferenci o výpočetní fyzice. Slavný fyzik Richard Feynman navrhl vybudovat kvantový počítač. Jak řekl, pro modelování je nutné použít prostředky kvantové mechaniky. A to je skvělý úkol, protože to nevypadá tak jednoduché. V kvantovém procesoru je princip činnosti založen na několika podivných vlastnostech atomů - superpozici a zapletení. Částice mohou být ve dvou stavech současně. Avšak při měření, bude to pouze v jednom z nich. A není možné předpovědět, s výjimkou pozice teorie pravděpodobnosti. Tento efekt je základem myšlenkového experimentu s kočkou Schrodingerovou, která je v krabici najednou mrtvá a živá, dokud se tam nevšímá pozorovatel. Nic v každodenním životě nefunguje takhle. Nicméně asi 1 milion experimentů provedených od počátku dvacátého století ukazuje, že superpozice skutečně existuje. Dalším krokem bude zjištění, jak tento koncept používat.

Quantum Processor: Popis úlohy

Klasické bitů může mít hodnotu 0 nebo 1, je možné násobit čísla, kreslit obrázky a tak dále. N. qubit může být také 0, pokud chybí čáry přes „logická hradla“ (d. AND, OR, NOT, atd), 1 nebo obojí ve stejnou dobu. Jsou-li například 2 qubity zmatené, pak je to úplně korelováno. Kvantový procesor může používat logické brány. T. n. Například Hadamardova ventil umisťuje qubit do stavu dokonalé superpozice. Pokud superpozice a zapletení v kombinaci s důmyslně umístěnými kvantových bran, které začínají odvíjet potenciál sub-atomová výpočty. 2 umožňují studii qubit 4 stavy: 00, 01, 10 a 11. Zásada provoz kvantového procesoru tak, že provádění logických operací umožňuje pracovat se všemi pozicemi najednou. A počet dostupných stavů je 2 na výkon počtu qubits. Takže pokud uděláte 50-qubit univerzální kvantový počítač, je teoreticky možné přezkoumat všechny 1125 biliard kombinací současně.

Kudits

Kvantový procesor v Rusku je poněkud odlišný. Vědci z MIPT a ruského Quantum centra vytvořili "kudit", což je několik "virtuálních" qubits s různými úrovněmi "energie".

Amplitudy

Kvantový procesor má tu výhodu, že kvantová mechanika je založena na amplitudách. Amplitudy jsou podobné pravděpodobnosti, ale mohou být také záporné a složité. Pokud tedy potřebujete vypočítat pravděpodobnost události, můžete doplnit amplitudy všech možných možností jejich vývoje. Myšlenka kvantové výpočetní techniky je pokusit se nastavit interferenční vzor takže některé způsoby chybných odpovědí mají pozitivní amplitudu a některé - negativní, a proto by se vzájemně kompenzovaly. Cesta vedoucí k správné odpovědi by měla amplitudy, které jsou vzájemně fázové. Trik je, že musíte vše organizovat, aniž byste předem věděli, která odpověď je správná. Takže exponenciálnost kvantových stavů v kombinaci s potenciálem rušení mezi pozitivními a zápornými amplitudami je výhodou výpočtů tohoto typu.

Shoreův algoritmus

Existuje mnoho úkolů, které počítač nedokáže vyřešit. Například šifrování. Problémem je, že není snadné najít jednoduché násobitele 200místného čísla. Dokonce i když notebook pracuje s vynikajícím softwarem, pak možná budete muset počkat na to, abyste našli odpověď. Proto byl jiný algoritmus v kvantové práci algoritmus, který vyšel v roce 1994 Peter Shore, nyní profesor matematiky na MIT. Jeho metoda spočívá v hledání multiplikátorů velkého počtu pomocí kvantového počítače, který tehdy neexistoval. Ve skutečnosti algoritmus provádí operace, které ukazují na oblasti se správnou odpovědí. Následující rok Shor objevil metodu kvantové korekce chyb. Pak si mnozí uvědomili, že se jedná o alternativní způsob výpočtu, který může být v některých případech silnější. Poté následoval nárůst zájmu ze strany fyziků, aby mezi nimi vytvořili qubits a logické brány. A nyní, o dvě desetiletí později, je lidstvo na pokraji vytváření plnohodnotného kvantového počítače.