Kvantni procesor: opis, načelo delovanja

O kvantnih izračunih, vsaj v teoriji, govori več desetletij. Sodobni tipi strojev, ki uporabljajo ne-klasično mehaniko za obvladovanje potencialno nepredstavljivih količin podatkov, so postali velik preboj. Po mnenju razvijalcev je bilo njihovo izvajanje verjetno najbolj zapletena tehnologija, ki je bila kdajkoli ustvarjena. Kvantni procesorji delujejo na ravni snovi, o katerih se je človeštvo naučilo le pred 100 leti. Potencial takšnih izračunov je velik. Uporaba izjemnih lastnosti kvantnih lastnosti bo pospešila izračune, zato bodo rešene številne naloge, ki so trenutno običajne za klasične računalnike. In ne samo na področju kemije in znanosti o materialih. Wall Street prav tako kaže zanimanje.

Vlaganje v prihodnost

Skupina CME je vložila v podjetje Vancouver 1QB Information Technologies Inc., ki razvija programsko opremo za kvantne procesorje. Po mnenju vlagateljev bodo taki izračuni verjetno najbolj vplivali na panoge, ki delujejo z velikimi količinami časovno občutljivih podatkov. Primer takšnih potrošnikov so finančne institucije. Goldman Sachs je investiral v D-Wave Systems, In-Q-Tel je financiral Cia. Prvi proizvaja stroje, ki počnejo tisto, kar se imenuje "kvantno žarjenje", torej rešuje naloge optimizacije nizke ravni s pomočjo kvantnega procesorja. Intel vlaga tudi v to tehnologijo, čeprav se za njegovo izvajanje šteje vprašanje prihodnosti.

Zakaj je to potrebno?

Razlog, zakaj je kvantno računanje tako razburljivo, je v njihovi idealni kombinaciji s strojnim učenjem. Trenutno je to glavna aplikacija za takšne izračune. Delno to je posledica ideja o kvantnem računalniku je uporaba fizične naprave za iskanje rešitev. Včasih je ta koncept razložen na primeru igre Angry Birds. Za simulacijo gravitacije in medsebojnega vpliva trkov objektov CPU tablice uporablja matematične enačbe. Kvantni procesorji so tak pristop obrnili navzdol. Vrežejo nekaj ptic in vidijo, kaj se zgodi. Mikro čip zapisuje naloga: to ptice, so vržene, kakšna je optimalna pot? Nato se preverijo vse možne rešitve ali pa njihova zelo velika kombinacija, in podan je odgovor. V kvantnem računalniku naloge Ni matematik, namesto da dela na področju fizike.

Kako deluje?

Temeljni gradniki našega sveta so kvantno mehanični. Če pogledamo molekule, je razlog, zakaj so nastali in ostajajo stabilni, interakcija njihovih elektronskih orbitalcev. Vsi kvantno mehanski izračuni so vsebovani v vsakem od njih. Njihovo število eksponentno raste do rasti števila simuliranih elektronov. Na primer, za 50 elektronov je v 50. moči možnih različic 2. To je fenomenalno veliko število, zato ga danes ne morete izračunati. Povezovanje teorije informacij s fiziko lahko kaže na način reševanja takšnih problemov. 50-kubit računalnik lahko to naredi.

Zora nove dobe

Po Landon Downs, predsednik in soustanovitelj 1QBit, kvantni procesor - je mogoče uporabiti procesno moč subatomski svet, je ključnega pomena za pridobitev novih materialov ali ustvarjanje novih zdravil. Obstaja prehod iz paradigme odkritij v novo obdobje oblikovanja. Na primer, kvantne izračune se lahko uporabijo za simulacijo katalizatorjev, ki omogočajo ekstrakcijo ogljika in dušika iz ozračja, kar pripomore k preprečevanju globalnega segrevanja.

Na čelu napredka

Skupnost razvijalcev te tehnologije je zelo navdušena in aktivna z aktivnim delom. Ekipe po vsem svetu gradijo stroje pri zagonu, korporacijah, univerzah in vladnih laboratorijih, ki uporabljajo različne pristope pri obdelavi kvantnih informacij. Superprevodni čipov in kubitov na ujetih ionih so ustvarili raziskovalci iz Univerze v Marylandu in Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo Združenih držav Amerike. Microsoft razvija topološki pristop, imenovan postaja Q, katere namen je uporaba neabelijskega aniona, katerega obstoj še ni dokončno dokazan.

Leto verjetnega preboj

In to je samo začetek. Od konca maja 2017 dalje je število kvantnih procesorjev, ki edinstveno naredijo nekaj hitreje ali boljše od klasičnega računalnika, nič. Tak dogodek bo vzpostavil "kvantno superiornost", vendar se do zdaj še ni zgodil. Čeprav je verjetno, da se to lahko zgodi tudi letos. Večina oseb, ki se zavedajo, pravijo, da je najljubši priljubljeni Google ekipa pod vodstvom John Martini, profesorja fizike na Kalifornijski univerzi v Santa Barbari. Njegov cilj je doseči računalniško superiornost s 49-bitnim CPU-jem. Do konca maja 2017 je skupina uspešno preizkusila 22-čipski čip kot vmesni korak za razstavljanje klasičnega superračunalnika.

Kako se je vse začelo?

Zamisel o uporabi kvantne mehanike za obdelavo informacij je že desetletja. Eden ključnih dogodkov se je zgodil leta 1981, ko sta IBM in MIT skupaj organizirala konferenco o računalniški fiziki. Poznan fizik Richard Feynman predlagal izgradnjo kvantnega računalnika. Kot je dejal, za modeliranje je potrebno uporabiti sredstva kvantne mehanike. In to je velika naloga, ker ne izgleda tako preprosto. V kvantnem procesorju načelo delovanja temelji na več čudnih lastnostih atomov - superpozicija in zapletenost. Delec je lahko v dveh državah istočasno. Vendar pa bo pri merjenju to le v enem od njih. In je nemogoče napovedati, v kateri, razen iz položaja teorije verjetnosti. Ta učinek je osnova miselnega eksperimenta z mačko Schrodinger, ki je v škatli naenkrat mrtva in živa, dokler opazovalec ne vstopi tja. Nič v vsakdanjem življenju ne deluje tako. Kljub temu približno 1 milijon eksperimentov, ki so bili izvedeni od začetka dvajsetega stoletja, kažejo, da superpozicija dejansko obstaja. Naslednji korak bo ugotovil, kako uporabiti ta koncept.

Kvantni procesor: opis posla

Klasične bitov ima lahko vrednost 0 ali 1, je mogoče pomnožiti številk, pripravi slike in tako naprej. N. kubit je lahko tudi 0, če so zamudili črto skozi "logičnih vrat" (d. IN, ALI, ne itd), 1 ali oboje ob istem času. Če sta na primer 2 kubiti zmedena, potem je zaradi tega popolnoma povezana. Kvantni procesor lahko uporablja logične vmesnike. T. n. Hadamardni ventil, na primer, postavlja kubit v stanje popolne superpozicije. Če se superpozicija in zamegljenost združita s pametno lociranimi kvantnimi vhodi, se potencial subatomskih izračunov začne razpletati. 2 omogočajo študijo kubit 4 držav: 00, 01, 10 in 11. Načelo delovanja procesorja kvantne tak, da izvajanje logičnih operacij omogoča delo z vsemi položaji naenkrat. In število razpoložljivih stanj je 2 na moč števila kubic. Torej, če naredimo 50-kubit univerzalni kvantni računalnik, lahko teoretično lahko istočasno preiskujemo vse 1.125 kvadrillionov kombinacij.

Kuditi

Kvantni procesor v Rusiji je nekoliko drugačen. Znanstveniki iz MIPT in ruskega Quantum Centra so ustvarili "kudit", ki je več "navideznih" kubic z različnimi "energijskimi" nivoji.

Amplitude

Kvantni procesor ima prednost, da kvantna mehanika temelji na amplitudah. Amplitude so podobne verjetnosti, lahko pa so tudi negativne in zapletene številke. Torej, če morate izračunati verjetnost dogodka, lahko dodate amplitudo vseh možnih možnosti za njihov razvoj. Ideja kvantnega računanja je poskusiti vzpostaviti interferenčni vzorec tako da imajo nekateri načini za napačne odgovore pozitivno amplitudo in nekatere negativne, zato bi si med seboj nadomestili. In poti, ki vodijo k pravilnemu odgovoru, bi imele amplitude, ki so v fazi med seboj. Trik je, da morate organizirati vse, ne da bi vnaprej vedeli, kateri odgovor je pravilen. Torej, eksponentnost kvantnih zvez v kombinaciji z interferenčnim potencialom med pozitivnimi in negativnimi amplitudami je prednost takih izračunov.

Shorejev algoritem

Obstaja veliko nalog, ki jih računalnik ne more rešiti. Na primer, šifriranje. Težava je v tem, da preprostih množiteljev 200-mestne številke ni tako enostavno. Tudi če prenosni računalnik deluje z odlično programsko opremo, boste morda morali počakati leta, da boste našli odgovor. Zato je bil drugi algoritem v kvantnem računalništvu algoritem, ki ga je leta 1994 izdal Peter Shore, profesor matematike pri MIT-u. Njegova metoda je v iskanju množiteljev velikega števila s pomočjo kvantnega računalnika, ki takrat ni obstajal. Dejansko algoritem izvaja operacije, ki kažejo na področja s pravilnim odgovorom. Naslednje leto je Shor odkril metodo popravljanja kvantnih napak. Potem so mnogi spoznali, da je to alternativni način računanja, ki je v nekaterih primerih močnejši. Potem je sledil zanimanje fizikov, da bi ustvarili kubice in logične vmesnike med njimi. In zdaj, dve desetletji kasneje, človeštvo je na robu ustvarjanja polnopravnega kvantnega računalnika.