Jak działa przetwarzanie kwantowe i dlaczego jest ważne

Komputery radykalnie zmieniły społeczeństwo. Krótko po zakończeniu II wojny światowej naukowcy używali komputerów do rozwiązywania wszelkiego rodzaju problemów. Postęp był niewiarygodnie szybki. W latach siedemdziesiątych narodził się komputer domowy.

Mimo tych postępów niektóre problemy są nadal bardzo trudne. Bez względu na to, jak dobre są komputery, wyzwania takie jak faktoring dużych liczb lub optymalizacja tras kurierskich pozostają trudne.

Ale bity nie są jedynym sposobem obliczania. Mechanika kwantowa - reguły rządzące światem atomów i cząsteczek - może być również wykorzystana do obliczeń. Te obliczenia są wykonywane w zupełnie inny sposób.

Mamy nadzieję, że pewnego dnia te „komputery kwantowe” będą w stanie rozwiązać trudne problemy. Ale czym właściwie są komputery kwantowe i jak działają?

16 qubitowy komputer kwantowy IBM (IBM Quantum Experience)

Szczegółowe spojrzenie pod komputer kwantowy pokazuje, dlaczego badacze mają taką nadzieję, że komputery te będą tak potężne - a nie tak potężne jak procesory nowej generacji firmy Intel. Nie, praktyczny komputer kwantowy może zmienić świat. Firmy takie jak D-Wave, IBM i Google, wraz z laboratoriami badawczymi na całym świecie, ścigają się, aby wyprodukować pierwsze praktyczne komputery kwantowe.

Co wyróżnia komputer kwantowy?

Aby zilustrować różnicę między obliczeniami kwantowymi a tradycyjnymi, Daniel Lidar, profesor fizyki chemii teoretycznej na Uniwersytecie Południowej Kalifornii, stosuje następującą analogię (którą zmodyfikowałem).

Wyobraź sobie, że szukasz czarnej piłki w pudełku pełnym białych kulek, a nie widzisz jej w środku. Aby znaleźć czarną piłkę, łapiesz ją na ślepo, sprawdzasz kolor i wyrzucasz, jeśli nie jest czarna. Możesz złapać czarną piłkę za pierwszym razem lub wybrać ją jako ostatnią.

Najbardziej prawdopodobny wynik: frustrację niszczysz pudło.

Przejdźmy teraz do algorytmu kwantowego. Twoje ręce kwantowe sięgają do pudełka, ale nie chwytają piłki. Zamiast tego te ręce trzymają prawdopodobieństwo, że wybiorą każdą piłkę - w tym czarną. Jeśli pudełko ma 10 kulek, twoje ręce kwantowe mają 10 równych prawdopodobieństw.

Następnie uruchom algorytm kwantowy, który zwiększa prawdopodobieństwo, że kula jest czarna. Następnie sprawdzasz rękę: Rozczarowująca, piłka jest biała. Sięgasz z powrotem do pudełka. Ale tym razem prawdopodobieństwo nie jest równe: prawdopodobieństwo znalezienia czarnej kulki jest teraz wyższe niż w przypadku innych piłek.

To tak, jakby poprzednia próba wyrzuciła dodatkową białą piłkę wraz z tą, którą znalazłeś. Dzieje się tak przy każdej próbie, więc szansa na znalezienie czarnej kuli gwałtownie wzrasta. Kluczem do zmiany tych prawdopodobieństw jest sposób manipulowania stanami kwantowymi - lub „kubitami” w przypadku obliczeń.

Stany superpozycji kwantowej

Przełóżmy historię pudełek z piłkami, aby zobaczyć, jak to działa.

Ręka kwantowa sięga do pudełka i chwyta prawdopodobieństwa. W tradycyjnym przetwarzaniu informacje są przechowywane jako bity o określonych wartościach. Bit to jeden lub zero. Sprawdzanie wartości bitu nie zmienia go w żaden sposób.

Ale kubit nie reprezentuje bezpośrednio wartości bitu; utrzymuje prawdopodobieństwo, że kubit będzie miał wartość jeden lub zero. Nazywa się to „stanem superpozycji kwantowej”.

Kiedy jednak sprawdzamy wartość kubitu, nie otrzymujemy prawdopodobieństwa. Pomiar ujawnia jeden lub zero - wybór losowo określony na podstawie prawdopodobieństw superpozycji. Mierzenie ustawia wartość kubita. Jeśli zmierzymy kubit i otrzymamy jeden, ponowne sprawdzenie spowoduje również jeden.

Kiedy sięgamy do pudełka, bierzemy zestaw kubitów - wystarczających do przedstawienia wszystkich piłek. Kubity są wprowadzane w stan superpozycji, który utrzymuje prawdopodobieństwo znalezienia każdej piłki. Ponieważ wyszukiwanie jest całkowicie losowe, każda kula jest reprezentowana z jednakowym prawdopodobieństwem.

Teraz uruchamiamy algorytm, który zwiększa prawdopodobieństwo znalezienia czarnej kuli.

Możesz zapytać: Jak zwiększyć prawdopodobieństwo bez skradania się? Odpowiedź leży w tym, jak kubit ma prawdopodobieństwo. Prawdopodobieństwo jest reprezentowane przez liczbę od zera do jednego. Kubity mają jednak amplitudy prawdopodobieństwa, które mogą być dodatnie lub ujemne.

Jak to ujął Lidar: „To jest tam, gdzie jest prawdziwa różnica. Nie ma pojęcia ujemnego prawdopodobieństwa [w fizyce klasycznej], co nie ma znaczenia… Ale w przypadku kwantowym możemy mieć amplitudę [a] ujemną [prawdopodobieństwo] anulującą dodatnie amplitudy [prawdopodobieństwo]. Dzięki manipulacjom tymi zakłóceniami możemy zacząć rozumieć, w jaki sposób przetwarzanie kwantowe może uzyskać przewagę. ”

W tym cytacie są ukryte dwa kluczowe punkty. Kiedy amplituda ujemna spełnia amplitudę dodatnią, wynik netto jest bliski zeru, więc prawdopodobieństwo tego konkretnego wyniku maleje; jeśli spotykają się dwie pozytywne amplitudy, szansa na taki wynik wzrasta. Oznacza to, że możemy manipulować prawdopodobieństwem określonego wyniku bez mierzenia kubitu. (Pamiętaj, że wykonanie pomiaru zniszczy stan superpozycji).

Co ważniejsze, można zrobić kubity, aby zrobiły to same. Kiedy mówimy o amplitudzie dodatniej spełniającej amplitudę ujemną, amplitudy te mogą pochodzić z tego samego kubitu. A jeśli to nie spowoduje, że twój umysł lekko się ugnie i skrzypi, nic nie będzie.

W rezultacie komputer kwantowy może szybko zmniejszyć prawdopodobieństwo uzyskania niepoprawnej odpowiedzi i zwiększyć szanse na uzyskanie prawidłowej odpowiedzi. Jest to dokładnie taka sztuczka, jakiej używa komputer kwantowy, aby zwiększyć prawdopodobieństwo znalezienia właściwej kuli.

Proces podatny na błędy

Aby wykonać obliczenia, stan superpozycji wielu kubitów jest modyfikowany. Ale pomiędzy celowymi modyfikacjami środowisko zmienia również stan superpozycji. Ten hałas jest wrogiem obliczeń kwantowych, niszcząc stany superpozycji prawie tak szybko, jak tylko potrafimy je stworzyć.

W rezultacie kubity są niewiarygodne i podatne na błędy. Błędy te muszą zostać wykryte i poprawione.

To nie jest trywialne. Jak to ujął Lidar: „[W] e będziemy musieli zastosować wysoki stopień redundancji, aby zapewnić prawidłowe wykonanie obliczeń kwantowych. Czym więc jest ten narzut związany z kodowaniem? Cóż, może być dość ciężki, może być to czynnik 1000 lub 1 000 000 ”.

Innymi słowy, każda część informacji jest zakodowana w małej armii kubitów zamiast w jednym kubicie.

Jak zbudować komputer kwantowy

Istnieje kilka podstawowych podejść do budowy komputera kwantowego. Najczęstsze podejście jest podobne do tego, jak obecnie budujemy komputery, zwane obwodowym modelem obliczeń kwantowych.

Każdy program jest podzielony na szereg specyficznych operacji logicznych, z których większość modyfikuje amplitudy prawdopodobieństwa jednego kubita, w zależności od amplitud prawdopodobieństwa drugiego kubita. Komputer kwantowy oparty na obwodach przyjmuje początkowy zestaw kubitów i wykonuje kolejno każdą operację w programie. Po uruchomieniu programu stany kubitowe są odczytywane w celu uzyskania odpowiedzi.

IBM buduje komputery kwantowe tego rodzaju i można z nimi nawet grać. Ale w żadnym wypadku nie jest pewne, że IBM lub jakikolwiek inny model obwodu stanie się standardem. Skalowanie liczby kubitów i żywotności do użytecznego rozmiaru nie jest łatwym zadaniem.

Inne firmy, takie jak D-Wave i Google, również są zainteresowane. Ale ich podejście jest zupełnie inne niż IBM i większości laboratoriów badawczych. Najczęstszym podejściem do budowy komputera kwantowego jest trzymanie się blisko pomysłów z normalnych komputerów: bramek logicznych wykonujących sekwencyjne operacje. Ale możliwe jest również, aby komputery działały bez bezpośrednich operacji logicznych.

Optymalizator kwantowy D-Wave (D-Wave Inc.)

Różnica między tymi dwoma podejściami jest dość głęboka. Na komputerze wykorzystującym logikę sekwencyjną fizyczny układ komputera jest dość prosty, ale sekwencja operacji (lub programów) może stać się długa i skomplikowana. Porzucając logikę sekwencyjną, program staje się bardzo prosty - w rzeczywistości prawie nie ma programowania - ale układ fizyczny staje się bardzo trudny, ponieważ każdy kubit musi być połączony ze wszystkimi innymi kubitami.

Kanadyjski startup D-Wave od pewnego czasu oferuje ograniczoną formę obliczeń kwantowych, ale w tej chwili jego procesory są zbyt małe, aby podjąć praktyczne problemy. Układ procesora D-Wave nie łączy ze sobą wszystkich kubitów. W rezultacie można go używać tylko do rozwiązywania niektórych rodzajów problemów, ale nie innych.

Aby komplikować sprawy, z wydajności komputera nie można wiedzieć, że jest to komputer kwantowy. Zamiast tego może to być bardzo wydajny tradycyjny komputer. Google i Lidar (który nie działa dla Google) stosują podobne podejście do D-Wave; Różnica polega jednak na tym, że ich celem jest kontrolowanie wzajemnego wpływu kubitów. Na tej podstawie mają nadzieję udowodnić, że takie podejście prowadzi do komputera kwantowego.

Problem szuka rozwiązania kwantowego

Większość ludzi, jeśli znają komputery kwantowe, kojarzy je z łamaniem szyfrowania. Współczesna kryptografia polega na tym, że bardzo trudno jest znaleźć czynniki pierwsze o bardzo dużej liczbie.

Praktyczny komputer kwantowy najprawdopodobniej położy temu kres. Ale są mniej złowrogie aplikacje.

Najbardziej ekscytującym opracowywanym jest używanie komputerów kwantowych do rozwiązywania problemów mechaniki kwantowej. To aplikacja, która prawdopodobnie zmieni świat.

Mechanika kwantowa opisuje właściwości materiałów, od bawełny w ubraniach po fotosyntezę w roślinach. Nawet przy najpotężniejszych tradycyjnych komputerach obliczenie właściwości jakiejkolwiek cząsteczki zawierającej więcej niż około 30 atomów jest prawie niemożliwe. Zamiast tego bierzemy skróty, które nie zawsze działają bardzo dobrze.

Komputer kwantowy może być znacznie dokładniejszy, więc możemy mieć o wiele większą pewność w tych obliczeniach. Naukowcy mogą sobie wyobrazić znacznie bardziej dziwaczne właściwości, takie jak materiały, które schładzają się pod wpływem światła słonecznego, a następnie za pomocą komputera kwantowego określają wymaganą strukturę. A dziwaczne właściwości, które są naprawdę niemożliwe, można szybciej wyeliminować.

Jak blisko jesteśmy?

Komputery kwantowe pojawiły się w teorii wraz z pierwszymi demonstracjami w latach 90. Mimo to twoje sekrety są bezpieczne i nie znajdziesz komputera kwantowego robiącego niecne rzeczy na twoje konto bankowe. Naukowcy tacy jak Lidar od dawna nie oczekują praktycznego komputera kwantowego.

Lidar mówi, że przy 100 kubitach w świecie, w którym nie ma potrzeby kwantowej korekcji błędów, „moglibyśmy rozpocząć symulację układów kwantowych za pomocą komputerów kwantowych w skali przewyższającej to, co jest możliwe w przypadku najpotężniejszych klasycznych komputerów”.

Ale naukowcy mają cel zwany alarmująco supremacją kwantową. Pomimo swojej wspaniałej nazwy, supremacja kwantowa pokazuje po prostu, że każdy problem wykraczający poza możliwości tradycyjnego komputera, nawet bez praktycznej wartości, można rozwiązać na komputerze kwantowym.

Wykazanie, że komputery kwantowe mogą działać zgodnie z przewidywaniami, jest ważnym krokiem, którego nikt nie jest absolutnie pewien, że się wydarzy. Ale tylko wtedy naprawdę możemy ufać, że przyszłe komputery kwantowe spełnią swoje obietnice.

Lidar spodziewa się, że zobaczy komputer, który powinien być w stanie osiągnąć przewagę kwantową w ciągu najbliższych 12 miesięcy. W szczególności Google wydaje się dążyć do jak najszybszego osiągnięcia supremacji kwantowej, podczas gdy IBM przyjmuje bardziej ostrożne podejście.

Potem czeka nas mroczna, ale ekscytująca przyszłość.