Paano Gumagana ang Quantum Computing at Bakit Mahalaga ito

Ang mga kompyuter ay nagbago sa lipunan. Pagkaraan ng pagtatapos ng World War II, ang mga siyentipiko ay gumagamit ng mga computer upang malutas ang lahat ng mga uri ng problema. Ang pag-unlad ay hindi mahirap paniwalaan. Pagsapit ng 1970s, ipinanganak ang computer sa bahay.

Gayunpaman para sa lahat ng pag-unlad na iyon, ang ilang mga problema ay mahirap pa rin. Hindi mahalaga kung gaano nakukuha ang magagaling na mga computer, ang mga hamon tulad ng pagtatalaga ng malalaking numero o pag-optimize ng mga ruta ng courier ay mananatiling mahirap.

Ngunit ang mga bits ay hindi lamang ang paraan upang makalkula. Ang mga mekanika sa kabuuan - ang mga patakaran na namamahala sa mundo ng mga atomo at molekula - maaari ring magamit upang makalkula. At ang mga pagkalkula ay isinasagawa sa ibang kakaibang paraan.

Ang pag-asa ay sa ilang araw ang mga "computer na kabuuan" ay malulutas ang mga mahirap na problema. Ngunit ano talaga ang mga computer na dami, at paano ito gumagana?

16 qubit quantum computer mula sa IBM (karanasan sa dami ng IBM)

Ang isang detalyadong hitsura sa ilalim ng talukbong ng isang computer na kabuuan ay nagpapakita kung bakit ang mga mananaliksik ay umaasa na ang mga kompyuter na ito ay magiging napakalakas-at hindi malakas tulad ng isang bagong henerasyon ng processor mula sa Intel. Hindi, ang isang praktikal na computer ng kabuuan ay may potensyal na baguhin ang mundo. Ang mga kumpanya tulad ng D-Wave, IBM, at Google, kasama ang mga lab ng pananaliksik sa buong mundo, ay lahat ng karera upang makabuo ng unang praktikal na computer na kabuuan.

Ano ang Gumagawa ng isang Computer na Kumita ng Dami?

Upang mailarawan ang pagkakaiba sa pagitan ng dami at tradisyonal na computing, si Daniel Lidar, isang propesor ng pisikal na teoretikal na kimika sa University of Southern California, ay gumagamit ng sumusunod na pagkakatulad (na binago ko).

Isipin na naghahanap ng isang itim na bola sa isang kahon na puno ng mga puting bola, at hindi mo makita ang nasa loob ng kahon. Upang mahanap ang itim na bola, nang walang taros ka kumuha ng bola, suriin ang kulay, at itapon kung hindi ito itim. Maaari mong kunin ang itim na bola sa unang subukan, o maaari mo itong piliin huling.

Ang pinaka-malamang na kinalabasan: Sinira mo ang kahon sa pagkabigo.

Ngayon lumipat tayo sa isang algorithm ng kabuuan. Umaabot ang kahon ng iyong mga kamay sa kahon, ngunit hindi nila nakuha ang isang bola. Sa halip, ang mga kamay na ito ay humahawak ng mga posibilidad na pumili ng bawat bola - kabilang ang itim na bola. Kung ang kahon ay may 10 bola, ang iyong mga kamay sa kabuuan ay may hawak na 10 pantay na mga posibilidad.

Susunod, nagpapatakbo ka ng isang algorithm ng quantum na nagdaragdag ng posibilidad na ang itim na bola. Pagkaraan, tseke mo ang iyong kamay: Sa kawalang-kasiyahan, ang bola ay puti. Nakarating ka sa kahon. Ngunit sa oras na ito ang mga probabilidad ay hindi pantay: Ang posibilidad ng paghahanap mo ng itim na bola ay mas mataas na ngayon kaysa sa iba pang mga bola.

Para bang ang nakaraang pagtatangka ay nagtapon ng labis na puting bola kasama ang nahanap mo. Nangyayari ito para sa bawat pagtatangka, kaya't ang pagkakataon ng paghahanap ng itim na bola ay mabilis na tumataas. Ang susi sa kung paano nagbabago ang mga probabilidad na ito ay kung paano ang mga dami ng estado - o "qubits," sa kaso ng computing - ay manipulahin.

Mga Estado ng Superposisyon ng Pagsingil

Ihiwalay natin ang kwentong box-of-bola upang makita kung paano ito gumagana.

Ang kamay ng kabuuan ay umaabot sa kahon at kumukuha ng mga posibilidad. Sa tradisyonal na computing, ang impormasyon ay naka-imbak bilang mga bits na may tiyak na mga halaga. Ang isang bit ay alinman sa isa o isang zero. Ang pagsuri sa halaga ng isang bit ay hindi binabago ito sa anumang paraan.

Ngunit ang isang qubit ay hindi direktang kumakatawan sa halaga ng kaunti; pinanghahawakan nito ang posibilidad ng qubit na pagiging isa o isang zero. Ito ay tinatawag na "estado ng superposition."

Kapag sinuri namin ang halaga ng qubit, gayunpaman, hindi namin makuha ang posibilidad. Ang pagsukat ay nagpapakita ng isa o zero - ang pagpipilian na random na tinutukoy mula sa mga posibilidad ng superposition. Ang pagsukat ay nagtatakda ng halaga ng qubit. Kung sinusukat natin ang qubit at kumuha ng isa, ang pagsuri muli ay magreresulta din sa isa.

Kapag nakarating kami sa kahon, talagang kumukuha kami ng isang hanay ng mga qubits - sapat na upang kumatawan sa lahat ng mga bola. Ang mga qubits ay inilalagay sa isang estado ng superposisyon na humahawak ng mga posibilidad na makahanap ng bawat bola. Dahil ang paghahanap ay ganap na random, ang bawat bola ay kinakatawan ng pantay na posibilidad.

Ngayon nagpapatakbo kami ng isang algorithm na nagpapataas ng posibilidad ng paghahanap ng itim na bola.

Maaari mong tanungin: Paano mo madaragdagan ang isang posibilidad na walang pag-sneak ng isang rurok? Ang sagot ay namamalagi sa kung paano ang isang qubit ay may hawak na mga posibilidad. Ang isang posibilidad ay kinakatawan ng isang numero sa pagitan ng zero at isa. Ngunit ang mga qubits ay may hawak na probabilidad na mga amplitude, na maaaring maging positibo o negatibo.

Tulad ng inilalagay ni Lidar: “[T] ang kanyang kung saan may tunay na pagkakaiba. Walang paniwala ng negatibong posibilidad [sa klasiko na pisika], walang kahulugan ... Ngunit sa kaso ng dami, maaari tayong magkaroon ng isang negatibong [posibilidad] na malawak na pagkansela ng positibong [posibilidad] na mga amplitude. Sa pamamagitan ng mga pagmamanipula ng mga pakikisalamuha na maaari nating simulan upang maunawaan kung paano makukuha ang isang computing ng kabuuan. "

Dalawang pangunahing puntos ang nakatago sa quote na iyon. Kapag ang isang negatibong amplitude ay nakakatugon sa isang positibong amplitude, ang resulta ng net ay isang bagay na mas malapit sa zero, kaya bumaba ang posibilidad ng partikular na kinalabasan; kung ang dalawang positibong amplitude ay nakakatugon, ang posibilidad ng paglabas na iyon ay tumataas. Iyon ay, maaari naming manipulahin ang posibilidad ng isang partikular na kinalabasan nang hindi sinusukat ang qubit. (Tandaan, ang paggawa ng isang pagsukat ay makasisira sa estado ng superposisyon.)

Mas mahalaga, ang mga qubits ay maaaring gawin upang gawin ito sa kanilang sarili. Kung pinag-uusapan natin ang isang positibong pulong ng amplitude ng negatibong malawak, ang mga amplitude na ito ay maaaring mula sa parehong qubit. At kung hindi iyon sanhi ng iyong isip na yumuko at gumapang nang kaunti, walang mangyayari.

Bilang isang resulta, ang isang computer ng kabuuan ay maaaring mabawasan ang posibilidad ng pagkuha ng isang maling sagot at dagdagan ang mga posibilidad na makuha ang tamang sagot. Ito ay eksaktong uri ng trick na ginagamit ng isang computer na quantum upang madagdagan ang posibilidad ng paghahanap ng tamang bola.

Isang Proseso na Maling-Prone

Upang maisagawa ang isang computation, ang superposition state ng maraming qubits ay binago. Ngunit sa pagitan ng sinasadyang mga pagbabago, binabago din ng kapaligiran ang estado ng superposisyon. Ang ingay na ito ay ang kaaway ng quantum computing, pagsira sa mga estado ng superposisyon nang mas mabilis hangga't maaari nating likhain ito.

Ang resulta ay ang mga qubits ay hindi maaasahan at madaling kapitan ng pagkakamali. At ang mga pagkakamaling iyon ay kailangang matuklasan at itama.

Hindi ito mahalaga. Tulad ng inilalagay ni Lidar: "Kailangang gumamit ng isang mataas na antas ng kalabisan upang matiyak na ang pagkalkula ng kabuuan ay maaaring maisagawa nang tama. Kaya, kung gayon, ano ang overhead na ito dahil sa pag-encode? Sa gayon, maaari itong maging malubha, maaari itong sa pamamagitan ng mga kadahilanan ng 1,000 o 1,000,000. "

Sa madaling salita, ang bawat piraso ng impormasyon ay naka-encode sa isang maliit na hukbo ng qubits sa halip na isang solong qubit.

Paano Bumuo ng isang Computer ng Quantum

Mayroong maraming mga pangunahing diskarte sa pagbuo ng isang computer na kabuuan. Ang pinaka-karaniwang diskarte ay katulad ng nagtatayo kami ng mga computer ngayon, na tinatawag na circuit model ng quantum computing.

Ang bawat programa ay nasira sa isang serye ng mga tiyak na pagpapatakbo ng lohika, na karamihan sa mga ito ay nagbabago ng posibilidad ng mga amplitude ng isang qubit, depende sa posibilidad ng mga amplitude ng isang pangalawang qubit. Ang isang computer na nakabase sa circuit na nakabase sa circuit ay tumatagal sa isang panimulang hanay ng mga qubits at isinasagawa ang bawat operasyon sa programa nang sunud-sunod. Matapos patakbuhin ang programa, ang mga estado ng qubit ay binasa upang makakuha ng isang sagot.

Ang IBM ay nagtatayo ng mga computer na dami ng ganitong uri, at maaari mo ring i-play sa kanila. Ngunit hindi ito tiyak na ang IBM o anumang iba pang modelo ng circuit ay magiging pamantayan. Ang pagsukat ng numero ng qubit at panghabang buhay hanggang sa isang kapaki-pakinabang na laki ay hindi madaling gawain.

Ang iba pang mga kumpanya, tulad ng D-Wave at Google, ay nagkakaroon din ng interes. Ngunit ang kanilang diskarte ay naiiba mula sa IBM at karamihan sa mga lab na pananaliksik. Ang pinaka-karaniwang diskarte sa pagbuo ng isang computer na kabuuan ay ang malagkit malapit sa mga ideya mula sa mga normal na computer: mga lohika na mga pinturang nagsasagawa ng sunud-sunod na operasyon. Ngunit posible ring gumawa ng mga computer na gumagana nang walang direktang pagpapatakbo ng lohika.

Ang dami ng optimization ng D-Wave (D-Wave Inc.)

Ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang mga diskarte ay lubos na malalim. Sa isang computer na gumagamit ng sunud-sunod na lohika, ang pisikal na layout ng computer ay makatwirang simple, ngunit ang pagkakasunud-sunod ng mga operasyon (o programa) ay maaaring maging mahaba at kumplikado. Sa pamamagitan ng pag-abandona ng sunud-sunod na lohika, ang programa ay nagiging napaka-simple - sa katunayan, halos walang programming - ngunit ang pisikal na layout ay nagiging mahirap, dahil ang bawat qubit ay dapat na konektado sa lahat ng iba pang mga qubits.

Ang startup ng Canada na D-Wave ay nag-aalok ng isang limitadong anyo ng computing ng kabuuan para sa ilang oras, ngunit sa ngayon, ang mga processor nito ay napakaliit upang makagawa ng mga praktikal na problema. Ang layout ng processor ng D-Wave ay hindi kumonekta sa lahat ng mga qubits sa bawat isa. Bilang isang resulta, maaari lamang itong magamit upang malutas ang ilang mga uri ng mga problema ngunit hindi sa iba.

Upang kumplikado ang mga usapin, hindi posible na malaman mula sa pagganap ng kompyuter na ito ay isang computer na dami. Maaari itong maging isang napaka-mahusay na tradisyonal na computer. Ang Google at Lidar (na hindi gumana para sa Google) ay gumagamit ng isang katulad na pamamaraan sa D-Wave's; gayunpaman, ang pagkakaiba ay ang layunin nila upang makontrol kung paano naiimpluwensyahan ng mga qubits ang bawat isa. Mula doon, inaasahan nilang patunayan na ang diskarte na ito ay humahantong sa isang computer na dami.

Isang Suliranin Naghahanap ng Solusyon sa Dami

Karamihan sa mga tao, kung nakakaalam sila ng mga computer na quantum, iugnay ang mga ito sa paglabag sa pag-encrypt. Ang modernong-araw na kriptograpiya ay nakasalalay sa katotohanan na napakahirap makahanap ng mga pangunahing kadahilanan ng napakaraming bilang.

Ang isang praktikal na computer na kabuuan, malamang, ay magwawakas. Ngunit may mga hindi gaanong maling application.

Ang pinaka-kapana-panabik na isa sa ilalim ng pag-unlad ay ang paggamit ng mga computer na quantum upang malutas ang mga problema sa mekanika ng kabuuan. Iyon ang application na malamang na magbabago sa mundo.

Inilarawan ng mga mekanika ng dami ang mga katangian ng mga materyales, mula sa koton sa iyong damit hanggang sa fotosintesis sa mga halaman. Kahit na sa pinakamalakas na tradisyonal na computer, medyo imposible upang makalkula ang mga katangian ng anumang molekula na naglalaman ng higit sa tungkol sa 30 atoms. Sa halip, kumuha kami ng mga shortcut, na hindi palaging gumagana nang maayos.

Ang isang computer na dami ay maaaring maging mas eksaktong, kaya maaari kaming magkaroon ng mas maraming tiwala sa pagkalkula na. Maaaring isipin ng mga siyentipiko ang higit pang mga pag-aari ng walang katuturan, tulad ng mga materyales na cool kapag nakalantad sa sikat ng araw, at pagkatapos ay gumamit ng isang computer na kabuuan upang matukoy ang kinakailangang istraktura. At ang mga nakapangingilabot na mga katangian na talagang imposible ay maaaring matanggal nang mas mabilis.

Gaano Ka Kapit Kami?

Dumating ang teorya ng kompyuter sa teorya sa mga unang demonstrasyon noong 1990s. Gayunpaman, ligtas ang iyong mga lihim, at hindi ka makakahanap ng isang computer na kabuuan na gumagawa ng mga hindi magandang bagay sa iyong bank account. Ang mga mananaliksik tulad ng Lidar ay hindi inaasahan ang isang praktikal na computer ng kabuuan sa loob ng ilang oras.

Sinabi ni Lidar na may 100 qubits sa isang mundo kung saan hindi na kailangan para sa pagwawasto ng error sa dami, "Magsisimula kaming simulahin ang mga sistema ng quantum gamit ang mga computer na quantum sa isang scale na higit sa kung ano ang posible sa mga pinaka-makapangyarihang klasikal na computer."

Ngunit ang isang mananaliksik ay may isang layunin na tinawag, nakakagulat, supremacy ng dami. Sa kabila ng napakagandang pangalan nito, ang supremacy ng kabuuan ay nagpapakita lamang na ang anumang problema na lampas sa mga kakayahan ng isang tradisyunal na computer, kahit na ang isang walang praktikal na halaga, ay maaaring malutas sa isang computer na kabuuan.

Ang pagpapakita na ang mga computer na kabuuan ay maaaring magsagawa ng hinulaang isang mahalagang hakbang, at ang isa na walang sinumang tiyak na mangyayari. Ngunit maaari lamang tayong magtiwala na ang mga hinaharap na computer na kabuuan ay maaaring maihatid sa kanilang mga pangako.

Inaasahan ni Lidar na makakita ng isang computer na dapat may kakayahang makamit ang kabuuan ng kataas-taasang sa susunod na 12 buwan. Ang Google, lalo na, ay tila naglalayong makamit ang supremacy ng dami nang mabilis hangga't maaari, habang ang IBM ay kumukuha ng mas maingat na pamamaraan.

Pagkatapos nito, isang madilim ngunit nakaganyak na hinaharap ang naghihintay sa amin.