Serie av genombrott inom kvantberäkning
En vanlig dator, som nu kallas en klassisk eller traditionell dator, fungerar på grundkonceptet 0:or och 1:or (nollor och ettor). När vi frågar dator för att göra en uppgift åt oss, till exempel en matematisk beräkning eller bokning av ett möte eller något som har att göra med det dagliga livet, omvandlas (eller översätts) denna uppgift vid det givna ögonblicket till en sträng med 0:or och 1:or (som då kallas input), bearbetas denna inmatning av en algoritm (definierad som en uppsättning regler som ska följas för att slutföra en uppgift på en dator). Efter denna bearbetning returneras en ny sträng med 0:or och 1:or (kallas output), och denna kodar för det förväntade resultatet och översätts tillbaka till enklare användarvänlig information som ett "svar" på vad användaren ville att datorn skulle göra . Det är fascinerande att oavsett hur smart eller smart algoritmen kan verka och vilken svårighetsgrad än uppgiften än kan vara, så gör en datoralgoritm bara den här ena saken – att manipulera en sträng av bitar – där varje bit är antingen 0 eller 1. manipulation sker på datorn (i mjukvaruänden) och på maskinnivå representeras detta av elektriska kretsar (på datorns moderkort). I hårdvaruterminologi när ström passerar genom dessa elektriska kretsar är den stängd och öppen när det inte finns någon ström.
Klassisk vs Quantum-dator
Därför, i klassiska datorer, är en bit en enda information som kan existera i två möjliga tillstånd – 0 eller 1. Men om vi talar om quantum datorer använder de vanligtvis kvantbitar (även kallade "qubits"). Dessa är kvantsystem med två tillstånd, men till skillnad från den vanliga biten (lagrad som 0 eller 1), kan kvantbitar lagra mycket mer information och kan existera i alla antaganden om dessa värden. För att förklara på ett bättre sätt kan en qubit ses som en imaginär sfär, där qubit kan vara vilken punkt som helst på sfären. Man kan säga att kvantberäkning drar fördel av subatomära partiklars förmåga att existera i mer än ett tillstånd vid varje given tidpunkt och fortfarande vara ömsesidigt uteslutande. Å andra sidan kan en klassisk bit bara vara i två tillstånd - till exempel i slutet av två poler av sfären. I det vanliga livet kan vi inte se denna "superposition" eftersom när ett system väl ses i sin helhet försvinner dessa superpositioner och detta är anledningen till att förståelsen av sådana superpositioner är oklar.
Vad detta betyder för datorerna är att kvantdatorer som använder qubits kan lagra en enorm mängd information med mindre energi än en klassisk dator och därmed kan operationer eller beräkningar relativt göras mycket snabbare på en kvantdator. Så, en klassisk dator kan ta en 0 eller 1, två bitar i den här datorn kan vara i fyra möjliga tillstånd (00, 01, 10 eller 11), men endast ett tillstånd representeras vid varje given tidpunkt. En kvantdator, å andra sidan, arbetar med partiklar som kan vara i superposition, vilket gör att två kvantbitar kan representera exakt samma fyra tillstånd samtidigt på grund av egenskapen att superposition frigör datorerna från "binär begränsning". Detta kan motsvara fyra datorer som körs samtidigt och om vi lägger till dessa qubits så växer kraften i kvantdatorn exponentiellt. Kvantdatorer drar också nytta av en annan egenskap hos kvantfysiken som kallas "kvantentanglement", definierad av Albert Einstein, entanglement är en egenskap som gör att kvantpartiklar kan ansluta och kommunicera oavsett var de befinner sig i universum så att förändring av tillståndet för den ena kan omedelbart påverka den andra. De dubbla förmågorna "superposition" och "entanglement" är i princip ganska kraftfulla. Därför är det ofattbart vad en kvantdator kan åstadkomma jämfört med klassiska datorer. Allt detta låter väldigt spännande och okomplicerat, men det finns problem i det här scenariot. Om en kvantdator tar qubits (överlagda bitar) som sin ingång, kommer dess utdata också att vara i ett kvanttillstånd, dvs en utdata som har överlagrade bitar som också kan fortsätta att förändras beroende på vilket tillstånd den är i. Denna typ av utdata Det tillåter oss verkligen att ta emot all information och därför är den största utmaningen inom kvantberäkningskonsten att hitta sätt att få så mycket information från denna kvantutdata.
Kvantdator kommer att vara här!
Kvantdatorer kan definieras som kraftfulla maskiner, baserade på kvantmekanikens principer som tar ett helt nytt tillvägagångssätt för att bearbeta information. De försöker utforska komplexa naturlagar som alltid har funnits men som vanligtvis har förblivit dolda. Om sådana naturfenomen kan utforskas kan kvantberäkningar köra nya typer av algoritmer för att bearbeta information och detta kan leda till innovativa genombrott inom materialvetenskap, läkemedelsupptäckt, robotik och artificiell intelligens. Idén om en kvantdator föreslogs av den amerikanske teoretiske fysikern Richard Feynman redan 1982. Och idag arbetar teknikföretag (som IBM, Microsoft, Google, Intel) och akademiska institutioner (som MIT och Princeton University) med kvantum. datorprototyper för att skapa en vanlig kvantdator. International Business Machines Corp. (IBM) har nyligen sagt att dess forskare har byggt en kraftfull kvantberäkningsplattform och den kan göras tillgänglig för åtkomst men påpekar att den inte räcker för att utföra de flesta uppgifterna. De säger att en 50-qubit-prototyp som för närvarande utvecklas kan lösa många problem som klassiska datorer gör idag och i framtiden skulle 50-100 qubit-datorer till stor del fylla tomrummet, dvs en kvantdator med bara några hundra qubits skulle kunna utföra fler beräkningar samtidigt än det finns atomer i det kända universum. Realistiskt sett är vägen dit en kvantdator faktiskt kan överträffa en klassisk dator på svåra uppgifter laddad med svårigheter och utmaningar. Nyligen har Intel deklarerat att företagets nya 49-bitars kvantdator representerade ett steg mot denna "kvantöverhöghet", i ett stort framsteg för företaget som hade demonstrerat ett 17-bitars kvantsystem för bara två månader sedan. Deras prioritet är att fortsätta expandera projektet, baserat på förståelsen att ett utökat antal qubits är nyckeln till att skapa kvantdatorer som kan leverera verkliga resultat.
Material är nyckeln för att bygga kvantdatorer
Materialet kisel har varit en integrerad del av datoranvändning i decennier eftersom dess nyckeluppsättning möjligheter gör det väl lämpat för allmän (eller klassisk) datoranvändning. Men när det gäller kvantberäkningar har kiselbaserade lösningar inte antagits främst av två skäl, dels är det svårt att kontrollera qubits tillverkade på kisel, och dels är det fortfarande oklart om kisel qubits kan skalas lika bra som andra lösningar. I ett stort framsteg har Intel helt nyligen utvecklats1 en ny typ av qubit känd som en 'spin qubit' som produceras på konventionellt kisel. Spin qubits påminner mycket om halvledarelektronik och de levererar sin kvantkraft genom att utnyttja spinnet av en enstaka elektron på en kiselenhet och kontrollera rörelsen med små mikrovågspulser. Två stora fördelar som ledde till att Intel rörde sig i denna riktning är, för det första är Intel som företag redan hårt investerat i kiselindustrin och har därmed rätt kompetens inom kisel. För det andra är kisel-qubits mer fördelaktiga eftersom de är mindre än konventionella qubits, och de förväntas hålla koherens under en längre tid. Detta är av yttersta vikt när kvantberäkningssystem behöver skalas upp (t.ex. från 100 qubit till 200 qubit). Intel testar den här prototypen och företaget räknar med att producera chips med tusentals små qubit-arrayer och en sådan produktion när den görs i bulk kan vara mycket bra för att skala upp kvantdatorerna och kan vara en riktig gamechanger.
I en nyligen publicerad forskning publicerad i Vetenskap, har ett nydesignat mönster för fotoniska kristaller (dvs. en kristalldesign implementerad på ett fotoniskt chip) utvecklats av ett team vid University of Maryland, USA, som de hävdar kommer att göra kvantdatorer mer tillgängliga2. Dessa fotoner är den minsta mängd ljus som är känd och dessa kristaller var förankrade med hål som får ljuset att interagera. Olika hålmönster förändrar hur ljuset böjer sig och studsar genom kristallen och här gjordes tusentals triangulära hål. En sådan användning av enstaka fotoner är viktig för processen att skapa kvantdatorer eftersom datorerna då kommer att ha förmågan att beräkna stora antal och kemiska reaktioner som nuvarande datorer inte kan göra. Chipets design gör det möjligt för överföring av fotoner mellan kvantdatorer att ske utan några förluster. Denna förlust har också setts som en stor utmaning för kvantdatorer och därför tar detta chip hand om problemet och möjliggör en effektiv väg av quantum information från ett system till ett annat.
Framtida
Kvantdatorer lovar att köra beräkningar mycket utöver alla konventionella superdatorer. De har potential att revolutionera upptäckten av nya material genom att göra det möjligt att simulera materiens beteende ner till atomnivå. Det bygger också upp hopp om artificiell intelligens och robotik genom att bearbeta data snabbare och mer effektivt. Att leverera ett kommersiellt gångbart kvantberäkningssystem skulle kunna göras av alla större organisationer under de kommande åren eftersom denna forskning fortfarande är öppen och ett rättvist spel för alla. Stora tillkännagivanden förväntas under de kommande fem till sju åren, och idealiskt sett med den serie av framsteg som görs bör tekniska problem åtgärdas och en kvantdator på 1 miljon eller fler qubits borde bli verklighet.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicon vinner mark i kvantberäkningsrace. Natur. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Ett topologiskt kvantoptikgränssnitt. Vetenskap. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
