211service.com
Vysvětlující: Co je to kvantový počítač?
Obrázek se svolením Rigetti Computing. Foto Justin Fantl.
Toto je první ze série vysvětlení kvantové technologie. Další dva jsou o kvantové komunikaci a postkvantové kryptografii.
Kvantový počítač využívá některé z téměř mystických jevů kvantové mechaniky, aby přinesl obrovské skoky vpřed ve výpočetním výkonu. Kvantové stroje slibují, že předčí i ty nejschopnější dnešní – a zítřejší – superpočítače.
Nezničí však konvenční počítače. Použití klasického stroje bude stále nejjednodušším a nejekonomičtějším řešením pro řešení většiny problémů. Kvantové počítače však slibují, že poženou vzrušující pokroky v různých oblastech, od vědy o materiálech až po farmaceutický výzkum. Společnosti s nimi již experimentují, aby vyvíjely věci, jako jsou lehčí a výkonnější baterie pro elektromobily, a pomáhají vytvářet nové léky.
Tajemství výkonu kvantového počítače spočívá v jeho schopnosti generovat a manipulovat s kvantovými bity neboli qubity.
Co je to qubit?
Dnešní počítače používají bity – proud představující elektrické nebo optické impulsy jeden s nebo 0 s. Vše od vašich tweetů a e-mailů po vaše skladby z iTunes a videa na YouTube jsou v podstatě dlouhé řetězce těchto binárních číslic.
Kvantové počítače na druhé straně používají qubity, což jsou typicky subatomární částice, jako jsou elektrony nebo fotony. Generování a správa qubitů je vědecká a technická výzva. Některé společnosti, jako IBM, Google a Rigetti Computing, používají supravodivé obvody chlazené na teploty nižší než hluboký vesmír. Jiné, jako je IonQ, zachycují jednotlivé atomy v elektromagnetických polích na křemíkovém čipu v komorách s ultravysokým vakuem. V obou případech je cílem izolovat qubity v řízeném kvantovém stavu.
Qubity mají některé nepředvídatelné kvantové vlastnosti, které znamenají, že jejich propojená skupina může poskytnout mnohem větší výpočetní výkon než stejný počet binárních bitů. Jedna z těchto vlastností je známá jako superpozice a další se nazývá zapletení.
Co je superpozice?
Qubity mohou představovat četné možné kombinace jeden a 0 ve stejnou dobu. Tato schopnost být současně ve více stavech se nazývá superpozice. Aby vědci umístili qubity do superpozice, manipulují s nimi pomocí přesných laserů nebo mikrovlnných paprsků.
Díky tomuto kontraintuitivnímu jevu může kvantový počítač s několika qubity v superpozici současně prolomit obrovské množství potenciálních výsledků. Konečný výsledek výpočtu se objeví až po změření qubitů, což okamžitě způsobí, že se jejich kvantový stav zhroutí na buď jeden nebo 0 .
Co je to zapletení?
Výzkumníci mohou generovat páry qubitů, které jsou propletené, což znamená, že dva členové páru existují v jediném kvantovém stavu. Změna stavu jednoho z qubitů okamžitě změní stav druhého předvídatelným způsobem. To se děje, i když jsou od sebe vzdáleny velmi dlouhé vzdálenosti.
Nikdo přesně neví, jak a proč zapletení funguje. Dokonce to zmátlo Einsteina, který to skvěle popsal jako strašidelnou akci na dálku. Ale je to klíč k síle kvantových počítačů. V běžném počítači zdvojnásobení počtu bitů zdvojnásobí jeho výpočetní výkon. Díky zapletení však přidávání dalších qubitů do kvantového stroje vede k exponenciálnímu zvýšení jeho schopnosti drtit čísla.
Kvantové počítače využívají zapletené qubity v jakémsi kvantovém řetězci sedmikrásek, aby pracovaly se svou magií. Schopnost strojů urychlit výpočty pomocí speciálně navržených kvantových algoritmů je důvodem, proč je o jejich potenciálu tolik hluku.
To je dobrá zpráva. Špatnou zprávou je, že kvantové stroje jsou kvůli dekoherenci mnohem náchylnější k chybám než klasické počítače.
Co je dekoherence?
Interakce qubitů s jejich prostředím způsoby, které způsobí, že se jejich kvantové chování rozpadne a nakonec zmizí, se nazývá dekoherence. Jejich kvantový stav je extrémně křehký. Sebemenší vibrace nebo změna teploty – rušení známé jako hluk v kvantové řeči – mohou způsobit, že se vymknou ze superpozice, než byla jejich práce řádně vykonána. To je důvod, proč vědci dělají vše, co je v jejich silách, aby chránili qubity před vnějším světem v těchto podchlazených ledničkách a vakuových komorách.
Ale i přes jejich úsilí šum stále způsobuje spoustu chyb, které se vkrádají do výpočtů. Inteligentní kvantové algoritmy mohou některé z nich kompenzovat a přidání dalších qubitů také pomáhá. K vytvoření jediného, vysoce spolehlivého, známého jako logický qubit, však bude pravděpodobně zapotřebí tisíce standardních qubitů. To ubere velkou část výpočetní kapacity kvantového počítače.
A je tu háček: výzkumníci dosud nebyli schopni vygenerovat více než 128 standardních qubitů (viz naše počítadlo qubitů tady ). Stále nás tedy dělí mnoho let od získání kvantových počítačů, které budou široce užitečné.
To nezlomilo naděje pionýrů na to, že budou první, kdo prokáže kvantovou nadřazenost.
Co je to kvantová nadřazenost?
Je to bod, ve kterém může kvantový počítač dokončit matematický výpočet, který je prokazatelně mimo dosah i toho nejvýkonnějšího superpočítače.
Stále není jasné, kolik qubitů bude potřeba k dosažení tohoto cíle, protože výzkumníci stále nacházejí nové algoritmy pro zvýšení výkonu klasických strojů a superpočítačový hardware se neustále zlepšuje. Ale výzkumníci a společnosti usilovně pracují na získání titulu a provádějí testy proti některým z nejvýkonnějších superpočítačů světa.
Ve světě výzkumu se vede spousta debat o tom, jak významné bude dosažení tohoto milníku. Spíše než čekat, až bude vyhlášena nadřazenost, společnosti již začínají experimentovat s kvantovými počítači vyrobenými společnostmi jako IBM, Rigetti a D-Wave, kanadská firma. Čínské firmy jako Alibaba také nabízejí přístup ke kvantovým strojům. Některé podniky kupují kvantové počítače, zatímco jiné využívají počítače dostupné prostřednictvím služeb cloud computingu.
Kde bude kvantový počítač pravděpodobně nejužitečnější jako první?
Jednou z nejslibnějších aplikací kvantových počítačů je simulace chování hmoty až na molekulární úroveň. Výrobci automobilů jako Volkswagen a Daimler používají kvantové počítače k simulaci chemického složení baterií elektrických vozidel, aby pomohli najít nové způsoby, jak zlepšit jejich výkon. A farmaceutické společnosti je využívají k analýze a porovnání sloučenin, které by mohly vést k vytvoření nových léků.
Stroje jsou také skvělé pro problémy s optimalizací, protože dokážou extrémně rychle prorazit obrovské množství potenciálních řešení. Airbus je například používá k výpočtu nejhospodárnějších drah stoupání a klesání pro letadla. A Volkswagen odhalil službu, která vypočítává optimální trasy pro autobusy a taxíky ve městech, aby se minimalizovaly zácpy. Někteří výzkumníci si také myslí, že stroje by mohly být použity k urychlení umělé inteligence.
Kvantovým počítačům může trvat několik let, než dosáhnou svého plného potenciálu. Univerzity a podniky, které na nich pracují, se potýkají s nedostatkem kvalifikovaných výzkumníků v oboru – a nedostatkem dodavatelů některých klíčových komponent. Pokud však tyto exotické nové výpočetní stroje dostojí svému slibu, mohly by transformovat celá průmyslová odvětví a převálcovat globální inovace.