Mi az a kvantum-számítástechnika?
A kvantumszámítógépek új fogalmakat vezetnek be a hagyományos programozási módszerekhez a kvantumfizika speciális szabályaival számítások elvégzésére.
Nézzük meg, hogyan különbözik a kvantum-számítástechnika a klasszikus számítástechnikától és a kvantumszámítógépek felépítésétől.
A kvantum-számítástechnika születése
A kvantumszámítógép ötlete a kvantumrendszerek klasszikus számítógépen való szimulálásának nehézségeiből született. Richard Feynman és Yuri Manin az 1980-ban egymástól függetlenül azt javasolta, hogy a kvantumjelenségeken alapuló hardver hatékonyabb lehet a kvantumrendszerek szimulációjához, mint a hagyományos számítógépek.
A kvantummechanikai szimuláció nehézségeinek megértéséhez számos megközelítés áll rendelkezésre. A legegyszerűbb látni, hogy az anyag kvantumszinten számos lehetséges konfigurációban (más néven állapotban) található.
A kvantum-számítástechnika exponenciálisan növekszik
Vegyünk egy elektronrendszert, ahol 40 $ lehetséges helyek vannak. A rendszer ezért bármelyik $2^{40}$ konfigurációban lehet (mivel minden hely rendelkezhet elektronral vagy nem). Az elektronok kvantumállapotának hagyományos számítógépes memóriában való tárolásához több mint 130 $ GB memória szükséges! Ha megengedjük, hogy a részecskék $41$ pozícióban legyenek, kétszer annyi konfiguráció lenne a $2^{41}$ értéknél, ami viszont több mint $260$ GB memóriát igényelne a kvantumállapot tárolásához.
Ez a játék a helyek számának növelésével nem játszható le határozatlan ideig. Ha hagyományosan szeretnénk tárolni az államot, gyorsan túllépnénk a világ legerősebb gépeinek memóriakapacitását. Néhány száz elektronnál a rendszer tárolásához szükséges memória meghaladja a részecskék számát az univerzumban; így nincs remény a hagyományos számítógépek, hogy valaha szimulálják a kvantumdinamika.
A nehézség lehetőséggé alakításával
Ennek az exponenciális növekedésnek a megfigyelése egy erőteljes kérdés feltevéséhez vezetett: lehet-e ezt a nehézséget lehetőséggé alakítani? Pontosabban, ha a kvantumdinamikát nehéz szimulálni, mi történne, ha olyan hardvert hoznának létre, amelynek alapvető műveletei kvantumhatásokon alapulnának? Szimulálhatnánk a részecskéket használó kvantumrendszereket egy olyan géppel, amely pontosan ugyanazokat a fizikai törvényeket használja ki? És használhatjuk ezt a gépet más olyan feladatok vizsgálatára, amelyek hiányoznak a kvantumrészecskékből, de kulcsfontosságúak számunkra? Ezek a kérdések a Quantum Computing geneziséhez vezettek.
1985-ben David Deutsch kimutatta, hogy egy kvantumszámítógép képes hatékonyan szimulálni bármely fizikai rendszer viselkedését. Ez a felfedezés volt az első jele annak, hogy a kvantumszámítógépek a klasszikus számítógépeken nem követhető problémák megoldására használhatók.
1994-ben Peter Shor felfedezett egy kvantum-algoritmust az egész számok faktorálására, amely exponenciálisan gyorsabban fut, mint a legismertebb klasszikus algoritmus. A megoldási faktorálás lehetővé teszi az e-kereskedelem biztonságának alapjául szolgáló nyilvános kulcsú kriptorendszerek nagy részének feltörését, beleértve az RSA-t és az elliptikus görbe titkosítását. Ez a felfedezés nagy érdeklődést váltott ki a kvantum-számítástechnika iránt, és sok más probléma esetén kvantum-algoritmusok fejlesztéséhez vezetett.
Azóta számos nehéz klasszikus feladatunkhoz fejlesztettünk ki gyors és hatékony kvantumszámítógép-algoritmusokat: fizikai rendszerek szimulálása a kémia, a fizika és az anyagtudomány területén, rendezetlen adatbázis keresése, lineáris egyenletrendszerek megoldása és gépi tanulás.
Mi az a qubit?
Ahogyan a klasszikus számítástechnikában a bitek az információ alapvető objektumai, a qubitek (kvantumbitek) a kvantum-számítástechnika alapvető információobjektumai.
A qubit az információk alapegysége a kvantum-számítástechnikában. A qubitek hasonló szerepet játszanak a kvantum-számítástechnikában, mint a bitek a klasszikus számítástechnikában, de másképp viselkednek. A klasszikus bitek binárisak, és csak $0$ vagy $1$ pozíciót tartalmazhatnak, de a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozícióját képesek tárolni. Ez a viselkedés azt jelenti, hogy a qubit állapota $0$, $1$, vagy a kettő bármely kvantum szuperpozíciója lehet. A végtelen lehetséges szuperpozíciók $0$ és $1$ értékűek, és mindegyik érvényes qubitállapot.
A kvantum-számítástechnikában az információ a $0$ és az $1$ állapot szuperpozíciójában van kódolva. Például 8$ bittel 256$ különböző értékeket kódolhatunk, de a kódoláshoz ki kell választanunk egyet. A $8$ qubitekkel a $256$ értékeket egyszerre kódolhatjuk, mivel a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozíciójában lehetnek.
Kvantumszámítógép létrehozása
A kvantumszámítógép olyan számítógép, amely kihasználja a kvantummechanikai jelenségeket. A kvantumszámítógépek az anyag kvantumállapotait használják az információk tárolására és kiszámítására. A kvantum-interferencia a klasszikus számítógépeknél gyorsabb vagy jobb műveletekhez "programozza" a dolgokat.
Kvantumszámítógép létrehozásakor át kell gondolnunk, hogyan hozhatjuk létre a qubiteket, és hogyan tárolhatjuk őket. Azt is át kell gondolnunk, hogyan manipulálhatjuk őket, és hogyan olvashatjuk el a számításaink eredményeit.
A leggyakrabban használt qubit-technológiák a csapdába esett ion qubitek, a szupravezető qubitek és a topológiai qubitek. A qubitek tárolásának egyes módszereinél a qubiteket tartalmazó egységet abszolút nullához közeli hőmérsékleten tartják a koherencia maximalizálása és az interferencia csökkentése érdekében. Más típusú qubittárolók egy vákuumkamra segítségével minimalizálják a rezgéseket és stabilizálják a qubiteket. A jelek különböző módszerekkel küldhetők a qubiteknek, beleértve a mikrohullámú sütőket, a lézert és a feszültséget.
A kvantumszámítógép öt kritériuma
Egy jó kvantumszámítógépnek az alábbi öt funkcióval kell rendelkeznie:
- Méretezhető: Sok qubitet tartalmazhat.
- Inicializálható: Beállíthatja a qubiteket egy adott állapotra (általában $0$ állapotra).
- Rugalmas: Hosszú ideig szuperpozíciós állapotban tarthatja a qubiteket.
- Univerzális: A kvantumszámítógépnek nem kell minden lehetséges műveletet végrehajtania, csak egy univerzális készletnek nevezett műveletkészletet. Az univerzális kvantumműveletek halmaza olyan, hogy bármely más művelet felbontható egy sorozatba.
- Megbízható: Pontosan képes mérni a qubiteket.
Ezt az öt kritériumot gyakran Di Vincenzo-kritériumként ismerjük a kvantumszámításhoz.
Az öt kritériumnak megfelelő eszközök építésének mérnöki kihívása az emberiség egyik legigényesebb feladata. A Microsoft partneri kapcsolatban áll a világ legjobb kvantumszámítógép-gyártóival, hogy hozzáférést biztosítson a legújabb kvantum-számítástechnikai megoldásokhoz az Azure Quantumon keresztül.