A kvantum-számítástechnika ismertetése

  • Cikk

A kvantum-számítástechnika magában foglalja bolygónk legnagyobb kihívásainak megoldását – a környezet, a mezőgazdaság, az egészségügy, az energia, az éghajlat, az anyagtudomány és egyebek területén. Néhány ilyen probléma esetén a klasszikus számítástechnika egyre nagyobb kihívást jelent a rendszer méretének növekedésével. A méretezésre tervezett kvantumrendszerek valószínűleg olyan képességekkel rendelkeznek, amelyek meghaladják a mai legerősebb szuperszámítógépek képességeit. Mivel a kvantumkutatók, tudósok, mérnökök és üzleti vezetők globális közössége együttműködik a kvantum-ökoszisztéma fejlesztésében, elvárjuk, hogy a kvantumhatás minden iparágban felgyorsuljon.

Tipp

Ha fel szeretné gyorsítani a kvantum-számítástechnika folyamatát, tekintse meg a Code with Azure Quantum (Kód az Azure Quantum használatával) című témakört, amely az Azure Quantum webhelyének egyedülálló funkciója. Itt futtathat beépített mintákat vagy saját Q# programokat, új Q# kódot hozhat létre az üzeneteiből, megnyithatja és futtathatja a kódot a WEBES VS Code-banQ# egyetlen kattintással, és kérdéseket tehet fel a Copilotnak a kvantum-számítástechnikával kapcsolatban.

Miért érdemes kvantumszámítógépeket használni?

A kvantumszámítógép ötlete a kvantumrendszerek klasszikus számítógépen való szimulálásának nehézségéből született. Az 1980-ban Richard Feynman és Yuri Manin egymástól függetlenül azt javasolták, hogy a kvantumjelenségeken alapuló hardver hatékonyabb lehet a kvantumrendszerek szimulációjához, mint a hagyományos számítógépekhez.

A kvantummechanikai szimuláció nehézségeinek megértéséhez számos megközelítés áll rendelkezésre. A legegyszerűbb, ha azt látjuk, hogy az anyag kvantumszinten számos lehetséges konfigurációban (más néven állapotban) található.

A kvantum-számítástechnika exponenciálisan nő

Vegyünk egy elektronrendszert, ahol 40$ lehetséges hely van$. A rendszer ezért a 2^{40}$ konfiguráció bármelyikében $lehet (mivel minden hely rendelkezhet elektronokkal vagy nem). Az elektronok kvantumállapotának hagyományos számítógépes memóriában való tárolásához több mint $130$ GB memóriára lenne szükség! Ha megengednénk, hogy a részecskék a 41$ pozíció bármelyikében $legyenek, kétszer annyi konfiguráció lenne 2^{41}$ értéknél$, ami viszont több mint $260$ GB memóriát igényelne a kvantumállapot tárolásához.

Ez a játék növeli a helyek számát nem lehet játszani határozatlan ideig. Ha hagyományosan szeretnénk tárolni az állapotot, gyorsan túllépnénk a világ legerősebb gépeinek memóriakapacitását. Már néhány száz elektron esetében is meghaladja a rendszer tárolásához szükséges memória a világegyetemben jelen lévő részecskék számát; éppen ezért teljesen reménytelen, hogy a hagyományos számítógépekkel valaha is szimulálhassuk a kvantumdinamikájukat.

A nehézség lehetőséggé alakításának lehetősége

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 olyan kvantumrendszereket, amelyek kölcsönhatásban lévő részecskéket használnak egy olyan géppel, amely pontosan ugyanazokat a fizikai törvényeket használja ki? És használhatjuk ezeket a gépet más olyan feladatok vizsgálatára, amelyek hiányoznak a kvantumrészecskékből, de létfontosságúak számunkra? Ezek a kérdések a kvantum-számítástechnika geneziséhez vezettek.

1985-ben David Deutsch megmutatta, hogy egy kvantumszámítógép képes hatékonyan szimulálni bármely fizikai rendszer viselkedését. Ez a felderítés 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 faktorálás megoldása lehetővé teszi, hogy megtörjük számos nyilvános kulcsú kriptorendszerünket, amelyek ma az e-kereskedelem biztonságát alapulják, beleértve az RSA-t és az elliptikus görbe titkosítását. Ez a felderítés nagy érdeklődést váltott ki a kvantum-számítástechnika iránt, és számos más probléma esetén kvantum-algoritmusok kifejlesztéséhez vezetett.

Azóta gyors és hatékony kvantumszámítógép-algoritmusokat fejlesztettünk ki számos nehéz klasszikus feladatunkhoz: fizikai rendszerek szimulálása a kémiában, a fizikában és az anyagtudományban, rendezetlen adatbázisok keresése, lineáris egyenletrendszerek megoldása és gépi tanulás.

Mi az a qubit?

Ahogyan a bitek a klasszikus számítástechnika alapvető információobjektumai, a qubitek (kvantumbitek) a kvantum-számítástechnika alapvető információobjektumai.

A qubit a kvantum-számítástechnika alapvető információegysége. A qubitek hasonló szerepet játszanak a kvantum-számítástechnikában, mint a bitek a klasszikus számítástechnikában, de nagyon másképp viselkednek. A klasszikus bitek binárisak, és csak 0$ vagy $1$ pozíciót $tartalmazhatnak, de a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozícióját képesek tárolni. Ez azt jelenti, hogy a qubitek 0$, $1$ vagy a kettő bármely kvantum-szuperpozíciójának állapotában $lehetnek. A 0$ és $az 1$ végtelen lehetséges szuperpozíciói $vannak, és mindegyik érvényes qubitállapot.

A kvantum-számítástechnikában az információ a 0$ és $az 1$ állapot $szuperpozíciójában van kódolva. Például 8$ bittel $256$ különböző értéket kódolhatunk$, de a kódoláshoz ki kell választanunk egyet. 8$ qubittel $egyszerre kódolhatjuk a $256$ értéket. Ennek a viselkedésnek az az oka, hogy a qubitek az összes lehetséges állapot szuperpozíciójában lehetnek.

További információ: A qubit a kvantum-számítástechnikában.

Kvantumszámítógép létrehozása

A kvantumszámítógépek olyan számítógépek, amelyek kihasználják a kvantummechanikai jelenségeket. A kvantumszámítógépek az anyag kvantumállapotait használják az információk tárolására és kiszámítására. Idézhetnek &; program" kvantuminterferencia a klasszikus számítógépeknél gyorsabb vagy jobb műveletekhez.

Kvantumszámítógépek létrehozásakor át kell gondolnunk, hogyan hozhatjuk létre a qubiteket, és hogyan tárolhatjuk őket. Arra is gondolnunk kell, hogyan manipulálhatjuk őket, és hogyan olvashatjuk el a számítások 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 egység abszolút nullához közeli hőmérsékleten marad 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 kvantumszámítógépek öt kritériuma

Egy jó kvantumszámítógépnek az alábbi öt funkcióval kell rendelkeznie:

  1. Méretezhető: Sok qubitet tartalmazhat.
  2. Inicializálható: Beállíthatja a qubiteket egy adott állapotra (általában a $0$ állapotra).
  3. Rugalmas: A qubitek hosszú ideig szuperpozíciós állapotban maradhatnak.
  4. Univerzális: A kvantumszámítógépeknek nem kell minden lehetséges műveletet végrehajtaniuk, csak egy univerzális készlet nevű műveletkészletet. Az univerzális kvantumműveletek készlete olyan, hogy bármely más művelet felbontható ezek sorozatára.
  5. Megbízható: Pontosan meg tudja mérni a qubiteket.

Ezt az öt feltételt gyakran Di Vincenzo-kritériumnak nevezik a kvantumszámításhoz.

Az öt kritériumnak megfelelő eszközök létrehozása az emberiség egyik legigényesebb mérnöki kihívása. A Microsoft együttműködik a világ egyik legjobb kvantumszámítógép-gyártójával, hogy hozzáférést biztosítson a legújabb kvantum-számítástechnikai megoldásokhoz az Azure Quantumon keresztül. További információ: Az Azure Quantum-szolgáltatók teljes listája.

Mire használható a kvantum-számítástechnika és az Azure Quantum?

A kvantumszámítógépek nem olyan szuperszámítógépek, amelyek mindent gyorsabban tudnak elvégezni. Valójában a kvantum-számítástechnika kutatásának egyik célja annak vizsgálata, hogy a kvantumszámítógépek milyen problémákat oldhatnak meg gyorsabban, mint a klasszikus számítógépek, és milyen nagy a sebesség.

A kvantumszámítógépek rendkívül jól járnak azokkal a problémákkal, amelyek számos lehetséges kombináció kiszámítását igénylik. Az ilyen típusú problémák számos területen megtalálhatók, például kvantumszimuláció, titkosítás, kvantumgép-tanulás és keresési problémák.

A Microsoft kvantum-számítástechnikai kutatásával kapcsolatos legfrissebb információkért tekintse meg a Microsoft Research Quantum Computing oldalt.

Erőforrás-becslés

A ma elérhető kvantumszámítógépek érdekes kísérletezést és kutatást tesznek lehetővé, de nem tudják felgyorsítani a valós problémák megoldásához szükséges számításokat. Bár az iparág várja a hardveres fejlődést, a kvantumszoftver-újítók szívesen haladnak előre, és felkészülnek a kvantum jövőjére. Ijesztő feladat ma olyan algoritmusokat létrehozni, amelyek végül a holnapi hibatűrő, skálázott kvantumszámítógépeken fognak futni. Ezek az újítók olyan kérdésekkel szembesülnek, mint például hogy milyen hardvererőforrásokra van szükség? Hány fizikai és logikai qubitre van szükség, és milyen típusúra? Mennyi ideig tart a futási idő?

Az Azure Quantum Resource Estimator segítségével megválaszolhatja ezeket a kérdéseket. Ennek eredményeképpen finomíthatja az algoritmusokat, és olyan megoldásokat hozhat létre, amelyek kihasználják a skálázott kvantumszámítógépek előnyeit, amikor azok elérhetővé válnak.

Első lépésként lásd : Az első erőforrás-becslés futtatása.

További információ a gyakorlati kvantumelőnyre való skálázás követelményeiről az Azure Quantum Resource Estimator használatával az arXiv:2211.07629 fájlban.

Kvantumszimuláció

A kvantummechanika az alapul szolgáló &hányados; operációs rendszer&; a mi univerzumunk. Leírja, hogyan viselkednek a természet alapvető építőelemei. A természet viselkedése, például a kémiai reakciók, a biológiai reakciók és az anyagalakzatok gyakran többtestű kvantum-interakciókat foglalnak magukban. A belsőleg kvantummechanikai rendszerek, például molekulák szimulálásához a kvantum-számítástechnika ígéretes, mivel a qubitek (kvantumbitek) a szóban forgó természetes állapotok ábrázolására használhatók. A modellezhető kvantumrendszerek közé tartoznak például a fotoszintézis, a szupravezetőképesség és az összetett molekuláris formációk.

Az Azure Quantum Elements célja a tudományos felderítés felgyorsítása. A kutatási és fejlesztési hatékonyságot az Azure High-Performance Computing-fürtökön való skálázásra optimalizált szimulációs munkafolyamatokkal, mesterséges intelligenciával gyorsított számítástechnikával, mesterséges intelligenciával végzett kibővített érveléssel, a kvantumeszközökkel való integrációval megkezdheti a meglévő kvantumhardverekkel való kísérletezést, és a jövőben hozzáférhet a Microsoft kvantum-szuperszámítógépéhez. További információ: Az Azure for Molecular Dynamics erejének feloldása.

Kvantumgyorsítások

A kvantum-számítástechnika kutatásának egyik célja annak vizsgálata, hogy a kvantumszámítógépek mely problémákat oldhatják meg gyorsabban, mint a klasszikus számítógépek, és milyen nagy a sebesség. Két jól ismert példa a Grover-algoritmus és a Shor-algoritmus, amelyek polinomiális és exponenciális felgyorsulást eredményeznek klasszikus társaiknál.

A kvantumszámítógépen futó Shor-algoritmus megszakíthatja a klasszikus titkosítási sémákat, például a Rivest–Shamir–Adleman (RSA) sémát, amelyet széles körben használnak az e-kereskedelemben a biztonságos adatátvitel érdekében. Ez a séma a prímszámok klasszikus algoritmusokkal történő faktorálásának gyakorlati nehézségein alapul. A kvantum-titkosítás az információbiztonságot az alapszintű fizika és nem az összetettségi feltételezések kihasználásával ígéri.

A Shor-algoritmushoz hasonlóan a rejtett eltolódási probléma olyan problémák természetes forrása, amelyek esetében a kvantumszámítógép exponenciális előnyt élvez a legismertebb klasszikus algoritmusokkal szemben. Ez végül segíthet a dekonvolúciós problémák megoldásában, és lehetővé teheti számunkra, hogy hatékonyan megtaláljuk a mintákat az összetett adathalmazokban. Kiderül, hogy a kvantumszámítógépek elvileg nagy sebességű számítási konvolúciókat képesek kiszámolni, ami pedig a kvantumszámítógép Fourier-beli számítási képességén alapul, és rendkívül gyorsan alakítja át azokat. Az Azure Quantum-munkaterület mintagyűjteményében talál egy Rejtett műszakok Jupyter-jegyzetfüzetmintát (azure-fiók szükséges).

A Grover algoritmusa felgyorsítja a megoldást a strukturálatlan adatkeresésekre, és kevesebb lépésben futtatja a keresést, mint bármely klasszikus algoritmus. Valóban, minden olyan probléma, amely lehetővé teszi annak ellenőrzését, hogy egy adott x$ érték $érvényes megoldás-e (egy &hányados; igen vagy nincs probléma&;) a keresési probléma szempontjából fogalmazható meg. Az alábbiakban néhány példát láthat:

  • Logikai alkalmassági probléma: A logikai értékek $x$ halmaza olyan értelmezés (értékek változókhoz való hozzárendelése), amely megfelel az adott logikai képletnek?
  • Utazó értékesítő problémája: Az $x$ a lehető legrövidebb hurkot írja le, amely összeköti az összes várost?
  • Adatbázis-keresési probléma: Az adatbázistábla x$ rekordot $tartalmaz?
  • Egész szám faktorizációs problémája: Az N$ rögzített szám $osztható az x$ számmal$?

A Grover algoritmusának részletesebb vizsgálatához tekintse meg a Grover algoritmusának implementálása a rendszerben című oktatóanyagot Q#.

Hogyan oldja meg a kvantum-számítástechnika a problémákat?

A kvantumszámítógépek szabályozható kvantummechanikai eszközök, amelyek kvantumfizikai tulajdonságok kihasználásával végeznek számításokat. Bizonyos számítási feladatokat a kvantumszámítás exponenciálisan gyorsít fel. Ez a gyorsítás három kvantummechanikai jelenség, a szuperpozíció, az interferencia és az összefonódás eredménye.

Szuperpozíció

Tegyük fel, hogy Ön a nappalijában edz. Teljesen elfordul balra, majd teljesen jobbra. Most forduljon egyszerre balra és jobbra. Nem tudja megcsinálni (legalábbis anélkül nem, hogy ketté ne osztódna). Nyilvánvaló, hogy egyszerre nem lehet mindkét helyzetben – nem tud ugyanabban a pillanatban balra és jobbra is nézni.

Ha viszont Ön egy kvantumrészecske, akkor a szuperpozíció (más néven koherencia) néven ismert jelenség révén bizonyos valószínűséggel balra néz, ÉS bizonyos valószínűséggel jobbra néz.

A klasszikus részecskéktől eltérően, ha két A és B állapot $egy kvantumrészecske érvényes kvantumállapota, akkor az állapotok bármely lineáris kombinációja is érvényes kvantumállapot: $\text{az A + \beta B$ qubitállapot}=\alpha.$$$ Az A$ és $b$ kvantumállapotok $lineáris kombinációját szuperpozíciónak nevezzük. $\alpha$ Itt és $\beta$ az A$ és $a B$ valószínűségi $amplitúdója, azaz $|\alpha|^{2}{ + |\beta|^{2}= 1$.

A kvantum-számítástechnika erejét lehetővé tevő szuperpozíciós állapotokban csak kvantumrendszerek, például ionok, elektronok vagy szupravezető áramkörök létezhetnek. Egy kvantumrészecskének, például az elektronnak saját "balra vagy jobbra néző" tulajdonsága van, nevezetesen a felfelé vagy lefelé irányuló spin, így az elektron kvantumállapota a quot szuperpozíciója &; spin up" and " spin down".

Általában, és a klasszikus bináris számítástechnika számára való relatábilisabbá tétele érdekében, ha egy kvantumrendszer két kvantumállapotban is lehet, ezeket az állapotokat 0 állapotnak és 1 állapotnak nevezzük.

Qubitek és valószínűség

A hagyományos számítógépek bitekben tárolják és dolgozzák fel az információkat, amelyek állapota 1 vagy 0 lehet, de mindkettő soha. A kvantum-számítástechnika megfelelője a qubit. A qubit bármely kvantumrendszer, amely két kvantumállapot szuperpozíciójában lehet: 0 és 1. Minden lehetséges kvantumállapothoz tartozik egy valószínűségi amplitúdó. Csak egy qubit mérése után az állapota vagy a 0 vagy az 1 állapotra összecsukódik a kapcsolódó valószínűségtől függően, így az egyik lehetséges állapotot egy bizonyos valószínűséggel nyeri el.

A kvantum-interferencia határozza meg annak valószínűséget, hogy a qubit az egyik vagy a másik értékkel esik-e egybe. A kvantum-interferencia hatással van a qubit állapotára, hogy befolyásolja egy adott eredmény valószínűségét a mérés során, és ez a valószínűségi állapot az, ahol a kvantum-számítástechnika teljesítménye kimagasló.

Egy hagyományos számítógépen például két bit esetén az egyes bitek 1 vagy 0 értékkel rendelkezhetnek, együtt tehát négy lehetséges értéket tárolhat velük (00, 01, 10 és 11), de egyszerre csak az egyiket. Két, szuperpozícióban lévő qubit esetén azonban mindkét qubit lehet 1, 0 vagy mindkettő, így egyszerre jelölhetik ugyanazt a négy értéket. Három qubittel nyolc értéket jelölhet, négy qubittel 16-ot és így tovább.

További információ: A qubit a kvantum-számítástechnikában.

Összefonódás

A kvantummechanika egyik legérdekesebb jelensége, hogy két vagy több kvantumrendszer összefonódhat egymással. Az összefonódás kvantum-korreláció a kvantumrendszerek között. Amikor a qubitek összefonódnak, olyan globális rendszert alkotnak, hogy az egyes alrendszerek kvantumállapotát egymástól függetlenül nem lehet leírni. Két rendszer össze van fonva, ha a globális rendszer állapota nem írható az alrendszerek állapotának kombinációjaként, különösen akkor, ha a globális rendszer állapota nem írható az alrendszerek állapotainak tenzoraként . A termékállapotok nem tartalmaznak korrelációkat.

Az összefonódott kvantumrendszerek akkor is fenntartják ezt a korrelációt, ha nagy távolságokra elválasztják őket. Ez azt jelenti, hogy az egyik alrendszerre alkalmazott bármely művelet vagy folyamat a másik alrendszerrel is összefügg. Mivel az összefonódott qubitek között korreláció van, egy qubit állapotának megmérése a többi qubit állapotáról is információt nyújt – ez a tulajdonság nagyon hasznos a kvantum-számítástechnikában.

Megjegyzés

Két qubit méréseinek korrelációjából nem mindig következik, hogy a két qubit össze van fonódva. A kvantum-korrelációk mellett léteznek klasszikus korrelációk is. A klasszikus és a kvantum-korreláció közötti különbség finom, de elengedhetetlen a kvantumszámítógépek által biztosított gyorsításhoz. További információ: A klasszikus korrelációk ismertetése.

Ha többet szeretne megtudni, tekintse meg a kvantum-összefonódás felfedezése a következővel című oktatóanyagot Q#: .

Következő lépések