Vad är kvantberäkning?
Kvantdatorer introducerar nya begrepp för traditionella programmeringsmetoder med hjälp av kvantfysikens särskilda regler för beräkningar.
Nu ska vi se hur kvantberäkning skiljer sig från klassisk databehandling och hur du skapar en kvantdator.
Födelsen av kvantberäkning
Idén om en kvantdator föddes ur svårigheten att simulera kvantsystem på en klassisk dator. På 1980-talet föreslog Richard Feynman och Yuri Manin oberoende att maskinvara baserad på kvantfenomen kan vara mer effektiv för simulering av kvantsystem än konventionella datorer.
Man kan förklara varför kvantmekanik är så svårt att simulera på flera olika sätt. Det enklaste är att se att frågan, på kvantnivå, finns i en mängd olika möjliga konfigurationer (kallas tillstånd).
Kvantberäkning växer exponentiellt
Överväg ett system av elektroner där det finns $40$ möjliga platser. Systemet kan därför finnas i någon av $2^{40}$ konfigurationer (eftersom varje plats antingen kan ha eller inte har en elektron). För att lagra kvanttillståndet för elektronerna i ett konventionellt datorminne, skulle kräva mer än $130$ GB minne! Om vi tillät partiklarna att finnas i någon av $41$ positionerna skulle det finnas dubbelt så många konfigurationer på $2^{41}$, vilket i sin tur skulle kräva mer än $260$ GB minne för att lagra kvanttillståndet.
Det här spelet för att öka antalet platser kan inte spelas på obestämd tid. Om vi vill lagra tillståndet konventionellt skulle vi snabbt överskrida minneskapaciteterna för världens mest kraftfulla datorer. Vid några hundra elektroner överskrider det minne som krävs för att lagra systemet antalet partiklar i universum; Därför finns det inget hopp med våra konventionella datorer att någonsin simulera sin kvantdynamik.
Förvandla svårigheter till möjligheter
Observationen av denna exponentiella tillväxt fick oss att ställa en kraftfull fråga: kan vi omvandla denna svårighet till en möjlighet? Mer specifikt, om kvantdynamik är så svårt att simulera, vad skulle hända om vi kunde bygga maskinvara som hade kvanteffekter som grundläggande användning? Kan vi simulera kvantsystem för att interagera partiklar med hjälp av en maskin som utnyttjar exakt samma fysiklagar? Och kan vi använda den datorn för att undersöka andra uppgifter som saknas i kvantpartiklar, men som är avgörande för oss? Dessa frågor ledde till uppkomsten av kvantberäkning.
År 1985 visade David Deutsch att en kvantdator effektivt kunde simulera beteendet hos alla fysiska system. Den här identifieringen var den första indikationen på att kvantdatorer kan användas för att lösa problem som är svårlösta på klassiska datorer.
År 1994 upptäckte Peter Shor en kvantalgoritm för att räkna ut heltal som körs exponentiellt snabbare än den mest kända klassiska algoritmen. Genom att lösa faktorer kan du bryta många av våra kryptosystem med offentliga nycklar som ligger till grund för säkerheten för e-handel idag, inklusive RSA och Elliptic Curve Cryptography. Den här identifieringen väckte ett stort intresse för kvantberäkning och ledde till utvecklingen av kvantalgoritmer för många andra problem.
Sedan dess har snabba och effektiva kvantdatoralgoritmer utvecklats för många av våra hårda klassiska uppgifter: simulera fysiska system inom kemi, fysik och materialvetenskap, söka i en osorterad databas, lösa system med linjära ekvationer och maskininlärning.
Vad är en kvantbit?
Precis som bitar är det grundläggande objektet för information inom klassisk databehandling är kvantbitar (kvantbitar) det grundläggande informationsobjektet inom kvantberäkning.
En kvantbit är den grundläggande informationsenheten inom kvantberäkning. Kvantbitar spelar en liknande roll inom kvantberäkning som bitar spelar i klassisk databehandling, men de beter sig annorlunda. Klassiska bitar är binära och kan bara innehålla en position på $0$ eller $1$, men kvantbitar kan innehålla en superposition av alla möjliga tillstånd. Det här beteendet innebär att en kvantbit kan vara i ett tillstånd av $0$, $1$, eller någon kvant superposition av de två. Det finns oändliga möjliga superpositioner på $0$ och $1$, och var och en av dem är ett giltigt qubit-tillstånd.
Inom kvantberäkning kodas informationen i superpositionen av delstaterna $0$ och $1$. Med till exempel $8$ bitar kan vi koda $256$ olika värden, men vi måste välja en av dem för att koda den. Med $8$ kvantbitar kan vi koda värdena på $256$ samtidigt, eftersom en qubit kan finnas i en superposition av alla möjliga tillstånd.
Så här skapar du en kvantdator
En kvantdator är en dator som utnyttjar kvantmekaniska fenomen. Kvantdatorer använder kvanttillstånd för materia för att lagra och beräkna information. De kan "programmera" kvantinterferens för att göra saker snabbare eller bättre än klassiska datorer.
När vi skapar en kvantdator måste vi tänka på hur du skapar kvantbitarna och hur du lagrar dem. Vi måste också tänka på hur vi ska manipulera dem och hur vi ska läsa resultatet av våra beräkningar.
De mest använda qubit-teknikerna är kvantbitar med fångade joner, supraledande kvantbitar och topologiska kvantbitar. För vissa metoder för kvantbitslagring hålls den enhet som rymmer kvantbitarna vid en temperatur nära absolut noll för att maximera deras koherens och minska interferensen. Andra typer av kvantbitslagring använder en vakuumkammare för att minimera vibrationer och stabilisera kvantbitarna. Signaler kan skickas till kvantbitarna med hjälp av olika metoder, inklusive mikrovågor, laser och spänning.
De fem kriterierna för en kvantdator
En bra kvantdator bör ha följande fem funktioner:
- Skalbar: Den kan ha många kvantbitar.
- Initializable: Den kan ange kvantbitarna till ett specifikt tillstånd (vanligtvis $0$-tillståndet).
- Elastisk: Den kan hålla kvantbitarna i superpositionstillstånd under lång tid.
- Universell: En kvantdator behöver inte utföra alla möjliga åtgärder, bara en uppsättning åtgärder som kallas universell uppsättning. En uppsättning universella kvantåtgärder är sådana att alla andra åtgärder kan delas upp i en sekvens av dem.
- Tillförlitlig: Den kan mäta kvantbitarna korrekt.
Dessa fem kriterier kallas ofta Di Vincenzo-kriterierna för kvantberäkning.
Den tekniska utmaningen med att bygga enheter som uppfyller dessa fem kriterier är en av de mest krävande som mänskligheten någonsin står inför. Microsoft samarbetar med några av de bästa kvantdatortillverkarna i världen för att ge dig tillgång till de senaste kvantberäkningslösningarna via Azure Quantum.