ความท้าทายของการคำนวณควอนตัม

เนื้อหา

• Quantum Reality
• การสร้างควอนตัมบิต
• ไม่มีข้อบกพร่องไม่มีความเครียด - คู่มือแบบเป็นขั้นตอนเพื่อสร้างซอฟต์แวร์ที่เปลี่ยนแปลงชีวิตโดยไม่ทำลายชีวิตของคุณ
• พวกเราสนิทกันแค่ไหน?
• ข้อสรุป

ที่มา: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Takeaway:

ลองพิจารณาการคำนวณควอนตัมอย่างใกล้ชิดวิธีการทำงานและศักยภาพในอนาคต

“ ถ้าคุณคิดว่าคุณเข้าใจฟิสิกส์ควอนตัมคุณจะไม่เข้าใจฟิสิกส์ควอนตัม” คำพูดนั้นมาจากนักฟิสิกส์ Richard Feynman แต่ก็ไม่มีความชัดเจนว่าเขาพูดจริงหรือไม่ นี่เป็นคำพูดที่น่าเชื่อถือมากขึ้นจากการประกาศของ MIT ปี 1995:“ ฉันคิดว่าฉันสามารถพูดได้อย่างปลอดภัยว่าไม่มีใครเข้าใจกลไกควอนตัม”

Quantum Reality

เมื่อเราได้รับสิ่งนั้นแล้วมาดูกันว่ามีอะไรที่เรารู้บ้างไหม กลศาสตร์ควอนตัมแปลก อนุภาคเล็ก ๆ เหล่านั้นในระดับควอนตัมก็ไม่ได้ทำงานตามที่คาดไว้ สิ่งต่าง ๆ ที่นั่น

สิ่งที่บ้ากำลังเกิดขึ้นในจักรวาลควอนตัม มีการสุ่มที่แท้จริงความไม่แน่นอนการพัวพัน ดูเหมือนว่าทั้งหมดจะค่อนข้างมาก

เรารู้แล้วว่าอะตอมและอนุภาคในระดับอะตอมทำหน้าที่เสมือนว่าพวกมันเชื่อมโยงกัน ไอน์สไตน์เรียกว่าควอนตัมพัวพัน "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" ลองนึกภาพวัตถุสองชิ้นที่แยกทางร่างกาย แต่พวกมันประพฤติแบบเดียวกันพวกมันมีคุณสมบัติเหมือนกันและพวกมันทำหน้าที่เป็นหนึ่งเดียว ทีนี้ลองจินตนาการว่าวัตถุสองชิ้นนั้นห่างกัน 100,000 ปีแสง แปลกจริง ๆ

ยังมีอีก. หลักการความไม่แน่นอนในกลศาสตร์ควอนตัมบอกว่าไม่สามารถรู้คุณสมบัติบางอย่างของอนุภาคได้ เพิ่มไปที่ปัญหาของ decoherence ซึ่งมีสิ่งที่จะทำอย่างไรกับการล่มสลายของฟังก์ชั่นคลื่น และรุ่นของการทดลองแบบแยกสองครั้งดูเหมือนจะแนะนำว่าวัตถุควอนตัมหนึ่งชิ้นสามารถอยู่ในสองแห่งในเวลาเดียวกันการสังเกตการณ์นั้นจะเปลี่ยนธรรมชาติของอนุภาคในอะตอมหรืออะตอมนั้นเดินทางย้อนเวลากลับไป

ตอนนี้คุณเห็นแล้วว่าทำไมการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงเป็นสิ่งที่ท้าทาย แต่นั่นก็ไม่ได้หยุดยั้งคนไม่ให้ลอง (สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมดูที่ทำไมคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจเป็นจุดต่อไปของ Big Data Highway)

การสร้างควอนตัมบิต

ปัญหาเกี่ยวกับความไม่แน่นอนคือมันทำให้การคำนวณยากขึ้น เป้าหมายเคลื่อนไหวอยู่เสมอ และแม้ว่าคุณจะพัฒนาระบบคณิตศาสตร์คุณจะแก้ไขข้อผิดพลาดได้อย่างไร? และคุณคิดว่าไบนารีนั้นยาก

“ ควิบิตเป็นระบบกลไกควอนตัมที่ภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสมสามารถได้รับการปฏิบัติเพียงแค่มีระดับควอนตัมเพียงสองระดับเท่านั้น” ศาสตราจารย์ Andrea Morello จากมหาวิทยาลัยนิวเซาธ์เวลส์ในออสเตรเลียกล่าว “ และเมื่อคุณมีสิ่งนั้นคุณสามารถใช้มันเพื่อเข้ารหัสข้อมูลควอนตัม”

ไม่มีข้อบกพร่องไม่มีความเครียด - คู่มือแบบเป็นขั้นตอนเพื่อสร้างซอฟต์แวร์ที่เปลี่ยนแปลงชีวิตโดยไม่ทำลายชีวิตของคุณ

คุณไม่สามารถพัฒนาทักษะการเขียนโปรแกรมของคุณเมื่อไม่มีใครใส่ใจคุณภาพของซอฟต์แวร์

พูดง่ายกว่าทำ. คอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบันยังไม่ทรงพลังมากนัก พวกเขายังคงพยายามทำให้หน่วยการสร้างถูกต้อง

ควอนตัมบิตหรือที่รู้จักกันในชื่อควิบิตมีศักยภาพมากกว่าเลขบิตแบบคลาสสิกในการคำนวณแบบดิจิตอลไบนารี อนุภาคมูลฐานสามารถอยู่ในสถานะต่าง ๆ พร้อมกันคุณภาพที่เรียกว่าซ้อน ในขณะที่บิตคลาสสิกสามารถอยู่ในหนึ่งในสองรัฐ (หนึ่งหรือศูนย์), qubit สามารถอยู่ในตำแหน่งเหล่านั้นทั้งสองในเวลาเดียวกัน

คิดว่าเหรียญ มันมีสองด้าน: หัวหรือก้อย เหรียญเป็นเลขฐานสอง แต่ลองจินตนาการว่าคุณพลิกเหรียญขึ้นไปในอากาศและมันจะพลิกไปเรื่อย ๆ ในขณะที่กำลังพลิกหัวหรือก้อย? จะเกิดอะไรขึ้นถ้ามันจะลงสู่พื้นดิน? คุณจะหาจำนวนการโยนเหรียญได้อย่างไร? นั่นเป็นความพยายามที่อ่อนแอในการแสดงภาพซ้อนทับ

ดังนั้นคุณจะทำ qubit ได้อย่างไร ถ้านักฟิสิกส์ควอนตัมไม่เข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมเราก็แทบจะไม่สามารถอธิบายคำอธิบายที่เพียงพอได้ที่นี่ มาทำความรู้จักกับเทคโนโลยีที่จะทดสอบเพื่อสร้าง qubits:

• วงจรตัวนำยิ่งยวด
• Spin qubits
• กับดักไอออน
• วงจรโทนิค
• braids ทอพอโลยี

ความนิยมสูงสุดของเหล่านี้เป็นสองคนแรก อื่น ๆ เป็นวิชาวิจัยมหาวิทยาลัย ในเทคนิคแรกตัวนำยิ่งยวดนั้นมีความเย็นมากเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เวลาเชื่อมโยงกันค่อนข้างสั้นและสิ่งต่าง ๆ พังทลายลง ศาสตราจารย์ Morello กำลังทำงานเกี่ยวกับเทคนิคการหมุน อนุภาคควอนตัมมีประจุไฟฟ้าเช่นเดียวกับแม่เหล็ก โดยการใช้คลื่นไมโครเวฟเขาสามารถทำให้อิเล็กตรอนหมุนขึ้นแทนที่จะลงจึงสร้างทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนตัวเดียว

จากนั้นยังมีเรื่องของการยอมรับความผิดและการแก้ไขข้อผิดพลาด นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียซานตาบาร์บาราสามารถเข้าถึงความซื่อสัตย์ได้ถึง 99.4 เปอร์เซ็นต์ด้วยประตู qubit ของพวกเขา พวกเขาได้รับความเชื่อถือได้ถึงร้อยละ 99.9 ที่ University of Oxford เราอยู่ที่นั่นหรือยัง

พวกเราสนิทกันแค่ไหน?

Edwin Cartlidge ถามคำถามนี้ในบทความตุลาคม 2016 สำหรับ Optics & Photonics News คำเตือนจาก ETSI ในปี 2015 ที่องค์กรควรเปลี่ยนไปใช้เทคนิคการเข้ารหัส "ปลอดภัยควอนตัม" ควรบอกคุณว่ามีบางสิ่งที่อยู่บนขอบฟ้า

Google, Microsoft, Intel และ IBM ทั้งหมดอยู่ในเกม หนึ่งในเกณฑ์ของ Google ที่กำลังดำเนินอยู่คือสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า "ควอนตัมมากที่สุด" มันถูกใช้เพื่ออธิบายจุดที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำสิ่งที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้

ไอบีเอ็มวางแผนที่จะเปิดตัวคอมพิวเตอร์ควอนตัม "สากล" ในปี 2017 ตามที่ David Castelvecchi ใน Scientific American ขนานนามว่า“ IBM Q” จะเป็นบริการบนคลาวด์ที่มีให้ผ่านทางอินเทอร์เน็ตโดยมีค่าธรรมเนียม คุณสามารถลิ้มรสสิ่งที่พวกเขากำลังดำเนินการโดยลองประสบการณ์ควอนตัมของพวกเขาตอนนี้พร้อมใช้งานออนไลน์ แต่ Castelvecchi กล่าวว่ายังไม่มีความพยายามใด ๆ ที่ทรงพลังกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป - อำนาจสูงสุดของควอนตัมยังไม่ได้รับการจัดตั้งขึ้น

ตามที่ Techopedia รายงานในปี 2013 Google มีแอปพลิเคชั่นมากมายสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่พัฒนาแล้ว Microsoft กำลังทำงานเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมทอพอโลยี มี บริษัท สตาร์ทอัพหลายแห่งที่เร่งรีบและมีงานจำนวนมากในพื้นที่ แต่ผู้เชี่ยวชาญบางคนเตือนว่าจานอาจยังไม่สุกเต็มที่ “ ฉันไม่ได้ทำข่าวเกี่ยวกับอนาคต” เรนเนอร์แบลตต์จากมหาวิทยาลัยอินส์บรุคประเทศออสเตรียกล่าว และนักฟิสิกส์เดวิดวินแลนด์กล่าวว่า“ ฉันมองโลกในแง่ดีในระยะยาว แต่ฉันไม่รู้ว่า“ ในระยะยาว” หมายความว่าอย่างไร (ดู 5 สิ่งที่น่าสนใจในคอมพิวเตอร์ Quantum ของ Google Googles)

แม้ว่าจะใช้การคำนวณควอนตัมได้อย่างยอดเยี่ยม แต่อย่ามองหามันเพื่อแทนที่แล็ปท็อปของคุณทุกเวลาเร็ว ๆ นี้ คอมพิวเตอร์ควอนตัมเช่นเดียวกับระบบเลขฐานสองของพวกเขาในวันแรก ๆ อาจเป็นเพียงอุปกรณ์พิเศษที่มีวัตถุประสงค์เฉพาะ หนึ่งในการใช้งานทั่วไปมากที่สุดคือการมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำลองกลศาสตร์ควอนตัม นอกเหนือจากการใช้งานคอมพิวเตอร์อย่างเข้มข้นเช่นการพยากรณ์อากาศการใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจรวมศูนย์และ จำกัด ไว้ที่คลาวด์ แน่นอนว่าอาจเป็นสถานที่ที่สมบูรณ์แบบสำหรับมัน

ข้อสรุป

ศาสตราจารย์ Morello ได้ระบุความท้าทายหลักของการคำนวณควอนตัมอย่างชัดเจน ก่อนที่คุณจะสามารถเริ่มเข้ารหัสข้อมูลได้คุณจะต้องสามารถสร้างควอนตัมแยกได้สองระดับด้วย qubit เมื่อทำได้สำเร็จการคำนวณควอนตัม“ ให้คุณเข้าถึงพื้นที่การคำนวณที่ใหญ่กว่าแบบทวีคูณ” มากกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ยกตัวอย่างเช่นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มี 300 qubits (N qubits = 2^{ยังไม่มีข้อความ} บิตคลาสสิก) จะสามารถประมวลผลบิตของข้อมูลได้มากกว่าที่มีอนุภาคในจักรวาล

นั่นเป็นบิตจำนวนมาก แต่การเดินทางจากที่นี่ไปถึงที่นั่นจะต้องทำบางอย่าง