Kvantu procesors: apraksts, darbības princips

Par kvantu aprēķiniem, vismazteorija, teiksim jau vairākus gadu desmitus. Mūsdienu mašīnu modeļi, kuros izmanto neklasiskos mehānikus, lai apstrādātu potenciāli neiedomājamus datu apjomus, ir kļuvuši par lielu izrāvienu. Saskaņā ar izstrādātāju teikto, to ieviešana bija varbūt vissarežģītākā tehnoloģija, kāda jebkad radīta. Kvantu pārstrādātāji strādā jautājuma līmenī, par kuru cilvēce mācījās tikai pirms 100 gadiem. Šādu aprēķinu potenciāls ir milzīgs. Nevainīgu kvantu īpašību izmantošana paātrinās aprēķinus, tādēļ tik daudzi uzdevumi, kas pašlaik nav klasiskajos datoros, tiks atrisināti. Un ne tikai ķīmijas un materiālu zinātnes jomā. Wall Street arī izrāda interesi.

Ieguldījumi nākotnē

CME grupa ieguldīja Vankūveras uzņēmumā1QB Information Technologies Inc., kas izstrādā programmatūru kvantu tipa procesoriem. Pēc ieguldītāju domām, šādiem aprēķiniem, visticamāk, būs vislielākā ietekme uz nozarēm, kas strādā ar lielu laika sensitīvu datu apjomu. Šo patērētāju piemērs ir finanšu iestādes. Goldman Sachs ir ieguldījis D-Wave Systems, un In-Q-Tel finansē CIP. Pirmais ražo mašīnas, kas veic to, ko sauc par "kvantu atdalīšanu", proti, risina zemā līmeņa optimizācijas uzdevumus, izmantojot kvantu procesoru. Intel arī iegulda šajā tehnoloģijā, lai gan tā uzskata, ka tā ieviešana ir nākotnes jautājums.

Kāpēc tas ir nepieciešams?

Iemesls, kādēļ kvantu skaitļošana irtik aizraujoša, ir viņu ideālā kombinācija ar mašīnmācību. Šobrīd tas ir galvenais šādu aprēķinu pielietojums. Daļēji tas ir saistīts ar pašu ideju par kvantu datoru - fiziskās ierīces izmantošanu risinājumu atrašanai. Dažreiz šī koncepcija tiek paskaidrota par spēles "Angry Birds" piemēru. Lai simulētu sadursmju objektu smagumu un mijiedarbību, tabletes CPU izmanto matemātiskos vienādojumus. Kvantu pārstrādātāji šādu pieeju izvirzīja otrādi. Viņi "iemeti" dažus putnus un redz, kas notiek. Mikroshēma ieraksta uzdevumu: tie ir putni, tos izmet, kāda ir optimālā trajektorija? Tad tiek pārbaudīti visi iespējamie risinājumi vai vismaz ļoti liela to kombinācija, un tiek sniegta atbilde. Problēmas kvantu datorā matemātiķis nolemj, ka viņš strādā pie fizikas likumiem.

Kā tas darbojas?

Mūsu pasaules galvenie elementi -kvantu mehāniskā. Ja mēs skatāmies uz molekulām, tad iemesls, kāpēc tās veidojas un paliek nemainīgas, ir to elektronisko orbitāļu mijiedarbība. Visi kvantu mehāniskie aprēķini ir iekļauti katrā no tiem. To skaits pieaug eksponenciāli, lai palielinātu simulēto elektronu skaitu. Piemēram, 50 potenciālajiem 50 variantiem ir pieejami 50 no visiem elektroniem. Tas ir fenomenāli liels skaits, tāpēc šodien to nevarat aprēķināt. Informācijas teorijas savienošana ar fiziku var norādīt uz veidu, kā risināt šādas problēmas. To var paveikt ar 50 kubikdaļu datoru.

Jauna laikmeta saulrieta

Saskaņā ar Landona Downes, prezidents unKvantveida procesora līdzdibinātājs ir iespēja izmantot subatomijas pasaules skaitļošanas jaudu, kam ir liela nozīme jaunu materiālu iegūšanā vai jaunu zāļu radīšanā. Ir pāreja no atklājumu paradigmas uz jaunu dizaina laikmetu. Piemēram, kvantu aprēķinus var izmantot, lai modelētu katalizatorus, kas ļauj atmosfērā iegūt oglekli un slāpekli, tādējādi palīdzot apturēt globālo sasilšanu.

Progresa priekšplānā

Šīs tehnoloģijas izstrādātāju kopienaļoti satraukti un aizņemti ar aktīvu darbu. Komandas visā pasaulē ir celtniecības mašīnas jaunizveidotajos uzņēmumos, korporācijās, universitātēs un valsts laboratorijās, kuras izmanto dažādas pieejas kvantu informācijas apstrādei. Pārdevēji no Merilendas Universitātes un Amerikas Savienoto Valstu Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta ir izveidojuši supravadošās kubetes mikroshēmas un kobītus uz iesprostoto jonu. Microsoft izstrādā topoloģisko pieeju ar nosaukumu Station Q, kuras mērķis ir izmantot ne-abeliešu anjonu, kura esamība vēl nav pārliecinoši pierādīta.

Iespējamā izrāviena gads

Un tas ir tikai sākums. Sākot ar 2017. gada maija beigām, kvantu tipa procesoru skaits, kas vienreiz kaut ko dara ātrāk vai labāk nekā klasisks dators, ir nulle. Šāds notikums radīs "kvantu pārākumu", bet līdz šim tas nav noticis. Lai gan ir iespējams, ka tas var notikt pat šogad. Lielākā daļa iekšējo lietotāju apgalvo, ka skaidrs mīļākais ir Google komanda, kuru vada John Martini, Santa Barbaras Kalifornijas universitātes fizikas profesors. Tās mērķis ir sasniegt aprēķinu pārākumu ar 49 bitu CPU. Līdz 2017. gada maija beigām komanda veiksmīgi pārbaudīja 22-mikroshēmu mikroshēmu kā starpposmu līdz klasiskajam superdatoru demontāžai.

Kā tas viss sākās?

Ideja par kvantu mehānikas izmantošanuinformācijas apstrāde gadu desmitiem. Viens no galvenajiem notikumiem notika 1981. gadā, kad IBM un MIT kopīgi organizēja konferenci par skaitļošanas fiziku. Slavenais fiziķis Richard Feynman ierosināja izveidot kvantu datoru. Kā viņš teica, modelēšanai ir nepieciešams izmantot kvantu mehānikas līdzekļus. Un tas ir lielisks uzdevums, jo tas neizskatās tik vienkārši. Kvantu procesorā darbības princips ir balstīts uz vairākām dīvajām atomu īpašībām - superpozīciju un sajukumu. Daļiņu var būt divās valstīs vienlaicīgi. Tomēr, mērot to, tas būs tikai vienā no tiem. Un nav iespējams paredzēt, kurā, izņemot no varbūtības teorijas pozīcijas. Šis efekts ir balstīts uz domu eksperimentu ar Schrodinger kaķu, kas uzreiz ir miris un dzīvs, līdz novērotājs tur pēkšņi ieiet. Nekas ikdienas dzīvē nedarbojas tāpat. Tomēr apmēram 1 miljons eksperimentu, kas veikts kopš 20. gadsimta sākuma, parāda, ka eksistence pastāv. Un nākamais solis būs izdomāt, kā izmantot šo koncepciju.

Kvantu procesors: darba apraksts

Klasiskie biti var iestatīt uz 0 vai1. Ja jūs izlaidat savu rindiņu caur "loģiskajiem vārtiem" (UN, VAI, NĒ utt.), Jūs varat reizināt ciparus, uzzīmēt attēlus u.tml. Kubit vienlaicīgi var ņemt vērtības 0, 1 vai abus. Ja, piemēram, 2 kubi tiek sajaukti, tad tas pilnīgi korelē. Kvantu tipa procesors var izmantot loģiskos vārtus. T. n. Hadamard vārsts, piemēram, novieto kubītu perfektā superpozītā stāvoklī. Ja superpozīts un iebūvējums tiek apvienoti ar gudri izvietotiem kvantu vārtiem, tad sāk izvērst subatomisko aprēķinu potenciālu. 2 kubīti ļauj izpētīt 4 stāvokļus: 00, 01, 10 un 11. Kvantu procesora princips ir tāds, ka loģiskās darbības izpilde ļauj vienlaikus strādāt ar visām pozīcijām. Un pieejamo valstu skaits ir 2 kubītu skaita spēks. Tātad, ja mēs izveidojam 50 kubiktņu universālo kvantu datoru, tad teorētiski ir iespējams vienlaicīgi izmeklēt visas 1125 kvadriljonu kombinācijas.

Kudits

Kvantu procesors Krievijā redz vairākuscitādi. Zinātnieki no MIPT un Krievijas kvantu centra ir izveidojuši "kudit", kas ir vairāki "virtuāli" kubīti ar dažādiem "enerģijas" līmeņiem.

Amplitūdas

Kvantu tipa procesors irpriekšrocība, ka kvantu mehānika pamatojas uz amplitūdām. Amplitudes ir līdzīgas varbūtībai, taču tās var būt arī negatīvas un sarežģītas. Tātad, ja jums ir nepieciešams aprēķināt notikuma varbūtību, varat pievienot visu iespējamo variantu amplitūdas to attīstībai. Kvantu skaitīšanas ideja ir mēģināt pielāgot traucējumu modeli tādā veidā, ka dažiem nepareizu atbilžu veidiem ir pozitīva amplitūda, un daži - negatīvi, tādēļ tie kompensē viens otru. Un ceļiem, kas noved pie pareizas atbildes, būtu amplitūdas, kas atrodas fāzē viens ar otru. Triks ir tas, ka jums ir nepieciešams sakārtot visu, nezinot iepriekš, kura atbilde ir pareiza. Tātad, kvantu stāvokļu eksponenciālisma kombinācija ar traucējumu potenciālu starp pozitīvo un negatīvo amplitūdu ir šāda veida aprēķinu priekšrocība.

Krasta algoritms

Ir daudz uzdevumu, kas datoram navspēj izlemt. Piemēram, šifrēšana. Problēma ir tāda, ka nav viegli atrast vienkāršus reizinātājus ar 200 ciparu skaitli. Pat tad, ja klēpjdators darbojas ar lielisku programmatūru, jums var nākties gaidīt gadiem ilgi, lai atrastu atbildi. Tāpēc vēl pavērsiena kvantu skaitļošanas ir kļuvusi algoritms publicēts 1994. gadā Peter Shore tagad ir profesors matemātikā at MIT. Viņa metode ir atrast faktorus lielu skaitu, izmantojot kvantu datoru, kas nebija vēl neeksistē. Faktiski algoritms veic darbības, kas norāda uz jomām ar pareizu atbildi. Nākamajā gadā Shor atklāja kvantu kļūdu labošanas metodi. Tad daudzi ir sapratuši, ka tas ir - alternatīva metode, aprēķinu, kas dažos gadījumos var būt spēcīgs. Tad sekoja pieaugums interesi no fiziķu radīt qubits un loģika vārti starp tām. Un tagad, divus gadu desmitus vēlāk, cilvēce ir uz augšu, lai radītu pilnvērtīgu kvantu datoru.

</ p>>