A bitek qubitekbe kerültek, mi a kvantum számítógépek és kvantumszimulátorok

Mi a kvantum számítógépek?

A modern számítástechnikai eszközök munkája az információfeldolgozáson alapul. A számítógépekre vonatkozó információk a nullák és az egységek csoportjaként jelennek meg - az úgynevezett bitek. Ha például két számot szeretne felvenni, akkor a számítógép először az egyes nullák és zérus sorozatokat mutatja be, majd átmegy egy speciális eszközön, amely elvégzi a hozzáadás műveletét. Ha két másik számot kell hozzáadnia, a számítógép két új bitkészletet hoz létre, és ugyanazt az eszközt továbbítja.

Azok a számítógépek, amelyek képesek az anyag kvantum tulajdonságainak felhasználására, sokkal gyorsabban működhetnek. Az a tény, hogy a mikroobjektumok, például az egyes atomok, lehetnek a kvantum szuperpozíció egy speciális állapotában, amelyet nem találunk nagy tárgyak világában. A kvantum szuperpozícióban az objektum bizonyos értelemben azonnal két állapotban van. Más szóval, ha egy atom rendes tárgyként viselkedik, akkor lehet pihenő állapotban vagy gerjesztésállapotban (például kissé bizonytalan). De egy atom lehet egy köztes állapotban, amelyben egyidejűleg nyugszik és oszcillál. Ezt az állapotot a pihenés és a gerjesztés állapotának kvantum szuperpozíciójának nevezik.

Ha a nyugalmi állapotot 0-nak és a gerjesztés állapotát 1-nek nevezzük, akkor a kvantum szuperpozícióban lévő atom képes egyszerre két értéket tárolni. Tehát, ha elvégezzük a műveletek elvégzését, ezeket a műveleteket nullával és egyvel végezzük. Egy ilyen rendszerben egyszerre három összeg kiszámítható: 0 + 0, 0 + 1 és 1 + 1. Ha sok ilyen atom van, akkor velük olyan számításokat végezhet, amelyek ugyanolyan típusúak, mint amire szükséged van.

Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a kvantumszámítógépeknek sokkal hatékonyabbnak kell lenniük a szokásosnál, hogy olyan feladatokkal szembesüljenek, amelyekben nagyszámú érték szükséges. Ilyen probléma például az ismeretlen kód hackelése. Ez minden lehetséges védelmet a jogosulatlan hozzáférés ellen rendkívül veszélyeztetetté tehetne.

Például egy kvantum számítógépes támadó könnyen hozzáférhet bármely bankkártyához vagy fiókhoz.

Éppen ezért sok bankok most aktívan vizsgálja annak lehetőségét, hogy a kvantum kriptográfia, amely helyettesíti a hagyományos kriptográfia, valamint amiatt, hogy a törvényeket a kvantumfizika biztosítja, hogy amennyiben megpróbálja csapkod legalább akkor azonnal tudni azt, és képes gyorsan esetleges károsodásának megelőzésére.

De sajnos jelenleg nem sok olyan feladat van a megoldáshoz, amelyre a kvantum számítógépek valóban hatékonyabbak lennének, mint a hagyományos számítógépek. A kvantumhatások legteljesebb kihasználásához speciális algoritmusokra van szükség, és az esetek túlnyomó többségében ilyen algoritmusok elvben vagy annyira összetettek, hogy még nem fejlesztettek ki. Ezért, még akkor is, ha a közeljövőben kvantumkomputer hozható létre, akkor vagy szűken összpontosul, mint a híres D-hullám, vagy nem sokkal gyorsabb, mint egy hagyományos számítógép. Van azonban egy olyan terület, ahol a kvantumszámítás érkezése mini-forradalmat eredményezhet. Ez a terület a kémia.

Kvantumszimulátorok

Mélyülő megértését hogyan működik a világ szintjén az atomok és molekulák, és a megjelenése a XX század elején, a kvantummechanika vezetett radikális változás a kémia mint tudomány. Ezt megelőzően a kémia nagyrészt empirikus tudomány volt, amely nem szigorú elméleti modelleken alapult, hanem számos kísérleti adaton alapult. Vannak bizonyos szabályok, hogy próbálja megjósolni a kimenetelét az új kémiai reakciók, de ezek a szabályok voltak messze nem tökéletes, és a legjobb, hogy csak durva közelítés, és gyakran előre pontosan meghatározni a rossz eredmény. Az egyetlen mód annak ellenőrzésére, hogy ez vagy ez a potenciálisan hasznos reakció működik-e, a kísérlet közvetlen végrehajtása volt. És ha a szervetlen kémia miatt nagyobb egyszerűség még mindig valahogy működött, a kémia szerves anyagok, a legtöbb felfedezések készülnek vagy véletlenül, vagy ennek eredményeként a hosszú és kemény munka válogató nagy mennyiségű reagens.

Az 1920-as években a tudósok létrehozták a kvantumfizikát, amely elvileg lehetővé teszi a vegyi reakciók papírra jutását. A probléma azonban az, hogy a pontos számítás, még a legegyszerűbb esetekben, teljesen elképzelhetetlen időt igényel. És még a számítógépes technológia fejlődése sem hagyta teljesen megoldani ezt a problémát. A molekulák mozgatásának kvantumszámításának feladata - és ez pontosan az, ami a kémiai reakciókhoz szükséges - exponenciálisan összetett. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az ilyen feladatok nem oldhatók meg sem most, sem előre látható jövőben a számítástechnikai technológiák fokozatos fejlesztésével.

Ezért közelítő módszereket használnak a kémiai reakciók kiszámításához. Eleinte viszonylag egyszerűek és nem túl pontosak voltak, de idővel a pontosságuk nőtt és a bonyolultság nőtt. Tanulmányuk és fejlesztésük a számítástechnikai kvantumkémikával foglalkozik. Most hatalmas konferenciákat tartanak minden évben, ahol ezer tudós osztja meg a legfrissebb eredményeket ezen a területen. És bár a számítógépek már sokat tehetnek - az innovatív gyógyszer hatékonyságának előrejelzéséig - az utolsó szó, mint 100 évvel ezelőtt, a kísérletek mögött marad.

Az elmúlt években azonban itt és ott a kvantumkémiai tudósok közösségében vannak olyan kifejezések: "Több évbe fog telni és mi elveszítjük munkánkat. Minden számítás elvégzi a kvantumszimulátorokat, és pontosabban és gyorsabban teszik meg őket, mint mi. " Mi félek a kvantumkémikusoktól?

Valóban, ahogy további tanulmányok mutatják, ez lehetséges. Ráadásul az ilyen számítások teljes mértékben kihasználják a kvantumszámítógépek egyedülálló képességeit, vagyis sokkal gyorsabbak lesznek, mint a hagyományos számítógépeken. Ez megoldja a kémiai reakciók pontos számolásának ésszerű időn belüli problémáját, és a drága közvetlen kísérleteket kicseréli olcsóbb számításokkal.

Sőt, az egyik probléma a kvantum számítógépek - romboló környezeti hatásai a környezetre, amely nem teszi lehetővé a hosszú ideig tartani a kvantum szuperpozíció - a kvantum-szimulációkat is használható üzleti felhasználásra. Végtére is, a valódi kvantumrendszereket más testek is körülvették, amelyek szintén elpusztítják a kvantumhatásokat. Ez a hatás a környezet hatásával szimulálható a kvantumszimulátor küszöbén.

A kvantumszimulátorok használata

Mindegyik megvalósításnak saját tulajdonságai vannak. Például a hűtött atomokon lévő rendszerek nagy és viszonylag költséges felszerelést igényelnek, bár kényelmesek a qubitek állapotának szabályozásában. A magmágneses rezonancia hatása által szabályozott magokon alapuló rendszerek viszonylag egyszerűek, de ellenkezőleg, nem rendelkeznek megfelelő kontroll rugalmassággal. Ez a probléma mentes az olyan elektronikai rendszerektől, amelyek az úgynevezett kvantumkutakban csapdába esnek a félvezetőkben. Ezek most az egyik legígéretesebb irányban a gyártás és az olcsó gyártás tekintetében. Egyes alkalmazásoknál a szupravezető gyűrűkön alapuló rendszerek sokkal kényelmesebbek, amelyek azonban viszonylag nagyok, ezért nem valószínű, hogy nagy mennyiségű qubit-vel hozhatók létre.

A kvantumszimulátorok modern kutatásának másik iránya olyan hatékonyabb algoritmusok kifejlesztése, amelyek magukban foglalják azokat az algoritmusokat is, amelyek korrigálhatják vagy legalább elnyomhatják az ilyen rendszerek elkerülhetetlen hibáit. Természetesen a qubit-ekkel való munkavégzés módszerei javulnak: munkájuk időszaka nő, a kvantumrendszer hangolásának rugalmassága és az ellenőrzött paraméterek száma nő.

Mindez a közeljövőben vezet az a tény, hogy a kvantum szimulátort kell alkalmazni a valós nehéz helyzetekben, hogy a vegyi anyagok és a reakciók, amelyek jelenleg túl van még a legpontosabb becsléseket. Bár azt jósolják, hogy ez a forradalom lesz egy nagyszabású, lehetetlen, aligha lehet kétséges, hogy a modern kémia megy keresztül jelentős változások, és számos tudós lesz, hogy gyökeresen megváltoztatja a témája a kutatás.

Virtuális RT-naplók olvasása oroszul a Flipboardon