Serii de descoperiri în calculul cuantic
Un computer obișnuit, care acum este denumit computer clasic sau tradițional, funcționează pe conceptul de bază de 0 și 1 (zerouri și uni). Când îl întrebăm pe calculator pentru a face o sarcină pentru noi, de exemplu un calcul matematic sau o rezervare a unei întâlniri sau orice are legătură cu viața de zi cu zi, această sarcină la momentul dat este convertită (sau tradusă) într-un șir de 0 și 1 (care se numește apoi intrare), această intrare este procesată de un algoritm (definit ca un set de reguli de urmat pentru a finaliza o sarcină pe un computer). După această procesare, este returnat un șir nou de 0 și 1 (numit rezultat), iar acesta codifică rezultatul așteptat și este tradus înapoi în informații mai simple, ușor de utilizat, ca un „răspuns” la ceea ce utilizatorul a dorit să facă computerul. . Este fascinant că, indiferent cât de inteligent sau inteligent ar părea algoritmul și indiferent de nivelul de dificultate al sarcinii, un algoritm de computer face doar acest lucru - manipularea șirului de biți - în care fiecare bit este fie 0, fie 1. manipularea are loc pe computer (la capătul software-ului) iar la nivelul mașinii aceasta este reprezentată de circuite electrice (pe placa de bază a computerului). În terminologia hardware, atunci când curentul trece prin aceste circuite electrice, acesta este închis și este deschis atunci când nu există curent.
Calculator clasic vs cuantic
Prin urmare, în computerele clasice, un bit este o singură informație care poate exista în două stări posibile – 0 sau 1. Totuși, dacă vorbim despre cuantic computere, de obicei folosesc biți cuantici (numiți și „qubiți”). Acestea sunt sisteme cuantice cu două stări, însă, spre deosebire de bitul obișnuit (stocat ca 0 sau 1), qubiții pot stoca mult mai multe informații și pot exista în orice presupunere a acestor valori. Pentru a explica într-un mod mai bun, un qubit poate fi considerat ca fiind o sferă imaginară, unde qubit poate fi orice punct al sferei. Se poate spune că calculul cuantic profită de capacitatea particulelor subatomice de a exista în mai multe stări la un moment dat și totuși să se excludă reciproc. Pe de altă parte, un bit clasic poate fi doar în două stări – de exemplu la capătul a doi poli ai sferei. În viața obișnuită, nu putem vedea această „suprapoziție”, deoarece odată ce un sistem este văzut în întregime, aceste suprapoziții dispar și acesta este motivul pentru care înțelegerea acestor suprapoziții este neclară.
Ceea ce înseamnă asta pentru computere este că computerele cuantice care folosesc qubiți pot stoca o cantitate imensă de informații folosind o energie mai mică decât un computer clasic și astfel operațiunile sau calculele pot fi făcute relativ mult mai rapid pe un computer cuantic. Deci, un computer clasic poate lua 0 sau 1, doi biți în acest computer pot fi în patru stări posibile (00, 01, 10 sau 11), dar o singură stare este reprezentată la un moment dat. Un computer cuantic, pe de altă parte, funcționează cu particule care pot fi în suprapunere, permițând doi qubiți să reprezinte exact aceleași patru stări în același timp, datorită proprietății suprapunerii care eliberează computerele de „constrângerile binare”. Acest lucru poate fi echivalent cu patru computere care rulează simultan și dacă adăugăm acești qubiți, puterea computerului cuantic crește exponențial. Calculatoarele cuantice profită, de asemenea, de o altă proprietate a fizicii cuantice numită „întanglement cuantic”, definită de Albert Einstein, întanglementul este o proprietate care permite particulelor cuantice să se conecteze și să comunice indiferent de locația lor în univers astfel încât schimbarea stării unuia îl poate afecta instantaneu pe celălalt. Capacitățile duale de „suprapunere” și „încurcare” sunt destul de puternice în principiu. Prin urmare, ceea ce poate realiza un computer cuantic este de neimaginat în comparație cu computerele clasice. Toate acestea sună foarte interesant și simplu, totuși, există o problemă în acest scenariu. Un computer cuantic, dacă ia qubiți (biți suprapuși) ca intrare, ieșirea sa va fi, de asemenea, în mod similar într-o stare cuantică, adică o ieșire având biți suprapuși care se pot schimba în continuare în funcție de starea în care se află. Acest tip de ieșire nu Nu ne permit cu adevărat să primim toate informațiile și, prin urmare, cea mai mare provocare în arta calculului cuantic este să găsim modalități de a obține cât mai multe informații din această ieșire cuantică.
Calculatorul cuantic va fi aici!
Calculatoarele cuantice pot fi definite ca mașini puternice, bazate pe principiile mecanicii cuantice care adoptă o abordare complet nouă a procesării informațiilor. Ei caută să exploreze legile complexe ale naturii care au existat dintotdeauna, dar au rămas de obicei ascunse. Dacă astfel de fenomene naturale pot fi explorate, calculul cuantic poate rula noi tipuri de algoritmi pentru a procesa informații și acest lucru ar putea duce la descoperiri inovatoare în știința materialelor, descoperirea medicamentelor, robotică și inteligență artificială. Ideea unui computer cuantic a fost propusă de fizicianul teoretician american Richard Feynman încă din 1982. Și astăzi, companii de tehnologie (cum ar fi IBM, Microsoft, Google, Intel) și instituții academice (cum ar fi MIT și Universitatea Princeton) lucrează la domeniul cuantic. prototipuri de computer pentru a crea un computer cuantic mainstream. International Business Machines Corp. (IBM) a declarat recent că oamenii de știință au construit o platformă puternică de calcul cuantic și poate fi pusă la dispoziție pentru acces, dar remarcă că nu este suficientă pentru a îndeplini majoritatea sarcinilor. Ei spun că un prototip de 50 de qubiți care este în curs de dezvoltare poate rezolva multe probleme pe care calculatoarele clasice le fac astăzi, iar în viitor calculatoarele de 50-100 de qubiți ar umple în mare decalajul, adică un computer cuantic cu doar câteva sute de qubiți ar putea efectuează mai multe calcule simultan decât există atomi în cunoscut univers. Realist vorbind, calea către unde un computer cuantic poate depăși de fapt un computer clasic în sarcini dificile este încărcată cu dificultăți și provocări. Recent, Intel a declarat că noul computer cuantic de 49 de biți al companiei a reprezentat un pas către această „supremație cuantică”, într-un progres major pentru compania care a demonstrat un sistem qubit de 17 biți în urmă cu doar două luni. Prioritatea lor este de a continua extinderea proiectului, pe baza înțelegerii că creșterea numărului de qubiți este cheia creării de calculatoare cuantice care pot oferi rezultate în lumea reală.
Materialul este cheia pentru construirea computerului cuantic
Materialul siliciu a fost o parte integrantă a calculului de zeci de ani, deoarece setul său cheie de capabilități îl fac bine potrivit pentru calculul general (sau clasic). Cu toate acestea, în ceea ce privește calculul cuantic, soluțiile pe bază de siliciu nu au fost adoptate în principal din două motive, în primul rând, este dificil de controlat qubiții fabricați pe siliciu și, în al doilea rând, nu este încă clar dacă qubiții de siliciu s-ar putea scala la fel de bine ca și alți solutii. Într-un progres major Intel sa dezvoltat foarte recent1 un nou tip de qubit cunoscut sub numele de „spin qubit” care este produs pe siliciu convențional. Qubiții de spin seamănă îndeaproape cu electronica semiconductoare și își oferă puterea cuantică prin valorificarea spinului unui singur electron pe un dispozitiv de siliciu și controlând mișcarea cu impulsuri minuscule, de microunde. Două avantaje majore care au condus la Intel să se deplaseze în această direcție sunt, în primul rând, Intel, ca companie, este deja mult investit în industria siliciului și, prin urmare, are expertiza potrivită în siliciu. În al doilea rând, qubiții de siliciu sunt mai beneficii, deoarece sunt mai mici decât qubiții convenționali și se așteaptă ca aceștia să mențină coerență pentru o perioadă mai lungă de timp. Acest lucru este de o importanță primordială atunci când sistemele de calcul cuantic trebuie extinse (de exemplu, trecând de la 100-qubit la 200-qubit). Intel testează acest prototip și compania se așteaptă să producă cipuri cu mii de matrice qubit mici, iar o astfel de producție atunci când este realizată în vrac poate fi foarte bună pentru extinderea computerelor cuantice și poate fi un adevărat schimbător de joc.
Într-o cercetare recentă publicată în Ştiinţă, un model nou proiectat pentru cristale fotonice (adică un design de cristal implementat pe un cip fotonic) a fost dezvoltat de o echipă de la Universitatea din Maryland, SUA, despre care susțin că va face computerele cuantice mai accesibile2. Acești fotoni sunt cea mai mică cantitate de lumină cunoscută și aceste cristale au fost înrădăcinate cu găuri care fac ca lumina să interacționeze. Diferite modele de găuri schimbă modul în care lumina se îndoaie și sare prin cristal și aici au fost făcute mii de găuri triunghiulare. O astfel de utilizare a fotonilor unici este importantă pentru procesul de creare a calculatoarelor cuantice, deoarece computerele vor avea apoi capacitatea de a calcula numere mari și reacții chimice pe care computerele actuale nu sunt capabile să le facă. Designul cipului face posibil ca transferul de fotoni între computere cuantice să aibă loc fără pierderi. Această pierdere a fost, de asemenea, văzută ca o mare provocare pentru computerele cuantice și, prin urmare, acest cip se ocupă de problemă și permite o rută eficientă de cuantic informații de la un sistem la altul.
Viitor
Calculatoarele cuantice promit să ruleze calcule mult peste orice supercomputer convențional. Ele au potențialul de a revoluționa descoperirea de noi materiale, făcând posibilă simularea comportamentului materiei până la nivel atomic. De asemenea, creează speranță pentru inteligența artificială și robotică prin procesarea datelor mai rapid și mai eficient. Furnizarea unui sistem de calcul cuantic viabil din punct de vedere comercial ar putea fi realizată de oricare dintre organizațiile majore în următorii ani, deoarece această cercetare este încă deschisă și este un joc corect pentru toți. Anunțuri majore sunt așteptate în următorii cinci până la șapte ani și, în mod ideal, vorbind cu seria de progrese realizate, problemele de inginerie ar trebui abordate și un computer cuantic de 1 milion sau mai mulți qubiți ar trebui să fie o realitate.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
1. Castelvecchi D. 2018. Siliciul câștigă teren în cursa de calcul cuantic. Natură. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. O interfață de optică cuantică topologică. Ştiinţă. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
