Kvantni procesor: opis, princip rada

O kvantnim proračunima, barem u teoriji, govori već nekoliko decenija. Savremeni tipovi mašina koji koriste ne-klasičnu mehaniku za procesiranje potencijalno nezamislivih podataka su postali veliki proboj. Prema rečima programera, njihova implementacija je ispostavila da je možda najkompleksnija tehnologija ikada stvorena. Kvantni procesori rade na nivoima materije koje je čovečanstvo naučilo pre 100 godina. Potencijal takvih proračuna je ogroman. Korištenje kvantnih svojstava kvantova će ubrzati proračune, tako da će se riješiti mnogi zadaci koji su trenutno obični za klasične računare. I ne samo u oblasti hemije i nauke o materijalima. Wall Street takođe pokazuje interesovanje.

Ulaganje u budućnost

CME Group je investirao u kompaniju Vancouver 1QB Information Technologies Inc., koja razvija softver za kvantne tipove procesora. Prema investitorima, takvi proračuni verovatno će imati najveći uticaj na industrije koje rade sa velikim količinama vremenski osetljivih podataka. Primjer takvih potrošača su finansijske institucije. Goldman Sachs je investirao u D-Wave Systems, a In-Q-Tel je finansirao CIA. Prvi proizvodi mašine koje rade ono što se naziva "kvantno žarenje", odnosno rešava zadatke optimizacije niskog nivoa pomoću kvantnog procesora. Intel takođe ulaže u ovu tehnologiju, iako smatra da je njegova implementacija pitanje budućnosti.

Zašto je to neophodno?

Razlog zašto je kvantno računarstvo tako uzbudljivo je u njihovoj idealnoj kombinaciji sa mašinskim učenjem. Trenutno, ovo je glavna aplikacija za takve proračune. Delom ovo je posljedica same ideje kvantnog računara - korištenje fizičkog uređaja za pronalaženje rješenja. Ponekad se ovaj pojam objašnjava na primeru igre Angry Birds. Da bi simulirali težinu i interakciju sudara, CPU tableta koristi matematičke jednačine. Kvantni procesori stavljaju ovakav pristup naopačke. Oni "bacaju" nekoliko ptica i vide šta se događa. Mikročip beleži zadatak: oni su ptice, bačeni su, koja je optimalna putanja? Potom se testiraju sva moguća rešenja, ili barem velika njihova kombinacija, a daje se odgovor. U kvantnom kompjuteru problem ne rešava matematičar, umjesto njega zakoni fizike rade.

Kako to funkcioniše?

Osnovni građevinski blokovi našeg sveta su kvantno mehanički. Ako posmatramo molekule, razlog zašto su formirani i ostaju stabilni je interakcija njihovih elektronskih orbitala. Svi kvantno-mehanički proračuni sadržani su u svakom od njih. Njihov broj eksponencijalno raste na rast broja simuliranih elektrona. Na primer, za 50 elektrona postoji 2 u 50. moći mogućih varijanti. Ovo je fenomenalno veliki broj, tako da ga danas ne možete izračunati. Povezivanje teorije informacija sa fizikom može ukazati na način rešavanja takvih problema. Računar od 50 kbitova može to da uradi.

Zora nove ere

Prema Landon Downes-u, predsjedniku i suosnivaču 1QBit-a, kvantni procesor je prilika za korištenje računarske snage subatomskog svijeta, što je od velikog značaja za dobivanje novih materijala ili kreiranje novih lijekova. Postoji tranzicija iz paradigme otkrića u novu era dizajna. Na primjer, kvantne računice se mogu koristiti za simuliranje katalizatora koji omogućavaju ekstrakciju ugljenika i azota iz atmosfere, čime se doprinosi zaustavljanju globalnog zagrijavanja.

U prvom planu napretka

Zajednica programera ove tehnologije je izuzetno uzbuđena i zauzeta aktivnim radom. Timovi širom svijeta grade mašine u startupovima, korporacijama, univerzitetima i vladinim laboratorijama koji koriste različite pristupe procesiranju kvantnih informacija. Superprovodni čipovi i kubiti na zarobljenim jonima stvorili su istraživači sa Univerziteta Meriland i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju Sjedinjenih Država. Microsoft razvija topološki pristup koji se zove Station Q, čiji je cilj korišćenje ne-abelovog aniona, čije postojanje još nije dokazano dokazano.

Godina vjerovatnog probijanja

A ovo je samo početak. Od kraja maja 2017. godine, broj kvantnih procesora koji jedinstveno rade nešto brže ili bolje od klasičnog računara je nula. Takav događaj će uspostaviti "kvantnu superiornost", ali do sada se to nije dogodilo. Iako je verovatno da se to može dogoditi i ove godine. Većina insajdera kaže da je očigledni favorit Google tim pod vođstvom John Martini, profesora fizike na Kalifornijskom univerzitetu u Santa Barbari. Njegov cilj je da postigne kompjutersku superiornost pomoću 49-bitnog CPU-a. Do kraja maja 2017. godine, tim je uspešno testirao čip od 22 čipove kao srednji korak za demontažu klasičnog superkompjutera.

Kako je sve počelo?

Ideja korišćenja kvantne mehanike za obradu informacija je već decenijama. Jedan od ključnih događaja dogodio se 1981. godine, kada su IBM i MIT zajednički organizovali konferenciju o računarskoj fizici. Čuveni fizičar Richard Feynman predložio je da napravi kvantni kompjuter. Kako je rekao, za modeliranje neophodno je koristiti sredstva kvantne mehanike. I ovo je veliki zadatak, jer to ne izgleda tako jednostavno. U kvantnom procesoru, princip rada baziran je na nekoliko čudnih osobina atoma - superpozicija i zapleta. Čestica može biti istovremeno u dve države. Međutim, kada se meri, to će biti samo u jednoj od njih. I nemoguće je predvideti koji, osim iz perspektive teorije vjerovatnoće. Ovaj efekat je osnova misaonog eksperimenta sa mačkom Schrodinger, koji je u kutiji istovremeno živ i mrtav dok se posmatrač ne prikrade. Ništa u svakodnevnom životu ne radi ovako. Ipak, oko 1 milion eksperimenata koji su sprovedeni od početka dvadesetog veka pokazuju da superpozicija postoji. I sledeći korak će se shvatiti kako koristiti ovaj koncept.

Kvantni procesor: opis posla

Klasični bitovi mogu uzeti vrijednost 0 ili 1. Ako preskočite svoju liniju kroz "logičke kapije" (AND, OR, NOT, itd.), Možete umnožavati brojeve, nacrtati slike itd. Kubit može preuzeti vrijednosti 0, 1 ili oboje istovremeno. Ako su, recimo, 2 kubika zapletene, onda ih to čini potpuno koreliranim. Procesor kvantnog tipa može koristiti logičke kapije. T. n. Na primer, Hadamard ventil postavlja kubit u stanje savršene superpozicije. Ako se suppozicija i zamagljenost udruže sa pametno lociranim kvantnim kapijama, onda se potencijal subatomskih izračunavanja počinje razvijati. 2 kubita omogućavaju ispitivanje 4 stanja: 00, 01, 10 i 11. Princip kvantnog procesora je takav da izvršavanje logičke operacije omogućava rad sa svim pozicijama odjednom. A broj raspoloživih stanja je 2 za snagu broja kubica. Dakle, ako napravimo univerzalni kvantni kompjuter od 50 kubita, teoretski je moguće istovremeno istraziti sve 1,125 kvadrilionske kombinacije.

Kuditi

Kvantni procesor u Rusiji se vidi nešto drugačije. Naučnici iz MIPT-a i ruskog Quantum Centra stvorili su "kudit", koji su nekoliko "virtuelnih" kubica sa različitim nivoima energije.

Amplitude

Kvantni tip procesora ima prednost da se kvantna mehanika zasniva na amplitudama. Amplitude su slične verovatnoći, ali mogu biti i negativni i složeni brojevi. Dakle, ako je potrebno da izračunate verovatnoću događaja, možete dodati amplitudu svih mogućih opcija za njihov razvoj. Ideja kvantnog izračunavanja je da pokuša da prilagodi šemu interferencije na način da neki načini pogrešnih odgovora imaju pozitivnu amplituru, a neki - negativan, a time i kompenzovali jedni druge. A staze koje vode do tačnog odgovora imale bi amplitude koje su u fazi jedni sa drugima. Trik je u tome što je neophodno organizovati sve bez prethodnog znanja koji je tačan odgovor. Dakle, eksponencijalnost kvantnih stanja u kombinaciji sa interferencijalnim potencijalom između pozitivnih i negativnih amplituda je prednost izračunavanja ovog tipa.

Shorov algoritam

Postoji mnogo zadataka koje računar ne može da reši. Na primer, šifrovanje. Problem je što nije lako pronaći jednostavne multiplikatore 200-cifreni broja. Čak i ako laptop radi sa odličnim softverom, možda ćete morati da čekate godine da pronađete odgovor. Dakle, drugi algoritam u kvantnom računarstvu bio je algoritam koji je 1994. izdao Peter Shore, sada profesor matematike u MIT-u. Njegova metoda je pronalaženje multiplikatora velikog broja pomoću kvantnog računara, koji tada nije postojao. U stvari, algoritam vrši operacije koje ukazuju na područja sa tačnim odgovorima. Sledeće godine Shor je otkrio metod kvantne greške. Tada su mnogi shvatili da je ovo alternativni način računarstva, koji u nekim slučajevima može biti i snažniji. Zatim je došlo do izražaja interesovanja fizičara da kreiraju kubike i logičke kapije između njih. A sada, dve decenije kasnije, čovječanstvo je na ivici stvaranja punopravnog kvantnog kompjutera.