Kvantový počítač

Blochova koule je reprezentací qubitu , stavebního kamene kvantových počítačů

Kvantový počítač nebo kvantový počítač [ používá kvantové vlastnosti hmoty, jako je superpozice stavů a ​​zapletení , k provádění operací s daty. Na rozdíl od klasického počítače založeného na tranzistorech , které pracují na binárních datech (kódovaných jako bity, 0 nebo 1), kvantový počítač pracuje s kvantovými bity nebo qubity , z nichž kvantový stav může mít více hodnot, přesněji jediné kvantové. hodnota, která odpovídá současně více klasickým hodnotám. Disciplína, která se v teoretické a experimentální oblasti zabývá rozvojem kvantových počítání, se nazývá kvantové počítání .

Historie

Kvantové výpočty začínají na počátku 80. let, kdy fyzik Paul Benioff navrhl první kvantový model Turingova stroje . Richard Feynman a Jurij Manin později vyjadřují myšlenku, že kvantový počítač má potenciál simulovat věci, které klasický počítač neumí. V roce 1994 Peter Shor publikoval algoritmus, který nese jeho jméno pro rozklad celých čísel v polynomiálním čase . To byl epochální zlom ve věci, protože důležitá metoda asymetrické kryptografie známá jako RSA je založena na předpokladu, že faktorizace celých čísel je výpočetně obtížná. Existence kvantového algoritmu v polynomiálním čase může demonstrovat, že jeden z nejrozšířenějších kryptografických protokolů na světě by byl zranitelný vůči kvantovému počítači.

I když došlo k rychlému a působivému experimentálnímu pokroku, většina výzkumníků věří, že „bezpečný kvantový počítač [je] stále vzdáleným snem“. Dne 24. října 2019 Google oficiálně prohlašuje, že kvantový počítač dokončil 10 000letý výpočet za 200 sekund, ale v reakci na to významný výzkumník tvrdí, že revoluce kvantového počítače ekvivalentní revoluci klasického počítače bude vyžadovat „obrovské inženýrství a pravděpodobně ještě více poznatků." Vlády, zavedené společnosti a začínající podniky stále více investují do kvantové výpočetní techniky. Akademický a průmyslový výzkum je rovněž zaměřen na aplikaci zařízení středního měřítka a demonstraci kvantové nadřazenosti spolu s dlouhodobým cílem vybudovat a používat výkonný a bezchybný kvantový počítač .

Historie

• První myšlenka kvantového počítače byla odhalena ve dvou článcích publikovaných fyziky Paulem Benioffem a Yuri Maninem v roce 1980 .
• V roce 1982 Benioff ukazuje, že kvantový počítač může být reverzibilní, to znamená, že jeho operace mohou být obráceny.
• V roce 1985 David Deutsch , analogicky k tomu, co udělal Alan Turing s definicí univerzálního stroje, definuje univerzální kvantový počítač, který lze naprogramovat jakýmkoliv kvantovým algoritmem.
• Eric Drexler také nezávisle přemýšlel o konstrukci molekulárních počítačů ve své knize Engines of Creation ( "Engines of Creation" z roku 1986 ).
• V roce 1992 Deutsch a Jozsa oznámili první algoritmus , který vykazuje kvantovou výhodu.
• V roce 1994 Peter Shor se svým algoritmem prokázal , že by bylo možné faktorizovat libovolné číslo při vysokých rychlostech zpracování.
• V roce 1998 fyzik Bruce Kane navrhl konstrukci kvantového počítače na atomech fosforu uspořádaných na vrstvě křemíku o tloušťce pouhých 25 nanometrů. Je to Kaneův kvantový počítač .

Kaneovo schéma počítače

• V roce 2001 IBM předvedla první výpočet kvantového algoritmu pomocí experimentu sestávajícího z elektromagnetických pulzů, které manipulují s nukleární magnetickou rezonancí na molekulách složených ze sedmi atomů, které slouží jako hardwarový základ pro sedm kvantových bitů (qubitů). Tato metoda je následně opuštěna, protože systém, který řídí molekuly s dostatečným počtem atomů, aby poskytl qubity pro kvantový algoritmus jakéhokoli praktického zájmu, není prakticky proveditelný.
• V roce 2005 je demonstrováno první kvantové logické hradlo známé jako řízené NOT hradlo (CNOT) pomocí supravodivých qubitů.
• V roce 2012 kanadská společnost D-Wave oznamuje první komerční kvantový počítač. Jde o „kvantový žíhač“, zvaný Vesuv, tvořený 64 registry po 8 qubitech se supravodičem. Model zakoupila pro výzkumné účely NASA s Googlem a Lockheed Martin .
• V roce 2019 existují komerční kvantové počítače založené na supravodičích , respektive zachycených nabitých iontech . Oblast kvantových počítačů je otevřenou výzkumnou oblastí, která také zahrnuje další různé přístupy, které umožnily implementovat qubity a logická hradla včetně kvantových vrtů nebo atomových defektů v polovodičích (včetně křemíku , arsenidu galia a diamantu ), neutrálních atomech, fotonech .
• V únoru 2019 IBM uvedla na trh první kvantový počítač s názvem IBM Q System One, který lze používat vzdáleně.

Navzdory některým spojením kvantových počítačů s oblastí kvantové komunikace týkající se například možného použití fotonů ke spojení stavů mezi kvantovými počítači umístěnými na odlišných místech, oblast kvantových počítačů nesmí být zaměňována s oblastí kvantové kryptografie pro komunikaci, reprezentované například čínským satelitem Micius, prvním, který umožnil kvantovou komunikaci přes satelit.

Inovace

• V roce 2001 IBM ve výzkumném středisku Almaden , ve kterém působí skupina koordinovaná Isaacem Chuangem , vytvořila 7 qubitový kvantový procesor (složený z jediné molekuly se 7 jadernými spiny ).
• V roce 2005 byli fyzici z University of Arizona schopni přímo změřit změny vlnové délky atomu v kontaktu s povrchem.
• V únoru 2005 byla poprvé realizována kvantová korelace mezi umělými atomy .
• V prosinci 2005 byl vytvořen první qubyte (8 qubitů) vědci z Institutu pro kvantovou optiku a kvantové výpočty na Univerzitě v Innsbrucku (v Rakousku ).
• Výzkumníci z Harvardské univerzity a Georgia Institute of Technology jsou schopni přenášet kvantové informace mezi různými typy kvantových pamětí, od atomů po fotony a naopak.
• V roce 2006 Peter Zoller z Univerzity v Innsbrucku objevil metodu, jak využít kryogenní polární molekuly ke stabilizaci kvantových pamětí.
• Japonští vědci vyvinuli metodu počítání jednotlivých elektronů.
• Dne 13. února 2007 společnost D-Wave Systems veřejně zobrazuje Orion, který je považován za první 16 qubitový adiabatický kvantový počítač.
• V dubnu 2008 vědci z University of Utah pod vedením Ajaye Nahaty prokázali možnost vytvoření kvantové logické brány pomocí optického vlákna T-ray
• V roce 2009 byl postaven první procesor využívající 2 qubity.
• Dne 11. května 2011 společnost D-Wave Systems oznamuje D-Wave One , 128 qubitový procesor, který je prvním kvantovým počítačem uvedeným na trh.
• V dubnu 2012 se vědcům z Institutu Maxe Plancka , institutu pro kvantovou optiku, podařilo vytvořit první fungující kvantovou síť.
• V květnu 2013 Google a NASA představily D-Wave Two v laboratoři Quantum Artificial Intelligence Lab v Kalifornii.
• V únoru 2016 IBM veřejně zpřístupňuje procesor IBM Quantum Experience , první kvantový počítač v cloudovém režimu s 5- qubitovým procesorem .
• V polovině roku 2017 IBM zpřístupňuje 16 a 20 qubitové kvantové procesory prostřednictvím cloudu prostřednictvím IBM Quantum Experience .
• V březnu 2018 Google Quantum AI Lab představuje nový 72 qubitový procesor Bristlecone .
• 8. ledna 2019 IBM na veletrhu CES oznamuje první komerční kvantový počítač „IBM System Q One“ a platformu „IBM Q Network“ pro vědecké a komerční využití .
• V lednu 2020 IBM oznámila největší kvantový objem , kterého kdy dosáhla, rovných 32, na 28qubitovém kvantovém procesoru, čímž potvrdila každoroční trend zdvojnásobování výkonu jejích kvantových počítačů.
• 2020, duben – QuTech uvádí na trh Quantum Inspire, první kvantový procesor založený na „spin qubitech“ řízených technologií lock-in .

Popis

Po desetiletí šel nárůst výkonu počítače ruku v ruce s miniaturizací elektronických obvodů , což je fenomén empiricky zakódovaný v Moorově zákoně : hustota tranzistorů na mikročipu a relativní rychlost výpočtu se každých 18 měsíců zdvojnásobí. Miniaturizace součástek se však zastavila na prahu kvantové mechaniky, což znemožňuje další zvyšování hustoty tranzistorů a zmenšování velikosti integrovaných obvodů (dosud přijatá opatření ke zvýšení výpočetního výkonu mikroprocesorů ). S radostnou intuicí teoretické informatiky se kvantová mechanika proměnila v příležitost postavit stroje s enormně lepším výpočetním výkonem než konvenční počítače: kvantové počítače .

Namísto konvenčních bitů - jednotek binární informace, běžně označovaných číslicemi 0 a 1 a kódovaných dvěma stavy "otevřený" a "zavřený" přepínače - jsou v kvantovém počítači použity qubity , základní prvky kvantové informace zakódované kvantovým stavem, ve kterém se nachází částice nebo atom . Například spin částice má dva stavy, které mohou kódovat binární informace . To, co dělá atomové a subatomární částice zajímavými pro účely výpočtů, je skutečnost, že mohou existovat také v superpozici stavů , což enormně rozšiřuje možnosti kódování informací a umožňuje tak čelit extrémně složitým problémům.

Ani řízená manipulace s atomy a částicemi, ani jejich vzájemná komunikace a nakonec ani návrh vhodných algoritmů však není snadné dosáhnout, a tak cesta k vytvoření kvantového počítače teprve začíná. Je známo několik desítek kvantových algoritmů, které se dělí na algebraické algoritmy a algoritmy teorie čísel, věštecké algoritmy a aproximační a simulační algoritmy.

Základní pojmy

Ve většině klasických výpočetních modelů má počítač přístup k paměti . Toto je systém, který lze nalézt v jednom z konečné množiny stavů, z nichž každý je fyzicky odlišný. Často je vhodné znázornit stav této paměti jako řetězec symbolů nebo jednodušeji jako řetězec 0s a 1. V tomto scénáři se základní jednotka paměti nazývá bit a můžeme měřit „velikost“ paměti z hlediska počtu bitů potřebných k úplné reprezentaci stavu paměti.

Pokud paměť splňuje zákony kvantové fyziky, lze stav paměti nalézt v kvantové superpozici několika možných „klasických“ stavů. Pokud jsou klasické stavy reprezentovány řetězcem bitů, lze kvantovou paměť nalézt v jakékoli superpozici možných bitových řetězců. V kvantovém scénáři se základní jednotka paměti nazývá qubit .

Definující vlastností kvantového počítače je schopnost transformovat klasické stavy paměti na stavy kvantové paměti a naopak. To je na rozdíl od klasických počítačů v tom, že jsou navrženy tak, aby prováděly výpočty s pamětí, která se nikdy neodchyluje od přesně definovaných hodnot. Aby byl tento bod jasný, vezměte v úvahu, že informace jsou obvykle přenášeny počítačem jako elektrický signál, který se může měnit mezi dvěma definovanými hodnotami napětí . Pokud by byl vložen signál s jiným napětím, než jsou tyto dva, chování počítačů by bylo nedefinované.

Samozřejmě jsme nakonec „klasické bytosti“ a můžeme pouze pozorovat klasické stavy. To znamená, že kvantový počítač musí dokončit svůj výpočet poskytnutím klasického výstupu. K vytvoření těchto klasických výstupů je kvantový počítač nucen měřit části paměti v různých časech během výpočtu. Proces měření je ze své podstaty pravděpodobnostní, což znamená, že výstup kvantového algoritmu je často náhodný. Úkolem návrháře kvantových algoritmů je zajistit, aby náhodnost odpovídala požadavkům daného problému. Pokud například kvantový počítač hledá v kvantové databázi jeden z mnoha označených objektů, můžeme počítač požádat, aby vydal kterýkoli z označených objektů. Kvantový počítač uspěje v úloze, pokud je nepravděpodobné, že vydá nepodepsaný objekt.

Kvantové operace

Převládající model kvantového počítání popisuje výpočet v podmínkách sítě kvantových logických hradel . Následuje krátká diskuse na toto téma na základě kapitoly 4 knihy Nielsena a Chuanga.

Stav paměti počítače lze vyjádřit jako vektor délky rovnající se počtu možných stavů paměti. Paměť složená z informačních bitů má tedy možné stavy a vektor představující tento stav paměti má záznamy. Z klasického pohledu má pouze jeden ze záznamů hodnotu jedna a všechny ostatní nulu. Vektor by měl být chápán jako pravděpodobnostní vektor a představuje skutečnost, že paměť je v určitém stavu se 100% pravděpodobností (tj. s pravděpodobností jedna). ${\ styl textu n}$${\ styl textu 2 ^ {n}}$${\ styl textu 2 ^ {n}}$

V kvantové mechanice jsou vektory pravděpodobnosti zobecněny na operátory hustoty . Toto je přísný matematický základ pro kvantová hradla, ale kvantový stavový vektorový formalismus je obvykle představen jako první, protože je koncepčně jednoduchý. V tomto článku se budeme zabývat pouze formalismem vektorů kvantových stavů.

Začneme tím, že vezmeme v úvahu jednoduchou paměť skládající se z jednoho bitu. Tuto paměť lze nalézt v jednom ze dvou stavů: stavu nula nebo stavu jedna. Stav jedné qubitové paměti lze znázornit pomocí notace Dirac takto:

${\ styl zobrazení | 0 \ range: = {\ begin {pmatrix} 1 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 1 \ range: = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 1 \ end {pmatrix}} }$

Kvantovou paměť lze nalézt v jakékoli superpozici dvou klasických stavů a : ${\ styl textu | \ psi \ rozsah}$${\ styl textu | 0 \ rozsah}$${\ styl textu | 1 \ rozsah}$

${\ displaystyle | \ psi \ range: = \ alpha \, | 0 \ range + \ beta \, | 1 \ range = {\ begin {pmatrix} \ alpha \\\ beta \ end {pmatrix}}; \ quad | \ alpha | ^ {2} + | \ beta | ^ {2} = 1.}$

Obecně platí, že koeficienty a jsou komplexní čísla . V tomto scénáři se říká, že informační qubit je zakódován v kvantové paměti. Stav sám o sobě není vektorem pravděpodobnosti, ale může být spojen s vektorem pravděpodobnosti pomocí operace měření. Pokud se rozhodnete měřit paměť, abyste určili, zda je stav nebo (toto se nazývá měření založené na výpočtu), budete se dívat na stav nula s pravděpodobností a stav jedna s pravděpodobností . Viz záznam o amplitudě pravděpodobnosti . ${\ styl textu \ alpha}$${\ styl textu \ beta}$${\ styl textu | \ psi \ rozsah}$${\ styl textu | 0 \ rozsah}$${\ styl textu | 1 \ rozsah}$${\ styl textu | \ alfa | ^ {2}}$${\ textstyle | \ beta | ^ {2}}$

Abychom zmanipulovali stav této paměti na qubit, představme si použití kvantových hradel analogických klasickým logickým hradlům . Zřejmým hradlem je hradlo NOT, které může být reprezentováno polem

${\ displaystyle X: = {\ begin {pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \ end {pmatrix}}.}$

Formální aplikace tohoto logického hradla na kvantovém stavovém vektoru je dělána přes násobení matrices . Proto má a podle očekávání. Ale to není jediná zajímavá logická brána pro jeden qubit. Dvě další možná hradla jsou například další dvě Pauliho matice . ${\ styl textu X | 0 \ rozsah = | 1 \ rozsah}$${\ styl textu X | 1 \ rozsah = | 0 \ rozsah}$

Jedno-qubitové brány mohou pracovat na multi-qubitových pamětích dvěma důležitými způsoby. Jedním ze způsobů je jednoduše vybrat qubit a použít tento port na cílový qubit a ponechat zbytek paměti nedotčený. Další je aplikovat bránu na cíl pouze v případě, že jiná část paměti je v určitém stavu. Ukažme si to na dalším příkladu.

Zvažte dvouqubitovou paměť. Možné stavy jsou

${\ displaystyle | 00 \ range: = {\ begin {pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 01 \ range: = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 10 \ range: = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 11 \ range : = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \ end {pmatrix}}.}$

Řízená brána NOT (CNOT) pak může být definována pomocí následující matice:

${\ displaystyle \ mathrm {CNOT}: = {\ begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \ end {pmatrix}}.}$

Je snadné ověřit , že ,,, a . Jinými slovy, CNOT aplikuje bránu NOT ( první) na druhý qubit tehdy a pouze tehdy, když je první qubit ve stavu . Pokud je první qubit , s žádným z qubitů se nic neprovede. ${\ textstyle \ operatorname {CNOT} | 00 \ range = | 00 \ range}$${\ textstyle \ operatorname {CNOT} | 01 \ range = | 01 \ range}$${\ textstyle \ operatorname {CNOT} | 10 \ range = | 11 \ range}$${\ textstyle \ operatorname {CNOT} | 11 \ range = | 10 \ range}$${\ styl textu X}$${\ styl textu | 1 \ rozsah}$${\ styl textu | 0 \ rozsah}$

Abychom to shrnuli, kvantové výpočty lze popsat jako síť kvantových bran a měření. Vždy můžete měření „odložit“ na konci kvantového výpočtu, i když to může podle některých modelů znamenat výpočetní náklady. Vzhledem k možnosti odložení měření je většina kvantových obvodů reprezentována sítí skládající se pouze z kvantových logických hradel a bez měření.

Jakýkoli kvantový výpočet může být reprezentován jako síť hradel z poměrně malé rodiny hradel. Volba rodiny dveří, která umožňuje tuto konstrukci, se nazývá univerzální dveřní sada. Společná sada obsahuje všechny jednotlivé qubitové porty a port CNOT. To znamená, že jakýkoli kvantový výpočet lze provést spuštěním sekvence jednotlivých qubitových hradel společně s hradly CNOT. Přestože je tato množina bran nekonečná, lze ji nahradit konečnou množinou, která se odvolává na Solovay-Kitaevovu větu.

Bibliografie

• Enrico Prati , Quantum computers , v Artificial Mind , Milán, EGEA, 2017.

Související položky

• Kvantový algoritmus
• Kvantové počítání
• Nanotechnologie
• Fotonika
• Optoelektronika
• Informatika
• Qubit
• Kvantová korelace
• Kvantová tečka
• Seth Lloyd

Další projekty

Jiné projekty

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons obsahuje obrázky nebo jiné soubory na kvantových počítačích

Externí odkazy

• ( EN ) Quantum computer , v Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Kvantový počítač , v Encyklopedie sci- fi .
• ( EN ) Práce týkající se kvantových počítačů , na Open Library , Internet Archive .
• Nicola Nosengo , The slow march of the quantum computer , na treccani.it , 9. března 2012. Získáno 17. června 2021 (z originálu archivováno 13. dubna 2013) .
• Quantum Feedback Measurements od Zurich Instruments AG