Quantum processor: beskrivningen, funktionsprincip

Kvantberäkning, åtminstone i teorin, för att nämna ett par decennier. Moderna typer av maskiner som använder icke-klassisk mekanik för att hantera potentiellt otaliga mängder data, har blivit ett stort genombrott. Enligt utvecklarna, deras genomförande var kanske den mest sofistikerade teknik som någonsin skapats. Kvant processorer arbetar på nivåer av materia, varav mänskligheten har känt bara 100 år sedan. Potentialen för sådana beräkningar är enorm. Med hjälp av bisarra kvantmekaniska egenskaper kommer att påskynda beräkningarna så många uppgifter som för närvarande klassiska datorer har inte råd att lösas. Och inte bara när det gäller kemi och materialvetenskap. Wall Street är också visar intresse.

Investera i framtiden

CME Group har investerat Vancouver företaget 1QB Information Technologies Inc., utvecklar mjukvara för Quantum typ processorer. Enligt investerare, dessa beräkningar kommer sannolikt att ha störst inverkan på branschen, som arbetar med stora mängder känsliga data och då. Ett exempel på sådana kunder är finansiella institutioner. Goldman Sachs investerade i D-Wave Systems och bolaget In-Q-Tel finansieras av CIA. Det första tillverkar maskiner som gör vad som kallas en "kvant glödgning", dvs. E. beslutar det lågaktiva optimeringsproblem med hjälp av en kvant processor. Intel är också engagerad i att investera i denna teknik, även om den anser att genomförandet av den framtida verksamheten.

Varför det?

Anledningen till att kvantberäkning är så spännande, ligger i deras perfekt kombination med maskininlärning. För närvarande är det huvudsaken för sådana beräkningar. Delvis är detta en följd av idén om en kvantdator - med hjälp av en fysisk enhet för att söka efter lösningar. Ibland konceptet förklaras av exempel spelet Angry Birds. För att simulera interaktionen av gravitation och kolliderande föremål CPU tablett använder matematiska ekvationer. Quantum processorer sätta detta synsätt på huvudet. De "kasta" några fåglar, och se vad som händer. Vid microchip skriftlig uppgift: det är en fågel, kasta de vad den optimala banan? Då kontrolleras alla möjliga lösningar, eller åtminstone en mycket stor kombination av dessa, och svaret ges. I en kvantdator problem löses inte en matematiker, fysikens lagar arbete i stället.

Hur fungerar det?

De grundläggande byggstenarna i vår värld - kvantmekaniska. Om man tittar på molekylerna, anledningen till att de bildas och förblir stabila - samspelet mellan elektron orbitaler. Alla kvantmekaniska beräkningar finns i var och en av dem. Deras antal växer exponentiellt öka antalet simulerade elektroner. Till exempel, för 50 elektroner finns i två 50-graders alternativ. Detta fenomenalt stort antal, så det kan inte räkna ut idag. Anslutningsinformationsteori till fysik kan peka på väg att lösa sådana problem. 50 kubitovnomu dator kan göra det.

Dawn of en ny era

Enligt Landon Downs, VD och medgrundare av 1QBit, quantum processor - det är möjligt att använda processorkraft av subatomära världen, är det viktigt att få nya material eller skapandet av nya läkemedel. Det finns en övergång från ett paradigm för upptäckt till en ny era av design. Till exempel, kan kvantberäkning användas för att modellera katalysatorer som gör det möjligt att extrahera kol och kväve från atmosfären, och på så sätt hjälpa till att stoppa den globala uppvärmningen.

I spetsen för utvecklingen

gemenskap av utvecklare av denna teknik är oerhört glada och upptagen aktivitet. Lag runt om i världen i nystartade företag, företag, universitet och statliga laboratorier bygger en racerbil, som använder olika metoder för kvantinformationsbehandling. Skapade Qubit supraledande kvantbitar och marker på de fångade jonerna, som involverade forskare från University of Maryland och National Institute of Standards and Technology. Microsoft utvecklar topologisk metod som kallas Station Q, vars syfte är att tillämpa icke-abelska anjon vars existens inte har bevisat.

År sannolikt genombrott

Och detta är bara början. I slutet av maj 2017 antalet kvant typ processorer är unikt göra något snabbare eller bättre än en klassisk dator är noll. Denna händelse kommer att sätta "quantum överlägsenhet", men hittills har det inte hänt. Även om det är troligt att detta skulle kunna hända så tidigt som i år. De flesta insiders säger att Google är en klar favorit i gruppen, som leds av professor i fysik, University of California i Santa Barbara, John Martin. Dess syfte - att uppnå överlägsen datoranvändning med hjälp av 49-qubit processor. I slutet av maj 2017 laget framgångsrikt testade 22-kvantbitens chip som ett mellanliggande steg mot nedmonteringen av klassisk superdator.

Hur det hela började?

Idén att använda kvantmekanik för att bearbeta information i årtionden. En av de viktigaste händelserna inträffade 1981, då IBM och MIT gemensamt en konferens om beräkningsfysik. Den berömde fysikern Richard Feynman föreslog att bygga en kvantdator. Enligt honom, för simulering bör dra nytta av medlen för kvantmekanik. Och det är en stor utmaning, eftersom det inte ser så lätt. I kvantprocessorfunktionsprincip är baserad på ett antal märkliga egenskaper hos atomer - superposition och hoptrassling. Partikeln kan vara i två stater samtidigt. Men när man mäter det blir bara en av dem. Och det är omöjligt att förutsäga i vilken, förutom ur teorin om sannolikhet. Denna effekt är grunden för ett tankeexperiment Schrödingers katt, som är i rutan samtidigt döda och levande så länge observatören inte att smyga peep. Ingenting fungerar i vardagen på detta sätt. Men cirka 1 miljon av experiment som genomförts sedan början av nittonhundratalet, visar att existerar kompositionen. Och nästa steg är att räkna ut hur man använder detta koncept.

Quantum processor: arbetsbeskrivning

Klassiska bitar kan ha värdet 0 eller 1, är det möjligt att multiplicera siffror, rita bilder och så vidare. N. Qubit kan också vara 0 om de missar en linje genom "logiska grindar" (d. AND, OR, NOT, etc.), en eller båda. Om, säg, två qubit intrasslad, det gör dem perfekt korrelerade. typ kvant processor kan använda logiska grindar. T. N. Hadamard gate, till exempel sätter kvantbit i en superposition tillstånd av perfekt. Om överlagring och hoptrassling kombinerat med skickligt placerade kvant grindar, som börjar att veckla den potential som subatomära beräkningar. 2 tillåter studiet av kvantbitens 4 tillstånd: 00, 01, 10 och 11. Funktionsprincipen hos kvant processorn så att verkställandet av logiska operationer gör det möjligt att arbeta med alla positioner på en gång. Och antalet tillgängliga tillstånd är 2 upphöjt till antalet kvantbitar. Så om du gör en 50-qubit universell kvantdator, är det teoretiskt möjligt att undersöka alla 1,125 quadrillion kombinationer samtidigt.

Kudity

Quantum processor i Ryssland se lite annorlunda. Forskare från MIPT och ryska kvant center skapade "kudity" representerar flera "virtuella" kvantbitar med olika "energi" nivåer.

amplitud

typ kvantprocessorn har den fördelen att kvantmekanik är baserad på amplituderna. Sannolikhets amplituder är liknande, men de kan också vara negativ, och komplexa tal. Så om du vill beräkna sannolikheten för en händelse, kan du lägga till alla typer av amplituden av deras utvecklingsalternativ. Idén om kvantberäkning är att försöka att ställa interferensmönstret så att en del av de sätt att fel svar hade en positiv amplitud, och en del - en negativ, så att de skulle ta ut varandra. En väg som leder till det rätta svaret skulle ha amplituder som är i fas med varandra. Tricket är att du behöver för att organisera allt, utan att veta i förväg vad svaret är korrekt. Så exponentiella kvanttillstånden i kombination med potential för störning mellan de positiva och negativa amplituder är en fördel med denna typ av beräkning.

Shor algoritm

Det finns många uppgifter att datorn inte kan lösa. Såsom kryptering. Problemet är att det inte är så lätt att hitta de främsta faktorerna för ett 200-siffrigt nummer. Även om den bärbara datorn är igång med utmärkt programvara, kan du behöva vänta i åratal för att hitta svaret. Därför har en milstolpe i kvantberäkning blir en algoritm som publicerades i 1994 av Peter Shore, är nu en professor i matematik vid MIT. Hans metod är att hitta de faktorer för ett stort antal med hjälp av en kvantdator, som inte finns ännu. I själva verket algoritmen utför operationen, som indikerar området med det rätta svaret. Följande år, upptäcktes Shore en metod för kvant felkorrigering. Sedan många har insett att det är - en alternativ metod för beräkning, som i vissa fall kan vara mer kraftfull. Sedan följde en våg av intresse från fysiker för att skapa kvantbitar och logiska grindar mellan dem. Och nu, två decennier senare, är mänskligheten på väg att skapa en fullfjädrad kvantdator.