Skammtatölvur (e. quantum computer)

Skammtatölvur eru ört vaxandi tækni sem beitir lögmálum skammtafræðinnar til að leysa vandamál sem eru of flókin fyrir klassískar tölvur (skammtafræði kemur upprunalega úr eðlisfræðinni). Eftirfarandi texti kemur frá tölvurisanum IBM sem er enn leiðandi á sviði tölva.  Athugið að þetta er bara þýðing og ætlað mér til skilnings.

"Í dag hefur skammta tölvan alvöru skammtafræðivélbúnað - verkfæri sem vísindamenn byrjuðu aðeins að ímynda sér fyrir þremur áratugum síðan - aðgengilegt hundruðum þúsunda þróunaraðila. Verkfræðingar búa til sífellt öflugri ofurleiðandi skammtaörgjörva með reglulegu millibili, samhliða mikilvægum framförum í hugbúnaði og skammtaklassískri aðferðafræði. Þessi vinna keyrir í átt að skammtatölvunarhraða og getu sem nauðsynleg er til að breyta heiminum.

Þessar vélar eru mjög ólíkar klassísku tölvunum sem hafa verið til í meira en hálfa öld. En af hverju þurfum við skammtatölvur?

Af hverju skammtatölvur

Þegar vísindamenn og verkfræðingar lenda í erfiðum vandamálum snúa þeir sér að ofurtölvum. Þetta eru mjög stórar klassískar tölvur, oft með þúsundir klassískra CPU og GPU kjarna sem geta keyrt mjög stóra útreikninga og eru með háþróaða gervigreind. Hins vegar eru jafnvel ofurtölvur vélar sem byggja á tvöföldum kóða sem byggja á smáratækni frá 20. öld. Þær berjast við að leysa ákveðin vandamál.

Ef ofurtölva krassar er það líklega vegna þess að stóra klasmiklu síska vélin var beðin um að leysa vandamál með miklu erfiðleikastigi. Þegar klassískar tölvur bila er það oft vegna þess hve flókið verkefnið er.

Flókin vandamál eru vandamál þar sem margar breytur hafa samskipti á flókinn hátt. Að búa til hegðun einstakra atóma í sameind er flókið vandamál vegna þess að allar mismunandi rafeindir hafa samskipti sín á milli. Að bera kennsl á lúmsk mynstur svika í fjármálaviðskiptum eða nýja eðlisfræði í ofurárekstrum eru einnig flókin vandamál. Það eru nokkur flókin vandamál sem við vitum ekki hvernig á að leysa með klassískum tölvum á hvaða mælikvarða sem er.

Raunverulegur heimur byggist á skammtaeðlisfræði. Tölvur sem gera útreikninga með því að nota skammtaástand skammtabita ættu í mörgum aðstæðum að vera okkar besta verkfæri til að skilja viðfangsefnið.

Af hverju eru skammtatölvur hraðvirkari?

Við skulum skoða dæmi sem sýnir hvernig skammtatölvur geta náð árangri þar sem klassískar tölvur mistakast:

Klassísk tölva gæti verið frábær í erfiðum verkefnum eins og að flokka í gegnum stóran gagnagrunn sameinda. En það mun berjast við að leysa flóknari vandamál, eins og að líkja eftir því hvernig þessar sameindir hegða sér.

Í dag, að mestu leyti, ef vísindamenn vilja vita hvernig sameind mun haga sér verða þeir að búa til hana og gera tilraunir með hana í hinum raunverulega heimi. Ef þeir vilja vita hvernig lítilsháttar breyting myndi hafa áhrif á hegðun þess, þurfa þeir venjulega að búa til nýju útgáfuna og keyra tilraunina sína upp á nýtt. Þetta er dýrt og tímafrekt ferli sem hindrar framfarir á jafn fjölbreyttum sviðum og læknisfræði og hálfleiðarahönnun.

Klassísk ofurtölva gæti reynt að líkja eftir sameindahegðun með grófu afli og nýta marga örgjörva sína til að kanna allar mögulegar leiðir sem allir hlutir sameindarinnar gætu hegðað sér. En þegar hún færist framhjá einföldustu sameindunum sem völ er á, þá stöðvast ofurtölvan. Engin tölva hefur vinnsluminni til að takast á við allar mögulegar umbreytingar á sameindahegðun með þekktum aðferðum.

Skammtareiknirit taka nýja nálgun á þessa tegund af flóknum vandamálum - búa til fjölvídda reiknirými. Þetta reynist vera mun skilvirkari leið til að leysa flókin vandamál eins og efnalíkingar.

Við höfum ekki góða leið til að búa til þessi reiknirými með klassískum tölvum, sem takmarkar notagildi þeirra án skammtaútreikninga. Iðnaðarefnafræðingar eru nú þegar að kanna leiðir til að samþætta skammtafræðiaðferðir í vinnu sína. Þetta er bara eitt dæmi. Verkfræðistofur, fjármálastofnanir, alþjóðleg skipafyrirtæki - meðal annarra - eru að kanna notkunartilvik þar sem skammtatölvur gætu leyst mikilvæg vandamál á sínu sviði. Sprenging af ávinningi af skammtarannsóknum og þróun er að taka á sig mynd við sjóndeildarhringinn. Eftir því sem skammtakerfiskvarðar og skammtareiknirit þróast, ættu mörg stór, mikilvæg vandamál eins og sameindahermun að finna lausnir.

Hvernig virkar skammtatölvan?

IBM Quantum örgjörvi er skífa sem er ekki mikið stærri en sú sem er í fartölvu. Og skammtafræðivélbúnaðarkerfi er á stærð við bíl, byggt að mestu upp úr kælikerfum til að halda ofurleiðandi örgjörvanum við ofurkalda rekstrarhita.

Klassískur örgjörvi notar klassíska bita til að framkvæma aðgerðir sínar. Skammtatölva notar qubita (CUE-bita) til að keyra fjölvídda skammta reiknirit.

Ofurleiðarar

Borðtölvan þín notar líklega viftu til að verða nógu köld til að virka. Skammtavinnsluvélarnar okkar þurfa að vera mjög kaldar - um það bil hundraðasti úr gráðu yfir algeru núlli - til að forðast „decoherence“ eða halda skammtaástandi sínu. Til að ná þessu notum við ofurkælda ofurvökva. Við þetta ofurlága hitastig hafa ákveðin efni mikilvæg skammtafræðileg áhrif: rafeindir fara í gegnum þau án mótstöðu. Þetta gerir þá "ofurleiðara."

Þegar rafeindir fara í gegnum ofurleiðara passa þær saman og mynda „Cooper pör“. Þessi pör geta borið hleðslu yfir hindranir, eða einangrunarefni, í gegnum ferli sem kallast skammtagöng. Tveir ofurleiðarar settir sitt hvoru megin við einangrunartæki mynda Josephson tengi.

Stjórna

Skammtatölvurnar okkar nota Josephson tengi sem ofurleiðandi qubits. Með því að skjóta örbylgjuljóseindum á þessar qubits getum við stjórnað hegðun þeirra og fengið þær til að halda, breyta og lesa út einstakar einingar skammtaupplýsinga.

Yfirsetning

Qubit sjálft er ekki mjög gagnlegt. En það getur framkvæmt mikilvægt bragð: að setja skammtaupplýsingarnar sem það geymir í yfirbyggingarástand, sem táknar blöndu af öllum mögulegum stillingum qubitsins. Hópar qubita í yfirsetningu geta búið til flókin, fjölvídd reiknirými. Flókin vandamál geta komið fram á nýjan hátt í þessum rýmum.

Flækja

Skammtaflækja er áhrif sem tengir hegðun tveggja aðskildra hluta. Eðlisfræðingar hafa komist að því að þegar tveir qubitar flækjast hafa breytingar á einum qubit bein áhrif á hinn.

Truflun

Í umhverfi flæktra qubita sem eru settir í yfirlögunarástand eru líkindabylgjur. Þetta eru líkurnar á niðurstöðum mælinga á kerfinu. Þessar bylgjur geta byggt á hverri annarri þegar margar þeirra ná hámarki við ákveðna útkomu, eða hætt hver annarri þegar toppar og lægðir hafa samskipti. Þetta eru bæði form truflana.

Útreikningur á skammtatölvu virkar með því að útbúa yfirsetningu allra mögulegra reikniástanda. Skammtahringrás, útbúin af notanda, notar truflun sértækt á íhlutum yfirsetningar samkvæmt reiknirit. Mörg möguleg niðurstaða er hætt með truflunum á meðan önnur magnast upp. Magnaðar niðurstöður eru lausnir á útreikningnum."

Heimild: What is quantum computing?

Hér er fínt myndband: Michio Kaku