Kvantno računanje za blago znatiželjne

Uzbudljivo je, ali ne iz razloga zašto većina tehnoloških novinara to smatra

Možda ste, poput nas, čuli za kvantno računanje i mislite da zvuči zanimljivo, ali još uvijek niste sigurni kako to funkcionira ili što to znači. Kvantno je li išta teško zar ne?

Ispada da ovo nije istina. Protekli smo tjedan kopali po nekim mračnijim kutovima interneta i otkrili da problem nije konceptualni. Problem je u tome što se možda i bilo koji drugi predmet u tehničkom novinarstvu i popularnoj znanosti, većina onoga što je napisano o kvantnom računanju ispada užasno pogrešno.

Evo standardnog objašnjenja:

U redovnom računanju oslanjamo se na puno malih sklopki koje nazivamo bitovima. Bit ima binarnu vrijednost, bilo 0 ili 1, i ako kombinirate puno bitova zajedno, možete pohraniti podatke i izvršavati upute. To je ono zbog čega vaš mobilni telefon zvučni signal. U kvantnom računanju prekidači su različiti. Umjesto da predstavlja samo 1 ili 0, kao što to čine konvencionalni procesori; oni predstavljaju više vrijednosti istovremeno. Evo, na primjer, objašnjenja sadašnjeg premijera Kanade, učitelja (a ne fizičara) ...

Jednostavno, normalna računala rade, bilo da snaga prolazi žicom ili ne - jedna ili jedna nula. Oni su binarni sustavi. Ono što kvantna stanja dopuštaju, puno složenije informacije mogu se kodirati u jedan bit ... kvantno stanje može biti puno složenije od toga, jer kao što znamo, stvari mogu biti i čestice i valovi u isto vrijeme.

Ta dvosmislenost, sposobnost qubita i 'biti' i 'ne biti' temelji se na kvantnom učinku koji se zove superpozicija (to je slučaj kad obično čujete o mrtvim mačkama). Tu je i drugi kvantni efekt nazvan zapetljavanje, koji vam omogućava da povežete sve kubite zajedno. Kad ih sve stavite u stanje superpozicije i zapletete ih, spin jednog utječe na spin svih ostalih. Čak i ako se postavi na suprotne krajeve svemira, promjena jednog zapetljanog kubita značila bi da bi ostali plesali u trenutanom savršenom urezu. Einstein je to nazvao "sablasnom akcijom na daljinu."

Kad na ovaj način organizirate qubits, možete istovremeno izvoditi mnoge izračune. Obično računalo pokušava riješiti problem na isti način na koji biste pokušali pobjeći od lavirinta, iskušavajući svaki mogući koridor, okrećući se natrag u slijepoj ulici, sve dok konačno ne nađete izlaz. Ali kvantno računalo može isprobati sve staze odjednom - ustvari pronalazeći prečac. Razlog za to je uzbudljiv jer su mogućnosti vrlo brzo poludele. Ako ste povezali tek 1000 kubita u superpoziciji koja će vam omogućiti da predstavite svaki broj od 1 do 10 ^ 300. Poznati svemir ima u sebi oko 10 ^ 78 do 10 ^ 82 atoma.

U ovom trenutku svi naši umovi počinju eksplodirati.

Također novinari počinju lijevati. Izrekujte predviđanja koja ostavljaju bez daha o tome kako bi nam kvantna računala mogla pružiti pametne nove telefone, poboljšati prognozu vremena, zaustaviti prometne gužve, omogućiti nam da simuliramo svijest i riješimo svjetski mir. Ovaj podatak je hipenat i pokreće stvarne inženjere kvantnog računanja u stvarnom svijetu.

Problem dolazi kada pokušate izmjeriti što se događa s qubitsima - kada otvorite kutiju s mačkom u njoj. Zamislite uličnog pljačkaša kako igra igru ​​čaša i lopti, osim što umjesto tri šalice, ona ima 1.000, a umjesto lopte svaka šalica sadrži kikiriki ili kasu. Kad se sve šalice okrenu licem prema dolje, unutar njih se može stvoriti bilo kakva kombinacija i njihove sudbine su sve povezane. U stanju su superpozicije.

Međutim, to također znači da čim ona podigne jednu šalicu da otkrije što se nalazi ispod, to je poput udaranja šakom o stol; padaju i sve ostale šalice. Svakako, imate ogroman popis mogućih kombinacija - ali popisu možete pristupiti samo mjerenjem, što je destruktivni događaj koji proizvodi samo jedan slučajni ishod. U tom slučaju možete koristiti i normalno računalo ili čak i novčić.

Evo dijela o kojem ne čujete u člancima iz popularne znanosti.

Prljava tajna kvantnog računanja je da se zapravo ne oslanjaju na to da su kbit istovremeno i 1 i 0. Umjesto toga, zasniva se na brojevima zvanim amplitude koje izvode na spektru, a mogu biti pozitivni, negativni ili čak složeni brojevi. Cilj je koreografirati stvari tako da za svaki pogrešan odgovor neke staze koje vode tamo imaju pozitivne amplitude dok druge imaju negativne amplitude, otkazujući jedna drugu, dok se staze koje vode do pravog odgovora pojačavaju.

Zamislite to kao miješanje puno obrazaca valova, pokušavanje izrade vrhova i korita i usmjeravanje toka prema tačnom odgovoru. A budući da općenito ne znamo odgovor na to, unaprijed nije samo jednostavno postavljanje jednog kanala, nego pokušaj da se uzburka skup talasa na otvorenom oceanu koji se nekako svi skupe kako bi napravili jedan veliki kapljice.

Da stvari budu još složenije, ispada da je qubit krajnja diva. Zahtijeva savršenu izolaciju. Najmanja vibracija iz obližnjeg atoma može uzrokovati da kbit baci kvantni tantrum i izgubi superpoziciju. Poteškoća je u održavanju osjetljivih stanja superpozicije i zapletenosti dovoljno dugo da bi se moglo izvršiti proračun - što kvantni fizičari nazivaju "vremenom koherencije".

Drugim riječima, ne samo da je kvantno računanje bitno nov način rada na računalu, već je i vrlo težak inženjerski izazov.

Ovaj crtani film čini mnogo bolji posao od nas u objašnjavanju svih tih stvari. Kliknite za punu verziju.

Kvantno računalo neće postići da vaš pametni telefon radi brže ili neće dovesti do sljedeće generacije glasovnih pomoćnika. Neće biti bolje u igranju Go-a, zakazivanju letova avio-kartela ili dokazivanju teorema. U većini slučajeva, raditi ove stvari s kvantnim računanjem više je gnjavaže nego što vrijedi.

Pa zašto to činiti?

Zašto je, unatoč poteškoćama, utrka za izgradnju prvog praktičnog kvantnog računala postala jedan od velikih znanstvenih izazova našeg vremena, u koje su uključene tisuće fizičara i inženjera u desecima istraživačkih instituta razasutih širom svijeta?

Razlog je to što postoje dva posebna zadatka na kojima bi kvantno računalo bilo zadivljujuće. Prva je kriptografija, velika novčana nagrada u poslu s kvantnim računanjem. Većina suvremenih kriptografskih sustava oslanja se na velike poteškoće faktoriranja proizvoda od dva velika broja. Posebna karakteristika kvantnog računala znači da bi ovo trebalo biti lako, čineći trenutne sustave enkripcije zastarjelima. To bi bio vrlo velik posao i zato špijuni, bankari i tehnološke tvrtke bacaju toliko novca na problem.

Drugo što bi kvantna računala bila dobra je simuliranje drugih kvantnih sustava. To bi promijenilo našu sposobnost pokretanja simulacija bioloških sustava, razumijevanja supravodljivih materijala i otkrivanja kvantne kemije, a da ne spominjemo i samu kvantnu fiziku.

Od početka svibnja 2017. godine, istraživači su uspjeli izgraditi potpuno programibilna računala s 6 kubika i osjetljivijim sustavima testiranja od 10 do 20 kubika. Insajderi industrije vjeruju da negdje između 30 i 100 kubika kvantna računala počinju imati komercijalnu vrijednost i da će se ti sustavi vjerojatno prodati u roku od dvije do pet godina. Najperspektivniji projekti su Microsoft, IBM, Sveučilište u Oxfordu i možda neki laboratoriji u Kini. Predvodnik je tim na Googleu koji radi pod momkom po imenu John Martinis. Njihov najnoviji čip ima šest kubita raspoređenih u konfiguraciji 2x3, što dokazuje da tehnologija funkcionira kad su kitovi jedan pored drugog, za razliku od ravna.

A tu je i D-Wave, tvrtka koja nastavlja stvarati naslove. Ranije ove godine bilo je hrpa priopćenja za javnost u kojima je pisalo da su izgradili kvantno računalo s 2000 qubita. Međutim, iako se njihovi čipovi oslanjaju na kvantne efekte, oni nisu istinska kvantna računala. Umjesto toga, oni se oslanjaju na postupak koji se naziva žarenje, a koji uključuje čitav niz superprovodnih petlji čija magnetska polja međusobno djeluju. Da biste postigli rješenje, započnite s puno energije tako da se magneti mogu lako okretati naprijed i natrag. Kako se polako ohlađujete, lepršavi magneti se sležu dok sveukupno polje doseže niža i niža energetska stanja, sve dok magnet ne zamrznete u stanje najniže energije. Nakon toga čitate orijentaciju svakog magneta i to je rješenje problema.

Tehnički, iako se oni smatraju kubitima, oni nisu pravilno zapleteni, njihova su kvantna stanja krhka, a manipulacija njima manje precizna. Dok D-Wave koristi kvantne pojave na svojim uređajima, upitno je može li ih se ikada koristiti za rješavanje problema iz stvarnog svijeta eksponencijalno brže od klasičnih računala. D-Wave je u osnovi odlučio pokrenuti što je moguće više qubita, bez brige o njihovom vijeku trajanja, koherenciji ili ispravljanju pogrešaka. Mislite na njih kao na prljavi pristup, gdje većina drugih grupa pokušava zauzeti čist pristup. To bi moglo uspjeti - kao što to često postoje prljavi pristupi - ali oni su riskirali ogromno i još uvijek nema dokaza koji ukazuju na to da su D-Wave sustavi nešto više od nekonvencionalne računalne arhitekture koja se ne razlikuje od ostalih brzih sustava ,

Dakle, sljedeći put kad vidite članak koji kaže da je neka banka uložila u kvantno računanje ili da je neki istraživački laboratorij u Kini postigao kvantnu nadmoć, kopajte malo dublje. Nadam se da smo vam dali dovoljno detektor sranja. Ako ste se ikad zaglavili, pogledajte Scotta Aaronsona, čiji smo rad u ovom postu liberalno plagirali. Vodi blog pod nazivom Shtetl-Optimized.

Možda je najvažnija lekcija koja se može uzeti iz svega toga je da je kvantno računanje manje tehnološka stvar, poput mikročipa ili slušalica virtualne stvarnosti, i više naučna stvar, poput Velikog hadronskog sudarača ili mapiranja genoma. Ako ispravno ispravimo, moći ćemo razbiti većinu svjetske kriptografije, simulirati svemir na atomskoj skali i steći nova ključna saznanja o kvantnoj gravitaciji. To su neke prilično nevjerojatne aplikacije.

Ali to je i nešto fundamentalno novo, problem koji je vrijedno riješiti sam po sebi za znanost. Na isti način kao što smo uvijek gradili nevjerojatne strojeve za potvrdu svojih teorija, čini se vrijednim graditi skalabilno kvantno računalo i na taj način dokazati da naš svemir ima ogromnu računsku moć ispod svoje površine. To nam se čini prilično pristojnim ciljem.

Budući Crunch potiče inteligentno i optimistično razmišljanje za budućnost. Pomažemo ljudima da razumiju što se nalazi na granicama znanosti, tehnologije i ljudskog napretka i što to znači za čovječanstvo

Naš dvotjedni bilten ispunjen je pričama o ljudima širom planeta koji koriste nauku i tehnologiju da bi svijet učinili boljim mjestom.

Možete nas i uhvatiti na Facebooku | Cvrkut