Kvantarvuti Arendamine

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Kui soovite kirjeldada kvantarvutit ja selle võimeid, kõlab see mõnikord nii, nagu kirjeldaksite maagiat - kuna kvantvaldkonnas meie füüsika mõistmine enam ei kehti. Kvantarvutite vähemalt alguses mõistmiseks tuleks kõigepealt heita pilk klassikalistele arvutitele: Arvuti põhineb väikseimatel elektroonilistel vooluahelatel, mis omakorda on manustatud mikrokiipidesse, niinimetatud integraallülitustesse (IC), mis sisaldavad aktiivseid ja passiivseid komponente, kaableid ja transistorid - pisikesed elektroonilised lülitid ja väikseim funktsionaalne üksus arvutis.

Miks ei saa transistorid väiksemaks saada?

Transistor töötab nagu lüliti: ta kasutab oleku tähistamiseks pingepotentsiaale - kas 0 või 1, väikseim binaarseade arvutis, nn bit. Transistorid on omavahel ühendatud, et luua loogikaväravad. Need loogikaväravad võivad omavahel kokku viia kõige lihtsamad aritmeetika- ja salvestustoimingud. Nendest lihtsatest vooluringidest piisab väga keerukate rakenduste rakendamiseks, mida tänapäevased kaasaegsed arvutid suudavad saavutada.

Suurema jõudluse saavutamiseks on arvutitehnoloogiat aastakümnete jooksul miniaturiseeritud. Tänapäeval on transistorid kujuteldamatult väikesed vaid 10 nanomeetri juures - kahe kuni kahe sentimeetri suurusele kiibile mahub 18 miljardit transistorit.

Kuid nüüd on miniaturiseerimisel saavutatud füüsiline piir. Ühest küljest ei piisa praegustest ultraviolettvalgust kasutavatest tootmismeetoditest veelgi väiksemate transistoride tootmiseks. Ja teisest küljest, ainult väheste aatomitega suurusega transistoridel on kummalised füüsikalised tingimused, mis meie arvates ei tohiks olla võimalikud: Ehkki transistori füüsiline barjäär võib takistada elektronide progresseerumist, teevad nad seda väikeses mõõtkavas tõkkest mööduda. Seda tunneliefekti nimetatakse ka kvantmehaaniliseks efektiks ja see takistab klassikaliste arvutite edasist miniaturiseerimist.

Kuid teadlased soovivad seda efekti ära kasutada niinimetatud kvantarvutite väljatöötamiseks.

Kuidas kvantarvuti töötab?

Kvantarvutites pole väikseim teabeühik mitte bit, vaid kvantbit ehk lühikese kiirusega bitti. Klassikalisel bitil on selgelt määratletud olek 1 või 0. Qubit tunneb ka olekuid 1 ja 0, kuid erinevalt tavapärasest bitist on qubitil mõlemad olekud korraga, seega pole see piiratud ühe olekuga. Seda omadust nimetatakse superpositsiooniks.

Ja siin läheb see põnevaks: superpositsiooni olekut säilitatakse ainult seni, kuni qubitit ei järgita. Kuid hetkel, mil kvitside olek on kindlaks määratud, võtab see kindla tõenäosusega selgelt määratletud oleku - 1 või 0.

Siin on selge ka kvantarvutite arvutusvõimsus: Klassikalises arvutis saab ühe bitiga esitada neli erinevat kombinatsiooni (00, 11, 10, 01), mille seast saab valida - kuid kvbitiga saab kõiki nelja kombinatsiooni kasutada samaaegselt saada. Lisaks võimaldab nende superpositsioon kviteerida paralleelseid aritmeetilisi operatsioone - ja iga täiendav kvbit korrutab eksponentsiaalselt.

Kvantarvutite teine tähelepanuväärne omadus on takerdumine. Kahel omavahel läbi põimunud vuttil on omavaheline seos - sõltumata nende kaugusest. Isegi tuhandete kilomeetrite jooksul eeldab qubit oma takerdunud qubit'i olekut ilma igasuguse viivituseta.

Kuidas kvantarvuti arvutatakse?

Nagu juba kirjeldatud, kasutavad klassikalised arvutid arvutuste tegemiseks loogikaväravaid. Niinimetatud kvantväravaid kasutatakse kvantarvutites ja kuigi need väravad erinevad üksteisest tohutult, saab läbi viia samu aritmeetilisi operatsioone - murrangulise erinevusega, et kvantarvuti saab neid arvutusi üheaegselt läbi viia.

Mida saab teha kvantarvuti

Krüptimine: see võime võib tegelikult ohustada meie IT-turvalisust, eriti praeguste krüptograafiliste krüptimismeetodite puhul. Peamine faktoriseerimine on tavaline krüptimine ja seda peetakse väga turvaliseks. Arv luuakse mitu algarvu korrutades. Algsete algarvude taastamiseks kuluks praegustel arvutitel 100 000 aastat. Kuna kvantarvutid saavad paralleelselt teostada aritmeetikaoperatsioone, siis suudaksid nad selle krüptimise mõne minuti jooksul nn Shor-algoritmi abil lahti muukida. See hõlmaks e-kaubandusplatvormide krüptimist, pilvepakkumisi, e-pangandust, Interneti-süsteeme ja kõike muud, mida Internetis krüpteeritud kujul edastatakse.

Hea uudis on see, et kvantarvutid võimaldavad ka uut tüüpi krüpteerimist - kvantkrüptograafiat. Sellest hoolimata hoiatavad turbeeksperdid juba täna, et mõtleksid tulevikus võimalike kvantarvutite üle - eriti tundlike andmetega, mida on aastakümneid hoitud, näiteks pangaandmetega, on oht, et kvantarvutite tulek purustab vana krüptimise kiiresti.

Andmebaasid: Teine kvantarvutite rakendus on otsing hiiglaslikest andmebaasidest Groveri algoritmi abil. Samal ajal kui klassikaline arvuti otsib andmebaasi sisestust kande kaupa, saab kvantarvuti skannida kirjed selle superpositsiooni tõttu palju kiiremini.

Simulatsioonid: Kvanttehnoloogiast saavad kasu isegi väga keerulised simulatsioonid, näiteks kvanttehnoloogia enda või keerukate molekulaarstruktuuride simulatsioonid, kuna tavalised arvutid saavutavad siin oma piirid.

Tehnoloogia selgitas lühidalt

Einsteini lifti arendamine

Milline on kvantarvutite hetkeseis?

Nii teadusasutused kui ka ettevõtted ehitavad praegu kvantarvuteid, ehkki siiani kasutatakse täiesti erinevaid arhitektuure. Google ja IBM ehitavad eraldi ülijuhtivatel ribareaktoritel põhineva kvantarvuti. Kbit on mikrolaine ostsillaatori elektronpilv. See jahutatakse 15 millikilvini, mis on nullilähedane. Josephsoni kontakt pakub kvanttunneldamise võimalust ja ostsillaatori sageduse reguleerimisega saab kvite omavahel siduda ja kasutada kvantväravaid.

Eelmisel aastal tekitas Google sensatsiooni, tutvustades oma esimest kvantarvutit, mis tegi minutitega arvutuse, mille järgi traditsiooniliste arvutite tegemiseks kulus tegelikult 10 000 aastat. See arvutus viidi läbi 53 kvestit. Järgmise sammuna soovib Google juurutada kiibi, millel on 1000 vatti - siiski pole vuttide arv ainus määrav tegur arvutusvõimsuse jaoks, vutid peavad olema ka kvaliteetsed, et tekiks madal veamäär.

Seda, kui oluliseks kvantarvutid meie tuleviku jaoks saavad, ei saa praegu veel öelda. Kvantarvuti uuringud on alles algusjärgus. On ebatõenäoline, et need asendavad meie klassikalisi arvuteid, kuid millises suunas areng toimub ja milline saab olema järgmine kvanthüpe - selles kontekstis Januse sõna, sest füüsiline kvanthüpe on midagi pisikest ja väikest - pole kindel.