Utmaningen med kvantberäkning

Innehåll

• Quantum Reality
• Att göra en kvantbit
• Inga buggar, ingen stress - din steg-för-steg-guide för att skapa livsförändrad programvara utan att förstöra ditt liv
• Hur nära är vi?
• Slutsats

Källa: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Hämtmat:

Titta närmare på kvantberäkning, hur det fungerar och dess framtida potential.

"Om du tror att du förstår kvantfysik förstår du inte kvantfysik." Det citatet tillskrivs fysikern Richard Feynman, men det är oklart om han faktiskt sa det. Här är ett mer pålitligt Feynman-citat från en publikation från MIT från 1995: "Jag tror att jag säkert kan säga att ingen förstår kvantmekanik."

Quantum Reality

Nu när vi har fått det ur vägen, låt oss se om det finns något vi vet. Kvantmekanik är konstig. De små partiklarna på kvantnivå beter sig inte som förväntat. Det är annorlunda där.

Galen saker händer i kvanteuniverset. Det finns den iboende slumpmässigheten, osäkerheten, förvirringen. Allt verkar lite.

Vi vet nu att atomer och subatomära partiklar fungerar som om de är anslutna. Einstein kallade kvantförvirring "spöklik handling på avstånd." Föreställ dig två objekt som är fysiskt isär men de uppför sig på samma sätt, de har samma egenskaper och de fungerar som ett. Föreställ dig nu att dessa två objekt är 100 000 ljusår från varandra. Konstigt verkligen.

Det finns mer. Osäkerhetsprincipen i kvantmekanik säger att vissa egenskaper hos partiklar bara inte kan kännas. Lägg till det problemet med decoherence, som har något att göra med vågfunktionens kollaps. Och versioner av dubbelslitsexperimentet tycks antyda att ett kvantobjekt kan vara på två platser samtidigt, att observation förändrar arten av subatomära partiklar eller att elektroner verkar ha rest tillbaka i tiden.

Nu ser du varför det kan vara en sådan utmaning att bygga en kvantdator. Men det hindrar inte människor från att försöka. (För mer information om kvantberäkning, se Varför kvantberäkning kan vara nästa sväng på Big Data Highway.)

Att göra en kvantbit

Problemet med osäkerhet är att det gör beräkningen svår. Målet är alltid i rörelse. Och även om du utvecklar något matematiskt system, hur korrigerar du för fel? Och du tyckte att binär var svårt.

”En kvbit är ett kvantmekaniskt system som under vissa lämpliga omständigheter kan behandlas som att det bara har två kvantnivåer,” säger professor Andrea Morello vid University of New South Wales i Australien. "Och när du väl har det så kan du använda den för att koda kvantinformation."

Inga buggar, ingen stress - din steg-för-steg-guide för att skapa livsförändrad programvara utan att förstöra ditt liv

Du kan inte förbättra dina programmeringsfärdigheter när ingen bryr sig om mjukvarukvalitet.

Lättare sagt än gjort. Nuvarande kvantdatorer är inte särskilt kraftfulla än. De försöker fortfarande att få byggstenarna rätt.

En kvantbit, även känd som en qubit, har exponentiellt mer potential än den klassiska biten i binär digital databehandling. En elementär partikel kan vara i flera tillstånd samtidigt, en kvalitet som kallas superposition. Medan en klassisk bit kan vara i endera av två tillstånd (en eller noll), kan en qubit vara i båda dessa positioner samtidigt.

Tänk på ett mynt. Den har två sidor: huvud eller svansar. Ett mynt är binärt. Men föreställ dig att du vänder myntet i luften och det fortsätter att vända på obestämd tid. Även om det vänder, är det huvudet eller är det svansar? Vad blir det om det någonsin skulle landa? Hur kan du kvantifiera det vända myntet? Det är ett svagt försök att illustrera superposition.

Så hur gör du en kvbit? Tja, om kvantefysiker inte förstår kvantmekanik, skulle vi knappast kunna hantera en tillräcklig förklaring här. Låt oss nöja oss med en kort lista över tekniker som testas för att skapa qubits:

• Superledande kretsar
• Snurr qubits
• Jonfällor
• Fotoniska kretsar
• Topologiska flätor

De mest populära av dessa är de två första. De andra är ämnen för universitetsforskning. I den första tekniken är superledare superkylda för att eliminera elektromagnetisk störning. Men sammanhängningstiderna är relativt korta och saker går sönder. Professor Morello arbetar med spinntekniken. Kvantpartiklar har elektrisk laddning, precis som magneter. Genom att sätta in mikrovågsimpulser kan han få en elektron att snurra upp snarare än ner och därmed skapa en enelektronstransistor.

Då återstår frågan om feltolerans och felkorrigering. Forskare vid University of California, Santa Barbara har lyckats nå 99,4 procent trovärdighet med sina qubitportar. De har uppnått 99,9 procent gate-trohet vid University of Oxford. Så är vi där ännu?

Hur nära är vi?

Edwin Cartlidge ställer denna fråga i en artikel i oktober 2016 för Optics & Photonics News. En varning från ETSI 2015 om att organisationer bör byta till ”kvantesäker” krypteringstekniker bör säga att något är i horisonten.

Google, Microsoft, Intel och IBM är alla med i spelet. En av trösklarna som Google strävar efter är något de har benämnt ”kvantöverträffelse.” Det används för att beskriva den punkt där en kvantdator gör något som en klassisk dator inte kan.

IBM planerar att lansera en "universal" kvantdator 2017, enligt David Castelvecchi i Scientific American. Döpt "IBM Q", det kommer att vara en molnbaserad tjänst tillgänglig över internet mot en avgift. Du kan få en smakprov på vad de arbetar med genom att prova sin Quantum Experience, nu tillgänglig online. Men Castelvecchi säger att ingen av dessa ansträngningar är kraftfullare än konventionella datorer - ännu. Kvantens överhöghet har ännu inte fastställts.

Som Techopedia rapporterade 2013 har Google många applikationer för en mogen kvantdator, en gång utvecklad. Microsoft arbetar med topologisk kvantberäkning. Flera nystartade fartar upp och mycket arbete görs på fältet. Men vissa experter varnar för att maträtten kanske inte är helt kokt ännu. "Jag gör inga pressmeddelanden om framtiden", säger Rainer Blatt vid universitetet i Innsbruck i Österrike. Och fysiker David Wineland säger: "Jag är optimistisk på lång sikt, men vad" lång sikt "betyder, vet jag inte." (Se 5 coola saker Googles Quantum Computer Could Do.)

Även när kvantberäkningsöverlägsenhet uppnås, leta inte efter den för att ersätta din bärbara dator när som helst snart. Kvantdatorer, som deras binära motsvarigheter under de första dagarna, kan bara vara specialiserade enheter som är dedikerade till specifika ändamål. En av de mest användbara användningarna skulle vara att ha en kvantdatasimulering av kvantmekanik. Bortsett från intensiva datoroperationer som väderprognoser kan användning av kvantberäkning vara centraliserad och begränsad till molnet. Naturligtvis kan det vara den perfekta platsen för det.

Slutsats

Professor Morello identifierade tydligt den främsta utmaningen med kvantberäkning. Innan du kan börja koda information måste du kunna fastställa två separata kvantnivåer med qubit. När det har uppnåtts ger kvantberäkning "tillgång till ett exponentiellt större beräkningsutrymme" än en klassisk dator. En kvantdator, till exempel, med 300 qubits (N qubits = 2^N klassiska bitar) skulle kunna behandla fler informationsbitar än det finns partiklar i universum.

Det är många bitar. Men att ta sig härifrån och ta kommer att göra lite.