Serie af gennembrud inden for kvanteberegning
En almindelig computer, som nu omtales som en klassisk eller traditionel computer, arbejder på grundbegrebet 0'er og 1'er (nuller og enere). Når vi spørger computer for at udføre en opgave for os, for eksempel en matematisk beregning eller booking af en aftale eller andet relateret til dagligdagen, denne opgave på det givne tidspunkt konverteres (eller oversættes) til en streng af 0'er og 1'ere (som så kaldes input), dette input behandles af en algoritme (defineret som et sæt regler, der skal følges for at udføre en opgave på en computer). Efter denne bearbejdning returneres en ny streng på 0'er og 1'ere (kaldet output), og denne koder for det forventede resultat og oversættes tilbage til enklere brugervenlig information som et "svar" på, hvad brugeren ønskede, at computeren skulle gøre. Det er fascinerende, at uanset hvor smart eller klog algoritmen kan forekomme, og hvad end opgavens sværhedsgrad kan være, gør en computeralgoritme kun denne ene ting – at manipulere en række af bits – hvor hver bit er enten 0 eller 1. Manipulationen sker på computeren (i softwareenden) og på maskinniveauet er dette repræsenteret af computerens bundkort (på computerens bundkort). I hardwareterminologi, når strøm passerer gennem disse elektriske kredsløb, er den lukket og er åben, når der ikke er strøm.
Klassisk vs Quantum computer
Derfor er en bit i klassiske computere et enkelt stykke information, som kan eksistere i to mulige tilstande – 0 eller 1. Men hvis vi taler om kvante computere, bruger de normalt kvantebits (også kaldet 'qubits'). Disse er kvantesystemer med to tilstande, men i modsætning til den sædvanlige bit (lagret som 0 eller 1), kan qubits lagre meget mere information og kan eksistere i enhver antagelse om disse værdier. For at forklare på en bedre måde kan en qubit opfattes som værende en imaginær sfære, hvor qubit kan være et hvilket som helst punkt på sfæren. Det kan siges, at kvanteberegning udnytter subatomære partiklers evne til at eksistere i mere end én tilstand på et givet tidspunkt og stadig være gensidigt udelukkende. På den anden side kan en klassisk bit kun være i to tilstande - f.eks. for enden af to poler af kuglen. I det almindelige liv er vi ikke i stand til at se denne 'superposition', fordi når et system først ses i sin helhed, forsvinder disse superpositioner, og det er grunden til, at forståelsen af sådanne superpositioner er uklar.
Hvad dette betyder for computerne er, at kvantecomputere, der bruger qubits, kan gemme en enorm mængde information ved at bruge mindre energi end en klassisk computer, og dermed kan operationer eller beregninger relativt udføres meget hurtigere på en kvantecomputer. Så en klassisk computer kan tage et 0 eller 1, to bits i denne computer kan være i fire mulige tilstande (00, 01, 10 eller 11), men kun én tilstand er repræsenteret på et givet tidspunkt. En kvantecomputer på den anden side arbejder med partikler, der kan være i superposition, hvilket tillader to qubits at repræsentere de nøjagtige de samme fire tilstande på samme tid på grund af egenskaben ved superposition, der frigør computerne fra 'binær begrænsning'. Dette kan svare til, at fire computere kører samtidigt, og hvis vi tilføjer disse qubits, vokser kvantecomputerens kraft eksponentielt. Kvantecomputere drager også fordel af en anden egenskab ved kvantefysikken kaldet 'kvantesammenfiltring', defineret af Albert Einstein. Entanglement er en egenskab, som tillader kvantepartikler at forbinde og kommunikere uanset deres placering i univers så ændring af den enes tilstand øjeblikkeligt kan påvirke den anden. De dobbelte muligheder "superposition" og "sammenfiltring" er i princippet ret kraftfulde. Derfor er det utænkeligt, hvad en kvantecomputer kan opnå i forhold til klassiske computere. Det hele lyder meget spændende og ligetil, men der er et problem i dette scenarie. Hvis en kvantecomputer tager qubits (overlejrede bits) som input, vil dens output også være i en kvantetilstand, dvs. et output med overlejrede bits, som også kan blive ved med at ændre sig afhængigt af, hvilken tilstand den er i. Denne form for output gør' Det giver os virkelig mulighed for at modtage al information, og derfor er den største udfordring i kvanteberegningskunsten at finde måder at få så meget information fra dette kvanteoutput.
Kvantecomputer vil være her!
Kvantecomputere kan defineres som kraftfulde maskiner, baseret på kvantemekanikkens principper, der tager en helt ny tilgang til behandling af information. De søger at udforske komplekse naturlove, der altid har eksisteret, men som normalt har forblevet skjulte. Hvis sådanne naturfænomener kan udforskes, kan kvantecomputere køre nye typer algoritmer til at behandle information, og dette kan føre til innovative gennembrud inden for materialevidenskab, lægemiddelopdagelse, robotteknologi og kunstig intelligens. Ideen om en kvantecomputer blev foreslået af den amerikanske teoretiske fysiker Richard Feynman helt tilbage i 1982. Og i dag arbejder teknologivirksomheder (såsom IBM, Microsoft, Google, Intel) og akademiske institutioner (som MIT og Princeton University) med kvante. computerprototyper for at skabe en almindelig kvantecomputer. International Business Machines Corp. (IBM) har for nylig sagt, at dets forskere har bygget en kraftfuld kvantecomputerplatform, og den kan gøres tilgængelig for adgang, men bemærker, at det ikke er nok til at udføre de fleste af opgaverne. De siger, at en 50-qubit prototype, som i øjeblikket er under udvikling, kan løse mange problemer, som klassiske computere gør i dag, og i fremtiden ville 50-100 qubit-computere stort set udfylde hullet, dvs. en kvantecomputer med blot et par hundrede qubits ville være i stand til at udføre flere beregninger samtidigt, end der er atomer i det kendte univers. Realistisk set er vejen til, hvor en kvantecomputer faktisk kan udkonkurrere en klassisk computer på svære opgaver, fyldt med vanskeligheder og udfordringer. For nylig har Intel erklæret, at virksomhedens nye 49-bit kvantecomputer repræsenterede et skridt mod denne "kvanteoverherredømme", i et stort fremskridt for firmaet, der havde demonstreret et 17-bit kvantesystem for kun 2 måneder siden. Deres prioritet er at blive ved med at udvide projektet, baseret på forståelsen af, at udvidelse af antallet af qubits er nøglen til at skabe kvantecomputere, der kan levere resultater i den virkelige verden.
Materiale er nøglen til at bygge en kvantecomputer
Materialet silicium har været en integreret del af databehandling i årtier, fordi dets nøglesæt af muligheder gør det velegnet til generel (eller klassisk) databehandling. Men hvad angår kvanteberegning, er siliciumbaserede løsninger ikke blevet vedtaget hovedsageligt af to årsager, for det første er det vanskeligt at kontrollere qubits fremstillet på silicium, og for det andet er det stadig uklart, om silicium-qubits kan skaleres lige så godt som andre løsninger. I et stort fremskridt har Intel for ganske nylig udviklet sig1 en ny type qubit kendt som en 'spin qubit', som er produceret på konventionelt silicium. Spin-qubits ligner meget halvlederelektronik, og de leverer deres kvantekraft ved at udnytte spindet af en enkelt elektron på en siliciumenhed og kontrollere bevægelsen med små mikrobølgeimpulser. To store fordele, som førte til, at Intel bevægede sig i denne retning, er, for det første, at Intel som virksomhed allerede er stærkt investeret i siliciumindustrien og har dermed den rette ekspertise inden for silicium. For det andet er silicium-qubits mere gavnlige, fordi de er mindre end konventionelle qubits, og de forventes at holde sammenhæng i længere tid. Dette er af største betydning, når kvantecomputersystemer skal skaleres op (f.eks. går fra 100-qubit til 200-qubit). Intel tester denne prototype, og virksomheden forventer at producere chips med tusindvis af små qubit-arrays, og en sådan produktion kan, når den udføres i bulk, være meget god til at opskalere kvantecomputere og kan være en rigtig gamechanger.
I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskab, er et nydesignet mønster til fotoniske krystaller (dvs. et krystaldesign implementeret på en fotonisk chip) blevet udviklet af et team ved University of Maryland, USA, som de hævder vil gøre kvantecomputere mere tilgængelige2. Disse fotoner er den mindste mængde lys, der er kendt, og disse krystaller var forankret med huller, som får lyset til at interagere. Forskellige hulmønstre ændrer den måde, lyset bøjer og hopper gennem krystallen, og her blev der lavet tusindvis af trekantede huller. En sådan brug af enkelte fotoner er vigtig for processen med at skabe kvantecomputere, fordi computerne så vil have evnen til at beregne store tal og kemiske reaktioner, som nuværende computere ikke er i stand til at udføre. Chippens design gør det muligt at overføre fotoner mellem kvantecomputere uden tab. Dette tab er også blevet betragtet som en stor udfordring for kvantecomputere, og derfor tager denne chip sig af problemet og muliggør en effektiv rute af kvante information fra et system til et andet.
Fremtid
Kvantecomputere lover at køre beregninger meget ud over enhver konventionel supercomputer. De har potentialet til at revolutionere opdagelsen af nye materialer ved at gøre det muligt at simulere stoffets adfærd ned til atomniveau. Det opbygger også håb for kunstig intelligens og robotteknologi ved at behandle data hurtigere og mere effektivt. Levering af et kommercielt levedygtigt kvantecomputersystem kan udføres af enhver af større organisationer i de kommende år, da denne forskning stadig er åben og et fair spil for alle. Store meddelelser forventes i løbet af de kommende fem til syv år, og ideelt set med den række af fremskridt, der gøres, bør tekniske problemer løses, og en 1 million eller flere qubits kvantecomputer skulle være en realitet.
***
Kilde (r)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicium vinder frem i quantum-computing race. Natur. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. En topologisk kvanteoptik-grænseflade. Videnskab. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
***
