Πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές; - Απλά εξηγείται

Σήμερα, οι επιστήμονες εργάζονται συνεχώς σε κβαντικούς υπολογιστές. Η IBM ξεκίνησε πρόσφατα τον πρώτο κβαντικό υπολογιστή. Εξηγούμε πώς αυτές δουλεύουν εδώ.

Κβαντικοί υπολογιστές: Αυτό λέγεται qubits

Τα λεγόμενα qubits χρησιμοποιούνται σε έναν κβαντικό υπολογιστή.

• Τα κανονικά κομμάτια στον υπολογιστή μπορούν να λάβουν μόνο δύο διαφορετικές τιμές: 0 και 1 ή "on" και "off". Ωστόσο, ένα qubit μπορεί να βρίσκεται σε μια ενδιάμεση κατάσταση μηδέν και μία για ορισμένο χρονικό διάστημα, τον επονομαζόμενο χρόνο συνοχής.
• Σε αυτή την κατάσταση, οι επιστήμονες μιλάνε για μια υπερβολή . Μέσω μιας μέτρησης, το qubit αλλάζει στη συνέχεια σε μία από τις δύο σαφώς καθορισμένες καταστάσεις, έτσι ώστε το αποτέλεσμα της μέτρησης να μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα κλασικό bit. Από τεχνική άποψη, η απώλεια της υπέρθεσης ονομάζεται αποκάλυψη .
• Στο εργαστήριο, τέτοιες qubits είναι κατασκευασμένα από ιόντα ή υπεραγώγιμα βρόχους, τα λεγόμενα SQUIDs .
• Όταν δουλεύουμε με ιόντα, ένα μη εξουδετερωμένο ιόν αντιστοιχεί στην κατάσταση 0 και ένα διεγερμένο σε κατάσταση 1. Ένα άτομο με τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια λέγεται ότι είναι μη εξουδετερωμένο. Ωστόσο, αν προσθέσετε ενέργεια σε ένα άτομο, είναι ενθουσιασμένη επειδή τα εξωτερικά ηλεκτρόνια φθάνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Τα ιόντα μπορούν να διεγερθούν με ένα λέιζερ.

Κβαντικά μητρώα - πρέπει να το ξέρετε

Αρκετά qubits είναι απαραίτητα για την επίλυση αριθμητικών πράξεων. Κάποιος μιλάει για ένα λεγόμενο κβαντικό μητρώο. Οι πληροφορίες κατανέμονται στη συνέχεια σε όλα τα qubits ενός μητρώου.

• Ένας τέτοιος κβαντικός καταχωρητής συνήθως αποτελείται από 14 ιόντα που αποθηκεύονται κατά μήκος ενός άξονα σε απόσταση λίγων μικρομέτρων. Είναι σημαντικό αυτά τα qubits να είναι εύκολα χειραγωγικά, αλλά είναι επίσης άνακτα από παρεμβολές.
• Αυτό σημαίνει ότι οι qubits πρέπει να παραμείνουν στις αντίστοιχες καταστάσεις τους όσο το δυνατόν περισσότερο μέχρι να πραγματοποιηθεί η αριθμητική πράξη. Η αποδιοργάνωση, δηλ. Η πτώση σε κλασική κατάσταση, πρέπει να καθυστερήσει όσο το δυνατόν περισσότερο.
• Οι λογικοί χειριστές χρησιμοποιούνται για τον χειρισμό των καταστάσεων, οι οποίες χρησιμοποιούνται ήδη στην επιστήμη των υπολογιστών. Στους κβαντικούς υπολογιστές, αυτοί οι χειριστές ονομάζονται κβαντικές πύλες . Αυτά είναι καθοριστικά για τη διάρκεια της ακτινοβολίας και για το μήκος κύματος του φωτός.
• Η απλούστερη λειτουργία είναι η άρνηση, που ονομάζεται ΔΕΝ . Η κατάσταση ενός qubit απλά αναστρέφεται ή αναιρείται. Στο δυαδικό σύστημα, το 0 θα γίνει 1 και το αντίστροφο. Αυτό το κτύπημα συμβαίνει πολύ γρήγορα και πολύ συχνά διαδοχικά και ακολουθεί τον αλγόριθμο του προγράμματος.
• Για τον προσδιορισμό της αρχικής κατάστασης ενός κβαντικού πλέγματος, ακτινοβολείται με παλμούς λέιζερ. Το μήκος της ακτινοβολίας μπορεί να καθορίσει την πιθανότητα με την οποία ένα άτομο είναι σε διεγερμένη κατάσταση.
• Μετά από περίπου δέκα μικροδευτερόλεπτα ακτινοβολίας, ένα ιόν που αρχικά δεν διεγείρεται είναι σε διεγερμένη κατάσταση. Ωστόσο, εάν αυτό το άτομο ακτινοβοληθεί μόνο για μισό χρόνο, θα βρίσκεται σε αυτή την ενδιάμεση κατάσταση, καθώς είναι 50% πιθανότερο να είναι στην αρχική κατάσταση και 50% πιθανότερο να είναι στην κατάσταση διέγερσης.
• Για να διαβάσει το αποτέλεσμα μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου, ένας άλλος παλμός λέιζερ με διαφορετικό μήκος κύματος εκτοξεύεται στα ιόντα. Ο φθορισμός υποδεικνύει αν είναι ενθουσιασμένοι ή όχι. Ο υπολογιστής μπορεί στη συνέχεια να καθορίσει τις σωστές τιμές.

Κβαντικοί υπολογιστές: η σημερινή κατάσταση της τέχνης

Στην έκθεση ηλεκτρονικών ειδών στο Λας Βέγκας, η IBM παρουσίασε τον πρώτο της κβαντικό υπολογιστή έτοιμο για την αγορά φέτος.

• Σε σύγκριση με τα προηγούμενα μοντέλα, το IBM Q Systems One ήδη υπολογίζει με 20 qubits, το οποίο είναι ένα κριτήριο για έναν σωστά λειτουργούντα κβαντικό υπολογιστή. Σύμφωνα με την IBM, κατάφερε να κρατήσει 20 qubits στην προετοιμασμένη κατάσταση για 75 μικροδευτερόλεπτα.
• Ένας κβαντικός υπολογιστής με 50 qubits θα πρέπει να μπορεί να τοποθετήσει οποιοδήποτε κλασικό υπερυπολογιστή στην τσέπη του.
• Το IBM Q Systems One - ένα γυάλινο κιβώτιο μήκους και πλάτους δυόμισι μέτρων δεν πρέπει να προσφέρεται προς πώληση. Αντ 'αυτού, οι επιλεγμένοι χρήστες μπορούν να έχουν πρόσβαση από το σύννεφο και να πραγματοποιήσουν υπολογισμούς.

Από έναν κβαντικό υπολογιστή σε μια κάρτα διάτρησης: Αυτό ήταν που έμοιαζε ο πρώτος υπολογιστής

Στην επόμενη πρακτική συμβουλή, θα σας δείξουμε πώς μπορείτε να μετατρέψετε σωστά δυαδικούς και δεκαεξαδικούς αριθμούς.