No Image

квантовый компьютер

12 просмотров
04 декабря 2023

Квантовый компьютер, устройство, использующее свойства, описываемые квантовой механикой, для улучшения вычислений.

Еще в 1959 году американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что, когда электронные компоненты начинают достигать микроскопических масштабов, возникают эффекты, предсказанные квантовой механикой, которые, по его мнению, могут быть использованы при создании более мощных компьютеров. В частности, исследователи квантовых технологий надеются использовать явление, известное как суперпозиция. В квантово-механическом мире объекты не обязательно имеют четко определенные состояния, как показал знаменитый эксперимент, в котором одиночный фотон света, проходящий через экран с двумя маленькими щелями, создает волнообразную интерференционную картину, или суперпозицию всех доступных путей. (Однако, когда одна из щелей закрывается — или используется детектор для определения того, через какую щель прошел фотон, — интерференционная картина исчезает. Таким образом, квантовая система «существует» во всех возможных состояниях до того, как измерение «свернет» систему в одно состояние. Использование этого явления в компьютере обещает значительно расширить вычислительные возможности. Традиционный цифровой компьютер использует двоичные цифры, или биты, которые могут находиться в одном из двух состояний, представленных как 0 и 1; таким образом, например, 4-битный компьютерный регистр может хранить любое из 16 (24) возможных чисел. В отличие от этого, квантовый бит (кубит) существует в волнообразной суперпозиции значений от 0 до 1; таким образом, например, 4-кубитный компьютерный регистр может хранить 16 различных чисел одновременно. Теоретически, квантовый компьютер может работать с числом g

В 1980-90-е годы теория квантовых компьютеров значительно продвинулась вперед по сравнению с ранними предположениями Фейнмана. В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета описал конструкцию квантовых логических вентилей для универсального квантового компьютера, а в 1994 году Питер Шор из AT&T разработал алгоритм факторизации чисел с помощью квантового компьютера, для которого потребуется всего шесть кубитов (хотя для факторизации больших чисел за разумное время потребуется гораздо больше кубитов). Когда будет создан практический квантовый компьютер, он сломает существующие схемы шифрования, основанные на перемножении двух больших простых чисел; в качестве компенсации квантово-механические эффекты предлагают новый метод безопасной коммуникации, известный как квантовое шифрование. Однако создать полезный квантовый компьютер оказалось непросто. Хотя потенциал квантовых компьютеров огромен, требования к ним столь же строги. Квантовый компьютер должен поддерживать когерентность между своими кубитами (известную как квантовая запутанность) достаточно долго для выполнения алгоритма; из-за почти неизбежного взаимодействия с окружающей средой (декогеренция) необходимо разработать практические методы обнаружения и исправления ошибок; и, наконец, поскольку измерение квантовой системы нарушает ее состояние, необходимо разработать надежные методы извлечения информации.

Были предложены планы создания квантовых компьютеров; хотя некоторые из них демонстрируют фундаментальные принципы, ни один из них не вышел за рамки экспериментальной стадии. Ниже представлены три наиболее перспективных подхода: ядерный магнитный резонанс (ЯМР), ионные ловушки и квантовые точки.

В 1998 году Айзек Чуанг из Лос-Аламосской национальной лаборатории, Нил Гершенфельд из Массачусетского технологического института (MIT) и Марк Кубинец из Калифорнийского университета в Беркли создали первый квантовый компьютер (2-кбит), в который можно было загружать данные и выдавать решение. Хотя их система была когерентна всего несколько наносекунд и тривиальна с точки зрения решения значимых задач, она продемонстрировала принципы квантовых вычислений. Вместо того чтобы пытаться выделить несколько субатомных частиц, они растворили большое количество молекул хлороформа (CHCL3) в воде при комнатной температуре и приложили магнитное поле для ориентации спинов ядер углерода и водорода в хлороформе. (Поскольку обычный углерод не имеет магнитного спина, в их решении использовался изотоп углерода-13). Спин, параллельный внешнему магнитному полю, можно было интерпретировать как 1, а антипараллельный — как 0, а ядра водорода и углерода-13 можно было рассматривать как двухкбитную систему. В дополнение к внешнему магнитному полю были приложены радиочастотные импульсы, чтобы заставить спиновые состояния «перевернуться», создавая таким образом наложенные параллельные и антипараллельные состояния. Дальнейшие импульсы применялись для выполнения простого алгоритма и исследования конечного состояния системы. Этот тип квантового компьютера можно расширить, используя молекулы с более индивидуально адресуемыми ядрами. Так, в марте 2000 года Эмануэль Книлл, Раймонд Лафламме и Руди Мартинес из Лос-Аламоса и Чинг…

Всего за неделю до объявления о создании 7-кубитного квантового компьютера физик Дэвид Вайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий США (NIST) объявили о создании 4-кубитного квантового компьютера, запутав четыре ионизированных атома бериллия с помощью электромагнитной «ловушки». После того как ионы были заключены в линейную ловушку, лазер охладил частицы почти до абсолютного нуля и синхронизировал их спиновые состояния. Наконец, лазер использовался для запутывания частиц, создавая суперпозицию состояний «спин вверх» и «спин вниз» одновременно для всех четырех ионов. И снова этот подход продемонстрировал основные принципы квантовых вычислений, но масштабирование методики до практических размеров остается проблематичным.

Квантовые компьютеры, основанные на полупроводниковой технологии, — еще одна возможность. В общем случае дискретное число свободных электронов (кубитов) находится в очень маленьких областях, известных как квантовые точки, и в одном из двух спиновых состояний, интерпретируемых как 0 и 1. Несмотря на склонность к декогеренции, такие квантовые компьютеры основаны на хорошо известных твердотельных технологиях и открывают перспективу легкого применения технологии «масштабирования» интегральных схем. Кроме того, большие ансамбли идентичных квантовых точек потенциально могут быть изготовлены на одном кремниевом чипе. Чип работает во внешнем магнитном поле, которое управляет спиновыми состояниями электронов, в то время как соседние электроны слабо связаны (запутаны) через квантово-механические эффекты. Массив наложенных проволочных электродов позволяет обращаться к отдельным квантовым точкам, выполнять алгоритмы и выводить результаты. Такая система обязательно должна работать при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать декогеренцию окружающей среды, но она обладает потенциалом для включения очень большого количества кубитов.

Комментировать
12 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев