Dela via

Vad är kvantberäkning?

Kvantberäkning har löftet att lösa några av vår planets största utmaningar – inom områdena miljö, jordbruk, hälsa, energi, klimat, materialvetenskap med mera. För vissa av dessa problem utmanas klassisk databehandling alltmer i takt med att systemets storlek växer. När de är utformade för skalning har kvantsystem sannolikt funktioner som överskrider dagens mest kraftfulla superdatorer.

Den här artikeln förklarar principerna för kvantberäkning, hur den jämförs med klassisk databehandling och hur den använder principerna för kvantmekanik.

Historik över kvantberäkning

Kvantsystem, till exempel atomer och molekyler, kan vara svåra eller omöjliga att simulera på en klassisk dator. På 1980-talet föreslog Richard Feynman och Yuri Manin att maskinvara baserad på kvantfenomen kan vara mer effektiv för simulering av kvantsystem än konventionella datorer.

Det finns flera orsaker till varför kvantsystem är svåra att simulera på vanliga datorer. En huvudorsak är att frågan på kvantnivå beskrivs som en kombination av flera konfigurationer (kallas tillstånd) samtidigt.

Kvanttillstånd växer exponentiellt

Tänk dig ett system med partiklar och 40 möjliga platser där dessa partiklar kan finnas. Systemet kan vara i något av $2^{40}$ unika tillstånd eftersom varje plats antingen kan ha eller inte har en partikel. Om dessa är klassiska partiklar är systemet alltid bara i ett av $2^{40}$ tillstånd, så en klassisk dator behöver bara 40 bitar för att beskriva systemets tillstånd. Men om dessa är kvantpartiklar finns systemet i en kombination av alla $2^{40}$ tillstånd. En klassisk dator måste lagra $2^{40}$ siffror för att beskriva kvantsystemet, vilket kräver över 130 GB minne. En kvantdator behöver dock bara 40 kvantbitar för att beskriva det här kvantsystemet.

Om vi lägger till en annan plats i systemet så att elektronerna kan finnas på 41 platser, fördubblas antalet unika konfigurationer i systemet till $2^{41}$. Det skulle krävas mer än 260 GB minne för att lagra kvanttillståndet på en klassisk dator. Vi kan inte spela det här spelet för att öka antalet platser för alltid. Om du vill lagra ett kvanttillstånd på en konventionell dator överskrider du snabbt minneskapaciteterna för världens mest kraftfulla datorer. Vid några hundra elektroner överstiger det minne som krävs för att lagra systemet antalet partiklar i universum. Det finns inget hopp med våra konventionella datorer att helt simulera kvantdynamik för större system!

Förvandla svårigheter till möjligheter

Observationen av denna exponentiella tillväxt ställde en kraftfull fråga: är det möjligt att omvandla denna svårighet till en möjlighet? Om kvantsystem är svåra att simulera på vanliga datorer, vad skulle hända om vi skapar en dator som använder kvanteffekter för dess grundläggande åtgärder? Kan vi simulera kvantsystem med en dator som utnyttjar exakt samma fysiklagar? Och kan vi använda den datorn för att undersöka andra viktiga problem utanför kvantmekaniken? Det här är de typer av frågor som gav upphov till fälten kvantinformation och kvantberäkning.

År 1985 visade David Deutsch att en kvantdator effektivt kunde simulera beteendet hos alla fysiska system. Den här identifieringen var den första indikationen på att kvantdatorer kan användas för att lösa problem som är för svåra att lösa på klassiska datorer.

År 1994 upptäckte Peter Shor en kvantalgoritm för att hitta de främsta faktorerna i stora heltal. Shor-algoritmen körs exponentiellt snabbare än den mest kända klassiska algoritmen för det här factoringproblemet. En sådan snabb algoritm kan potentiellt bryta många av våra moderna krypteringssystem för offentliga nycklar som vi använder för att skydda transaktioner i e-handel, till exempel Rivest–Shamir–Adleman (RSA) och Elliptic Curve Cryptography. Den här identifieringen väckte ett stort intresse för kvantberäkning och ledde till utvecklingen av kvantalgoritmer för många andra problem.

Sedan dess har snabba och effektiva kvantdatoralgoritmer utvecklats för andra problem som är svåra att lösa på klassiska datorer. Nu har vi till exempel kvantalgoritmer för att söka i en osorterad databas, för att lösa system med linjära ekvationer, utföra maskininlärning och simulera fysiska system inom kemi, fysik och materialvetenskap.

Vad är en kvantbit?

Precis som bitar är det grundläggande objektet för information inom klassisk databehandling är kvantbitar (kvantbitar) det grundläggande informationsobjektet inom kvantberäkning.

Kvantbitar spelar en liknande roll inom kvantberäkning som bitar spelar i klassisk databehandling, men kvantbitar beter sig annorlunda än bitar. Klassiska bitar är binära och kan när som helst bara finnas i ett av två tillstånd, 0 eller 1. Men kvantbitar kan vara i en superposition av både 0- och 1-tillstånden samtidigt. Faktum är att det finns oändliga möjliga superpositioner på 0 och 1, och var och en av dem är ett giltigt qubit-tillstånd.

Inom kvantberäkning kodas information i superpositioner i tillstånden 0 och 1. Till exempel kan 8 vanliga bitar koda upp till 256 unika värden, men dessa 8 bitar kan bara representera ett av de 256 värdena i taget. Med 8 kvantbitar kan vi koda alla 256 värden samtidigt, eftersom kvantbitarna kan finnas i en superposition av alla 256 möjliga tillstånd.

Mer information finns i Kvantbiten i kvantberäkning.

Vilka är kraven för att skapa en kvantdator?

En kvantdator använder kvantsystem och kvantmekanikens egenskaper för att lösa beräkningsproblem. Systemen i en kvantdator består av kvantbitarna, interaktionerna mellan kvantbitar och åtgärder på kvantbitarna för att lagra och beräkna information. Vi kan använda kvantdatorer för att programmera effekter som kvantsammanflätning och kvantinterferens för att lösa vissa problem snabbare än på klassiska datorer.

För att skapa en kvantdator måste vi överväga hur du skapar och lagrar kvantbitarna. Vi måste också tänka på hur vi ska manipulera kvantbitarna och hur vi ska mäta resultatet av våra beräkningar.

Populära qubittekniker inkluderar kvantbitar med fångade joner, supraledande kvantbitar och topologiska kvantbitar. För vissa metoder för kvantbitslagring måste den enhet som rymmer kvantbitarna hållas vid en temperatur nära absolut noll för att maximera deras koherens och minska interferensen. Andra typer av kvantbitslagring använder en vakuumkammare för att minimera vibrationer och stabilisera kvantbitarna. Signaler kan skickas till kvantbitarna via olika metoder, till exempel mikrovågor, lasrar eller spänningar.

De fem kriterierna för en kvantdator

En bra kvantdator bör ha följande fem funktioner:

  1. Skalbar: Den kan ha många kvantbitar.
  2. Initializable: Den kan ange kvantbitarna till ett specifikt tillstånd (vanligtvis 0-tillståndet).
  3. Elastisk: Den kan hålla kvantbitarna i superpositionstillstånd under lång tid.
  4. Universell: En kvantdator behöver inte utföra alla möjliga åtgärder, bara en uppsättning åtgärder som kallas universell uppsättning. En uppsättning universella kvantåtgärder är sådana att alla andra åtgärder kan delas upp i en sekvens av dem.
  5. Tillförlitlig: Den kan mäta kvantbitarna korrekt.

Dessa fem kriterier kallas ofta Di Vincenzo-kriterierna för kvantberäkning.

Att skapa enheter som uppfyller dessa fem kriterier är en av de mest krävande tekniska utmaningar som mänskligheten någonsin står inför. Azure Quantum erbjuder en mängd olika kvantberäkningslösningar med olika kvantbitstekniker. Mer information finns i den fullständiga listan över Azure Quantum-leverantörer.

Förstå kvantfenomen

Kvantfenomen är de grundläggande principerna som skiljer kvantberäkning från klassisk databehandling. Att förstå dessa fenomen är avgörande för att förstå hur kvantdatorer fungerar och varför de har en sådan potential. De två viktigaste kvantfenomenen är superposition och sammanflätning.

Överlagring

Tänk dig att du motionerar i vardagsrummet. Du vrider hela vägen åt vänster och sedan hela vägen åt höger. Nu försöker du vrida dig åt både vänster och höger samtidigt. Du kan inte göra det (åtminstone inte utan att dela dig i två). Det står klart att du inte kan befinna dig i båda dessa tillstånd samtidigt – det går inte att titta åt vänster och höger på samma gång.

Om du är en kvantpartikel har du dock en viss sannolikhet att titta åt vänster OCH en viss sannolikhet att titta åt höger tack vare ett fenomen som heter superposition (det kallas även koherens).

Endast kvantsystem som joner, elektroner eller supraledande kretsar kan finnas i superpositionstillstånden som möjliggör kraften i kvantberäkning. Till exempel är elektroner kvantpartiklar som har sin egen &"vänd åt vänster eller åt höger"&-egenskap kallad spinn. De två spinntillstånden kallas spin up och spin down, och kvanttillståndet för en elektron är en superposition av spin up- och spin down-tillstånden.

Om du vill lära dig mer och öva med superposition kan du läsa Träningsmodul: Utforska superposition med Q#.

Sammanflätning

Sammanflätning är en kvantkorrelation mellan två eller flera kvantsystem. När två kvantbitar är sammanflätade korreleras de och delar informationen om sina tillstånd så att kvanttillståndet för enskilda kvantbitar inte kan beskrivas oberoende av varandra. Med kvantsammanflätning kan du bara känna till kvanttillståndet för det globala systemet, inte de enskilda tillstånden.

Sammanflätade kvantsystem upprätthåller den här korrelationen även när de separeras över stora avstånd. Det innebär att vilken åtgärd eller process du än tillämpar på ett undersystem korrelerar även med det andra undersystemet. Därför ger mätning av tillståndet för en kvantbit information om tillståndet för den andra kvantbiten – den här egenskapen är till stor hjälp vid kvantberäkning.

Om du vill veta mer kan du läsa Självstudie: Utforska kvantsammanflätning med Q# och, för en praktisk implementering, kolla in träningsmodulen: Teleporta en kvantbit med sammanflätning.

Relaterat innehåll