De uitdaging van Quantum Computing

Inhoud

• Quantum Realiteit
• Het maken van een kwantumbit
• Geen bugs, geen stress - Uw stapsgewijze handleiding voor het creëren van levensveranderende software zonder uw leven te vernietigen
• Hoe dichtbij zijn we?
• Gevolgtrekking

Bron: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Afhaal:

Bekijk quantum computing, hoe het werkt en zijn toekomstige potentieel.

"Als je denkt de kwantumfysica te begrijpen, begrijp je de kwantumfysica niet." Dat citaat wordt toegeschreven aan de fysicus Richard Feynman, maar het is onduidelijk of hij het daadwerkelijk heeft gezegd. Hier is een betrouwbaarder citaat van Feynman uit een MIT-publicatie uit 1995: "Ik denk dat ik veilig kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt."

Quantum Realiteit

Nu we dat uit de weg hebben geruimd, laten we kijken of er iets is dat we weten. Kwantummechanica is raar. Die kleine deeltjes op kwantumniveau gedragen zich gewoon niet zoals verwacht. Dingen zijn daar anders.

Er gebeuren gekke dingen in het kwantumuniversum. Er is de intrinsieke willekeur, de onzekerheid, de verstrengeling. Het lijkt allemaal een beetje veel.

We weten nu dat atomen en subatomaire deeltjes werken alsof ze verbonden zijn. Einstein noemde kwantumverstrengeling 'spookachtige actie op afstand'. Stel je twee objecten voor die fysiek gescheiden zijn, maar ze gedragen zich op dezelfde manier, ze hebben dezelfde eigenschappen en ze werken als één. Stel je nu voor dat die twee objecten 100.000 lichtjaar uit elkaar liggen. Raar inderdaad.

Er is meer. Het onzekerheidsprincipe in de kwantummechanica zegt dat bepaalde eigenschappen van deeltjes gewoon niet bekend kunnen zijn. Voeg daar het probleem van decoherentie aan toe, wat iets te maken heeft met het instorten van de golffunctie. En versies van het experiment met dubbele spleet lijken te suggereren dat één kwantumobject op twee plaatsen tegelijk kan zijn, dat observatie de aard van subatomaire deeltjes verandert, of dat elektronen terug in de tijd lijken te zijn gereisd.

Nu zie je waarom het bouwen van een kwantumcomputer zo'n uitdaging kan zijn. Maar dat belet niet dat mensen het proberen. (Zie voor meer informatie over quantum computing waarom Quantum Computing de volgende stap op de Big Data Highway kan zijn.)

Het maken van een kwantumbit

Het probleem met onzekerheid is dat het de berekening moeilijk maakt. Het doelwit beweegt altijd. En zelfs als u een wiskundig systeem ontwikkelt, hoe corrigeert u fouten? En je dacht dat binair moeilijk was.

"Een qubit is een kwantummechanisch systeem dat onder bepaalde omstandigheden kan worden behandeld als slechts twee kwantumniveaus", zegt professor Andrea Morello van de Universiteit van New South Wales in Australië. "En als je dat eenmaal hebt, kun je het gebruiken om kwantuminformatie te coderen."

Geen bugs, geen stress - Uw stapsgewijze handleiding voor het creëren van levensveranderende software zonder uw leven te vernietigen

U kunt uw programmeervaardigheden niet verbeteren als niemand om softwarekwaliteit geeft.

Makkelijker gezegd dan gedaan. De huidige kwantumcomputers zijn nog niet erg krachtig. Ze proberen nog steeds de bouwstenen goed te krijgen.

Een kwantumbit, ook bekend als een qubit, heeft exponentieel meer potentieel dan het klassieke bit in binair digitaal computergebruik. Een elementair deeltje kan zich in meerdere toestanden tegelijkertijd bevinden, een kwaliteit die superpositie wordt genoemd. Terwijl een klassiek bit zich in een van de twee toestanden (een of nul) kan bevinden, kan een qubit zich tegelijkertijd in beide posities bevinden.

Denk aan een munt. Het heeft twee kanten: koppen of staarten. Een munt is binair. Maar stel je voor dat je de munt in de lucht gooit en het blijft voor onbepaalde tijd flippen. Terwijl het flipt, is het koppen of is het staarten? Wat zal het zijn als het ooit zou landen? Hoe kun je de omdraaiende munt kwantificeren? Dat is een zwakke poging om superpositie te illustreren.

Dus hoe maak je een qubit? Nou, als kwantumfysici de kwantummechanica niet begrijpen, dan zouden we hier nauwelijks een adequate verklaring voor kunnen vinden. Laten we genoegen nemen met een shortlist van technologieën die worden getest om qubits te maken:

• Supergeleidende circuits
• Draai qubits
• Ion vallen
• Fotonische circuits
• Topologische vlechten

De meest populaire hiervan zijn de eerste twee. De anderen zijn onderwerpen van universitair onderzoek. In de eerste techniek worden supergeleiders onderkoeld om elektromagnetische interferentie te elimineren. Maar de coherentietijden zijn relatief kort en dingen gaan kapot. Professor Morello werkt aan de spintechniek. Quantumdeeltjes hebben elektrische lading, net als magneten. Door microgolfpulsen in te voeren, kan hij ervoor zorgen dat een elektron omhoog gaat draaien in plaats van omlaag, waardoor een transistor met één elektron ontstaat.

Dan blijft er de kwestie van fouttolerantie en foutcorrectie. Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara zijn erin geslaagd om 99,4 procent trouw te bereiken met hun qubit-poorten. Ze hebben 99,9 procent gate-trouw bereikt aan de Universiteit van Oxford. Dus zijn we er al?

Hoe dichtbij zijn we?

Edwin Cartlidge stelt deze vraag in een artikel in oktober 2016 voor Optics & Photonics News. Een waarschuwing van ETSI in 2015 dat organisaties moeten overschakelen naar "kwantumveilige" coderingstechnieken zou u moeten vertellen dat er iets aan de horizon is.

Google, Microsoft, Intel en IBM spelen allemaal een rol. Een van de drempels die Google nastreeft, is iets dat ze 'kwantumsuprematie' hebben genoemd. Het wordt gebruikt om dat punt te beschrijven waarop een kwantumcomputer iets doet dat een klassieke computer niet kan.

IBM is van plan om in 2017 een 'universele' kwantumcomputer uit te rollen, volgens David Castelvecchi in Scientific American. Het wordt "IBM Q" genoemd, het is een cloudgebaseerde service die tegen betaling beschikbaar is via internet. Je kunt een voorproefje krijgen van waar ze mee bezig zijn door hun Quantum Experience uit te proberen, die nu online beschikbaar is. Maar Castelvecchi zegt dat geen van deze inspanningen krachtiger is dan conventionele computers - nog niet. De suprematie van kwantum is nog niet vastgesteld.

Zoals Techopedia in 2013 rapporteerde, heeft Google tal van applicaties voor een volwassen kwantumcomputer, eenmaal ontwikkeld. Microsoft werkt aan topologische quantum computing. Verschillende startups lopen op en er wordt volop gewerkt in het veld. Maar sommige experts waarschuwen dat het gerecht misschien nog niet helemaal gaar is. "Ik maak geen persberichten over de toekomst", zegt Rainer Blatt aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk. En natuurkundige David Wineland zegt: "Ik ben optimistisch op de lange termijn, maar wat" lange termijn "betekent, weet ik niet." (Zie 5 coole dingen die Google Quantum Computer zou kunnen doen.)

Zelfs wanneer kwantumcomputersuprematie is bereikt, moet u er niet snel naar uitkijken om uw laptop te vervangen. Quantumcomputers, net als hun binaire tegenhangers in het begin, kunnen gewoon gespecialiseerde apparaten zijn die zijn toegewijd aan specifieke doeleinden. Een van de meest voorkomende toepassingen zou zijn om een ​​kwantumcomputer de kwantummechanica te laten simuleren. Afgezien van intensieve computerbewerkingen zoals weersvoorspelling, kan het gebruik van quantum computing worden gecentraliseerd en beperkt tot de cloud. Dat is natuurlijk de perfecte plek daarvoor.

Gevolgtrekking

Professor Morello identificeerde duidelijk de primaire uitdaging van quantum computing. Voordat u kunt beginnen met het coderen van informatie, moet u met de qubit twee afzonderlijke kwantumniveaus kunnen vaststellen. Eenmaal bereikt, geeft quantum computing "u toegang tot een exponentieel grotere rekenruimte" dan een klassieke computer. Een kwantumcomputer, bijvoorbeeld, met 300 qubits (N qubits = 2^N klassieke stukjes) zouden meer stukjes informatie kunnen verwerken dan dat er deeltjes in het universum zijn.

Dat zijn veel dingen. Maar om van hier naar daar te komen, is wat doen nodig.