Kvantiniai bitai: gilinimasis į superpozicijos ir susietumo stebuklus

Mes stovime ant naujos kompiuterijos epochos slenksčio. Dešimtmečius nenumaldomas klasikinės kompiuterijos, aprašytos Moore'o dėsniu, progresas skatino inovacijas ir keitė mūsų pasaulį. Tačiau artėjant prie fizinių silicio tranzistorių ribų, iš keisto ir nuostabaus kvantinės mechanikos pasaulio kyla nauja paradigma. Tai – kvantinės kompiuterijos pasaulis, technologija, kuri yra ne tik greitesnė šiandieninės versija, bet ir iš esmės kitoks informacijos apdorojimo būdas.

Šios revoliucijos centre yra kvantinis bitas, arba kubitas. Skirtingai nuo savo klasikinio atitikmens, kubitas veikia pagal intuicijai prieštaraujančius kvantinio pasaulio dėsnius, daugiausia pasitelkdamas du nepaprastus reiškinius: superpoziciją ir susietumą. Šių koncepcijų supratimas yra raktas į didžiulį kvantinių skaičiavimų potencialą. Šis straipsnis padės jums suprasti šiuos pagrindinius principus ir atskleis naujosios technologinės ribos statybinius blokus.

Nuo klasikinių bitų iki kvantinių bitų: paradigmos pokytis

Norėdami įvertinti kubitų atstovaujamą šuolį, pirmiausia turime įsitvirtinti pažįstamoje klasikinės kompiuterijos teritorijoje.

Klasikinio bito tikrumas

Visas mums žinomas skaitmeninis pasaulis – nuo išmaniųjų telefonų iki superkompiuterių – yra sukurtas remiantis klasikiniu bitu. Bitas yra pats pagrindinis informacijos vienetas, paprastas jungiklis, turintis tik dvi galimas būsenas: 0 arba 1. Tai binarinė, deterministinė sistema. Fiziškai bitas gali būti pavaizduotas aukšta arba žema elektros įtampa, šiauriniu arba pietiniu magnetiniu poliškumu, arba uždegtu ar neuždegtu pikseliu ekrane. Jo būsena visada yra apibrėžta ir žinoma. Jungiklis yra arba įjungtas, arba išjungtas; tarpinės būsenos nėra. Šis binarinis tikrumas buvo kompiuterijos pagrindas daugiau nei pusę amžiaus.

Pristatome kubitą: kvantinio kompiuterio širdis

Kubitas, trumpinys nuo „kvantinio bito“, sulaužo šį binarinį apribojimą. Kubitas yra kvantinė sistema, kuri taip pat turi dvi bazines būsenas, kurias žymime |0⟩ ir |1⟩ („ket“ žymėjimas |⟩ yra standartinis kvantinėje mechanikoje, norint apibrėžti kvantinę būseną). Tačiau, dėka superpozicijos principo, kubitas gali egzistuoti ne tik kaip 0 ar 1, bet ir kaip abiejų būsenų derinys tuo pačiu metu.

Įsivaizduokite tai ne kaip paprastą jungiklį, o kaip šviesos reguliatorių, kurį galima nustatyti į bet kokią padėtį tarp visiškai išjungto ir visiškai įjungto, atspindintį tikimybę būti 0 ir tikimybę būti 1. Būtent šis gebėjimas egzistuoti būsenų kontinuume suteikia kubitui galią.

Fiziškai realizuoti kubitą yra monumentalus mokslinis iššūkis. Tyrimų laboratorijos ir technologijų įmonės visame pasaulyje tiria įvairius metodus, kaip sukurti ir valdyti šias trapias kvantines sistemas, įskaitant:

Superlaidžios grandinės: mažytės superlaidaus metalo grandinės, atšaldytos iki žemesnės nei gilaus kosmoso temperatūros, kuriose elektros srovės gali egzistuoti būsenų superpozicijoje.
Įkalinti jonai: atskiri atomai, kurie buvo elektriškai įkrauti (jonai) ir laikomi vietoje elektromagnetiniais laukais. Jų vidiniai energijos lygiai tarnauja kaip 0 ir 1 būsenos.
Fotonai: atskiros šviesos dalelės, kurių savybės, pavyzdžiui, poliarizacija (šviesos bangos orientacija), gali būti naudojamos kubitų būsenoms pavaizduoti.
Silicio kvantiniai taškai: dirbtiniai „atomai“, sukurti įkalinant vieną elektroną mažame silicio gabalėlyje.

Kiekvienas metodas turi savo stipriąsias ir silpnąsias puses, tačiau visų jų bendras tikslas – pasitelkti materijos ir energijos kvantines savybes skaičiavimams.

Superpozicija: „ir“ galia

Superpozicija yra bene garsiausia kvantinės mechanikos sąvoka ir pirmasis raktas į kubito galią.

Kas yra superpozicija? Anapus binarumo

Klasikiniame pasaulyje objektas vienu metu gali būti tik vienoje vietoje arba vienoje būsenoje. Moneta ant stalo yra arba herbas, arba skaičius. Kvantiniame pasaulyje taip nėra. Superpozicija leidžia kvantinei sistemai, pavyzdžiui, kubitui, būti keliose būsenose vienu metu.

Dažna analogija yra besisukanti moneta. Kol ji ore, greitai sukasi, ji nėra galutinai herbas ar skaičius – tam tikra prasme, ji yra ir viena, ir kita. Tik tada, kai ji nukrenta ir mes ją stebime (atliekame „matavimą“), ji suyra į vieną, apibrėžtą rezultatą: arba herbą, arba skaičių. Panašiai, kubitas egzistuoja |0⟩ ir |1⟩ superpozicijoje. Kai matuojame kubitą, jo superpozicija suyra, ir jis duoda klasikinį rezultatą – arba 0, arba 1 – su tam tikra tikimybe, kurią nulemia jo kvantinė būsena prieš pat matavimą.

Tai nėra tik žinių apie kubito būseną trūkumas; kubitas iš tikrųjų yra abiejose būsenose vienu metu iki pat matavimo momento.

Kvantinės būsenos vizualizavimas: Blocho sfera

Norėdami tai vizualizuoti, mokslininkai naudoja konceptualų įrankį, vadinamą Blocho sfera. Įsivaizduokite gaublį. Šiaurės ašigalis atitinka apibrėžtą būseną |1⟩, o Pietų ašigalis – apibrėžtą būseną |0⟩. Klasikinis bitas galėtų būti tik viename iš šių dviejų ašigalių.

Tuo tarpu kubitą galima pavaizduoti vektoriumi, nukreiptu į bet kurį šios sferos paviršiaus tašką. Taškas šalia Šiaurės ašigalio reiškia, kad kubitas turi didelę tikimybę, matuojant, suirti į 1. Taškas šalia Pietų ašigalio reiškia, kad jis greičiausiai bus 0. Taškas ant pusiaujo atitinka tobulą 50/50 |0⟩ ir |1⟩ superpoziciją. Blocho sfera elegantiškai iliustruoja begalinį galimų superpozicijos būsenų, kuriose gali būti vienas kubitas, skaičių – tai ryškus kontrastas su dviem klasikinio bito būsenomis.

Superpozicijos skaičiavimo pranašumas

Tikroji superpozicijos galia išryškėja, kai svarstome kelis kubitus. Vienas klasikinis bitas gali saugoti vieną reikšmę (0 arba 1). Du klasikiniai bitai gali saugoti vieną iš keturių galimų kombinacijų (00, 01, 10 arba 11). N klasikinių bitų vienu metu gali saugoti tik vieną iš 2^N galimų kombinacijų.

Dabar apsvarstykite kubitus. Dėl superpozicijos, N kubitų registras gali atstovauti visoms 2^N galimoms kombinacijoms vienu metu.

2 kubitai gali vienu metu laikyti 00, 01, 10 ir 11 reikšmes.
3 kubitai gali laikyti 8 reikšmes.
10 kubitų gali laikyti 1 024 reikšmes.
Vos 300 kubitų iš principo galėtų atstovauti daugiau būsenų, nei yra atomų stebimoje visatoje.

Šis gebėjimas atlikti skaičiavimus su didžiuliu būsenų skaičiumi tuo pačiu metu yra žinomas kaip kvantinis paralelizmas, ir tai yra eksponentinio pagreičio, kurį žada kvantiniai kompiuteriai tam tikrų tipų problemoms, šaltinis.

Susietumas: „baugusis“ ryšys

Jei superpozicija yra pirmasis kvantinės kompiuterijos ramstis, tai susietumas yra antrasis. Tai reiškinys, toks keistas, kad Albertas Einšteinas jį pavadino „baugiu veiksmu per atstumą“.

Garsusis Einšteino klausimas

Susietumas yra specialus kvantinis ryšys, galintis sujungti du ar daugiau kubitų. Kai kubitai yra susieti, jie sudaro vieną kvantinę sistemą, net jei fiziškai yra atskirti didžiuliais atstumais. Jų likimai tampa neatsiejamai susipynę. Išmatavus vieno kubito būseną susieto poroje, akimirksniu paveikiama kito būsena – greičiau, nei šviesos greičiu galėtų būti perduotas signalas tarp jų.

Atrodė, kad tai pažeidžia principą, jog niekas negali judėti greičiau už šviesą, todėl Einšteinas ir jo kolegos suabejojo kvantinės mechanikos išsamumu. Tačiau dešimtmečius trunkantys eksperimentai patvirtino, kad susietumas yra labai realus, nors ir labai intuicijai prieštaraujantis, mūsų visatos bruožas.

Intuityvi analogija: kvantinių pirštinių pora

Norėdami suvokti susietumą, apsvarstykite šią analogiją. Įsivaizduokite, kad turite porą pirštinių, vieną dešinės rankos ir vieną kairės rankos. Nežiūrėdami, kiekvieną pirštinę įdedate į atskirą, identišką, užklijuotą dėžę. Vieną dėžę pasiliekate sau, o kitą siunčiate kolegai į kitą planetos pusę.

Prieš atidarant dėžę, jūs abu žinote, kad yra 50% tikimybė rasti dešinės rankos pirštinę ir 50% tikimybė rasti kairės rankos pirštinę. Tą akimirką, kai atidarote savo dėžę ir pamatote dešinės rankos pirštinę, jūs akimirksniu ir su 100% tikrumu žinote, kad jūsų kolegos dėžėje yra kairės rankos pirštinė.

Čia klasikinė analogija žlunga, o kvantinė realybė tampa dar keistesnė. Klasikinės pirštinės scenarijuje rezultatas visada buvo iš anksto nulemtas; dešinės rankos pirštinė visą laiką buvo jūsų dėžėje. Jūs tiesiog atradote jau egzistuojantį faktą. Su susietais kubitais būsena yra iš tikrųjų neapibrėžta iki pat matavimo momento. Būtent jūsų kubito išmatavimo veiksmas, kai, tarkime, randate jį esant |0⟩ būsenoje, priverčia jo susietą partnerį akimirksniu įgyti koreliuojančią |1⟩ būseną (ar kokia bebūtų susietumo priklausomybė), nesvarbu, kaip toli jis būtų. Jie nebendrauja; jų bendra egzistencija suyra koreliuotu būdu.

Praktinė susietumo galia

Susietumas nėra tik mokslinis smalsumas; tai gyvybiškai svarbus išteklius kvantiniams skaičiavimams ir informacijai. Jis sukuria sudėtingas koreliacijas tarp kubitų, kurios yra neįmanomos klasikinėse sistemose. Šios koreliacijos yra slaptas ingredientas, leidžiantis kvantiniams algoritmams spręsti problemas, kurios yra neįveikiamos net galingiausiems superkompiuteriams. Protokolai, tokie kaip kvantinė teleportacija (kuri perduoda kvantinę informaciją, o ne materiją) ir supertankus kodavimas (kuris leidžia siųsti du klasikinius informacijos bitus perduodant tik vieną kubitą), iš esmės priklauso nuo susietumo.

Superpozicijos ir susietumo simfonija

Superpozicija ir susietumas nėra nepriklausomos savybės; jos veikia kartu, suteikdamos kvantinei kompiuterijai galią. Įsivaizduokite jas kaip dvi esmines dalis kvantinių skaičiavimų simfonijoje.

Dvi tos pačios kvantinės monetos pusės

Superpozicija suteikia kvantiniam kompiuteriui prieigą prie eksponentiškai didelės skaičiavimo erdvės. Tai yra žaliava. Tada susietumas per šią didžiulę erdvę audžia sudėtingus koreliacijos siūlus, susiedamas kubitų likimus ir leisdamas atlikti sudėtingas, kolektyvines manipuliacijas. Kvantinis algoritmas yra kruopščiai choreografuotas šokis, kuris naudoja abu principus.

Kaip jos įgalina kvantinius algoritmus

Tipiškas kvantinis algoritmas laikosi bendro modelio:

Inicializacija: Kubitai yra paruošiami ir perkeliami į superpoziciją, dažnai į subalansuotą visų galimų įvesties būsenų superpoziciją. Tai sukuria didžiulę paralelinę darbo erdvę.
Skaičiavimas: Taikoma kvantinių vartų seka (kvantinis klasikinių loginių vartų atitikmuo). Šie vartai manipuliuoja kubitų būsenų tikimybėmis ir, kas svarbiausia, naudoja susietumą, kad sukurtų sudėtingas koreliacijas tarp kubitų. Šis procesas sukelia skirtingų skaičiavimo kelių interferenciją – reiškinį, vadinamą kvantine interferencija.
Sustiprinimas: Interferencija yra kruopščiai valdoma taip, kad keliai, vedantys į neteisingus atsakymus, vieni kitus panaikintų, o keliai, vedantys į teisingą atsakymą, vieni kitus sustiprintų.
Matavimas: Galiausiai, kubitai yra matuojami. Dėl interferencijos, teisingo atsakymo išmatavimo tikimybė dabar yra labai didelė. Kvantinė būsena suyra į vieną klasikinį išvesties rezultatą, pateikiant problemos sprendimą.

Garsūs pavyzdžiai, tokie kaip Shoro algoritmas didelių skaičių faktorizavimui (grėsmė šiuolaikiniam šifravimui) ir Groverio algoritmas nestruktūrizuotų duomenų bazių paieškai, abu kritiškai priklauso nuo šios sąveikos tarp visų galimybių superpozicijos sukūrimo ir vėlesnio susietumo bei interferencijos naudojimo teisingam atsakymui išgauti.

Didysis iššūkis: kvantinio pasaulio sutramdymas

Nepaisant visos jų galios, kvantinės būsenos yra neįtikėtinai trapios. Kvantinio kompiuterio sukūrimas ir valdymas yra vienas didžiausių mūsų laikų inžinerinių iššūkių.

Dekoherencija: kvantinės būsenos priešas

Didžiausias kvantinės kompiuterijos priešininkas yra dekoherencija. Tai procesas, kurio metu kubitas praranda savo kvantines savybes – superpoziciją ir susietumą – dėl sąveikos su aplinka. Menkiausia vibracija, atsitiktinis elektromagnetinis laukas ar temperatūros svyravimas gali netyčia „išmatuoti“ kubitą, priversdamas jo subtilią kvantinę būseną suirti į paprastą, klasikinį 0 arba 1. Tai sunaikina skaičiavimą.

Štai kodėl kvantiniams kompiuteriams reikalingos tokios ekstremalios veikimo sąlygos, pavyzdžiui, artima absoliučiam nuliui temperatūra skiedimo refrižeratoriuose ir platus ekranavimas nuo išorinio pasaulio. Kova su dekoherencija yra nuolatinė kova siekiant išsaugoti kvantinę būseną pakankamai ilgai, kad būtų galima atlikti prasmingą skaičiavimą.

Pasaulinės pastangos siekiant atsparumo klaidoms

Šiandien kuriami įrenginiai yra priskiriami Triukšmingų vidutinio masto kvantinių (NISQ) įrenginių kategorijai. Jie turi ribotą kubitų skaičių (nuo dešimčių iki kelių šimtų) ir yra labai jautrūs triukšmui bei dekoherencijai, o tai riboja problemų, kurias jie gali išspręsti, sudėtingumą. Galutinis tikslas tyrimų grupėms visame pasaulyje yra sukurti atsparų klaidoms kvantinį kompiuterį – tokį, kuris galėtų atlikti bet kokio ilgio skaičiavimus, nesutrikdomas klaidų.

Kvantinių klaidų taisymas (QEC)

Raktas į atsparumą klaidoms slypi Kvantinių klaidų taisyme (QEC). Skirtingai nuo klasikinių bitų, negalima tiesiog nukopijuoti kubito, kad sukurtumėte atsarginę kopiją, dėl kvantinės mechanikos neklonavimo teoremos. Vietoj to, QEC apima sudėtingas schemas, kuriose vieno, tobulo „loginio kubito“ informacija yra užkoduojama per daugybę fizinių, klaidoms jautrių kubitų. Nuolat matuojant šių fizinių kubitų būseną protingu būdu (nesunaikinant pagrindinės informacijos), klaidas galima aptikti ir ištaisyti, išsaugant loginio kubito ir viso skaičiavimo vientisumą.

Poveikis realiame pasaulyje: kvantinio amžiaus aušra

Nors mes vis dar esame ankstyvoje stadijoje, atsparių klaidoms kvantinių kompiuterių potencialios taikymo sritys yra stulbinančios ir galėtų sukelti revoliuciją daugelyje pramonės šakų.

Medicina ir medžiagų mokslas: Klasikiniai kompiuteriai sunkiai tiksliai simuliuoja sudėtingas molekules. Kvantiniai kompiuteriai galėtų modeliuoti molekulines sąveikas su tobula precizika, leisdami kurti naujus vaistus, katalizatorius ir naujas medžiagas su norimomis savybėmis, pavyzdžiui, aukštos temperatūros superlaidininkus ar efektyvesnes baterijas.
Finansai ir optimizavimas: Daugelis finansinių problemų iš esmės yra optimizavimo problemos – rasti geriausią sprendimą iš daugybės galimybių. Kvantiniai kompiuteriai galėtų sukelti revoliuciją portfelio valdyme, rizikos analizėje ir rinkos prognozavime, eksponentiškai greičiau spręsdami šias sudėtingas optimizavimo problemas.
Dirbtinis intelektas: Kvantinis mašininis mokymasis yra kylanti sritis, kurios tikslas – naudoti kvantinius principus DI užduotims pagreitinti. Tai galėtų lemti proveržius modelių atpažinime, duomenų analizėje ir galingesnių bei efektyvesnių DI modelių kūrime.
Kriptografija ir saugumas: Kvantiniai kompiuteriai kelia didelę grėsmę mūsų dabartinei skaitmeninio saugumo infrastruktūrai, nes Shoro algoritmas galėtų nulaužti plačiai naudojamus šifravimo metodus. Tačiau kvantinė mechanika taip pat siūlo sprendimą: protokolai, tokie kaip Kvantinis raktų paskirstymas (QKD), naudoja kvantinio matavimo principus, kad sukurtų įrodomai saugius ryšio kanalus, atsparius pasiklausymui.

Išvada: kvantinės ateities link

Kubitas nėra tiesiog galingesnė klasikinio bito versija. Tai portalas į visiškai naują informacijos supratimo ir panaudojimo būdą, pagrįstą giluminiais ir dažnai gluminančiais superpozicijos ir susietumo principais. Superpozicija suteikia didžiulę drobę, ant kurios veikia kvantiniai algoritmai, o susietumas suteikia sudėtingus siūlus, reikalingus sukurti skaičiavimo šedevrą.

Kelionė link didelio masto, atsparaus klaidoms kvantinio kompiuterio yra ilga ir kupina didžiulių mokslinių bei inžinerinių iššūkių. Dekoherencija išlieka didžiule kliūtimi, o patikimo klaidų taisymo kūrimas yra svarbiausias prioritetas. Vis dėlto, pažanga, daroma laboratorijose ir įmonėse visame pasaulyje, yra kvapą gniaužianti.

Mes esame naujo amžiaus aušros liudininkai. Keistas kvantinis kubitų šokis, valdomas superpozicijos ir susietas baugiu veiksmu per atstumą, jau nebėra apsiribojęs teorinės fizikos vadovėliais. Jis yra kuriamas, valdomas ir programuojamas, klojant pagrindą technologijoms, kurios galėtų išspręsti kai kurias sudėtingiausias žmonijos problemas ir iš naujo apibrėžti mūsų pasaulį būdais, kuriuos mes dar tik pradedame įsivaizduoti.