Kvantinė kompiuterija yra studijų sritis, orientuota į kompiuterinių technologijų kūrimą remiantis kvantinės teorijos principais.
Į Quantum technologijas investuojama dešimtys milijardų viešojo ir privataus kapitalo. Pasaulio šalys suprato, kad kvantinės technologijos gali labai sutrikdyti esamą verslą, jos bendrai investavo 24 mlrd. USD į kvantinius tyrimus ir pritaikymus 2021 m.
Klasikinio ir kvantinio skaičiavimo palyginimas
Klasikinis skaičiavimas galutiniu lygmeniu remiasi Būlio algebros išreikštais principais. Duomenys turi būti apdorojami išskirtinėje dvejetainėje būsenoje bet kuriuo metu arba tai, ką mes vadiname bitais. Nors laikas, kurio kiekvienam tranzistoriui ar kondensatoriui turi būti 0 arba 1, kol perjungiamos būsenos, dabar išmatuojamas milijardinėmis sekundės dalimis, vis dar yra riba, kaip greitai šiuos įrenginius galima perjungti.
Kai pereiname prie mažesnių ir greitesnių grandinių, pradedame pasiekti fizines medžiagų ribas ir taikyti klasikinių fizikos dėsnių slenkstį. Be to, kvantinis pasaulis perima viršų, o kvantiniame kompiuteryje daugybė elementinių dalelių, tokių kaip elektronai ar fotonai, gali būti panaudotos mokestis arba poliarizacija veikia kaip 0 ir (arba) 1 atvaizdavimas. Kiekviena iš šių dalelių yra žinoma kaip kvantinis bitas arba kubitas, šių dalelių prigimtis ir elgsena sudaro kvantinio skaičiavimo pagrindą. Klasikiniuose kompiuteriuose tranzistoriai naudojami kaip fiziniai logikos blokai, o kvantiniai kompiuteriai gali naudoti įstrigusius jonus, superlaidžias kilpas, kvantinius taškus arba laisvas vietas deimante.
Fiziniai vs loginiai kubitai
Kalbėdami apie kvantinius kompiuterius su klaidų taisymu, kalbame apie fizinius ir loginius kubitus. Fiziniai kubitai yra fiziniai kubitai kvantiniuose kompiuteriuose, o loginiai kubitai yra fizinių kubitų grupės, kurias skaičiavimuose naudojame kaip vieną kubitą, kad kovotume su triukšmu ir pagerintume klaidų taisymą.
Norėdami tai iliustruoti, panagrinėkime kvantinio kompiuterio su 100 kubitų pavyzdį. Tarkime, kad šis kompiuteris yra linkęs į triukšmą. Norėdami tai ištaisyti, galime naudoti kelis kubitus, kad sudarytume vieną stabilesnį kubitą. Galime nuspręsti, kad mums reikia 10 fizinių kubitų, kad sudarytume vieną priimtiną loginį kubitą. Šiuo atveju sakytume, kad mūsų kvantiniame kompiuteryje yra 100 fizinių kubitų, kuriuos naudojame kaip 10 loginių kubitų.
Svarbu atskirti fizinius ir loginius kubitus. Yra daug įverčių, kiek kubitų mums reikės tam tikriems skaičiavimams atlikti, tačiau kai kurie iš šių įverčių kalba apie loginius kubitus, o kiti – apie fizinius kubitus. Pavyzdžiui: norint sulaužyti RSA kriptografiją, mums reikės tūkstančių loginių kubitų, bet milijonų fizinių kubitų.
Kitas dalykas, kurį reikia nepamiršti, klasikiniame kompiuteryje skaičiavimo galia didėja tiesiškai didėjant tranzistorių skaičiui ir laikrodžio greičiui, o kvantiniame kompiuteryje skaičiavimo galia didėja eksponentiškai, pridedant kiekvieną loginį kubitą.
Kvantinė superpozicija ir įsipainiojimas
Du svarbiausi kvantinės fizikos aspektai yra principai superpozicija ir įsipainiojimas.
Superpozicija: Pagalvokite apie kubitą kaip apie elektroną magnetiniame lauke. Elektrono sukinys gali būti suderintas su lauku, kuris žinomas kaip sukimosi būsena, arba priešingas laukui, kuris yra žinomas kaip sukimosi būsena. Pagal kvantinį dėsnį dalelė patenka į būsenų superpoziciją, kurioje ji elgiasi taip, lyg būtų abiejose būsenose vienu metu. Kiekvienas naudojamas kubitas gali turėti 0 ir 1 superpoziciją. Kai 2 bitų registras įprastame kompiuteryje bet kuriuo metu gali saugoti tik vieną iš keturių dvejetainių konfigūracijų (00, 01, 10 arba 11), 2 kubitas Registras kvantiniame kompiuteryje gali saugoti visus keturis skaičius vienu metu, nes kiekvienas kubitas reiškia dvi reikšmes. Jei pridedama daugiau kubitų, padidėjusi talpa išplečiama eksponentiškai.
Įsipainiojusiejit: Dalelės, kurios tam tikru momentu sąveikavo, išlaiko tam tikro tipo ryšį ir gali būti supainiotos viena su kita poromis, vykstant procesui, vadinamam koreliacija. Žinant vienos įsipainiojusios dalelės sukimosi būseną – aukštyn arba žemyn – galima žinoti, kad jos porininko sukimasis yra priešinga kryptimi. Kvantinis susipynimas leidžia kubitams, kuriuos skiria neįtikėtini atstumai, akimirksniu sąveikauti vienas su kitu (neapsiribojant šviesos greičiu). Nesvarbu, koks didelis atstumas tarp koreliuojančių dalelių, jos išliks įsipainiojusios tol, kol bus izoliuotos. Kartu paėmus, kvantinė superpozicija ir įsipainiojimas sukuria nepaprastai padidintą skaičiavimo galią.
Kvantiniai kompiuteriai skirstomi į keturias kategorijas:
- Kvantinis emuliatorius / simuliatorius
- Kvantinis atkaitintuvas
- Triukšmingas tarpinis skalės kvantas (NISQ)
- Universalus kvantinis kompiuteris – kuris gali būti kriptografiškai svarbus kvantinis kompiuteris (CRQC)
Kvantinis emuliatorius / simuliatorius
Tai klasikiniai kompiuteriai, kuriuos šiandien galite nusipirkti ir kurie imituoja kvantinius algoritmus. Jie leidžia lengvai išbandyti ir derinti kvantinį algoritmą, kuris kada nors galės veikti universaliajame kvantiniame kompiuteryje (UQC). Kadangi jie nenaudoja jokios kvantinės įrangos, jie nėra greitesni už standartinius kompiuterius.
Kvantinis atkaitintuvas
Specialios paskirties kvantinis kompiuteris, skirtas vykdyti tik kombinatorinio optimizavimo, o ne bendrosios paskirties skaičiavimo ar kriptografijos problemas. Nors jie turi daugiau fizinių kubitų nei bet kuri kita dabartinė sistema, jie nėra organizuoti kaip vartais pagrįsti loginiai kubitai. Šiuo metu tai yra komercinė technologija, ieškant perspektyvios rinkos ateityje.
Triukšmingi vidutinio masto kvantiniai (NISQ) kompiuteriai.
Pagalvokite apie tai kaip prototipai universalaus kvantinio kompiuterio – su keliomis eilėmis mažiau bitų. Šiuo metu jie turi 50–100 kubitų, ribotą vartų gylį ir trumpą darnos laiką. Kadangi yra keletas kubitų dydžių, NISQ kompiuteriai negali atlikti jokių naudingų skaičiavimų, tačiau jie yra būtinas mokymosi etapas, ypač norint paskatinti visos sistemos ir programinės įrangos mokymąsi lygiagrečiai su aparatinės įrangos kūrimu. Pagalvokite apie juos kaip apie būsimų universalių kvantinių kompiuterių mokymo ratus.
Universalūs kvantiniai kompiuteriai / kriptografiškai svarbūs kvantiniai kompiuteriai (CRQC)
Tai yra galutinis tikslas. Jei galėtumėte sukurti universalų kvantinį kompiuterį, turintį atsparumą gedimams (ty milijonai klaidų ištaisytų fizinių kubitų, dėl kurių susidaro tūkstančiai loginių kubitų), galėtumėte paleisti kvantinius algoritmus kriptografijoje, paieškoje ir optimizavime, kvantinių sistemų modeliavime ir tiesinių lygčių sprendiniuose.
Kvantiniai / kvantiniams atsparūs kodai
Naujos kriptografinės sistemos būtų saugios tiek nuo kvantinių, tiek nuo įprastinių kompiuterių ir galėtų sąveikauti su esamais ryšio protokolais ir tinklais. Komercinio nacionalinio saugumo algoritmo (CNSA) komplekto simetriniai raktiniai algoritmai buvo pasirinkti taip, kad būtų saugūs naudojant nacionalinio saugumo sistemas, net jei yra sukurtas CRQC. Tai apima kriptografines schemas, kurios, komercinės pramonės nuomone, yra kvantiškai saugios gardelėmis pagrįsta kriptografija, maišos medžiai, daugiamatės lygtys ir supersinguliarinės izogeninės elipsinės kreivės.
Sunkumai su kvantiniais kompiuteriais
• Trukdymas – Kvantinio skaičiavimo skaičiavimo fazės metu dėl menkiausių kvantinės sistemos trikdžių (tarkime, išklydusio fotono ar EM spinduliuotės bangos) kvantinis skaičiavimas žlunga, o šis procesas žinomas kaip denuoseklumas. Skaičiavimo etape kvantinis kompiuteris turi būti visiškai izoliuotas nuo visų išorinių trukdžių.
• Klaidų taisymas – Atsižvelgiant į kvantinio skaičiavimo pobūdį, klaidų taisymas yra itin svarbus – net ir dėl vienos skaičiavimo klaidos gali sumažėti viso skaičiavimo pagrįstumas.
• Išvesties laikymasis – Gavus išvesties duomenis po kvantinio skaičiavimo, glaudžiai susijęs su pirmiau minėtais dviem duomenimis, kyla pavojus, kad duomenys bus sugadinti.