Что такое кубит в квантовом компьютере

Обновлено: 22.11.2024

Раздел 404 Закона Сарбейнса-Оксли (SOX) требует, чтобы все публичные компании установили внутренний контроль и процедуры.

Закон о защите конфиденциальности детей в Интернете от 1998 года (COPPA) – это федеральный закон, который налагает особые требования на операторов доменов .

План North American Electric Reliability Corporation по защите критически важной инфраструктуры (NERC CIP) представляет собой набор стандартов.

Взаимная аутентификация, также называемая двусторонней аутентификацией, представляет собой процесс или технологию, в которой оба объекта обмениваются данными .

Экранированная подсеть или брандмауэр с тройным подключением относится к сетевой архитектуре, в которой один брандмауэр используется с тремя сетями .

Метаморфное и полиморфное вредоносное ПО – это два типа вредоносных программ (вредоносных программ), код которых может изменяться по мере их распространения.

Медицинская транскрипция (МТ) – это ручная обработка голосовых сообщений, продиктованных врачами и другими медицинскими работниками.

Электронное отделение интенсивной терапии (eICU) — это форма или модель телемедицины, в которой используются самые современные технологии.

Защищенная медицинская информация (PHI), также называемая личной медицинской информацией, представляет собой демографическую информацию, медицинскую .

Снижение рисков – это стратегия подготовки к угрозам, с которыми сталкивается бизнес, и уменьшения их последствий.

Отказоустойчивая технология — это способность компьютерной системы, электронной системы или сети обеспечивать бесперебойное обслуживание.

Синхронная репликация — это процесс копирования данных по сети хранения, локальной или глобальной сети, поэтому .

API облачного хранилища — это интерфейс прикладного программирования, который соединяет локальное приложение с облачным хранилищем.

Интерфейс управления облачными данными (CDMI) – это международный стандарт, определяющий функциональный интерфейс, используемый приложениями.

Износ флэш-памяти NAND — это пробой оксидного слоя внутри транзисторов с плавающим затвором флэш-памяти NAND.

Точно так же, как двоичный бит – это основная единица информации в классических (или традиционных) вычислениях, кубит (или квантовый бит) – это основная единица информации в квантовых вычислениях. Квантовые вычисления ведут к новым открытиям в области здравоохранения, энергетики, экологических систем, интеллектуальных материалов и не только.

Кубит против бита

Кубиты представлены суперпозицией нескольких возможных состояний

Кубит использует квантово-механические явления суперпозиции для достижения линейной комбинации двух состояний. Классический двоичный бит может представлять только одно двоичное значение, например 0 или 1, что означает, что он может находиться только в одном из двух возможных состояний. Кубит, однако, может представлять собой 0, 1 или любую пропорцию 0 и 1 в суперпозиции обоих состояний, с определенной вероятностью быть 0 и определенной вероятностью быть 1.

Суперпозиция дает квантовым компьютерам превосходную вычислительную мощность

Суперпозиция позволяет квантовым алгоритмам обрабатывать информацию за долю времени, которое требуется даже самым быстрым классическим системам для решения определенных задач.

Существует множество физических реализаций кубитов

Там, где в классических компьютерах используются знакомые чипы на основе кремния, кубиты (иногда называемые «квантовыми компьютерными кубитами») могут быть созданы из захваченных ионов, фотонов, искусственных или реальных атомов или квазичастиц. В зависимости от архитектуры и систем кубитов некоторые реализации требуют, чтобы их кубиты хранились при температурах, близких к абсолютному нулю.

Наложение, интерференция и запутанность

Суперпозиция позволяет квантовым алгоритмам использовать другие квантово-механические явления, такие как интерференция и запутанность. Вместе суперпозиция, интерференция и запутанность создают вычислительную мощность, которая может решать задачи экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры.

Вмешательство

Следствием наложения является интерференция. Состояния кубита могут мешать друг другу, поскольку каждое состояние описывается амплитудой вероятности, как амплитуды волн.

Конструктивная интерференция увеличивает амплитуду, а деструктивная интерференция нейтрализует амплитуду. Эти эффекты используются в алгоритмах квантовых вычислений, что принципиально отличает их от классических алгоритмов. Интерференция используется вместе с запутанностью, чтобы обеспечить квантовое ускорение, обещанное квантовыми вычислениями.

Запутанность

Несколько кубитов могут проявлять квантовую запутанность. Запутанные кубиты всегда коррелируют друг с другом, образуя единую систему. Даже если они бесконечно далеко друг от друга, измерение состояния одного из кубитов позволяет нам узнать состояние другого без необходимости измерять его напрямую.

Запутывание требуется для любых квантовых вычислений, и его невозможно эффективно выполнить на классическом компьютере. Приложения включают разложение больших чисел на множители (алгоритм Шора) и решение задач поиска (алгоритм Гровера).

Будущее кубитов

По мере развития квантовых технологий мы приближаемся к решению некоторых из самых сложных мировых проблем. Хотя эта новая парадигма обладает невероятным потенциалом, квантовые вычисления находятся в зачаточном состоянии.

Кубиты хрупки

Одним из наиболее серьезных препятствий на пути квантовых вычислений является хрупкость кубитов. Запутывание системы кубитов с окружающей средой, включая установку измерения, может легко нарушить работу системы и вызвать декогерентность. Поэтому в настоящее время разрабатываются достижения в области создания оборудования для квантовых вычислений и методов исправления ошибок.

Топологические кубиты более стабильны

Чтобы решить проблему хрупкости, Microsoft использует топологические кубиты, которые стабилизируются путем изменения их структуры и окружения их химическими соединениями, защищающими их от внешнего загрязнения. Топологические кубиты защищены от шума благодаря топологическим свойствам квазичастиц, что делает квантовое оборудование Microsoft более устойчивым к ошибкам. Эта повышенная стабильность поможет масштабировать квантовый компьютер для выполнения более длительных и сложных вычислений, чтобы получить более сложные решения.

Ресурсы Azure Quantum

Создавайте квантовые решения уже сегодня, как один из первых пользователей Azure Quantum Preview — полнофункциональной открытой облачной экосистемы. Получите доступ к программному обеспечению, оборудованию и готовым решениям и начните разработку на надежной, масштабируемой и надежно защищенной платформе.

Машина Тьюринга, разработанная Аланом Тьюрингом в 1930-х годах, представляет собой теоретическое устройство, состоящее из ленты неограниченной длины, разделенной на маленькие квадраты. Каждый квадрат может содержать символ (1 или 0) или оставаться пустым. Устройство чтения-записи считывает эти символы и пробелы, что дает машине инструкции для выполнения определенной программы. Это звучит знакомо? Ну, в квантовой машине Тьюринга разница в том, что лента существует в квантовом состоянии, как и головка чтения-записи. Это означает, что символы на ленте могут быть либо 0, либо 1, либо суперпозицией 0 и 1; другими словами, символы одновременно являются и 0, и 1 (и всеми точками между ними). В то время как обычная машина Тьюринга может выполнять только одно вычисление за раз, квантовая машина Тьюринга может выполнять много вычислений одновременно.

Современные компьютеры, как и машина Тьюринга, работают, манипулируя битами, которые существуют в одном из двух состояний: 0 или 1. Квантовые компьютеры не ограничены двумя состояниями; они кодируют информацию в виде квантовых битов или кубитов, которые могут существовать в суперпозиции. Кубиты представляют собой атомы, ионы, фотоны или электроны и их соответствующие устройства управления, которые работают вместе, чтобы действовать как компьютерная память и процессор. Поскольку квантовый компьютер может содержать эти несколько состояний одновременно, он может быть в миллионы раз мощнее, чем самые мощные современные суперкомпьютеры.

Эта суперпозиция кубитов придает квантовым компьютерам присущий им параллелизм. По словам физика Дэвида Дойча, такой параллелизм позволяет квантовому компьютеру одновременно выполнять миллион вычислений, в то время как ваш настольный ПК выполняет только одно. Квантовый компьютер с 30 кубитами будет равен вычислительной мощности обычного компьютера, который может работать на скорости 10 терафлопс (триллионы операций с плавающей запятой в секунду). Современные обычные настольные компьютеры работают со скоростью, измеряемой гигафлопами (миллиарды операций с плавающей запятой в секунду).

Квантовые компьютеры также используют другой аспект квантовой механики, известный как запутанность. Одна из проблем с идеей квантовых компьютеров заключается в том, что если вы попытаетесь посмотреть на субатомные частицы, вы можете столкнуться с ними и тем самым изменить их значение. Если вы посмотрите на кубит в суперпозиции, чтобы определить его значение, кубит примет значение либо 0, либо 1, но не оба сразу (фактически превращая ваш изящный квантовый компьютер в обычный цифровой компьютер). Чтобы создать практичный квантовый компьютер, ученые должны разработать способы проведения косвенных измерений, чтобы сохранить целостность системы. Запутанность дает потенциальный ответ. В квантовой физике, если вы приложите внешнюю силу к двум атомам, это может привести к их запутыванию, и второй атом может принять свойства первого атома.Так что, если оставить его в покое, атом будет вращаться во всех направлениях. В тот момент, когда его беспокоят, он выбирает одно вращение или одно значение; и в то же время второй запутанный атом выберет противоположный спин, или значение. Это позволяет ученым узнать ценность кубитов, не глядя на них.

Далее мы рассмотрим некоторые последние достижения в области квантовых вычислений.

Компьютерщики управляют микроскопическими частицами, которые действуют как кубиты в квантовых компьютерах, с помощью управляющих устройств.

Цифровой компьютер хранит и обрабатывает информацию, используя биты, которые могут быть либо 0, либо 1. Физически бит может быть чем угодно, что имеет две различные конфигурации: одна представлена «0», а другая представлена «1». . Это может быть лампочка, которая горит или не горит, монета, выпадающая орлом или решкой, или любая другая система с двумя различными и различимыми возможностями. В современных вычислениях и средствах связи биты представлены отсутствием или наличием электрического сигнала, кодирующего «0» и «1» соответственно.

Квантовый бит — это любой бит, состоящий из квантовой системы, такой как электрон или фотон. Как и классические биты, квантовый бит должен иметь два различных состояния: одно представляет «0», а другое — «1». В отличие от классического бита, квантовый бит также может существовать в состояниях суперпозиции, подвергаться несовместимым измерениям и даже быть запутанным с другими квантовыми битами. Возможность использовать возможности суперпозиции, интерференции и запутанности делает кубиты принципиально отличными и намного более мощными, чем классические биты.

Для создания квантовых компьютеров и других квантовых информационных технологий нам нужны квантовые объекты, которые будут действовать как кубиты. Ученые научились использовать и управлять многими физическими системами, чтобы они действовали как кубиты. Это позволяет нам сопоставлять требования различных квантовых технологий с преимуществами каждого типа кубитов.

Познакомьтесь с кубитами

Существует много видов кубитов, некоторые из них встречаются в природе, а другие созданы инженерами. Вот некоторые из наиболее распространенных типов:

Большинство квантовых частиц ведут себя как маленькие магниты. Мы называем это свойство спином. Ориентация вращения всегда указывает либо полностью вверх, либо полностью вниз, но никогда не находится между ними. Используя спиновые состояния «вверх» и «вниз», мы можем построить спиновой кубит.

0 = направлен вверх, 1 = направлен вниз

Изучить вращение

Подробнее (PDF) о том, как исследователи IQC, такие как доцент Го-Син Мяо, создают новые материалы, чтобы использовать свойство вращения для ускорения разработки новых квантовых технологий.

Захваченные атомы и ионы

Мы можем использовать энергетические уровни электронов в нейтральных атомах или ионах в качестве кубитов. В своем естественном состоянии эти электроны занимают самые низкие энергетические уровни. С помощью лазеров мы можем «возбудить» их на более высокий энергетический уровень. Мы можем присвоить кубитам значения в зависимости от их энергетического состояния.

0 = низкое энергетическое состояние, 1 = высокое энергетическое состояние

Исследуйте захваченные атомы и ионы в действии

Управление отдельными атомами, фотонами и их взаимодействием может привести к развитию моделирования сложных квантовых систем. Узнайте больше (PDF) об исследованиях, проводимых в лаборатории профессора Кён Су Чоя, где команда изучает эти взаимодействия на атомном уровне. В лаборатории нанофотоники и квантовой оптики Михала Байчи атомы охлаждаются с помощью лазеров, чтобы способствовать фотон-фотонному взаимодействию (PDF).

Фотоны

Мы можем использовать фотоны, которые являются отдельными частицами света, в качестве кубитов несколькими способами.

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ КУБИТ:

Каждый фотон несет электромагнитное поле с определенным направлением, известным как его поляризация. Для определения кубитов используются два состояния: горизонтальная поляризация и вертикальная поляризация.

0 = по горизонтали, 1 = по вертикали

Упражнение: поляризационное искусство

ПУТЬ:

Путь фотона — это еще один способ определить кубит. Мы действительно можем поместить фотон в суперпозицию «здесь» и «там», используя светоделители.

0 = верхний путь, 1 = нижний путь

ВРЕМЯ:

Также можно построить фотонный кубит, используя время его прибытия. Мы можем создать квантовую суперпозицию «фотона, прибывающего раньше» и «фотона, прибывающего поздно».

0 = фотон прибывает раньше, 1 = фотон прибывает позже

Исследуйте фотоны

Сверхпроводящие схемы

При охлаждении до низкой температуры некоторые материалы пропускают электрический ток без сопротивления. Мы называем их сверхпроводниками. Мы можем проектировать электрические схемы на основе сверхпроводников, чтобы они вели себя как кубиты. В отличие от других примеров кубитов, эти сфабрикованные системы состоят из миллиардов атомов, однако они по-прежнему ведут себя как единая квантовая система. Одним из способов создания сверхпроводящего кубита является присвоение значения направлению, в котором ток течет по электрической цепи.

0 = ток по часовой стрелке, 1 = ток против часовой стрелки

Изучить сверхпроводящие схемы

Узнайте больше о сверхпроводящих схемах и о том, как исследователи IQC работают с этими типами кубитов, в том числе:

• Аспирант Вадирадж Анантападманабха Рао, который использует сверхпроводящие микроволновые схемы для изучения взаимодействия между светом и материей,

• Доцент Маттео Мариантони, который вместе с коллегами разработал квантовую розетку, новую технику трехмерной проводки, которая соединяет традиционную электронику с квантовыми цепями, и

Читайте также: