Как называется квантовый разряд или наименьший элемент хранения информации в квантовом компьютере
Обновлено: 03.07.2024
Это использование квантовой механики для выполнения вычислений на специализированном оборудовании.
Введение в квантовые вычисления
Чтобы полностью определить квантовые вычисления, нам нужно сначала определить некоторые ключевые термины.
Что такое квант?
Квант в «квантовых вычислениях» относится к квантовой механике, которую система использует для расчета выходных данных. В физике квант — это наименьшая возможная дискретная единица любого физического свойства. Обычно это относится к свойствам атомных или субатомных частиц, таких как электроны, нейтрино и фотоны.
Что такое кубит?
Кубит — это основная единица информации в квантовых вычислениях. Кубиты играют ту же роль в квантовых вычислениях, что и биты в классических вычислениях, но они ведут себя совсем по-другому. Классические биты являются двоичными и могут хранить только позицию 0 или 1, а кубиты могут содержать суперпозицию всех возможных состояний.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые компьютеры используют уникальное поведение квантовой физики, такое как суперпозиция, запутанность и квантовая интерференция, и применяют его к вычислениям. Это вводит новые концепции в традиционные методы программирования.
< бр />
Наложение
В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний. Они колеблются, пока их не наблюдают и не измеряют. Один из способов изобразить разницу между бинарной позицией и суперпозицией — представить себе монету. Классические биты измеряются путем «подбрасывания монеты» и выпадения орла или решки. Однако, если бы вы могли смотреть на монету и одновременно видеть орел и решку, а также каждое промежуточное состояние, монета находилась бы в суперпозиции.
Запутанность
Запутанность — это способность квантовых частиц сопоставлять результаты своих измерений друг с другом. Когда кубиты запутаны, они образуют единую систему и влияют друг на друга. Мы можем использовать измерения одного кубита, чтобы сделать выводы о других. Добавляя и запутывая больше кубитов в системе, квантовые компьютеры могут вычислять экспоненциально больше информации и решать более сложные задачи.
Квантовая интерференция
Квантовая интерференция — это внутреннее поведение кубита из-за суперпозиции, влияющее на вероятность его коллапса тем или иным образом. Квантовые компьютеры спроектированы и построены так, чтобы максимально уменьшить помехи и обеспечить наиболее точные результаты. С этой целью Microsoft использует топологические кубиты, которые стабилизируются путем манипулирования их структурой и окружения их химическими соединениями, защищающими их от внешнего вмешательства.
Как работают квантовые вычисления?
Квантовый компьютер состоит из трех основных частей:
- Область, в которой находятся кубиты
- Метод передачи сигналов кубитам
- Классический компьютер для запуска программы и отправки инструкций.
Для некоторых методов хранения кубитов устройство, в котором хранятся кубиты, поддерживается при температуре чуть выше абсолютного нуля, чтобы обеспечить максимальную их согласованность и уменьшить помехи. В других типах корпусов кубитов используется вакуумная камера, чтобы свести к минимуму вибрации и стабилизировать кубиты.
Сигналы можно отправлять на кубиты различными способами, включая микроволны, лазер и напряжение.
Использование и области применения квантовых компьютеров
Квантовый компьютер не может делать все быстрее, чем классический компьютер, но есть несколько областей, в которых квантовые компьютеры могут оказать большое влияние.
Квантовое моделирование
Квантовые компьютеры исключительно хорошо подходят для моделирования других квантовых систем, поскольку в своих вычислениях они используют квантовые явления.Это означает, что они могут справиться со сложностью и неоднозначностью систем, которые перегрузили бы классические компьютеры. Примеры квантовых систем, которые мы можем моделировать, включают фотосинтез, сверхпроводимость и сложные молекулярные образования.
Криптография
Классическая криптография, например алгоритм Ривеста–Шамира–Адлемана (RSA), который широко используется для защиты передачи данных, основана на неразрешимости таких задач, как целочисленная факторизация или дискретное логарифмирование. Многие из этих проблем можно решить более эффективно с помощью квантовых компьютеров.
Оптимизация
Оптимизация — это процесс поиска наилучшего решения проблемы с учетом желаемого результата и ограничений. В науке и промышленности важные решения принимаются на основе таких факторов, как стоимость, качество и время производства, которые можно оптимизировать. Запуская квантовые алгоритмы оптимизации на классических компьютерах, мы можем найти решения, которые раньше были невозможны. Это помогает нам находить более эффективные способы управления сложными системами, такими как транспортные потоки, назначение выходов на посадку, доставка посылок и хранение энергии.
Квантовое машинное обучение
Машинное обучение на классических компьютерах меняет мир науки и бизнеса. Однако обучение моделей машинного обучения сопряжено с высокими вычислительными затратами, что препятствует расширению и развитию этой области. Чтобы ускорить прогресс в этой области, мы изучаем способы разработки и внедрения квантового программного обеспечения, которое обеспечивает более быстрое машинное обучение.
Поиск
Квантовый алгоритм, разработанный в 1996 году, значительно ускорил поиск неструктурированных данных, выполняя поиск за меньшее количество шагов, чем любой классический алгоритм.
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 безопасной платформе.
Не так давно обсуждение квантовых вычислений велось в основном в технических журналах или на научных конференциях.
Сегодня основные средства массовой информации и деловые издания освещают квантовые темы.
Квантовые вычисления изменят отрасли. Для этого Honeywell Quantum Solutions уже сотрудничает с JPMorgan Chase, Merck, DHL, BMW, Samsung и другими глобальными организациями.
Вот определения, помогающие объяснить квантовые вычисления и технологию Honeywell с захваченными ионами:
Кубит. В классических вычислениях наименьшей единицей данных является двоичная цифра или бит. Бит — это поток электрических импульсов, каждый из которых существует либо в положении «0» — выключено, либо в положении «1» — включено. Квантовый бит или кубит — это наименьшая единица данных в квантовых вычислениях. Кубиты могут существовать как 0 и 1 одновременно, явление, называемое суперпозицией, или что-то среднее между ними. Эта способность находиться в нескольких положениях одновременно является одной из причин, по которой квантовые вычисления обещают быть такими мощными.
Запутанность. Как правило, невозможно находиться в двух местах одновременно, за исключением квантовой физики. Благодаря явлению, называемому запутанностью, квантовые частицы могут связываться на больших расстояниях и иметь общее квантовое состояние. Изменение состояния одной квантовой частицы коррелирует с состоянием другой. Квантовые компьютеры используют это явление, запутывая кубиты, а затем кодируя их информацией для выполнения вычислений, пока они находятся в одном квантовом состоянии.
Технология захваченных ионов — компания Honeywell Quantum Solutions занимается разработкой квантовых технологий с захваченными ионами. Наши системы «улавливают» заряженные атомы (ионы) иттербия электромагнитными полями, чтобы ими можно было манипулировать и кодировать информацию с помощью микроволновых сигналов и лазеров. Наша новейшая технология, модель системы H1, предлагает ряд явных преимуществ, в том числе высокое качество квантовых операций (точность) и более длительное время когерентности (кубиты дольше сохраняют свое квантовое состояние) по сравнению с другими технологиями квантовых вычислений.
Квантовая схема. Вы когда-нибудь задумывались, что нужно для программирования квантового компьютера? Что ж, программное обеспечение не похоже на традиционный компьютерный код, скорее конкретные квантовые алгоритмы записываются в виде «схемы», которая представляет собой серию инструкций для каждого кубита во время вычисления. Эти схемы при отображении часто выглядят как ноты.
Точность. Компьютеры выполняют вычисления, манипулируя состояниями битов, изменяя биты с 0 на 1 и с 1 на 0, как будто щелкают переключателем. Точно так же квантовые компьютеры должны иметь возможность манипулировать кубитами от 0 до 1 и так далее. Точность вычислений зависит от нашей способности выполнять эти «перевороты битов» с очень высокой вероятностью успеха или «верностью». Верность — это мера того, как часто попытка флипа приводит к правильному состоянию кубита. Чем выше верность, тем лучше. Наша точность работы отдельных кубитов равна 99.В настоящее время 997 % — это лучший показатель производительности среди всех технологий адресуемых кубитов.
Quantum Volume. Помните старую поговорку: «Нельзя судить о книге по обложке?» То же самое верно и для квантовых вычислений. Вы не можете судить о квантовом компьютере исключительно по количеству кубитов, которые у него есть. Другие факторы, такие как количество операций, точность и подключение кубитов, также влияют на производительность. Тест Quantum Volume (QV) был разработан для сопоставимого измерения производительности всех технологий квантовых вычислений. QV измеряется с помощью серии тщательно разработанных тестов. Чем выше квантовый объем, тем мощнее система. Наша 10-кубитная системная модель H1 достигла рекордного квантового объема 512 в марте 2021 года.
Измерение в середине цепи. Эта функция позволяет выборочно измерять кубиты в точке, отличной от конца квантовой цепи. Квантовая информация измеренного кубита схлопывается до классического состояния (нуля или единицы), но неизмеренные кубиты сохраняют свое квантовое состояние. Основываясь на измеренном кубите, пользователи могут решить, какие действия предпринять дальше в схеме, что обеспечивает гораздо более динамичное и гибкое программирование квантового компьютера, чем это было бы возможно в противном случае. Использование промежуточного измерения для выполнения условных логических действий эквивалентно использованию оператора «если-то» в классическом программном обеспечении. Мы были первыми, кто включил этот тип измерения в наши коммерческие предложения.
Заинтересованы в кубитах и квантовых вычислениях? Вот несколько определений, которые помогут вам узнать об этой новой технологии.
Объяснение квантовых вычислений: термины, которые нужно знать
Заинтересованы в кубитах и квантовых вычислениях? Вот несколько определений, которые помогут вам узнать об этой новой технологии.
Не так давно обсуждение квантовых вычислений велось в основном в технических журналах или на научных конференциях.
Сегодня основные средства массовой информации и деловые издания освещают квантовые темы и рассуждают о «квантовом преимуществе» — моменте, когда квантовые компьютеры могут выполнять вычисления, недоступные сегодняшним компьютерам.
Для этого Quantinuum уже сотрудничает с JPMorgan Chase, Merck, DHL, BMW, Samsung и другими глобальными организациями.
Вот определения, помогающие объяснить квантовые вычисления и технологию захвата ионов Quantinuum:
Битовые и фазовые перевороты
В классических вычислениях ошибки переключения битов возникают, когда двоичная цифра или бит непреднамеренно переключаются с нуля на единицу или наоборот. Квантовые компьютеры испытывают эту ошибку, а также фазовые перевороты. Обе ошибки приводят к тому, что кубиты теряют свое квантовое состояние — или декогерентность. Классические компьютеры обходят это путем клонирования данных для исправления ошибок. Однако этот метод не работает в квантовых вычислениях.
Безубыточность
Как отмечалось выше, создание логических кубитов и применение квантовых кодов коррекции ошибок может добавить ошибок в квантовую систему. Безубыточность — это точка, в которой частота ошибок, возникающая после создания логических кубитов и применения циклов квантовой коррекции ошибок, ниже, чем частота ошибок, существовавшая до их создания.
Коды
После формирования логического кубита исследователи применяют коды для обнаружения и исправления ошибок, что снижает уровень шума. Это не то же самое, что писать программный код. Это математические протоколы или процессы, которые помогают защитить квантовую информацию. Одними из наиболее популярных кодов квантовой коррекции ошибок являются цветовой код и поверхностный код.
Согласованность
В квантовых вычислениях когерентность означает запутанность кубитов в квантовом состоянии, необходимом для выполнения вычислений. Поддержание этого квантового состояния в течение более длительного времени необходимо для выполнения более сложных вычислений.
Запутанность
Вообще невозможно находиться в двух местах одновременно — кроме как в квантовой физике. Благодаря явлению, называемому запутанностью, квантовые частицы могут связываться на больших расстояниях и иметь общее квантовое состояние. Изменение состояния одной квантовой частицы автоматически изменяет состояние другой. Квантовые компьютеры используют это явление, запутывая кубиты, а затем кодируя их информацией для выполнения вычислений, пока они находятся в одном квантовом состоянии.
Отказоустойчивые вычисления
Отказоустойчивость – это принцип проектирования, который предотвращает каскадное распространение ошибок по всей системе и повреждение цепей. Современные суперкомпьютеры отказоустойчивы, и квантовые компьютеры должны быть такими же, чтобы выполнять сложные вычисления.
Верность
Компьютеры выполняют вычисления, манипулируя состояниями битов, изменяя биты с 0 на 1 и с 1 на 0, как будто переключая переключатель. Точно так же квантовые компьютеры должны иметь возможность манипулировать кубитами от 0 до 1 и так далее.Точность вычислений зависит от нашей способности выполнять эти «перевороты битов» с очень высокой вероятностью успеха или «верностью». Верность — это мера того, как часто попытка флипа приводит к правильному состоянию кубита. Чем выше верность, тем лучше. Наша точность работы с отдельными кубитами составляет 99,997 %, что в настоящее время является лучшим показателем производительности среди всех адресуемых технологий кубитов.
Логический кубит
Чтобы обойти эти проблемы, исследователи создают «логические» кубиты. Логический кубит — это набор запутанных физических кубитов, на которых распределяется, хранится и защищается квантовая информация. Логические кубиты структурированы таким образом, что исследователи могут обнаруживать ошибки в отдаленных физических кубитах, известных как вспомогательные, не нарушая работу кубитов, закодированных информацией и выполняющих вычисления.
Волшебное состояние
Процесс квантовой коррекции ошибок необходим для инициализации и создания того, что известно в квантовых вычислениях как магическое состояние. Магические состояния — это то, что позволяет квантовым компьютерам делать что-то или выполнять сложные вычисления, на которые классические компьютеры не способны. Это как секретный соус или специальный ингредиент в рецепте, за исключением того, что его трудно определить. Мы этого не видим. Мы просто знаем, что он есть и что он необходим для квантовых вычислений. Да, это абстрактно. Но важно то, что применение квантовой коррекции ошибок и уменьшение шума необходимы для создания магических состояний.
Измерение среднего контура
Эта функция позволяет выборочно измерять кубиты в точке, отличной от конца квантовой цепи. Квантовая информация измеренного кубита схлопывается до классического состояния (нуля или единицы), но неизмеренные кубиты сохраняют свое квантовое состояние. Основываясь на измеренном кубите, пользователи могут решить, какие действия предпринять дальше в схеме, что обеспечивает гораздо более динамичное и гибкое программирование квантового компьютера, чем это было бы возможно в противном случае. Мы были первыми, кто включил этот тип измерения в наши коммерческие предложения.
В статьях о квантовых вычислениях текущий этап квантовых вычислений иногда упоминается как «эпоха NISQ». Произносится как «nis-k», эта аббревиатура расшифровывается как Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing. Это относится к ближайшим квантовым компьютерам, на которых не применялись полные циклы квантовой коррекции ошибок. Все коммерческие квантовые компьютеры, работающие сегодня, считаются машинами эпохи NISQ.
Шум
Квантовые биты или кубиты — это наименьшая единица данных в квантовых компьютерах. Кубиты деликатны и хрупки и имеют тенденцию взаимодействовать с окружающей средой и друг с другом, что создает «шум» или помехи. Этот шум вызывает накопление ошибок, искажает информацию, хранящуюся в физических кубитах и между ними, и нарушает квантовое состояние, в котором кубиты должны находиться для выполнения вычислений. Это явление называется декогеренцией.
Постобработка
Существуют разные методы удаления "шума" из квантовых данных. Один из них называется постобработкой, когда результаты квантовых вычислений сравниваются с данными классических компьютеров, чтобы можно было идентифицировать и удалить «шум» после завершения вычислений. Это полезный метод на ранней стадии квантовых вычислений для проверки и подтверждения вычислений. Но это будет невозможно, поскольку квантовые компьютеры масштабируются и начинают выполнять вычисления, слишком сложные для классических компьютеров.
Цикл квантовой коррекции ошибок
Квантовые исследователи разработали многоэтапный процесс, известный как цикл квантовой коррекции ошибок, для обнаружения и исправления ошибок и устранения шума во время вычислений. Цикл QEC начинается с 1) измерения так называемых синдромов для выявления ошибок; 2) посылают эти измерения ошибок в декодер, который идентифицирует математическую коррекцию; 3) актуализация этих синдромов и проведение коррекций. Применение полных циклов квантовой коррекции ошибок сложно. Этот процесс может ввести шум в систему, и его применение непосредственно к физическим кубитам приводит к тому, что они теряют свое квантовое состояние.
Квантовый объем
Помните старую поговорку: «Нельзя судить о книге по обложке?» То же самое верно и для квантовых вычислений. Вы не можете судить о квантовом компьютере исключительно по количеству кубитов, которые у него есть. Другие факторы, такие как количество операций, точность и подключение кубитов, также влияют на производительность. Тест Quantum Volume (QV) был разработан для сопоставимого измерения производительности всех технологий квантовых вычислений. QV измеряется с помощью серии тщательно разработанных тестов. Чем выше квантовый объем, тем мощнее система. Наша модель системы H1 с 10 кубитами достигла рекордного квантового объема 512 в марте 2021 года.
Кубит
В классических вычислениях наименьшая единица данных — это двоичная цифра или бит. Бит — это поток электрических импульсов, каждый из которых существует либо в положении «0» — выключено, либо в положении «1» — включено. Квантовый бит или кубит — это наименьшая единица данных в квантовых вычислениях.Кубиты могут существовать как 0 и 1 одновременно, явление, называемое суперпозицией, или что-то среднее между ними. Эта способность находиться в нескольких положениях одновременно является одной из причин, по которой квантовые вычисления потенциально настолько эффективны.
Технология захваченных ионов
Компания Honeywell Quantum Solutions занимается разработкой квантовых технологий на основе захваченных ионов. Наши системы «улавливают» заряженные атомы (ионы) иттербия электромагнитными полями, чтобы ими можно было манипулировать и кодировать информацию с помощью микроволновых сигналов и лазеров. Наша новейшая технология, System Model H1, обладает некоторыми явными преимуществами, включая высокую точность и более длительное время когерентности (кубиты дольше сохраняют свое квантовое состояние) по сравнению с другими технологиями квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры — это машины, использующие свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений. Это может быть чрезвычайно выгодно для определенных задач, где они могут значительно превзойти даже наши лучшие суперкомпьютеры.
Классические компьютеры, включая смартфоны и ноутбуки, кодируют информацию в двоичных «битах», которые могут быть равны 0 или 1. В квантовом компьютере основной единицей памяти является квантовый бит или кубит.
Кубиты создаются с использованием физических систем, таких как вращение электрона или ориентация фотона. Эти системы могут находиться одновременно во многих различных конфигурациях — свойство, известное как квантовая суперпозиция. Кубиты также могут быть неразрывно связаны друг с другом с помощью явления, называемого квантовой запутанностью. В результате ряд кубитов может одновременно представлять разные вещи.
Например, восьми бит достаточно, чтобы классический компьютер представлял любое число от 0 до 255. Но восьми кубитов достаточно, чтобы квантовый компьютер мог одновременно представлять все числа от 0 до 255. Нескольких сотен запутанных кубитов было бы достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной.
Реклама
- Пройдите наш курс квантовой физики под руководством экспертов и узнайте о принципах, лежащих в основе современной физики.
Именно здесь квантовые компьютеры получают преимущество перед классическими. В ситуациях, когда имеется большое количество возможных комбинаций, квантовые компьютеры могут рассматривать их одновременно. Примеры включают попытку найти простые множители очень большого числа или лучший маршрут между двумя точками.
Однако во многих случаях классические компьютеры по-прежнему превосходят квантовые. Таким образом, компьютеры будущего могут представлять собой комбинацию обоих этих типов.
На данный момент квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к тому, что кубит потеряет свои квантовые свойства. Этот процесс, известный как квантовая декогеренция, приводит к сбою системы, и это происходит тем быстрее, чем больше задействовано частиц.
Квантовые компьютеры должны защищать кубиты от внешних помех, либо физически изолируя их, охлаждая, либо отключая тщательно контролируемыми импульсами энергии. Дополнительные кубиты необходимы для исправления ошибок, проникающих в систему.
Кубит может хранить один бит — наименьшую возможную единицу цифровой информации — и является основным строительным блоком будущего квантового компьютера. Кубиты из полупроводниковых материалов, подобные тем, которые исследуются в Базеле, являются одними из наиболее многообещающих кандидатов.
Функции восстановления Skype