Hur kvantberäkningar fungerar och varför det är viktigt

Datorer har förändrat samhället radikalt. Strax efter andra världskrigets slut använde forskare datorer för att lösa alla möjliga problem. Framstegen var otroligt snabb. Vid 1970-talet föddes hemmadatoren.

Men för alla dessa framsteg är vissa problem fortfarande riktigt svåra. Oavsett hur bra datorer blir, är utmaningar som fakturering av stort antal eller optimering av budrutter fortfarande svåra.

Men bitar är inte det enda sättet att beräkna. Kvantmekanik - reglerna som styr världen av atomer och molekyler - kan också användas för att beräkna. Och dessa beräkningar utförs på ett anmärkningsvärt annorlunda sätt.

Förhoppningen är att dessa ”kvantdatorer” en dag kommer att kunna lösa hårda problem. Men vad är faktiskt kvantdatorer, och hur fungerar de?

16 kvbit kvantdator från IBM (IBM kvantupplevelse)

En detaljerad tittning under huven på en kvantdator avslöjar varför forskare är så hoppfulla att dessa datorer kommer att vara så kraftfulla - och inte kraftfulla som en ny generation av processor från Intel. Nej, en praktisk kvantdator har potentialen att förändra världen. Företag som D-Wave, IBM och Google, tillsammans med forskningslabor runt om i världen, tävlar alla för att producera de första praktiska kvantdatorerna.

Vad gör en kvantdator annorlunda?

För att illustrera skillnaden mellan kvantitet och traditionell datoranvändning använder Daniel Lidar, professor i fysisk teoretisk kemi vid University of South California, följande analogi (som jag har modifierat).

Föreställ dig att du letar efter en svart boll i en låda full av vita bollar, och du kan inte se inuti rutan. För att hitta den svarta bollen tar du blindt en boll, undersöker färgen och kastar den om den inte är svart. Du kan ta den svarta bollen vid första försöket, eller så kan du välja den sist.

Det mest troliga resultatet: Du förstör lådan i frustration.

Låt oss nu byta till en kvantealgoritm. Dina kvanthänder når in i rutan, men de tar inte en boll. Istället har dessa händer sannolikheten för att ha valt varje boll - inklusive den svarta bollen. Om lådan har 10 bollar har dina kvanthänder 10 lika sannolikheter.

Därefter kör du en kvantealgoritm som ökar sannolikheten för att bollen är svart. Efteråt kontrollerar du din hand: Besvikande, bollen är vit. Du når tillbaka in i lådan. Men den här gången är sannolikheterna inte lika: Sannolikheten för att du hittar den svarta bollen är högre nu än för de andra bollarna.

Det är som om det förra försöket kastade bort en extra vit boll tillsammans med den du hittade. Detta inträffar för varje försök, så chansen att hitta den svarta bollen ökar snabbt. Nyckeln till hur dessa sannolikheter förändras är hur kvanttillstånd - eller "qubits", när det gäller datoranvändning - manipuleras.

Quantum Superposition States

Låt oss dela upp den här box-of-balls-historien för att se hur det fungerar.

Kvanthanden når in i lådan och tar tag i sannolikheter. Vid traditionell beräkning lagras information som bitar som har bestämda värden. Lite är antingen ett eller noll. Att kontrollera värdet på en bit ändrar det inte på något sätt.

Men en kvbit representerar inte direkt värdet på biten; det har sannolikheten för att qubitten är en eller noll. Detta kallas ett "kvantesuperpositionstillstånd."

När vi kontrollerar värdet på kvbbitten får vi dock inte sannolikheten. Mätningen avslöjar en eller noll - valet som slumpmässigt bestäms utifrån superpositionens sannolikhet. Mätning ställer in värdet på kvbbitten. Om vi ​​mäter kvbbitten och får en, kommer kontrollen igen också att resultera i en.

När vi når in i rutan tar vi faktiskt en uppsättning qubits - tillräckligt för att representera alla bollar. Kvittorna sätts i ett superpositionstillstånd som har sannolikheten att hitta varje boll. Eftersom sökningen är helt slumpmässig representeras varje boll med lika sannolikhet.

Nu har vi en algoritm som ökar sannolikheten för att hitta den svarta bollen.

Du kan fråga: Hur kan du öka sannolikheten utan att smyga en topp? Svaret ligger i hur en kvbit har sannolikheter. En sannolikhet representeras av ett tal mellan noll och ett. Men qubits har sannolikhetsamplituder, som kan vara positiva eller negativa.

Som Lidar uttrycker det: ”[T] hans är där det är en verklig skillnad. Det finns ingen uppfattning om negativ sannolikhet [i klassisk fysik], det är meningslöst ... Men i kvantfallet kan vi ha [a] negativ [sannolikhets] amplitud som avbryter de positiva [sannolikhets] amplituderna. Det är genom manipulationerna av dessa störningar som vi kan börja förstå hur kvantberäkning kan få en fördel. "

Två viktiga punkter är dolda i citatet. När en negativ amplitud möter en positiv amplitud är nettoresultatet något närmare noll, så sannolikheten för det specifika utfallet sjunker; om två positiva amplituder möts ökar chansen för detta resultat. Det vill säga, vi kan manipulera sannolikheten för ett visst resultat utan att mäta kvbit. (Kom ihåg att en mätning förstör superpositionstillståndet.)

Ännu viktigare är att man kan göra detta för sig själva. När vi talar om en positiv amplitud som möter en negativ amplitud, kan dessa amplituder komma från samma kvbit. Och om det inte får ditt sinne att böjas och knäppa lite, kommer ingenting att göra.

Som ett resultat kan en kvantdator snabbt minska sannolikheten för att få ett felaktigt svar och öka oddsen för att få rätt svar. Detta är exakt den typ av trick som en kvantdator använder för att öka sannolikheten för att hitta rätt boll.

En felutsatt process

För att utföra en beräkning ändras superpositionstillståndet för många qubits. Men mellan avsiktliga modifieringar ändrar miljön också superpositionstillståndet. Detta ljud är kvantberäkningens fiende, förstör superpositionstillstånd nästan lika snabbt som vi kan skapa dem.

Resultatet är att qubits är opålitliga och benägna att fel. Och dessa fel måste upptäckas och korrigeras.

Detta är inte trivialt. Som Lidar uttrycker det: ”[W] e kommer att behöva använda en hög grad av redundans för att säkerställa att kvantberäkningen kan utföras korrekt. Så vad är det här på grund av kodning? Det kan vara ganska svårt, det kan vara av faktorer på 1 000 eller 1 000 000. ”

Med andra ord, varje bit av information kodas till en liten armé av qubits istället för en enda qubit.

Hur man bygger en kvantdator

Det finns flera grundläggande metoder för att bygga en kvantdator. Det vanligaste tillvägagångssättet är ungefär som att vi bygger datorer nu, kallad kvantberäkningsmodellen.

Varje program är indelat i en serie specifika logikoperationer, varav de flesta modifierar sannolikhetsamplituder på en kvbit, beroende på sannolikhetsamplituderna för en andra kvbit. En kretsbaserad kvantdator tar in en startuppsättning av qubits och utför varje operation i programmet i följd. Efter att programmet har körts läses kvbitstatusen för att få ett svar.

IBM bygger kvantdatorer av den här typen, och du kan till och med spela med dem. Men det är inte alls säkert att IBMs eller någon annan kretsmodell blir standard. Att skala kvbbitnumret och livslängden upp till en användbar storlek är ingen enkel uppgift.

Andra företag, som D-Wave och Google, intresserar sig också. Men deras strategi skiljer sig mycket från IBM och de flesta forskningslaboratorier. Det vanligaste tillvägagångssättet för att bygga en kvantdator är att hålla sig nära idéer från vanliga datorer: logiska grindar som utför sekventiella operationer. Men det är också möjligt att göra datorer som fungerar utan direkt logisk operation.

D-Waves kvantoptimerare (D-Wave Inc.)

Skillnaden mellan de två tillvägagångssätten är ganska djupgående. I en dator som använder sekventiell logik är datorns fysiska layout ganska enkel, men arbetssekvensen (eller programmet) kan bli lång och komplicerad. Genom att överge sekventiell logik blir programmet väldigt enkelt - i själva verket finns det nästan ingen programmering - men den fysiska layouten blir mycket utmanande, eftersom varje qubit måste anslutas till alla andra qubits.

Den kanadensiska starten D-Wave har erbjudit en begränsad form av kvantberäkning under en tid, men för tillfället är dess processorer för små för att ta på sig praktiska problem. Layouten för D-Wave-processorn ansluter inte alla qubits till varandra. Som ett resultat kan det bara användas för att lösa vissa typer av problem men inte andra.

För att komplicera frågor är det inte möjligt att veta från datorns prestanda att det är en kvantdator. Det kan istället vara en mycket effektiv traditionell dator. Google och Lidar (som inte arbetar för Google) använder en liknande strategi som D-Wave; skillnaden är dock att de syftar till att kontrollera hur qubitsna påverkar varandra. Från det hoppas de kunna bevisa att denna strategi leder till en kvantdator.

Ett problem att leta efter en kvantlösning

De flesta människor, om de är medvetna om kvantdatorer, associerar dem med att bryta kryptering. Modern kryptografi förlitar sig på att det är mycket svårt att hitta främsta faktorer av mycket stort antal.

En praktisk kvantdator kommer sannolikt att få slut på det. Men det finns mindre obehagliga applikationer.

Det mest spännande under utveckling är att använda kvantdatorer för att lösa kvantmekanikproblem. Det är den applikation som sannolikt kommer att förändra världen.

Kvantmekanik beskriver materialens egenskaper, från bomull i dina kläder till fotosyntes i växter. Även med de mest kraftfulla traditionella datorerna är det ganska mycket omöjligt att beräkna egenskaperna hos någon molekyl som innehåller mer än cirka 30 atomer. Istället tar vi genvägar, som inte alltid fungerar särskilt bra.

En kvantdator kan vara mycket mer exakt, så vi kan ha mycket mer förtroende för den beräkningen. Forskare kan föreställa sig mycket mer outlandiska egenskaper, som material som svalnar när de utsätts för solljus, och sedan använder en kvantdator för att bestämma den erforderliga strukturen. Och outlandish egenskaper som verkligen är omöjliga kan elimineras snabbare.

Hur nära är vi?

Kvantdatorer anlände i teorin med de första demonstrationerna på 1990-talet. Fortfarande är dina hemligheter säkra, och du hittar inte en kvantdator som gör onda saker på ditt bankkonto. Forskare som Lidar förväntar sig inte en praktisk kvantdator på länge än.

Lidar säger att med 100 qubits i en värld där det inte finns behov av korrigering av kvantfel, "skulle vi kunna börja simulera kvantsystem med kvantdatorer i en skala som överträffar vad som är möjligt med de mest kraftfulla klassiska datorerna."

Men forskare har ett mål som kallas, oroväckande, kvantöverträffelse. Trots sitt storslagna namn visar kvantöverlägsenhet bara att alla problem utöver kapaciteten hos en traditionell dator, även en utan praktiskt värde, kan lösas på en kvantdator.

Att visa att kvantdatorer kan utföra som förutsagt är ett viktigt steg, och det är ingen som är helt säker på att kommer att hända. Men först då kan vi verkligen lita på att framtida kvantdatorer kan leverera sina löften.

Lidar räknar med att se en dator som borde kunna uppnå kvantöverträffelse under de kommande 12 månaderna. Google verkar i synnerhet ha som mål att uppnå kvantöverlägsenhet så snabbt som möjligt, medan IBM tar ett mer försiktigt tillvägagångssätt.

Efter det väntar en dum men spännande framtid på oss.