Kvantinis kompiuteris: apibrėžimas, principai ir taikymai

Atraskite kvantinio kompiuterio apibrėžimą, darbo principus, kubitų superpoziciją ir praktinius taikymus — nuo kriptoanalizės iki mokslo ir pramonės inovacijų.

Kvantinis kompiuteris - tai kompiuterio sukūrimo modelis, pagrįstas kvantinės mechanikos principais. Idėja ta, kad kvantiniai kompiuteriai gali naudoti tam tikrus kvantinės mechanikos reiškinius, pavyzdžiui, superpoziciją ir susietumą, duomenų atvaizdavimui ir skaičiavimų vykdymui. Teoriškai šį modelį aprašo kvantinė Tiuringo mašina — dar vadinama universaliuoju kvantiniu kompiuteriu — kuri gali atlikti bet kokią kvantinių algoritmų seka išreikštą skaičiavimą.

Pagrindiniai principai

Klasikiniuose kompiuteriuose informacija saugoma dvejetainiu būdu; kiekvienas bitas yra arba 0, arba 1. Kvantiniuose skaičiavimuose naudojami kubitai, kurie ne tik gali būti „0“ arba „1“, bet ir būti abiejų būsenų superpozicijoje — t. y. tuo pačiu metu turėti tam tikrą tikimybinį 0 ir 1 mišinį. Matavimo momentu superpozicija „susižlugdo“ ir gaunama konkreti būsena pagal iš anksto nulemptas tikimybes. Be superpozicijos, svarbus kvantinių skaičiavimų išteklius yra susietumas, leidžiantis kubitams turėti tarpusavio ryšius, kurie negali būti paaiškinti klasikine koreliacija.

Kvantiniai „vartai“ (quantum gates) manipuliuoja kubitų būsenomis vykdydami vieno arba kelių kubitų kvantines operacijas. Skaičiavimai grindžiami šių vartų sekomis, o matavimai išveda rezultatus į klasikine forma interpretuojamą informaciją. Dėl tikimybinio pobūdžio kvantiniai algoritmai dažnai grįžta kelis kartus arba naudoja amplitudžių stiprinimą (amplitude amplification), kad padidintų norimų rezultatų tikimybę.

Eksperimentinė būklė ir implementacijos

Kvantinių kompiuterių kūrimas — aktyviai besivystanti sritis. Iki šiol su kubitais (kvantiniais bitais) atlikta tik ribota skaičiaus operacijų, daugiausia nedideliuose eksperimentiniuose įrenginiuose. Tokie įrenginiai dažnai priskiriami NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) erai — tai reiškia, kad jie turi daug triukšmo ir klaidų, todėl geba vykdyti tik ribotą naudingų skaičiavimų kiekį.

Yra keletas technologinių prieigų kubitams realizuoti. Populiariausios apima:

• superlaidžių kubitus (superconducting qubits),
• užfiksuotų jonų sistemas (trapped ions),
• fotoninius (optinius) kubitus,
• topologinius kubitus (tyrimai tęsiami),
• kitas hibridines technologijas.

Algoritmai ir taikymai

Jeigu pavyktų sukurti didelės apimties, klaidų taisymu ir stabilumu pasižyminčius kvantinius kompiuterius, jie galėtų spręsti tam tikras problemas žymiai greičiau nei klasikiniai kompiuteriai. Labai žinomi pavyzdžiai yra Šoro algoritmas), leidžiantis efektyviai rastis didžiųjų skaičių faktorizaciją, ir Grovero algoritmas (paieškai neseiniu duomenų bazėje), kurie rodo kvantinių skaičiavimų pranašumą konkrečiose užduotyse.

Pagrindinės galimos taikymo sritys:

• kriptografija ir kriptoanalizė — pvz., klasikinių viešo rakto šifravimų (RSA) pažeidžiamumas esant dideliam kvantiniam kompiuteriui,
• medžiagų ir cheminių reakcijų modeliavimas — kvantinė mechanika natūraliai tinka molekulių elektroninėms struktūroms skaičiuoti,
• optimizavimo uždaviniai ir mašininis mokymasis — tam tikroms išvestinėms užduotims gali būti naudojami kvantiniai metodai,
• finansų modeliavimas, logistika, kompleksinių sistemų simuliacijos ir kt.

Skirtumai nuo kitų kompiuterių ir teoriniai apribojimai

Kvantiniai kompiuteriai skiriasi nuo kitų neklasikinių konstrukcijų, pavyzdžiui, DNR kompiuterių, ir nuo tradicinių, tranzistoriais paremtų kompiuterių. Kai kurios klasikinės architektūros, pavyzdžiui optiniai kompiuteriai, gali pasinaudoti klasikine elektromagnetinių bangų superpozicija, bet ši superpozicija skiriasi nuo kvantinės superpozicijos savo fizine prigimtimi ir galimybėmis. Dauguma specialistų mano, kad be kvantinių mechanikos išteklių, tokių kaip susietumas, eksponentinis pranašumas prieš klasikinius kompiuterius būtų nepasiekiamas.

Vis dėlto kvantiniai kompiuteriai nekeičia pagrindinio skaičiavimo teorijos principo — jie negali apskaičiuoti to, kas iš esmės neapskaičiuojama klasikinėmis mašinomis (Čerčo–Turingo tezė išlieka). Jie gali atlikti tam tikrus uždavinius daug greičiau arba efektyviau, bet ne visiškai perrašyti skaičiavimo galimybių ribas.

Iššūkiai ir perspektyvos

Pagrindiniai techniniai iššūkiai yra šie:

• dekoherencija — kubitų kvantinės savybės greitai prarandamos sąveikaujant su aplinka,
• klaidų taisymas — kvantinė klaidų korekcija reikalauja daug papildomų fizinių kubitų tam, kad būtų sukurti patikimi loginių kubitų,
• mastelio didinimas — reikia sukurti įrenginius su tūkstančiais ar milijonais patikimų kubitų,
• matavimo ir valdymo technologijos, aušinimas (pvz., superlaidžiai įrenginiai dirba prie labai žemų temperatūrų) ir gamybos stabilumas.

Per artimiausius metus tikėtina, kad matysime spartų eksperimentinių „NISQ“ įrenginių tobulėjimą, geresnius klaidų mažinimo metodus, o taip pat didėjantį investicijų ir tarptautinį bendradarbiavimą skaičių. Kartu vystosi ir postkvantinė kriptografija — klasikinės kriptografijos šeimos, atsparios kvantiniams atakoms, standarto kūrimas.

Santrauka

Kvantinis kompiuteris yra perspektyvus, bet technologiškai sudėtingas įrenginys, kurio potencialas taikyti specifines problemas žymiai greičiau nei dabartiniai kompiuteriai yra didelis. Tuo pačiu laukia daug inžinerinių ir teorinių iššūkių, kuriuos sprendžia tiek akademinė, tiek pramonės ir valstybinė sektoriaus bendruomenė.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra kvantinis kompiuteris?

K: Kuo jis skiriasi nuo klasikinių kompiuterių?

K.: Kokios galimos kvantinių kompiuterių taikymo sritys?

K.: Ar be kvantinių kompiuterių yra ir kitų tipų kompiuterių?

K: Ar Čerčo-Turingo tezė taikoma kvantiniams kompiuteriams?

Klausimas: Ar jau pavyko sukurti didelės apimties kvantinius kompiuterius?

Paieška pagal raidę