По мотивам Инженерного подкаста узнали о роли кубитов в работе квантового компьютера и о их различные виды. Кроме того, мы выделили основные задачи, стоящие перед этим направлением, и даже нашли первый рецепт квантового компьютера. Публикуем самое интересное!
Что такое кубиты?
Кубит — это единица информации квантового компьютера. В отличие от классического бита, который может принимать значение 0 или 1, кубит может находиться в состоянии суперпозиции, представляя собой комбинацию 0 и 1 с определёнными вероятностями. Это свойство можно визуализировать с помощью сферы Блоха, где каждая точка на поверхности сферы соответствует уникальной суперпозиции состояний.
Основное преимущество кубитов заключается в том, что они могут использовать квантовые явления, такие как запутанность, что позволяет квантовым компьютерам решать определённые задачи быстрее, чем классические компьютеры. Существует несколько видов кубитов, каждый из которых имеет свои особенности в реализации и физических свойствах. Основные типы кубитов включают в себя:
- Сверхпроводящие кубиты основаны на сверхпроводящих цепях и используют явление сверхпроводимости для создания кубитов. Они обладают высокой скоростью работы и хорошей управляемостью.
- Кубиты на ионах используют ионы, которые удерживаются в ловушках с помощью электромагнитных полей. Эти кубиты обеспечивают высокую точность и долгоживущие состояния, что делает их подходящими для сложных квантовых вычислений.
- Кубиты на атомах основаны на уровнях энергии в атомах. Эти кубиты могут быть реализованы с использованием различных атомов, что позволяет использовать их в различных квантовых системах.
- Фотонные кубиты реализуются с помощью фотонов (кванты света) для представления кубитов. Они обладают высокой скоростью передачи информации и могут быть использованы в квантовой криптографии.
- Магнонные и полиритонные кубиты — более новые направления, которые исследуются для создания кубитов на основе магнонов (квазичастиц, связанных с магнитными колебаниями) и полиритонов (квазичастиц, возникающих в взаимодействии света и материи).
Каждый из этих видов кубитов имеет свои преимущества и недостатки, и на данный момент нет единого ответа на вопрос, какая платформа является наилучшей для всех задач квантовых вычислений.
Рецепт квантового компьютера
В начале нулевых годов Давид де Винченцо, физик-теоретик, который тогда работал в IBM, предложил пять критериев, необходимых для функционирования квантового процессора:
- Необходима масштабируемая система, состоящая из кубитов. Она позволит работать с большим объемом данных
- Возможность инициализировать состояние кубитов, другими словами, задавать изначальные значения у этих систем.
- Большое время когерентности кубитов: они должны жить достаточно долго (относительно работы вентилей), чтобы была возможность работы с ними.
- Способность считывать информацию с каждого кубита системы.
- Набор универсальных квантовых логических элементов (вентелей), состоящих из однокубитных и двухкубитных операций.
Однокубитная операция представляет собой аналог преобразования нулевого состояния в единичное, а также все процессы, связанные с этим. Двухкубитная операция, в свою очередь, является запутывающей, когда два кубита находятся в состоянии запутанности. Именно эта логика позволяет нам эффективно решать сложные задачи, разбивая их на более простые составляющие, используя однокубитные и двухкубитные операции. Но что такое запутанность?
Квантовая запутанность — это явление, при котором состояние одного объекта напрямую зависит от состояния другого, независимо от расстояния между ними.
В нашем случае, речь идёт о кубитах, которые связаны между собой по формуле, понимание которой выходит за рамки классической физики.
А что дальше?
Для создания кубитов нужна двухуровневая квантовая механическая система. Её можно реализовать с использованием различных типов кубитов, которые мы привели ранее. На данный момент нет ответа, какая платформа будет оптимальна. Ученые всего мира бьются над этим вопросом, поэтому необходимо развивать все виды квантового компьютера на различных платформах. В будущем, скорее всего, под определенные классы задач будет выбрана одна платформа, под другие классы задач – другая.
Вероятно, мы не сможем полностью перейти на использование исключительно квантовых компьютеров. Однако эти машины способны превзойти обычные компьютеры в решении некоторых задач, особенно связанных с оптимизацией и вариационными квантовыми алгоритмами. Квантовый компьютер — мощный инструмент для исследования квантового мира. Он помогает лучше понять его процессы и расширить наши знания об этом удивительном пространстве.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение! Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст #все_ответы_в_науке_МИФИ #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки