Кюбитите са основните градивни елементи на квантовите компютри - и когато се монтират в тези машини - разчитат на странните закони на квантовата механика, за да обработват изчисления паралелно.
(Изображение: ALFRED PASIEKA/SCIENCE PHOTO LIBRARY чрез Getty Images)
Квантовият бит, иначе известен като кюбит, е основната единица данни в квантовите изчисления. Като двоичен бит в класическите компютри, тъй като може да съхранява информация, но се държи много различно благодарение на квантовата механика.
Квантовите компютри обикновено използват субатомни частици, като фотони (пакети светлина) или електрони, като кюбити. В кюбитите свойства като заряд, фотонна поляризация или въртене представляват 1s и 0s в двоичното изчисление. Въпреки това, кюбитите също са обект на явления, известни като суперпозиция и заплитане, поради тяхната квантова природа, което е мястото, където нещата започват да стават странни.
Битове срещу кюбити: Каква е разликата?
Освен че са 0 или 1, като бит, кюбитите могат да заемат и двете състояния едновременно - или суперпозиция от 1 и 0. Кюбитът ще остане в суперпозиция, докато не бъде директно наблюдаван или подобрен от външни фактори на околната среда, като топлина. Тъй като това квантово състояние е толкова деликатно, кюбитите трябва да се пазят от смущения, което изисква много ниски температури.
Суперпозицията позволява кюбитите на квантов компютър да бъдат в множество състояния (0, 1 или и двете) и броят на наличните възможни състояния нараства експоненциално с повече кюбити. Ако имате два класически бита, например, във всеки даден момент те могат да приемат стойностите на 0.0; 0,1; 1.0; или 1.1.
С два кюбита можете да кодирате данни във всичките четири състояния наведнъж. Като такива, квантовите компютри потенциално имат много по-голяма мощност на обработка от конвенционалните компютри, използващи двоични битове. Колкото повече кюбити имате, толкова повече изчисления можете да обработвате успоредно – и това нараства експоненциално, ако добавите повече към системата. Въпреки това, за да видите експоненциален ръст на мощността на обработка, трябва също да заплитате кюбитите.
Как работи заплитането?
При квантовото заплитане състоянията на субатомните частици са свързани, независимо от това колко далеч са една от друга. Получаването на информация за кюбит автоматично ще предостави информация за неговата заплетена частица.
Заплетените частици винаги са в корелирано състояние. Следователно, ако се измери свойство (като въртене) на една частица, като по този начин се извади от суперпозиция, същото нещо ще се случи моментално и със заплетената частица. Тъй като състоянията на двете заплетени частици винаги са свързани, познаването на състоянието на едната заплетена частица означава, че може да се направи извод за състоянието на другата.
Вместо директно да измерват кюбита и по този начин да го накарат да загуби състоянието си на суперпозиция, учените проучват дали може да има начин за индиректно извеждане на информация за кюбит от взаимодействието му със заобикалящата среда.
Квантовото заплитане на кюбити също им позволява да взаимодействат помежду си едновременно, независимо от разстоянието им един от друг. Когато се комбинира със суперпозиция, се казва, че квантовото заплитане позволява на кюбитите значително да подобрят изчислителната мощност на квантовите компютри, позволявайки им да извършват сложни изчисления, които мощните двоични компютри биха се затруднили да разрешат.
Понастоящем това е възможно в малък мащаб, но предизвикателството е да се увеличи. Например някои изчисления, като разбиване на алгоритми за криптиране, биха отнели милиони години на класическите компютри. Въпреки това, ако можем да изградим квантов компютър с милиони кюбити, същите тези алгоритми могат да бъдат разбити за секунди.
Защо кюбитите са толкова крехки и склонни към декохерентност?
Така че защо просто не сме натрупали все повече и повече кюбити, за да изградим такава машина? За съжаление, кюбитите са краткотрайни и суперпозицията може да се срине с най-слабите външни влияния на околната среда, като топлина или движение. Поради тази причина те се считат за "шумни" и податливи на грешки.
Поради тази причина многото кюбити трябва да бъдат охладени до почти абсолютна нула и поддържани с помощта на специализирано оборудване. Те също така имат невероятно кратки "времена на кохерентност" - което е мярката за това колко дълго запазват желаното състояние, необходимо за обработка на квантови изчисления. Времената на кохерентност обикновено продължават само части от секундата. (Световният рекорд е 10 минути за един кюбит — но експертите смятат, че е малко вероятно да бъде преведен на истински квантов компютър.) Този фактор също така прави кюбитите неподходящи за дългосрочно съхранение на данни.
Въпреки че днес съществуват много квантови компютри, ние все още трябва да приложим техники за „коригиране на грешки“ към кюбитите, за да се доверим на техните резултати. Един основен метод за коригиране на грешки, който се изследва днес, е изграждането на "логически кюбит". Логическият кюбит всъщност е група от заплетени кюбити, склонни към грешки, които съхраняват една и съща информация на различни места. Това разпределя възможните точки на повреда, докато тече изчисление, като по този начин коригира грешките. Ако кюбитите бъдат стабилизирани в достатъчна степен, със суперпозицията и квантовото заплитане на кюбитите, квантовите компютри могат един ден да извършват изчисления за част от времето, което би трябвало на един бинарен компютър, както и да решават сложни уравнения, които са невъзможни дори за днешните мощни суперкомпютри.
Източник за статията
Квантовият бит, иначе известен като кюбит, е основната единица данни в квантовите изчисления. Като двоичен бит в класическите компютри, тъй като може да съхранява информация, но се държи много различно благодарение на квантовата механика.
Квантовите компютри обикновено използват субатомни частици, като фотони (пакети светлина) или електрони, като кюбити. В кюбитите свойства като заряд, фотонна поляризация или въртене представляват 1s и 0s в двоичното изчисление. Въпреки това, кюбитите също са обект на явления, известни като суперпозиция и заплитане, поради тяхната квантова природа, което е мястото, където нещата започват да стават странни.
Битове срещу кюбити: Каква е разликата?
Освен че са 0 или 1, като бит, кюбитите могат да заемат и двете състояния едновременно - или суперпозиция от 1 и 0. Кюбитът ще остане в суперпозиция, докато не бъде директно наблюдаван или подобрен от външни фактори на околната среда, като топлина. Тъй като това квантово състояние е толкова деликатно, кюбитите трябва да се пазят от смущения, което изисква много ниски температури.
Суперпозицията позволява кюбитите на квантов компютър да бъдат в множество състояния (0, 1 или и двете) и броят на наличните възможни състояния нараства експоненциално с повече кюбити. Ако имате два класически бита, например, във всеки даден момент те могат да приемат стойностите на 0.0; 0,1; 1.0; или 1.1.
С два кюбита можете да кодирате данни във всичките четири състояния наведнъж. Като такива, квантовите компютри потенциално имат много по-голяма мощност на обработка от конвенционалните компютри, използващи двоични битове. Колкото повече кюбити имате, толкова повече изчисления можете да обработвате успоредно – и това нараства експоненциално, ако добавите повече към системата. Въпреки това, за да видите експоненциален ръст на мощността на обработка, трябва също да заплитате кюбитите.
Как работи заплитането?
При квантовото заплитане състоянията на субатомните частици са свързани, независимо от това колко далеч са една от друга. Получаването на информация за кюбит автоматично ще предостави информация за неговата заплетена частица.
Заплетените частици винаги са в корелирано състояние. Следователно, ако се измери свойство (като въртене) на една частица, като по този начин се извади от суперпозиция, същото нещо ще се случи моментално и със заплетената частица. Тъй като състоянията на двете заплетени частици винаги са свързани, познаването на състоянието на едната заплетена частица означава, че може да се направи извод за състоянието на другата.
Вместо директно да измерват кюбита и по този начин да го накарат да загуби състоянието си на суперпозиция, учените проучват дали може да има начин за индиректно извеждане на информация за кюбит от взаимодействието му със заобикалящата среда.
Квантовото заплитане на кюбити също им позволява да взаимодействат помежду си едновременно, независимо от разстоянието им един от друг. Когато се комбинира със суперпозиция, се казва, че квантовото заплитане позволява на кюбитите значително да подобрят изчислителната мощност на квантовите компютри, позволявайки им да извършват сложни изчисления, които мощните двоични компютри биха се затруднили да разрешат.
Понастоящем това е възможно в малък мащаб, но предизвикателството е да се увеличи. Например някои изчисления, като разбиване на алгоритми за криптиране, биха отнели милиони години на класическите компютри. Въпреки това, ако можем да изградим квантов компютър с милиони кюбити, същите тези алгоритми могат да бъдат разбити за секунди.
Защо кюбитите са толкова крехки и склонни към декохерентност?
Така че защо просто не сме натрупали все повече и повече кюбити, за да изградим такава машина? За съжаление, кюбитите са краткотрайни и суперпозицията може да се срине с най-слабите външни влияния на околната среда, като топлина или движение. Поради тази причина те се считат за "шумни" и податливи на грешки.
Поради тази причина многото кюбити трябва да бъдат охладени до почти абсолютна нула и поддържани с помощта на специализирано оборудване. Те също така имат невероятно кратки "времена на кохерентност" - което е мярката за това колко дълго запазват желаното състояние, необходимо за обработка на квантови изчисления. Времената на кохерентност обикновено продължават само части от секундата. (Световният рекорд е 10 минути за един кюбит — но експертите смятат, че е малко вероятно да бъде преведен на истински квантов компютър.) Този фактор също така прави кюбитите неподходящи за дългосрочно съхранение на данни.
Въпреки че днес съществуват много квантови компютри, ние все още трябва да приложим техники за „коригиране на грешки“ към кюбитите, за да се доверим на техните резултати. Един основен метод за коригиране на грешки, който се изследва днес, е изграждането на "логически кюбит". Логическият кюбит всъщност е група от заплетени кюбити, склонни към грешки, които съхраняват една и съща информация на различни места. Това разпределя възможните точки на повреда, докато тече изчисление, като по този начин коригира грешките. Ако кюбитите бъдат стабилизирани в достатъчна степен, със суперпозицията и квантовото заплитане на кюбитите, квантовите компютри могат един ден да извършват изчисления за част от времето, което би трябвало на един бинарен компютър, както и да решават сложни уравнения, които са невъзможни дори за днешните мощни суперкомпютри.
Tags:
Интересно
Изглежда, че кюбитите са по-сложни от сутрешното ми кафе... или може би просто съм в суперпозиция между разбиране и пълно объркване! 😄
ОтговорИзтриване