Kako delujejo kvantni računalniki? - Preprosto razloženo
Danes znanstveniki nenehno delajo na kvantnih računalnikih. IBM je nedavno predstavil svoj prvi kvantni računalnik. Pojasnjujemo, kako ti tukaj delujejo.
Kvantni računalniki: Temu pravimo qubits
V kvantnem računalniku se uporabljajo tako imenovani qubits.
- Običajni biti v računalniku lahko sprejmejo samo dve različni vrednosti: 0 in 1 ali "vklopljeno" in "izklopljeno". Vendar je lahko kbit v vmesnem stanju nič in ena za določeno časovno obdobje, tako imenovani koherenčni čas.
- V tem stanju znanstveniki govorijo o superpoziciji . Skozi meritev se kubit nato spremeni v eno od dveh jasno opredeljenih stanj, tako da se rezultat merjenja shrani v klasični bit. V tehničnem smislu izgubo superpozicije imenujemo dekoherenca .
- V laboratoriju so takšni kiti izdelani iz ionov ali superprevodnih zank, tako imenovanih SQUID - ov .
- Pri delu z ioni neizpostavljeni ion ustreza stanju 0, vzbujeni pa v stanju 1. Za atom z najnižjo možno energijo velja, da je neizkoriščen. Če pa atomu dodate energijo, je ta navdušen, ker zunanji elektroni dosegajo višjo raven energije. Ioni se lahko vzbujajo z laserjem.
Kvantni registri - to morate vedeti
Za reševanje aritmetičnih operacij je potrebnih več kubitov. Govorimo o tako imenovanem kvantnem registru. Informacije se nato razdelijo vsem qubits registra.
- Takšen kvantni register običajno obsega 14 ionov, ki so shranjeni vzdolž osi na razdalji nekaj mikrometrov. Pomembno je, da je s temi kitiji enostavno upravljati, hkrati pa so tudi imunski na motnje.
- To pomeni, da morajo kviteti ostati v svojih stanjih čim dlje, dokler se ne izvede aritmetična operacija. Dekoherenca, to je, da se vrne v klasično stanje, je treba odložiti čim dlje.
- Logični operaterji se uporabljajo za manipulacijo stanj, ki se že uporabljajo v računalništvu. V kvantnih računalnikih se ti operaterji imenujejo kvantna vrata . Te so odločilne za čas obsevanja in za valovno dolžino svetlobe.
- Najenostavnejša operacija je negacija, imenovana NE . Stanje qubita preprosto prekrivamo ali izničimo. V binarnem sistemu bi 0 postal 1 in obratno. To prelistavanje se zgodi zelo hitro in zelo pogosto zaporedno in sledi algoritmu programa.
- Za določitev začetnega stanja kvantne rešetke jo obsevamo z laserskimi impulzi. Dolžina obsevanja lahko določi verjetnost, s katerim je atom v vzbujenem stanju.
- Po približno desetih mikrosekundah obsevanja je ion, ki se v začetku ne vzbudi, v vznemirjenem stanju. Če pa ta atom obsevamo le polovico dlje, bo v tem vmesnem stanju, saj je 50 odstotkov večja verjetnost, da bo v osnovnem stanju in 50 odstotkov večja verjetnost, da bo v vznemirjenem stanju.
- Za odčitavanje rezultata po izvedbi algoritma se na ione sproži drug laserski impulz z drugačno valovno dolžino. Fluorescenca označuje, ali so navdušeni ali ne. Računalnik lahko nato določi pravilne vrednosti.
Kvantni računalniki: najsodobnejši danes
IBM je na sejmu elektronike v Las Vegasu predstavil svoj prvi letošnji tržni kvantni računalnik.
- V primerjavi s prejšnjimi modeli IBM Q Systems One že izračunava z 20 qubits, kar je merilo pravilno delujočega kvantnega računalnika. Po podatkih IBM-a mu je uspelo ohraniti 20 kubic v pripravljenem stanju 75 mikrosekund.
- Kvantni računalnik s 50 qubits bi moral imeti v žepu poljuben klasični superračunalnik.
- IBM Q Systems One - steklene škatle z dolžino in širino dveh metrov in pol ne bi smeli prodajati. Namesto tega lahko izbrani uporabniki dostopajo do njega iz oblaka in izvedejo izračune.
Od kvantnega računalnika do udarne kartice: tako je izgledal prvi računalnik
V naslednjem praktičnem nasvetu vam bomo pokazali, kako pravilno pretvoriti binarna in šestnajstiška števila.