Какво е квантовите компютри?

Работата на всяко модерно компютърно устройство, въз основа на обработката на информация. Информацията в компютрите е представена като поредица от нули и единици - така наречените бита. Например, ако искате да добавите две числа, компютърът е първият всяка една от тях уникална последователност от нули и единици, а след това преминава през специално устройство, което произвежда операция допълнение. Ако имате нужда да добавите други две числа, компютърът създава две нови групи от битове и след това ги предава чрез едно и също устройство.

Компютри, които са в състояние да използват квантовите свойства на материята, могат да работят много по-бързо. Фактът, че микро-обекти, като например отделни атоми, могат да бъдат в определено състояние на квантовата суперпозиция не се случва в нашия свят по-големи предмети. Когато квантова суперпозиция обект в известен смисъл е в две състояния. С други думи, ако атом прояви като един обект, може да бъде или в покой или в състояние на възбуждане (например, леко да варира). Но атом може да бъде разположен в определена междинно състояние, в което тя е и в покой и колебае. Това състояние се нарича квантова суперпозиция на почивка и възбуждане държави.

Ако означим състояние на покой като 0, както и състоянието на възбуда - и 1, а след това на атома може да съхранява само две стойности вместо една квантова суперпозиция. Така че, ако ние прекарват времето си с него някои операции, тези операции ще се извършват едновременно и с нула и с единство. В такава система в даден момент може да бъде, например, директно изчислява сумата на три: 0 + 0, 0 + 1 + 1 + 1. Ако тези атоми много, а след това те могат да бъдат едновременно да произвежда много по един и същи вид на изчисляване, както се изисква.

Благодарение на тази функция на квантовите компютри имат много по-ефективно, отколкото обикновено, за да се справят с дейности, които изискват груба сила голям брой стойности. Пример за такъв проблем е, например, счупване на неизвестен код. Това ще направи много уязвима всички съществуващи защита срещу неоторизиран достъп.

Например, атакуващият с квантов компютър ще бъде в състояние да имат лесен достъп всяка кредитна карта или сметка.

Ето защо много банки вече са активно проучване на възможността за квантова криптография, който трябва да замени конвенционалното криптографията, и поради законите на квантовата физика гарантира, че в случай на опити да проникна най-малко трябва незабавно знаем за него и да бъде в състояние бързо да предотвратите евентуални щети.

Но, за съжаление, в момента там не са толкова много проблеми, за които квантовите компютри всъщност биха могли да бъдат по-ефективни в сравнение с конвенционалните компютри. За да използвате квантовите ефекти в пълна степен, трябва специални алгоритми, както и по-голямата част от случаите, тези алгоритми или не е възможно изобщо, или поне така сложни, че тя все още не е развита. Следователно, дори ако един квантов компютър ще бъде в състояние да създаде в близко бъдеще, тя ще бъде много дирек, или, както известния D-Wave, или ще работи малко по-бързо в сравнение с конвенционалните компютър. Има, обаче, една област, в която пристигането на квантовите компютри може да направи мини-революция. Тази област - химия.

квантовата симулатори

Задълбочаване на разбирането ни за това как светът работи на нивото на атомите и молекулите, както и появата на началото на ХХ век, квантовата механика е довело до радикална промяна в химията като наука. Преди това, химията е до голяма степен на емпиричната наука, която не се основава на строги теоретични модели, както и множество експериментални данни. Има някои правила, които можете да опитате да се предскаже резултата от нови химични реакции, но тези правила са далеч от съвършенство, а в най-добрия даде само доста приблизително, а често точно предсказан грешен резултат. Единственият начин да се провери, е дали или не може да бъде полезен реакция на работа, е пряко извършване на експеримент. И ако в неорганична химия заради своята голяма простота все още някак си работил, химията на органични вещества, повечето открития са направени или случайно, или като резултат от дълго упорита работа на сортиране на големи количества реагенти.

През 1920, учените са създали квантова физика - инструмент, който в общи линии ви позволява да разчита на резултатите от химическите реакции към хартията. Проблемът, обаче, се крие във факта, че точно изчисление дори и в най-простите случаи, изисква напълно невъобразим отнема много време. Дори и развитието на компютърните технологии не е позволено да напълно решаване на проблема. Задачата на изчисляване на кванта на колко молекули се движат - и това е, което се изисква за химически реакции - отнася към класа на експоненциално комплекс. На практика това означава, че тези проблеми не могат да бъдат разрешени, нито сега, нито в който и да е предвидимо бъдеще, с по-нататъшното развитие на компютърните технологии.

Ето защо, приблизителни методи се използват за изчисляване на химични реакции. На първо място, те са сравнително проста и не е много точен, но с течение на времето тяхната повишена точност и сложност нараства. Техните обучение и развитие, се занимава с компютърната квантовата химия. Сега всяка година се събират на големи конференции, където хиляди учени споделят най-новите разработки в тази област. Въпреки, че компютрите могат да имат много - до предскаже ефикасността на иновативни лекарства - последната дума, както преди 100 години, останките от експериментите.

Въпреки това, през последните години, тук-там в общността на учените, ангажирани в квантовата химия, чуваме фразата: "Това ще отнеме няколко години, а ние ще загубят работата. Всички изчисления ще направят квантовата симулатори, и ще ги направят по-точни и по-бързо, отколкото сме ние. " Какво е това страх от квантовата химици?

Всъщност, както по-нататъшни изследвания са показали, че е възможно. Нещо повече, тези изчисления ще могат да се възползват пълноценно от уникалните възможности на квантовите компютри, което означава, че ще бъде много по-бързо в сравнение с конвенционалните компютри. Това ще даде възможност за решаване на проблемите на точно изчисляване на химичните реакции в разумен срок и да замени скъпите преки експерименти, за да по-евтино компютри.

Освен това, един от проблемите на квантовите компютри - разрушителни въздействия на околната среда, която не позволява дълго време да се поддържа квантова суперпозиция на околната среда - в квантовата симулации може да се използва за служебни цели. В крайна сметка, системите за недвижими квантовата също са заобиколени от други органи, които просто унищожава квантовите ефекти в тях. Този ефект може да се симулира с помощта на действието на околната среда на qubits квантов симулатор.

Използването на квантовата симулатори

Всеки един от тези приложения има свои собствени характеристики. Например, системата за охладени атоми изискват големи и сравнително скъпи системи, като същевременно удобни със състоянието на контролния пункт кюбит точка. Системи, базирани на ядрата, контролирани с помощта на ядрено-магнитен резонанс в сила, са сравнително прости, но, напротив, не притежават достатъчна гъвкавост на контрола. Този проблем лишени системи, базирани на електрони включват в така наречените квантови ями в полупроводници. Сега те са един от най-обещаващите области по отношение на технологиите и евтино производство. В някои приложения, по-удобно система, основана на свръхпроводящи пръстени, които, обаче, са относително големи, и по тази причина е малко вероятно да бъде в състояние да ги създавате с голям брой qubits.

Друга посока, в която да се развиват съвременните изследвания на квантовата симулатори - Разработване на по-ефективни алгоритми, включително алгоритми, способни да се коригира, или най-малкото да потисне неизбежните грешки в такива системи. И, разбира се, по-добри методи на работа с qubits: увеличени време на тяхната работа, повишава гъвкавостта на настройване на квантовата система и броя на мониторирани параметри.

Всичко това в близко бъдеще ще доведе до факта, че квантовата симулатори ще бъдат приложени към реалните трудните ситуации, на химикали и реакции, които в момента са извън дори и нашите най-точни прогнози. Въпреки че се предскаже как тази революция ще бъде мащабна, не е възможно, то едва ли може да има съмнение, че съвременната химия ще претърпи значителни промени, както и много учени ще трябва да променят коренно темата на своите изследвания.

Прочетете RT виртуални списания на руски език в Flipboard