Kvantarvuti — definitsioon, qubitid, põhimõtted ja rakendused

Avasta kvantarvutite maailm: mis on kvantarvuti, kuidas töötavad qubitid, kvantpõhimõtted ja praktilised rakendused — selged selgitused ja trendid.

Kvantarvuti on mudel sellest, kuidas ehitada arvutit, mis kasutab andmete talletamiseks ja töötlemiseks kvantmehaanika omadusi. Idee põhineb sellele, et kvantarvutid saavad ära kasutada kvantmehaanika nähtusi, nagu superpositsioon ja põimumine, et teha andmeoperatsioone viisil, mis erineb radikaalselt klassikalistest arvutitest. Teoreetiline mudel sellisele masinale on kvant-Turingi masin ehk universaalne kvantarvuti — abstraktne kirjeldus sellest, mida kvantmasin suudab arvutada.

Mis on qubit?

Kvantarvutite põhikomponent on qubit ehk kvantbitt. Erinevalt klassikalisest binaarsest bitist, mis võib olla kas 0 või 1, võib qubit olla korraga mitme võimalikku oleku superpositsioonis — seda seni, kuni ei tehta mõõtmist. See tähendab, et qubit ei määra kindlat binaarset väärtust enne mõõtmist; mõõtmine viib qubiti mõne konkreetse tulemuse tõenäosusjaotuse alusel kas 0-ks või 1-ks.

Kuidas kvantoperatsioonid toimivad?

Kvantarvutuses toimuvad operatsioonid andmetega kvantloogika uste kaudu, mis manipuleerivad qubitite amplituude ja fase. Peamised kvantressursid ja -printsiibid on:

• Superpositsioon — võimalus esitada samaaegselt mitut klassikalset olekut.
• Põimumine — kvantseisundite omavaheline korrelatsioon, mille kaudu ühe qubiti mõõtmine võib mõjutada teist qubiti sõltumata kaugusest.
• Mõõtmine — protsess, mis muudab superpositsioonis oleva qubiti mingiks konkreetseks tulemuseks, viies seega infot klassikalisele väljundile.

Põimumise ja superpositsiooni kombinatsioon võimaldab kvantarvutitel töödelda paralleelselt palju võimalikke lahendusi, mistõttu teatud probleemide lahendamine võib olla kiiremini teostatav kui klassikaliste masinatega.

Füüsikalised realiseeringud

Quibite saab füüsiliselt realiseerida mitmel erineval moel. Levinumad lähenemised:

• superjuhtiv ahelad (Josephsoni juhega qubitid);
• kinni püüdmisega ioonid (trapped ions);
• fotoni põhised süsteemid (valguse kvandid);
• kvantpunktid ja spinipõhised lahendused;
• topoloogilised qubitid (püüe vähendada müra ja dekoherentsust).

Iga tehnoloogia on kompromiss jõudluse, skaleeritavuse ja müratundlikkuse vahel. Praegu ehitatud seadmed on valdavalt eksperimenteelsed ja sisaldavad piiratud arvu qubite ning suhteliselt palju müra (dekoherentsust).

Algoritmid ja teoreetiline eelis

Kui oleks võimalik ehitada suuremahulisi ja stabiilseid kvantarvuteid, suudaksid nad lahendada mõningaid probleeme palju kiiremini kui klassikalised arvutid. Kuulsad näited:

• Shori algoritm — saab faktoreerida suuri arve polünoomse ajaga, mis ohustab paljusid praeguseid krüptosüsteeme;
• Groveri algoritm — pakub ruutjuure kiirendust otsinguprobleemidele, võrreldes klassikalise lineaarse otsinguga;
• kvantsimulatsioonid — looduslike kvantefektide simuleerimine (keemia, materjaliteadus), kus kvantarvutid võivad olla märgatavalt tõhusamad kui klassikalised masinad.

Oluline on märkida, et kvantarvutid ei muuda fundamentaalselt seda, mis on teoreetiliselt arvutatav — nad ei riku Church-Turingi teesi. Küll aga kuulub hulga probleemide puhul kvantarvutitele arvutuslik eelis, mida väljendatakse kvantarvutusliku keerukuse klassiga BQP.

Piirangud ja väljakutsed

Praegused kvantarvutid on eksperimentaalsed ja piiratud. Peamised väljakutsed on:

• dekoherentsus ja müra — qubitite kvantolekud häiruvad kergesti keskkonnast tulevate mõjutuste tõttu;
• veakorrigeerimine — kvantarvutite usaldusväärseks muutmiseks on vaja vigade parandamise skeeme, mis nõuavad väga paljusid lisqubite;
• skaleeritavus — tuua konstrueeritavad süsteemid suurema hulga qubititeni ilma, et veamäär hüppeliselt suureneks;
• füüsiline keerukus ja kulud — täisfunktsionaalsete universaalsete kvantarvutite ehitamine on tehniliselt ja majanduslikult nõudlik.

Seni on ehitatud vaid väga väikeseid kvantarvuteid ja sooritatud piiratud arvu operatsioone qubititega, kuid uurimistöö jätkub aktiivselt nii akadeemilises kui ka riiklikus ja tööstuslikus rahastuses, sh tsiviil- ja sõjalistel eesmärkidel (näiteks krüptoanalüüsiks).

Praegune olukord ja tulevik

Tänased süsteemid kuuluvad nn NISQ-faasisse (noisy intermediate-scale quantum) — neil on piisavalt qubite, et uurida kvantieeliseid mõnes spetsiifilises ülesandes, kuid need ei ole veel veakorrigeerimisel põhinevad universaalsed masinad. Uuringud keskenduvad nii riistvara täiustamisele kui ka uute algoritmide ja vigadeparanduse meetodite arendamisele.

Potentsiaalsed rakendused, kus kvantarvutid võivad tuua eelise, hõlmavad:

• keemia ja materjalide simulatsioon — reaktsioonide ja elektronkorrelatsioonide modelleerimine;
• optimeerimisprobleemid ja masinaõpe — keerukate optimeerimisülesannete lahendamine;
• krüptograafia — nii uusi krütosüsteeme (kvantkaitse) kui ka olemasolevate murdmist (näiteks Shori algoritm);
• füüsikaalased uurimistööd — fundamentaalsed kvantnähtused ja uued tehnoloogilised rakendused.

Kokkuvõte

Kvantarvuti on uus ja kiiresti arenev arvutusparadigma, mis kasutab kvantfüüsikat ja kvantseisundeid, et saavutada teatud ülesannetes klassikalistest arvutitest paremat jõudlust. Kuigi tänased seadmed on veel väikesed ja mürased, jätkub nii teoreetiline kui ka praktiline töö, et viia kvantarvutid laiemasse kasutusse. Kui tehnilised takistused ületatakse, võivad kvantarvutid oluliselt mõjutada teadust, tööstust ja julgeolekut.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kvantarvuti?

K: Mille poolest erineb see klassikalistest arvutitest?

K: Millised on kvantarvutite võimalikud rakendused?

K: Kas peale kvantarvutite on olemas ka muud tüüpi arvuteid?

K: Kas Church-Turingi tees kehtib kvantarvutite puhul?

K: Kas suuremahulised kvantarvutid on juba saavutatud?

Otsing