Pratik kuantum bilgisayarlara sahip olmaya yaklaşıyoruz – işte bunlar için kullanılacaklar

1981’de Amerikalı fizikçi ve Nobel Laaureate, Richard Feynman, Boston yakınlarındaki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (ile) bir konferans verdi. Feynman, kuantum mekaniğinin garip fiziğinin hesaplama yapmak için kullanılabileceğini öne sürdü.

Kuantum bilgi işlem alanı doğdu. O zamandan beri 40 yıldan fazla bir sürede, bilgisayar bilimi alanında yoğun araştırma alanına dönüştü. Yıllarca çılgınca gelişmeye rağmen, fizikçiler henüz günlük kullanım ve normal koşullar için çok uygun pratik kuantum bilgisayarlar oluşturmamıştır (örneğin, çok düşük sıcaklıkta birçok kuantum bilgisayar suratı). Bu kilometre taşına ulaşmanın en iyi yolları hakkında sorular ve belirsizlikler hala devam ediyor.

Kuantum hesaplama tam olarak nedir ve geniş kullanıma girdiklerini görmeye ne kadar yaklaşıyoruz? Önce bu parçayı yazmak için kullandığım dizüstü bilgisayar gibi bugün güvendiğimiz klasik bilgi işlem, bugün güvendiğimiz bilgi işlem türüne bakalım.

Klasik bilgisayarlar, en küçük veri birimleri olan “bit” kombinasyonlarını kullanarak bilgileri işler. Bu bitler Ether 0 veya 1 değerlerine sahiptir. Bilgisayarınızda yaptığınız her şey, e -postalar yazmaktan Web’e göz atmaya kadar, bu bitlerin sıfır ve alles dizelerinde işlenerek mümkün olur.

Kuantum bilgisayarlar ise kuantum bitleri veya kubit kullanır. Klasik bitlerin aksine, kubitler sadece 0 veya 1’i temsil eder. Quantum Super Pozisyonu adlı bir özellik sayesinde kubit eşzamanlı olarak birden fazla eyalette olabilir. Bu, bir kubit 0, 1 veya her ikisi de aynı anda olabilir. Kuantum bilgisayarlara eşzamanlı miktarda veri ve bilgi işleme yeteneği veren şey budur.

Bir soruna bir kerede bir soruna olası her çözümü keşfedebildiğinizi düşünün. Doğru olanı bulmak için aynı anda aynı anda aynı anda deneyerek o labirentten geçmenize izin verecektir. Kuantum bilgisayarlar bu nedenle optimal çözümler bulmada inanılmaz derecede hızlıdır, en kısa yolu, en hızlı yolu tanımlamak olarak arar.

Bir gecikme veya beklenmedik bir olaydan sonra havayolu uçuşlarının yeniden planlanmasının son derece karmaşık problemini düşünün. Bu gerçek dünyada düzenlilikle olur, ancak uygulanan çözümler en iyi veya optimal olanlar olmayabilir. Optimal yanıtları çözmek için, standart bilgisayarların tek tek, tek tek, hareket etme, yeniden yönlendirme, gecikme, iptal etme veya gruplama, uçuşların tüm olası kombinasyonlarını dikkate alması gerekir.

Her gün 500’den fazla havayolu tarafından düzenlenen ve 4.000’den fazla havaalanını birbirine bağlayan 45.000’den fazla uçuş var. Bu sorunun klasik bir bilgisayar için çözülmesi yıllar alacaktır.

Öte yandan, bir kuantum bilgisayar aynı anda tüm tez olasılıklarını deneyebilir ve en iyi yapılandırmanın organik olarak ortaya çıkmasına izin verebilir. Bu nedenle kubit, dolaşım olarak bilinen fiziksel bir özelliğe sahiptir. Kubitler dolaştığında, bir kubbitin durumu, ne kadar uzak olursa olsun, diğerinin durumuna gidebilir.

Bu, yine klasik hesaplamada karşılığı olmayan bir şeydir. Dolaşma, kuantum bilgisayarların belirli sorunları geleneksel bilgisayarlardan daha hızlı çözmesine izin verir.

Yaygın bir soru, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarların tamamen yerini alıp almayacağıdır. Kısa cevap hayır, en azından öngörülebilir gelecekte değil. Kuantum bilgisayarlar belirli problemleri çözmek için inanılmaz derecede güçlüdür – farklı moleküllerin altındaki etkileşimleri simüle etmek, birçok seçenekten en iyi çözümü bulmak veya şifreleme ve şifre çözme ile uğraşmak olarak arayın. Ancak, her göreve uygun değildirler.

Klasik bilgisayarlar bir anda bir hesaplamayı doğrusal bir sırada işler ve 0 veya 1 olan kullanım bitleri için tasarlanmış algoritmaları (belirli bilgi işlem görevlerini yerine getirmek için matematiksel kurallar setleri) takip ederler. Bu onları son derece öngörülebilir, sağlam ve daha az eğilimli hale getirir. Kuantum makinelerinden daha hatalara. Günlük bilgi işlem ihtiyaçları için kelime işleme veya internete göz atma olarak arama için klasik bilgisayarlar baskın bir rol oynamaya devam edecektir.

Bunun en az iki nedeni var. Birincisi pratik. Güvenilir hesaplama çalıştırabilen bir kuantum bilgisayar oluşturmak son derece zordur. Kuantum dünyası inanılmaz derecede uçucudur ve kubitler çevrelerinde kolay rahatsız olur, konuyu hatalara eğilimli hale getiren elektromanyetik radyasyondan müdahale olarak araştırın.

İkinci sebep, kubitlerle uğraşmada doğal bir belirsizlikte okundu. Kubitler süper konumda olduğundan (ne 0 ya da 1 değil) klasik hesaplamada kullanılan bitler kadar öngörülebilir değildir. Fizikçiler bu nedenle quibitleri ve hesaplamalarını olasılıklar açısından tanımlarlar. Aynı sorun, aynı kuantum algoritmasını kullanarak, aynı kuantum bilgisayarda birden çok kez çalıştırın her seferinde farklı bir çözüm döndürebilir.

Bu belirsizliği ele almak için kuantum algoritmaları tipik olarak birden fazla zaman çalıştırılır. Sonuçlar daha sonra en olası çözümü belirlemek için istatistiksel olarak analiz edilir. Bu yaklaşım, araştırmacıların doğal olarak olasılıksal kuantum hesaplamalarından anlamlı bilgiler çıkarmalarını sağlar.

Ticari bir bakış açısından, kuantum hesaplamanın geliştirilmesi hala erken stail’dedir, ancak manzara her yıl çok sayıda yeni şirketin görünmesiyle çok çeşitlidir. IBM ve Google gibi büyük şirketlere ek olarak, IQM, Pasqal ve Alice ve Bob gibi yeni başlayanlar gibi yenilerinin katıldığını görmek büyüleyici. Hepsi kuantum bilgisayarları daha fazla güvenilir, ölçeklenebilir ve erişilebilir hale getirmek için çalışıyor.

Geçmişte, üreticiler, makinenin ne kadar güçlü olduğunun bir ölçüsü olarak kuantum bilgisayarlarındaki quibit sayısına dikkat çektiler. Üreticiler, kuantum bilgisayarların eğilimli olduğu hataları düzeltmenin yollarını giderek daha fazla önceliklendiriyor. Bu değişim, kullanılabilirliklerini artırmak için tez teknikleri gerekli olduğundan, büyük ölçekli, hataya toleranslı kuantum bilgisayarların geliştirilmesi için çok önemlidir.

Google’ın en son kuantum çipi Willow, yakın zamanda bu alanda dikkate değer bir ilerleme gösterdi. Google’ın Willow’da ne kadar çok kullanıldığı takdirde, hataları o kadar azalttı. Bu başarı, tıp, enerji ve yapay zeka gibi alanlarda devrim yaratabilen ticari olarak alakalı kuantum bilgisayarların oluşturulmasına yönelik önemli bir adımdır.

40 yıldan fazla bir süre sonra, kuantum bilgi işlem bebeklik döneminde sessizdir, ancak önümüzdeki on yıl içinde önemli ilerleme beklenir. Tez makinelerinin olasılıksal doğası, kuantum ve klasik bilgi işlem arasında temel bir fark yaratır. Onları kırılgan ve gelişmesi ve ölçeklendirmesi zorlaştıran şey budur.

Aynı zamanda, optimizasyon problemini çözmek için onları çok güçlü bir araç yapan şey, aynı anda birden fazla çözümü keşfetmek, klasik bilgisayarların yapabileceği daha hızlı ve daha verimli bir şekilde.

Domenico Vicinanza, Akıllı Sistemler ve Veri Bilimi Doçenti, Anglia Ruskin Üniversitesi

Bu makale, Creative Commons lisansı altındaki konuşmadan yeniden yayınlanmıştır. Orijinal makaleyi okuyun.