Co je to qubit?
Vysvětlení qubitu
Stejně jako binární bit je základní jednotkou informací v klasickém (nebo tradičním) výpočetním prostředí, je qubit (neboli kvantový bit) základní jednotkou informací v kvantových výpočtech. Kvantové výpočty stojí za novými objevy v oblasti zdravotnictví, energetiky, systémů ochrany životního prostředí, inteligentních materiálů a dalších oblastech.
Qubit a bit – srovnání
Qubity jsou reprezentovány superpozicí několika možných stavů
Qubit využívá jev kvantové mechaniky, superpozici, k dosažení lineární kombinace dvou stavů. Klasický binární bit může reprezentovat pouze jednu binární hodnotu, například 0 nebo 1. To znamená, že může být pouze v jednom ze dvou možných stavů. Qubit naproti tomu může reprezentovat 0, 1 nebo libovolnou kombinaci obou hodnot v superpozici obou stavů. S určitou pravděpodobností je ve stavu 0 a s určitou pravděpodobností ve stavu 1.
Superpozice dává kvantovým počítačům mnohem vyšší výpočetní výkon
Superpozice umožňuje kvantovým algoritmům zpracovávat informace ve zlomku času, který by na řešení určitých problémů potřebovaly i ty nejrychlejší klasické systémy.
- Množství informací, které může systém qubitů reprezentovat, roste exponenciálně. K reprezentaci informací, na které snadno stačí 500 qubitů, by nestačilo ani víc než 2^500 klasických bitů.
- Klasickému počítači by vyhledání prvočinitelů 2048bitového čísla trvalo miliony let. Qubity můžou provést tento výpočet během několika minut.
Existuje celá řada fyzických implementací qubitů
Zatímco klasické počítače používají dobře známé čipy na bázi křemíku, qubity (někdy označované jako „qubity kvantových počítačů“) můžou být tvořeny uvězněnými ionty, fotony, umělými nebo skutečnými atomy nebo kvazičásticemi. V závislosti na použité architektuře a systémech qubitů některé implementace vyžadují, aby qubity byly uchovávány při teplotách blízkých absolutní nule.
Superpozice, interference a provázání
Superpozice umožňuje kvantovým algoritmům využívat další jevy kvantové mechaniky, jako je například interference a provázání. Superpozice, interference a provázání spolu vytvářejí výpočetní výkon, který dokáže problémy řešit exponenciálně rychleji než klasické počítače.
Interference
Následkem superpozice je interference. Stavy qubitů můžou mezi sebou interferovat, protože každý stav je popsán pravděpodobnostní amplitudou, stejně jako u vlnových amplitud.
Konstruktivní interference posiluje amplitudu, zatímco destruktivní interference amplitudu ruší. Tyto účinky se využívají v kvantových výpočetních algoritmech, čímž je zásadně odlišují od klasických algoritmů. Interference se používá spolu s provázáním k dosažení kvantové akcelerace, kterou kvantové výpočty slibují.
Provázání
Více qubitů může vykazovat kvantové provázání. Provázané qubity vždy navzájem korelují a tvoří jeden systém. I když jsou od sebe nekonečně daleko, měření stavu jednoho z qubitů nám umožňuje zjistit stav jiného, aniž by bylo potřeba ho přímo změřit.
Libovolný kvantový výpočet vyžaduje provázání, kterého nejde efektivně dosáhnout na klasickém počítači. Mezi příklady využití patří rozklad velkých čísel (Shorův algoritmus) a řešení problému vyhledávání (Groverův algoritmus).
Budoucnost qubitů
Qubity jsou křehké
Jednou z nejvýznamnějších překážek kvantových výpočtů je křehkost qubitů. Provázání systému qubitů s jeho prostředím, včetně měřicí soustavy, může snadno systém zarušit a způsobit nekoherenci. Proto se v současné době vylepšují hardwarové konstrukce pro kvantové výpočty a vyvíjejí metody opravy chyb.
Topologické qubity jsou stabilnější
Jako řešení problému s křehkostí používá Microsoft topologické qubity, které jsou stabilizované tak, že se manipuluje s jejich strukturou a obklopí se chemickými sloučeninami, které je chrání před kontaminací z vnějšího prostředí. Topologické qubity jsou chráněné před šumem díky topologickým vlastnostem kvazičástic, takže je kvantový hardware od Microsoftu odolnější vůči chybám. Tato zvýšená stabilita pomůže škálovat kvantové počítače, aby bylo možné provádět delší a složitější výpočty a přiblížit řešení komplexnějších problémů.
Prostředky Azure Quantum
Jako uživatel kompletního otevřeného cloudového ekosystému Azure Quantum verze Preview v rané fázi můžete sestavovat kvantová řešení už dnes. Využijte možnost přístupu k softwaru, hardwaru a předem sestaveným řešením a začněte vyvíjet na důvěryhodné, škálovatelné a vysoce zabezpečené platformě.
Další informace o ekosystému Azure Quantum
Začněte vyvíjet se sadou Quantum DK
Získejte přehled o technologii Microsoftu pro kvantové výpočty