A kvantumbit fogalma
Ahogyan a klasszikus (vagy hagyományos) informatikában a bináris bit az információ alapegysége, a kvantumbit (vagy qubit) az információ alapegysége a kvantuminformatikában. A kvantuminformatika új felfedezések forrása az egészségügy, az energiaipar, a környezetvédelem, az okosanyagok és sok más terület számára is.
A kvantumbit és a bit összehasonlítása
A kvantumbitek több lehetséges állapot szuperpozíciójaként ábrázolhatók
A kvantumbitek a szuperpozíció kvantummechanikai jelenségét kihasználva veszi fel két állapot lineáris kombinációját. Egy klasszikus, bináris bit csak egyetlen bináris értéket, például 0-t vagy 1-et ábrázolhat, tehát csak két lehetséges állapot egyikében lehet. Egy kvantumbit azonban ábrázolhat 0-t, 1-et, vagy a 0 és az 1 állapot tetszőeleges arányú szuperpozícióját úgy, hogy egy bizonyos valószínűséggel 0, egy bizonyos valószínűséggel pedig 1.
A szuperpozíció biztosítja a kvantumszámítógépek nagyobb számítási teljesítményét
A szuperpozíciónak köszönhető, hogy a kvantumalgoritmusok annak az időnek a töredéke alatt képesek információt feldolgozni, amely alatt a leggyorsabb klasszikus rendszerek oldanak meg egyes problémákat.
- A kvantumbitrendszerek által ábrázolható információmennyiség exponenciálisan nő. Az 500 kvantumbiten könnyedén ábrázolható információt 2^500 klasszikus biten sem lehetne tárolni.
- Egy klasszikus számítógép csak évmilliók alatt tudná kiszámítani egy 2048 bites szám prímtényezőit. Kvantumbitekkel ez a számítás percek alatt elvégezhető.
A kvantumbiteknek sokféle fizikai implementációja létezik
Míg a klasszikus számítógépek a jól ismert szilíciumalapú chipekre épülnek, a „kvantum-számítógépes qubiteknek“ is nevezett kvantumbitek befogott ionokból, fotonokból, mesterséges vagy természetes atomokból, vagy kvázirészecskékből készíthetők. Az architektúrától és a kvantumbit-rendszerektől függően egyes implementációkhoz a kvantumbiteket az abszolút nullához közeli hőmérsékleten kell tartani.
Szuperpozíció, interferencia és összefonódás
A szuperpozíciónak köszönhető, hogy a kvantumalgoritmusok más kvantummechanikai jelenségekre, például az interferenciára és az összefonódásra is építhetnek. A szuperpozíció, az interferencia és az összefonódás együttese hozza létre azt a számítási teljesítményt, amely a klasszikus számítógépeknél exponenciálisan gyorsabban képes problémákat megoldani.
Interferencia
A szuperpozíció egyik következménye az interferencia. A kvantumbit-állapotok azért mutatnak interferenciát egymással, mert mindegyik állapotot egy, a hullámok amplitúdójához hasonló valószínűségi amplitúdó írja le.
Az erősítő interferencia növeli az amplitúdót, a kioltó interferencia pedig csökkenti. Ezeket az effektusokat használják fel a kvantumszámítási algoritmusokban, amelyek ezáltal alapvetően különböznek a klasszikus algoritmusoktól. Az összefonódással együtt használt interferencia teszi elérhetővé a kvantuminformatika által ígért kvantumos sebességnövekedést.
Összefonódás
Több kvantumbit kvantum-összefonódást mutathat. Az összefonódott kvantumbitek mindig kapcsolatban állnak egymással, így egyetlen rendszert alkotnak. Egy kvantumbit állapotának megmérésével még akkor is közvetlen mérés nélkül megismerhető a másik állapota, ha egymástól végtelen távolságban vannak.
Az összefonódás a kvantumszámítások szükséges feltétele, amelyek klasszikus számítógépen nem végezhetők el hatékonyan. Az alkalmazási területei közé tartozik a nagy számok prímtényezős felbontása (Shor-algoritmus) és keresési problémák megoldása (Grover-algoritmus).
A kvantumbitek jövője
A kvantumtechnológiák fejlődésével egyre közelebb juthatunk a világ néhány legnehezebb problémájának megoldásához. Ez az új paradigma óriási lehetőségeket rejt, de a kvantuminformatika még gyermekcipőben jár.
A kvantumbitek sérülékenyek
A kvantuminformatika egyik legjelentősebb gátló tényezője a kvantumbitek sérülékenysége. A kvantumbit-rendszer összefonódása a környezetével, beleértve a mérőberendezést is, könnyen megzavarhatja a rendszert, és a koherencia elvesztéséhez vezethet. Ezt figyelembe véve folyik jelenleg a kvantumszámítógép-hardver és a hibajavítási módszerek fejlesztése.
A topológiai kvantumbitek stabilabbak
A sérülékenységből adódó nehézségek elkerülésére a Microsoft topológiai kvantumbiteket használ, amelyeket úgy stabilizálunk, hogy manipuláljuk a szerkezetüket, és olyan kémiai vegyületekkel vesszük körbe őket, amelyek védik őket a külső behatásoktól. A topológiai kvantumbitek a kvázirészecskék topológiai jellemzőinek köszönhetően védettek a zajjal szemben, ezért a Microsoft kvantumhardvere ellenállóbb a hibákkal szemben. Ennek a fokozott stabilitásnak köszönhetően érhet el a kvantumszámítógép hosszabb és összetettebb számítások elvégzéséhez alkalmas méreteket, elérhető közelségbe hozva az összetettebb megoldásokat.
Azure Quantum-források
Már ma létrehozhat kvantummegoldásokat az Azure Quantum, a teljes értékű nyitott felhőalapú ökoszisztéma előzetes verziójának korai felhasználójaként. Szoftvereket, hardvereket és előre elkészített megoldásokat használhat, és elkezdheti a munkát egy rendkívül megbízható, skálázható és biztonságos platformon.