Co to jest kubit?

To podstawowa jednostka informacji używana w obliczeniach kwantowych

Wyjaśnienia dotyczące kubitów

Tak jak bit binarny jest podstawową jednostką informacji w klasycznych (lub tradycyjnych) obliczeniach, tak kubit (lub bit kwantowy) jest podstawową jednostką informacji w ramach obliczeń kwantowych. Obliczenia kwantowe prowadzą do nowych odkryć w dziedzinie opieki zdrowotnej, energii, systemów środowiskowych, materiałów inteligentnych i innych.

Porównanie kubitu z bitem

Kubity są reprezentowane przez superpozycję wielu możliwych stanów

Kubit używa zjawiska mechaniki kwantowej oraz superpozycji do osiągnięcia liniowej kombinacji dwóch stanów. Klasyczny bit binarny może reprezentować tylko pojedynczą wartość binarną, taką jak 0 lub 1, co oznacza, że może być tylko w jednym z dwóch możliwych stanów. Natomiast kubit może reprezentować wartość 0, 1 lub dowolną proporcję wartości 0 i 1 w superpozycji obu stanów, z pewnym prawdopodobieństwem, że jest to wartość 0, i pewnym prawdopodobieństwem, że jest to wartość 1.

Superpozycja zapewnia komputerom kwantowym najwyższą moc obliczeniową

Superpozycja umożliwia algorytmom kwantowym przetwarzanie informacji w ułamku czasu, jaki zajęłoby nawet najszybszym systemom klasycznym rozwiązanie niektórych problemów.

  • Ilość informacji, którą może reprezentować system kubitów, rośnie wykładniczo. Ilość informacji, która może być w łatwy sposób reprezentowana przez 500 kubitów, nie byłaby możliwa do uzyskania nawet przy użyciu więcej niż 2^500 klasycznych bitów.
  • Klasyczny komputer potrzebowałby milionów lat, aby znaleźć czynniki pierwsze liczby 2048-bitowej. Kubity mogą wykonać obliczenia w zaledwie kilka minut.

Istnieje wiele implementacji fizycznych kubitów

Podczas gdy komputery klasyczne używają znanych mikroukładów opartych na krzemie, kubity (nazywane czasem „kubitami komputera kwantowego”) mogą być wykonane z uwięzionych jonów, fotonów, sztucznych lub prawdziwych atomów albo kwazicząsteczek. W zależności od architektury i systemów kubitów niektóre implementacje wymagają, aby ich kubity były przechowywane w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu.

Superpozycja, interferencja i splątanie

Superpozycja umożliwia algorytmom kwantowym wykorzystanie innych zjawisk mechaniki kwantowej, takich jak interferencja i splątanie. Superpozycja, interferencja i splątanie wspólnie tworzą moc obliczeniową, która może rozwiązywać problemy wykładniczo szybciej niż klasyczne komputery.

Interferencja

Konsekwencją superpozycji jest interferencja. Stany kubitów mogą interferować ze sobą, ponieważ każdy stan jest opisany przez amplitudę prawdopodobieństwa, podobnie jak amplitudy fal.

Konstruktywna interferencja zwiększa amplitudę, podczas gdy destruktywna interferencja niweluje ją. Te efekty są używane w algorytmach obliczeń kwantowych, co sprawia, że są one zasadniczo różne od klasycznych algorytmów. Interferencja jest używana razem ze splątaniem, aby umożliwić przyspieszenie kwantowe zadeklarowane przez obliczenia kwantowe.

Splątanie

Wiele kubitów może wykazywać splątanie kwantowe. Splątane kubity zawsze korelują ze sobą, tworząc pojedynczy system. Nawet jeśli są od siebie nieskończenie oddalone, pomiar stanu jednego z kubitów pozwala nam poznać stan drugiego, bez konieczności mierzenia go bezpośrednio.

Splątanie jest wymagane w przypadku obliczeń kwantowych i nie może być efektywnie wykonywane na klasycznym komputerze. Zastosowania obejmują faktoryzację dużych liczb (algorytm Shora) i rozwiązywanie problemów z wyszukiwaniem (algorytm Grovera).

Przyszłość kubitów

Wraz z rozwojem technologii kwantowych, jesteśmy coraz bliżej znalezienia rozwiązań dla niektórych najtrudniejszych problemów świata. Chociaż ten nowy paradygmat ma niesamowity potencjał, obliczenia kwantowe są jeszcze w bardzo wczesnym stadium rozwoju.

Kubity są wrażliwe

Jedną z najbardziej znaczących przeszkód w ramach przetwarzania kwantowego jest wrażliwy charakter kubitów. Splątanie systemu kubitów z jego środowiskiem, w tym konfiguracją pomiaru, może łatwo zakłócić system i spowodować dekoherencję. Dlatego obecnie trwają prace nad udoskonaleniami konstrukcji sprzętu do obliczeń kwantowych oraz metod korekcji błędów.

Topologiczne kubity są bardziej stabilne

Aby sprostać wyzwaniu wrażliwości, firma Microsoft korzysta z topologicznych kubitów, które są stabilizowane przez manipulowanie ich strukturą i otoczenie ich związkami chemicznymi chroniącymi je przed zewnętrznym zanieczyszczeniem. Topologiczne kubity są chronione przed szumem dzięki topologicznym właściwościom kwazicząsteczek, co sprawia, że sprzęt kwantowy firmy Microsoft jest bardziej odporny na błędy. Ta zwiększona stabilność ułatwia komputerowi kwantowemu skalowanie na potrzeby wykonywania dłuższych, bardziej złożonych obliczeń, dzięki czemu osiągalne będą bardziej złożone rozwiązania.

Zasoby dotyczące usługi Azure Quantum

Twórz rozwiązania kwantowe dzisiaj jako wczesny użytkownik usługi Azure Quantum w wersji zapoznawczej — otwartego kompleksowego ekosystemu chmurowego. Uzyskaj dostęp do oprogramowania, sprzętu oraz wstępnie skompilowanych rozwiązań i rozpocznij tworzenie na zaufanej, skalowalnej i wysoce bezpiecznej platformie.