Ce sunt computerele cuantice?
Lucrarea oricărui dispozitiv de calcul modern se bazează pe procesarea informațiilor. Informațiile din computere sunt reprezentate ca un set de zerouri și cele - așa-numitele biți. Dacă, de exemplu, doriți să adăugați două numere, computerul prezintă mai întâi fiecare dintre ele o secvență unică de zero și una și apoi trece printr-un dispozitiv special care efectuează operația de adăugare. Dacă trebuie să adăugați alte două numere, computerul creează două seturi noi de biți și le trece din nou prin același dispozitiv.
Computerele care ar putea folosi proprietățile cuantice ale materiei ar putea funcționa mult mai repede. De fapt, microobjectele, de exemplu atomii individuali, pot fi într-o stare specială de suprapunere cuantică, care nu se găsește în lumea obiectelor mari. În suprapunerea cuantică, obiectul este într-un anumit sens imediat în două state. Cu alte cuvinte, dacă un atom s-ar comporta ca un obiect obișnuit, ar putea fi fie într-o stare de repaus, fie într-o stare de excitație (de exemplu, puțin ezitantă). Dar un atom poate fi într-o anumită stare intermediară, în care se odihnește simultan și oscilează. Această stare este numită suprapunerea cuantică a stărilor de odihnă și excitație.
Dacă denotăm starea de repaus ca 0 și starea excitației ca 1, atunci atomul din suprapunerea cuantică poate stoca imediat două valori în loc de unul. Deci, dacă vom efectua unele operații cu ea, aceste operații vor fi efectuate simultan cu zero și cu una. Într-un astfel de sistem se poate calcula, de exemplu, trei sume simultan: 0 + 0, 0 + 1 și 1 + 1. Dacă există mai mulți astfel de atomi, atunci cu ei puteți face cât mai multe calcule de același tip de care aveți nevoie.
Datorită acestei caracteristici, computerele cuantice ar trebui să fie mult mai eficiente decât de obicei pentru a face față sarcinilor în care sunt necesare un număr mare de valori. Un exemplu al unei astfel de probleme este, de exemplu, hacking-ul unui cod necunoscut. Aceasta ar face ca toată protecția existentă împotriva accesului neautorizat să fie extrem de vulnerabilă.
De exemplu, un atacator cu un calculator cuantic putea accesa cu ușurință orice card bancar sau cont.
Acesta este motivul pentru care multe bănci sunt acum explorează în mod activ posibilitatea de a criptografiei cuantice, care este de a înlocui criptografia convențională, precum și din cauza legilor fizicii cuantice se asigură că, în cazul unor încercări de a hack cel puțin tu imediat știi despre ea și să poată rapid pentru a preveni posibilele daune.
Dar, din păcate, în prezent nu există atât de multe sarcini pentru a soluționa care computere cuantice ar putea fi cu adevărat mai eficiente decât computerele obișnuite. Pentru a utiliza efectele cuantice la maxim, este nevoie de algoritmi specifici, iar în majoritatea covârșitoare a cazurilor, astfel de algoritmi sunt fie imposibili în principiu, fie atât de complexi încât nu au fost încă dezvoltați. Prin urmare, chiar dacă un computer cuantic poate fi creat în viitorul apropiat, acesta va fi fie concentrat cu atenție, ca faimosul D-Wave, fie nu va funcționa mult mai repede decât un calculator convențional. Există totuși un domeniu în care sosirea calculului cuantic poate realiza o mini-revoluție. Această zonă este chimie.
Simulatoare cuantice
Adâncirea intelegerea noastra a modului în care funcționează lumea la nivel de atomi și molecule, și apariția la începutul secolului XX, mecanica cuantică a dus la o schimbare radicală în chimie ca știință. Înainte de aceasta, chimia a fost, în cea mai mare parte, o știință empirică, bazată nu pe modele teoretice riguroase, ci pe numeroase date experimentale. Există anumite reguli pe care le puteți încerca pentru a prezice rezultatul noilor reacții chimice, dar aceste reguli erau departe de a fi perfectă, și în cel mai bun oferi doar o aproximare dur, și a prezis de multe ori exact rezultatul greșit. Singura modalitate de a verifica dacă această reacție potențial utilă poate fi folosită a fost desfășurarea directă a experimentului. Și dacă în chimie anorganică din cauza simplității sale mai este încă într-un fel lucrat, chimia substanțelor organice, cele mai multe descoperiri sunt realizate sau accidental, sau ca rezultat al unei munci de lungă grea de sortare a unor cantități mari de reactivi.
În anii 1920, oamenii de știință au creat fizica cuantică, un instrument care, în principiu, face posibilă calcularea rezultatelor reacțiilor chimice pe hârtie. Problema, totuși, este că un calcul precis, chiar și în cele mai simple cazuri, necesită timp absolut de neimaginat. Și chiar dezvoltarea tehnologiei informatice nu a permis să rezolve pe deplin această problemă. Sarcina calculului cuantic a modului în care moleculele se mișcă - și acesta este exact ceea ce este necesar pentru reacțiile chimice - este clasificat ca fiind exponențial complex. În practică, acest lucru înseamnă că astfel de sarcini nu pot fi rezolvate nici acum, nici în viitorul apropiat, odată cu dezvoltarea progresivă a tehnologiilor computaționale.
Prin urmare, metodele aproximative sunt utilizate pentru a calcula reacțiile chimice. La început, acestea erau relativ simple și nu prea exacte, însă, în timp, precizia lor creștea și complexitatea creștea. Studiul și dezvoltarea lor se ocupă de chimia computatională cuantică. Acum, în fiecare an se organizează conferințe uriașe, în care mii de oameni de știință împărtășesc cele mai recente realizări în acest domeniu. Și, deși computerele pot face deja multe - chiar până la estimarea eficacității medicamentului inovator - ultimul cuvânt, cum ar fi acum 100 de ani, rămâne în urma experimentelor.
Cu toate acestea, în ultimii ani, aici și în comunitatea de oameni de știință implicați în chimia cuantică, există fraze: "Vor dura mai mulți ani și ne vom pierde locul de muncă. Toate calculele vor face simulatoare cuantice și le vor face mai precis și mai repede decât noi. " Ce-i atât de frică de chimiștii cuantice?
Într-adevăr, așa cum arată studii suplimentare, acest lucru este posibil. Mai mult, astfel de calcule vor exploata pe deplin capabilitățile unice ale computerelor cuantice, adică vor fi efectuate mult mai repede decât pe computerele convenționale. Aceasta va rezolva problema calculului precis al reacțiilor chimice într-un timp rezonabil și va înlocui experimentele directe scumpe cu calcule mai ieftine.
Mai mult decât atât, una dintre problemele calculatoarelor cuantice - efectele asupra mediului distructive ale mediului, care nu permite o lungă perioadă de timp pentru a păstra o superpoziție cuantică - în simulări cuantice pot fi folosite pentru uz profesional. La urma urmei, sistemele cuantice reale sunt, de asemenea, înconjurate de alte corpuri, care distrug, de asemenea, efectele cuantice în ele. Acest efect poate fi simulat prin acțiunea mediului asupra qubitelor simulatorului cuantic.
Utilizarea simulatoarelor cuantice
Fiecare dintre aceste implementări are propriile caracteristici. De exemplu, sistemele cu atomi răciți necesită instalații mari și relativ scumpe, deși sunt convenabile din punctul de vedere al controlului stării qubitelor. Sistemele bazate pe nucleele controlate de efectul de rezonanță magnetică nucleară sunt relativ simple, dar, dimpotrivă, nu au o flexibilitate suficientă de control. Această problemă este lipsită de sisteme bazate pe electroni prinși în așa-numitele sonde cuantice din semiconductori. Acestea sunt acum una dintre cele mai promițătoare direcții în ceea ce privește manufacturabilitatea și producția ieftină. În unele aplicații, sistemele bazate pe inele superconductoare sunt mai convenabile, care sunt totuși relativ mari și, prin urmare, este puțin probabil să fie posibilă crearea acestora cu un număr mare de qubite.
O altă direcție în care se dezvoltă cercetarea modernă a simulatoarelor cuantice este dezvoltarea de algoritmi mai eficienți, inclusiv algoritmi care pot corecta sau cel puțin pot suprima greșelile inevitabile din astfel de sisteme. Și, bineînțeles, metodele de lucru cu qubitele sunt îmbunătățite: crește timpul de lucru, flexibilitatea reglării sistemului cuantic crește, iar numărul de parametri controlați crește.
Toate acestea, în viitorul apropiat va duce la faptul că simulatoare cuantice vor fi aplicate situațiilor dificile reale, la substanțe chimice și reacții care în prezent sunt chiar peste estimările noastre cele mai exacte. Deși prezice modul în care această revoluție va fi o scară largă, este imposibil, poate fi cu greu orice îndoială că chimia modernă va suferi schimbări majore, iar mulți oameni de știință vor trebui să se schimbe radical tema lor de cercetare.
Citiți jurnale RT RT în limba rusă pe Flipboard
Trimiteți-le prietenilor: