Базовый анализ компонентов квантового процессора
Узнайте о внутренних компонентах квантового процессора.
Введение
Во-первых, давайте начнем с анализа концепции и компонентов классических вычислений. Классические компьютеры будут подчиняться принципам классической физики. Классический компьютер будет выполнять операции с использованием информации, хранящейся в виде битов; значение которого равно либо нулю (0), либо одному (1). Теперь, когда мы программируем классический компьютер; у нас будет процессор, который имеет вход, выход и программное обеспечение, которое регулирует процессор. Это называется машиной Тьюринга, которая также является подструктурой ваших мобильных телефонов и вычислительной мощности ноутбуков. Несмотря на относительную простоту, машина Тьюринга может быть создана для моделирования любой логики данного компьютерного алгоритма. К сожалению, даже когда классические компьютеры стали быстрее и понятнее; они не могут эффективно решить арифметику, например, массирование массивных целых чисел.
В квантовых вычислениях вместо информации, хранящейся в виде бит, мы имеем новую единицу, называемую кубитом или квантовым битом, который несет квантовую информацию. В классической системе бит может быть только в двух положениях; либо вверх, либо вниз (обычно обозначается как ноль или один). В квантовых вычислениях кубит может быть в любой суперпозиции обоих одновременно.
Qubits может находиться в заданных состояниях | 0} и | 1} (примечание: 0 и 1 не всегда являются заданными значениями для кубита, могут использоваться другие, но с тем же результатом), а также любое добавление два; который даст другое действительное квантовое состояние x | 0} + y | 1}, где две переменные x и y представляют собой комплексные числа. Подумайте о том, что состояние кубита является вектором, тогда наложенное состояние просто становится аддитивным (см. Рисунок 2.). Каждый дополнительный кубит будет давать в два раза больше значений. Если бы у нас было 3 кубита, мы бы получили коэффициенты для всех комбинаций 1 и 0 в 3-значной последовательности. (| 111}, | 011}, | 001} и т. Д. …)
Благодаря этим базовым знаниям мы можем анализировать процессор внутри квантового компьютера; в частности, квантовый компьютер D Wave
Элементарные единицы квантовых вычислений
Во введении мы рассмотрели, как мы можем символически представлять кубиты как 0 или 1, а также суперпозицию
обоих государств. Теперь мы рассмотрим, как построены кубиты, а также их внешний вид.
В обычных вычислениях мы используем CMOS-транзисторы для кодирования бит информации. Это делается путем регулирования напряжения на транзисторах, которые оснащены шиной, чтобы определить, является ли состояние 0 или 1.
Квантовые транзисторы несколько схожи, но значительно отличаются от наших современных CMOS-транзисторов. На рисунке 3 показан квантовый транзистор, известный как сверхпроводящее квантовое устройство помех или СКВИД. Интерференция относится к фактическим электронам и как они действуют как волны, которые создают интерференционные картины, чтобы вызвать появление квантовых эффектов. Это основа квантовых вычислений (в основном квантовый транзистор). Электрон ведет себя как кубит из-за природы материала, называемого ниобием; из чего состоит золотая петля на рисунке 3. Когда ниобий охлаждается до достижения его критической температуры; это проявит качества квантовой механики.
Наши классические транзисторы будут кодироваться в двух состояниях путем регулирования напряжений. СКВИД будет кодировать два состояния в магнитные поля, которые обозначены вниз или вверх. Два состояния заданы как -1, +1, в которых кубит может быть в суперпозиции обоих. Это достигается путем объединения эффекта Джозефсона (или явления сверхтока) и квантования потока. Пары БКШ туннелируются через слабое звено (которое в этом случае было бы слабым изолирующим барьером) между ниобием. Для каждого тока ниже заданного критического значения будет установлен сверхток между двумя сверхпроводниками и не даст напряжения на джозефсоновском переходе. Каждый раз, когда ток больше критического значения, напряжение будет считываться через соединение.
На рис. 3 представлен сверхпроводящий кубит, каждая стрелка которого представляет состояние спина. Эти состояния можно
суперпозиция -1, +1
Программирование
Кубиты должны быть связаны друг с другом способом, способным передавать информацию. Кубиты соединяются вместе соединителями, которые также изготовлены из сверхпроводящего материала. Когда мы объединяем кубиты и соединители вместе, мы способны создавать программируемую структуру квантовой механики. (См. Рис. 4.)
Сверхпроводящий кубит из рисунка 3 формируется в прямоугольники; с каждой из точек, представляющих соединитель. Эти соединители в какой-то мере связывают данные или переменные в уравнении, что делает его более эффективным для решения
Операция процессора
К сожалению, для создания функционального квантового процессора требуется больше компонентов. Большая часть структуры и схемы, которая описывает кубиты, состоит из переключателей, которые функционируют эффектом Джозефсона. Эта схема направляет информацию от кубитов в различные компоненты памяти, которые хранят данные в намагниченной среде. Каждый из кубитов оснащен считывающими устройствами. Считывание примет вектор из состояния когерентной суперпозиции и проецирует его в чистый нуль или одно состояние при потере информации о фазе. Вероятность проекции в нуль или одно состояние принимается повторением процедуры много раз и усреднением результата. Эти устройства будут неработоспособны, пока будут сделаны расчеты для кубитов, чтобы предотвратить изменение квантового поведения. По завершении расчетов и после того, как каждый кубит установил себя в классическое состояние, записанные данные преобразуются в цепочку классических битов, которые затем могут быть прочитаны пользователем.
Структура процессора отличается от типичного кремниевого процессора тем, что каждый кубит имеет отдельные запоминающие устройства вместо больших областей кеша
Предполагается, что квантовая обработка позволяет использовать вычислительную мощность на несколько порядков больше, чем наши обычные компьютеры. Если мы возьмем когерентную систему кубитов состояния с X-кубитами, то мы можем наложить 2X различных последовательностей бит (помните, что каждый дополнительный кубит даст вдвое больше значений, откуда и возникает 2X). Теперь, чтобы приравнять это к обычным компьютерам, мы принять разницу в энергетических уровнях кубита, в этом случае он находится в области гигагерца; что дает нам 2X гигагерца. Это означает, что с помощью 20 кубитов квантовый процессор может обрабатывать приблизительно 2 ^ 20 операций в секунду. Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что квантовые процессоры имеют значительно больший потенциал, чем у обычных компьютеров.
Недавно была выпущена система Dwave 2X и на сегодняшний день считается самым мощным квантовым компьютером. Это работает на 0, 015 ° выше абсолютного нуля, а его процессор не выделяет тепла. Система состоит из более 1000 кубитов, которые работают вблизи абсолютного нуля, чтобы генерировать огромное количество квантовых эффектов. Чтобы представить это в перспективе, система может искать сразу 2 ^ 1000 решений; которая больше, чем каждая частица во Вселенной. Dwave 2X имеет по слухам список цен к северу от $ 15 000 000, и был выпущен для общей доступности.
дальнейшее чтение
К сверхпроводящему квантовому компьютеру
Основы квантовых вычислений
Бенчмаркинг процессора квантового отжига с метрикой времени до цели (PDF)