Кубіт.

Визначення кубіту

Кубіт, скорочення від "квантовий біт", є основною одиницею квантової інформації в квантових обчисленнях. Це квантовий аналог класичного біта, який здатний існувати у кількох станах одночасно. Ця властивість суперпозиції дозволяє кубітам виконувати складні обчислення набагато ефективніше, ніж класичні біти.

Як працюють кубіти

• Кубіти можуть існувати у стані 0, 1 або одночасно у станах 0 та 1 завдяки квантовій суперпозиції. Суперпозиція є основною концепцією в квантовій механіці, коли частинки можуть існувати у кількох станах одночасно. У випадку з кубітами це означає, що вони можуть бути у комбінації станів 0 та 1. Ця здатність бути у кількох станах одночасно дозволяє кубітам виконувати паралельні обчислення.
• Квантове сплутування є ще однією властивістю, яку демонструють кубіти. Сплутування стосується явища, коли стан одного кубіта intrinsically пов’язаний зі станом іншого, навіть якщо вони фізично розділені. Ця взаємопов’язаність дозволяє створювати квантові вентилі, які є будівельними блоками квантових обчислень.
• Операції квантових обчислень маніпулюють кубітами за допомогою квантових вентилів для обробки величезних обсягів даних паралельно. Ці операції включають обчислення, такі як квантові логічні вентилі, вимірювання та перетворення. Кубіти можуть виконувати ці операції в експоненційних масштабах, вирішуючи складні задачі швидше, ніж класичні комп'ютери.

Досягнення в технології кубітів

1. Фізичні реалізації

   • Є різні фізичні системи, які можуть виступати у ролі кубітів. До них належать:
     • Надпровідні кубіти: Ці кубіти виготовляються з Йозефсонівських переходів, які використовують квантові явища надпровідності. Вони працюють при наднизьких температурах і використовуються такими компаніями, як IBM та Google, у своїх дослідженнях та розробках квантових обчислень.
     • Захоплені іонні кубіти: Ці кубіти створюються шляхом захоплення іонів за допомогою електромагнітних полів і маніпулювання їхніми внутрішніми енергетичними станами. Захоплені іони демонструють довгі часи когерентності, що робить їх придатними для певних типів квантових обчислень.
     • Топологічні кубіти: Топологічні кубіти є більш теоретичною концепцією, яка передбачає використання квазичастинок, званих anyons, для зберігання та обробки квантової інформації. Ці кубіти мають потенціал підвищеної стабільності та корекції помилок.
   • Дослідники постійно вивчають нові матеріали та технології для покращення продуктивності кубітів та вирішення проблем квантової декогеренції, яка стосується втрати або порушення квантової інформації.

2. Корекція квантових помилок

   • Квантові системи схильні до помилок через такі фактори, як шум, недоліки у фізичних пристроях та взаємодії з навколишнім середовищем. Техніки корекції квантових помилок спрямовані на зменшення цих помилок та підвищення надійності кубітів та квантових обчислень.
   • Одним із підходів до корекції помилок є використання надлишкових кубітів. Кодування квантової інформації у кілька кубітів і виконання операцій виявлення помилок дозволяє ідентифікувати та виправляти помилки, не втрачаючи початкову інформацію.
   • Корекція квантових помилок є активною областю досліджень, і досягнення в цій галузі є критично важливими для масштабованості та практичного впровадження квантових комп'ютерів.

3. Квантова перевага та поза її межами

   • Квантова перевага стосується теоретичної точки, в якій квантовий комп'ютер може розв'язати проблему, яка є непідйомною для класичних комп'ютерів. Це досягнення, якщо його буде досягнуто, продемонструє обчислювальну потужність кубітів та прокладе шлях до досягнень у таких галузях, як оптимізація, криптографія та матеріалознавство.
   • Google заявила про досягнення квантової переваги у 2019 році, виконавши обчислення, яке зайняло б у класичного суперкомп'ютера тисячі років. Однак дискусії навколо визначення та значущості квантової переваги тривають.
   • Поза квантовою перевагою дослідники вивчають питання створення відмовостійких квантових комп'ютерів, здатних виконувати складні обчислення з високою точністю та стабільністю. Це включає вирішення таких викликів, як квантова декогеренція, поліпшення технік корекції помилок та масштабування кількості кубітів.

Виклики та майбутні напрямки

1. Рівні помилок та квантова декогеренція

   • Одним з основних викликів у квантових обчисленнях є високі рівні помилок, пов'язані з кубітами. Квантові системи дуже чутливі до шуму та збурень, що призводить до помилок у обчисленнях. Зниження рівнів помилок та підвищення часу когерентності кубітів є критичним для практичного впровадження квантових комп'ютерів.
   • Різні техніки досліджуються, щоб вирішити проблему квантової декогеренції, включаючи коди корекції помилок, відмовостійкі конструкції та поліпшені процеси виробництва кубітів. Пошук способів захисту кубітів від взаємодій з навколишнім середовищем та шумом є ключовим напрямком досліджень.

2. Масштабованість та квантова взаємозв'язок

   • Ще однією значною проблемою є масштабування кількості кубітів у квантовому комп'ютері. Для вирішення складних реальних задач потрібна велика кількість кубітів. Однак збереження когерентності та взаємозв'язку кубітів стає все складнішим із зростанням їх числа.
   • Покращення взаємозв’язку між кубітами є важливим для виконання складних квантових обчислень. Дослідники досліджують методи, як-от поліпшене розташування кубітів, зниження інтерференції між кубітами та розробка ефективних технологій взаємозв'язку.

3. Застосування квантових обчислень

   • Квантові обчислення мають потенціал революціонізувати різні галузі, включаючи:
     • Оптимізація: Квантові комп'ютери можуть революціонізувати задачі оптимізації, пропонуючи більш ефективні рішення у таких галузях, як логістика, фінанси та управління ланцюгами постачання.
     • Криптографія: Квантові комп'ютери можуть порушити багато з сучасних криптографічних алгоритмів. Тому розробка методів шифрування, стійких до квантових обчислень, є критично важливою.
     • Матеріалознавство: Квантові симуляції дозволяють дослідникам вивчати та проектувати нові матеріали з конкретними властивостями, прискорюючи відкриття передових матеріалів.
   • Хоча ці застосування мають обіцянку, багато практичних викликів потрібно подолати, перш ніж квантові комп'ютери зможуть мати широкомасштабний вплив.

Кубіти є будівельними блоками квантових обчислень, використовуючи принципи квантової механіки для виконання складних обчислень. Властивість суперпозиції дозволяє кубітам існувати у кількох станах одночасно, тоді як заплутаність забезпечує взаємозв’язок між кубітами. Досягнення у технології кубітів, корекції квантових помилок та прагнення до квантової переваги стимулюють розвиток практичних квантових комп'ютерів. Однак виклики, такі як рівні помилок, масштабованість та розробка застосувань, ще потрібно вирішити. Квантові обчислення мають потенціал для трансформаційних досягнень у різних галузях, але для розкриття його повного потенціалу необхідні подальші дослідження та розробки.