Auf der Suche nach „MOSS“ in der realen Welt (Teil 2): ​​Fünf Grundvoraussetzungen für Quantencomputer

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Im diesjährigen Science-Fiction-Hit „The Wandering Earth 2“ demonstrierte der leistungsstärkste Quantencomputer „MOSS“ seine beispiellose Superrechenleistung. Durch die Erforschung der Vergangenheit und Gegenwart des leistungsstärksten Quantencomputers „MOSS“ können wir verstehen, dass die Inspiration für die Entwicklung von „MOSS“ aus echtem wissenschaftlichen Fortschritt stammt und auch die wunderbare Vorstellung des Filmteams von Quantencomputern in der Welt der Zukunft einbezieht.

MOSS in Die wandernde Erde

(Bildquelle: Standbilder aus The Wandering Earth)

Quantencomputer stehen an der Spitze der heutigen wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung. Sie können Quantenbits (Qubits) in einem 1/0-verschränkten Zustand verwenden, um parallele Berechnungen durchzuführen, wodurch sie eine exponentiell wachsende Superrechenleistung erreichen und breite Anwendungsaussichten haben. Seit den 1990er Jahren arbeiten Wissenschaftler intensiv an der Entwicklung von Quantencomputern und haben dabei eine Reihe von Fortschritten erzielt. Heute werden Quantencomputer in Bereichen wie der Quantenchemie und der Quantenoptimierung eingesetzt und haben dort revolutionäre Veränderungen bewirkt.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Das heißt, wenn es in einem physikalischen System zwei unterscheidbare Energiezustände (Energieniveaus) gibt und durch eine externe Antriebskraft probabilistische Übergänge zwischen den Energieniveaus erreicht werden können, dann können diese beiden Energieniveaus in den Zustand 1 bzw. 0 kodiert werden. Dadurch wird eine 1/0-Kodierung verschränkter Zustände realisiert und sie können als Quantenbits an der parallelen Datenverarbeitung von Quantencomputern teilnehmen. Abhängig vom gewählten physikalischen Träger zur Kodierung des verschränkten Zustands von 1/0 können Quantencomputer in verschiedene Typen unterteilt werden.

Bislang gibt es viele gängige Kandidaten für die Realisierung universeller Quantencomputer. Tatsächlich muss jedoch jedes Quantencomputermodell, unabhängig davon, welches Modell verwendet wird, bestimmte grundlegende Anforderungen erfüllen. Als nächstes klären wir die fünf Grundvoraussetzungen für den Bau eines Quantencomputers:

Benötigen Quantenbits, die 0/1-Superpositionszustände kodieren können

Bei den Computergeräten, mit denen wir derzeit in unserem Leben in Berührung kommen, handelt es sich allesamt um klassische Computer, und klassische Computer verwenden klassische Bits, um binäre Operationen durchzuführen. Ein klassisches Bit kann sich nur in einem der Zustände 1 oder 0 befinden, genau wie eine Münze nur zwei Zustände hat, Vorder- und Rückseite. Alle Rechenoperationen klassischer Computer basieren auf der Umwandlung und Kombination zwischen dem 1-Zustand und dem 0-Zustand.

Das Qubit ist die grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers. Ein einzelnes Qubit kann sich gleichzeitig in mehreren möglichen Zuständen befinden. Die grundlegendsten Quantenzustände sind 1 und 0, aber ein einzelnes Qubit kann sich auch gleichzeitig in einer Überlagerung von 1 und 0 befinden.

Beispielsweise hat ein Quantenbit, das sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit in einer Überlagerung der Zustände 1 und 0 befindet, vor der Messung durch die Außenwelt eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, sich im Zustand 1 und eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, sich im Zustand 0 zu befinden. Das heißt, das Quantenbit kann sich mit einer beliebigen Wahrscheinlichkeit P im Zustand 1 und mit einer Wahrscheinlichkeit Q im Zustand 0 befinden, und die Summe der Wahrscheinlichkeiten P und Q beträgt immer 100 %.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Die Anzahl der Quantenbits ist einer der wichtigsten Indikatoren zur Messung der Rechenleistung eines Quantencomputers. Je mehr Quantenbits vorhanden sind, desto leistungsfähiger ist der Quantencomputer und desto komplexere Probleme kann er bewältigen. Beispielsweise kann ein Quantencomputer mit 50 Qubits eine sehr große Ganzzahl mit 2048 Ziffern in nur wenigen Stunden faktorisieren, während ein klassischer Computer Tausende von Jahren brauchen würde, um dasselbe Problem zu lösen.

Dieses Berechnungsergebnis ist im Bereich der Kryptographie und Informationssicherheit von großer Bedeutung, da die meisten heutigen Verschlüsselungsalgorithmen auf der Zeitkomplexität der Faktorisierung sehr großer ganzer Zahlen basieren und das Aufkommen von Quantencomputern eine Bedrohung für traditionelle Verschlüsselungsmethoden darstellen könnte.

Derzeit werden viele neue Verschlüsselungsalgorithmen vorgeschlagen. Eine der am häufigsten untersuchten Alternativen ist die auf der Quantenmechanik basierende Verschlüsselung, die sogenannte Quantenschlüsselverteilung (QKD). Das Verschlüsselungsschema der Quantenschlüsselverteilung nutzt die Nichtreplizierbarkeit und Nichtlokalität von Quantenzuständen, sodass die beiden Kommunikationsparteien einen hochsicheren Kommunikationskanal aufbauen können, ohne abgehört zu werden.

Ein universeller Satz von Quantenlogikgatteroperationen ist erforderlich

In klassischen Computern können beliebig komplexe Logikgatteroperationen in grundlegende Boolesche Operationen zerlegt werden, darunter UND-, ODER- und NICHT-Gatter.

Unter diesen bedeutet die UND-Operation, dass die Ausgabe nur dann 1 ist, wenn beide Eingaben 1 sind, andernfalls ist die Ausgabe 0.

Die ODER-Verknüpfung bedeutet, dass wenn einer der beiden Eingänge 1 ist, der Ausgang 1 ist, andernfalls ist der Ausgang 0.

Die NOT-Operation negiert einen Eingang und gibt den entgegengesetzten Wert aus.

Daher können diese grundlegenden Logikgatteroperationen in Kombination verwendet werden, um komplexere Logikschaltungen aufzubauen und die komplexen Rechenanforderungen klassischer Computer zu erfüllen.

Ähnlich wie Logikgatteroperationen in der klassischen Informatik kann jede komplexe Berechnung in einem Quantencomputer auch in eine Kombination bestimmter grundlegender Logikgatter zerlegt werden, und diese grundlegenden Logikgatter können zum Aufbau komplexer Quantenalgorithmen und Quantenschaltkreise verwendet werden. Daher werden diese grundlegenden Logikgatter als universelle Quantenlogikgatter bezeichnet.

Vektorsatz von drei grundlegenden Logikgattersymbolen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Im Allgemeinen umfasst ein universeller Satz von Quantenlogikgattern normalerweise Einzel-Qubit-Gatter und Mehr-Qubit-Gatter, die verschiedene Arten von Transformationen und Interaktionen an Qubits durchführen können. Darunter ist das Einzel-Qubit-Gatter eine Gatteroperation, die auf ein einzelnes Quantenbit einwirkt und dazu dient, den Zustand eines einzelnen Quantenbits zu ändern. Multi-Qubit-Gatter können auf mehrere Qubits einwirken und so Verschränkungsoperationen zwischen Qubits usw. realisieren.

Durch die Durchführung zusammengesetzter Operationen an einer Reihe von Einzel-Qubit- und Mehr-Qubit-Gattern kann ein Quantencomputer jeden beliebigen Quantenalgorithmus implementieren und so effiziente Rechenaufgaben im Quantencomputing bewältigen. Daher ist eine Reihe universeller Quantenlogikgatteroperationen von großer Bedeutung und großem Wert und bietet auch die Grundlage und Unterstützung für den Entwurf und die Implementierung von Quantenalgorithmen.

Kann Quantenzustände mit hoher Qualität vorbereiten und initialisieren

Um bestimmte Betriebsalgorithmen im Quantencomputing auszuführen, müssen die Quantenbits im Quantencomputer durch externe Bedingungen gesteuert werden, um bestimmte Quantenzustände vorzubereiten und die Initialisierung abzuschließen. Beispielsweise können Quantenbits experimentell direkt in einen 1-Zustand oder einen 0-Zustand oder einen Überlagerungszustand mit gleicher Wahrscheinlichkeit der 1- und 0-Zustände gebracht werden. Auf diese Weise schließt das auf einen bestimmten Quantenzustand vorbereitete Quantenbit die Initialisierungsoperation in der Berechnung ab.

Der Quantenzustand von Quantenbits ist jedoch sehr anfällig für externe Störungen und Fehler. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse des Quantencomputers sicherzustellen, ist es daher erforderlich, den Quantenzustand mit hoher Qualität vorbereiten und initialisieren zu können.

In Experimenten erfordert die qualitativ hochwertige Vorbereitung und Initialisierung von Quantenzuständen die Verwendung einiger spezieller Betriebsmethoden. Beispielsweise können durch den Einsatz der Laserkühlungstechnologie nahezu stationäre geladene Ionen vorbereitet und präzise auf den für die Quanteninformatik erforderlichen Energieniveauzustand eingestellt werden, wodurch eine qualitativ hochwertige Vorbereitung und Initialisierung erreicht wird.

(Bildquelle: Phys.org)

Daher sind eine qualitativ hochwertige Vorbereitung und Initialisierung des Quantenzustands für den Erfolg des Quantencomputings von entscheidender Bedeutung und können Fehler und Störungen beim Quantencomputing reduzieren und so die Gesamtrechenleistung des Quantencomputers sicherstellen.

Ein ausreichend großes Verhältnis von Kohärenzzeit zu Logikgatter-Betriebszeit ist erforderlich

Wir können uns ein Quantenbit als rotierende Kugel vorstellen. Ohne äußere Störungen kann sich der Ball weiter drehen und stabil in einem 1/0-verschränkten Zustand bleiben. Der Quantenzustand des Quantenbits ist jedoch sehr anfällig für externe Störungen, sodass die Kugel allmählich ihren Rotationszustand verliert und den 1/0-Verschränkungszustand zerstört. Die Zeitspanne, in der das Quantenbit den verschränkten Zustand beibehält, ist die „Kohärenzzeit“.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Während dieser Zeitspanne bleibt der Quantenzustand des Qubits stabil im verschränkten Zustand 1/0, der die wichtigste Grundlage des Quantencomputings darstellt. Die Länge der Kohärenzzeit hängt von der äußeren Umgebung, in der sich das Quantenbit befindet, und der physikalischen Struktur des Quantenbits ab. Normalerweise beträgt die Kohärenzzeit eines Quantenbits nur wenige Millisekunden oder weniger.

Um innerhalb dieser begrenzten Kohärenzzeit genügend Logikgatteroperationen an Quantenbits durchführen zu können, muss das Verhältnis zwischen Kohärenzzeit und Logikgatteroperationszeit groß genug sein.

In praktischen Anwendungen werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Kohärenzzeit von Quantenbits zu verlängern. Dazu gehören beispielsweise die Senkung der Temperatur in der Versuchsumgebung, die Einführung einer optimierten Quantenbitstruktur und -gestaltung, der Einsatz von Quantenfehlerkorrekturtechnologie usw., um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Quantencomputings zu verbessern.

Schließlich kann der Zustand des Quantenbits mit hoher Qualität erkannt werden

Am Ende der Berechnung eines Quantencomputers müssen wir eine qualitativ hochwertige Erkennung des Zustands der Quantenbits durchführen, da die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Endergebnisses des Quantencomputers vom genauen Lesen der Quantenbits abhängt. Gleichzeitig ist eine hochwertige Quantenbit-Erkennungstechnologie auch die Grundlage für Anwendungen wie Quantenkommunikation und Quantenschlüsselverteilung (QKD).

Im Allgemeinen wird der Zustand eines Quantenbits durch einen Detektor gelesen, da der Detektor den Zustand des Quantenbits erkennen kann, beispielsweise seinen Spin, seine Position, seine Energie usw.

Darüber hinaus muss eine hochwertige Quantenbit-Erkennung nicht nur über hohe Präzision und hohe Geschwindigkeit verfügen, sondern auch auf verschiedene Arten von Quantenbits anwendbar sein. Es wurden eine Reihe von Detektionstechnologien entwickelt, die für verschiedene Arten von Quantenbits geeignet sind, wie etwa supraleitende Quanteninterferometer, Einzelphotonendetektoren usw.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Diese hochwertigen Detektionsmethoden können uns nicht nur dabei helfen, den Zustand von Quantenbits genau zu lesen, sondern auch noch kleinere Quanteneffekte zu erkennen. Daher ist eine qualitativ hochwertige Erkennung des Zustands von Qubits für den Erfolg des Quantencomputings von entscheidender Bedeutung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Realisierung eines wirklich praktischen Quantencomputers derzeit eine enorme Herausforderung darstellt. Sie erfordert die Erfüllung der fünf Grundvoraussetzungen für die Realisierung eines Quantencomputers und die Überwindung zahlreicher experimenteller und technischer Schwierigkeiten.

Abschluss

Obwohl die Entwicklung der Quantencomputertechnologie noch viele Herausforderungen mit sich bringt, erforschen, erforschen und entwickeln Wissenschaftler ständig verschiedene Quantencomputerlösungen. Derzeit wurden viele Quantencomputersysteme vorgeschlagen, beispielsweise Ionenfallensysteme, supraleitende Quantensysteme, Photonensysteme, neutrale Atome, Quantenpunkte, NV-Farbzentren in Diamanten und topologische Quantensysteme.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Obwohl jeder Kandidat seine eigenen, einzigartigen Vor- und Nachteile hat, müssen sie auf dem Weg zum Quantencomputing noch aufholen. Wir haben Grund zu der Annahme, dass wir mit der kontinuierlichen Entwicklung und dem Fortschritt der Technologie in naher Zukunft die Entstehung wirklich praktischer Quantencomputer erleben werden, die der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft beispiellose Produktivitätsfortschritte bringen werden.

Herausgeber: Sun Chenyu