Útskýrt: Hvað er skammtaráð?

Quantum supremacy er áfangi sem lengi hefur verið leitað í tölvumálum og nú hefur Google tilkynnt að það hafi náð því. Skoðaðu vísindin á bak við hugmyndina, og hvað var raunverulega náð og hversu mikið er eftir.

Hluti af skammtatölvu Google í Santa Barbara rannsóknarstofunni, Kaliforníu, Bandaríkjunum. (Mynd í gegnum Reuters)

Í þessari viku tilkynnti Google að það hafi náð bylting sem kallast skammtafræðilega yfirburði í tölvumálum. Hvað þýðir það og hvers vegna er það mikilvægt?

Svo, hvað er skammtafræði?

Það er hugtak sem John Preskill, prófessor í fræðilegri eðlisfræði við California Institute of Technology, lagði til árið 2012. Það lýsir þeim stað þar sem skammtatölvur geta gert hluti sem klassískar tölvur geta ekki. Í tilviki Google hafa vísindamenn við háskólann í Kaliforníu í Santa Barbara haldið því fram að þeir hafi þróað örgjörva sem tók 200 sekúndur að reikna út sem hefði tekið klassíska tölvu 10.000 ár.

En hvað er skammtatölva?

Hefðbundnar tölvur okkar vinna út frá lögmálum klassískrar eðlisfræði, sérstaklega með því að nýta raforkuflæðið. Skammtatölva leitast hins vegar við að nýta lögmálin sem stjórna hegðun atóma og subatomískra agna. Á þessum litla mælikvarða hætta mörg lögmál klassískrar eðlisfræði að gilda og einstök lögmál skammtaeðlisfræðinnar koma við sögu.

Þróun slíkrar tölvu hefur verið markmið vísindamanna í næstum fjóra áratugi. Árið 1981 skrifaði eðlisfræðingurinn Richard Feynman: Að reyna að finna tölvulíkingu af eðlisfræði finnst mér vera frábært forrit til að fylgja eftir... Náttúran er ekki klassísk... og ef þú vilt gera eftirlíkingu af náttúrunni, þá væri betra gerðu það skammtafræði, og með golly er þetta dásamlegt vandamál, vegna þess að það lítur ekki svo auðvelt út.

Hvaða munur myndi slík uppgerð gera?

Þetta snýst um vinnsluhraða. Við skulum skoða hvernig klassísk tölva vinnur úr upplýsingum. Upplýsingabitar eru geymdir sem annað hvort 0 eða 1. Sérhver strengur slíkra tölustafa (bitstrengja) táknar einstakan staf eða leiðbeiningar; til dæmis, 01100001 táknar lágstafina a.

Í skammtatölvu eru upplýsingar geymdar í skammtabitum, eða qubitum. Og qubit getur verið bæði 0 og 1 á sama tíma. Skammtaeðlisfræði felur í sér hugtök sem jafnvel eðlisfræðingar lýsa sem undarlegum. Ólíkt klassískri eðlisfræði, þar sem hlutur getur verið til á einum stað í einu, lítur skammtaeðlisfræðin á líkurnar á því að hlutur sé á mismunandi stöðum. Tilvist í mörgum ríkjum er kölluð superposition og tengslin milli þessara ríkja eru kölluð flæking.

Því hærri sem fjöldi qubita er, því meira magn upplýsinga er geymt í þeim. Í samanburði við upplýsingarnar sem eru geymdar í sama fjölda bita hækka upplýsingarnar í qubitum veldisvísis. Það er það sem gerir skammtatölvu svo öfluga. Og samt, eins og Caltech's Preskill skrifaði árið 2012, er það krefjandi að byggja áreiðanlega skammtavélbúnað vegna erfiðleika við að stjórna skammtakerfi nákvæmlega.

Sundar Pichai með eina af skammtatölvum Google í Santa Barbara rannsóknarstofunni, Kaliforníu, Bandaríkjunum. (Mynd í gegnum Reuters)

Er það það sem Google hefur náð?

Rannsakendur sýndu fram á hvað skammtatölva getur. Þeir byggðu arkitektúr upp á 54 qubits með Sycamore, skammtatölvu Google. Þó að einn þessara virkaði ekki, voru hinir 53 qubits flæktir inn í superposition ástand.

Teymið setti saman tilviljunarkennda röð af um 1.000 aðgerðum. Í hvert skipti sem þeir keyrðu þetta handahófskennda reiknirit myndi skammtatölvan framleiða bitastreng.

Nú eru sumir bitastrengir líklegri til að eiga sér stað en aðrir og það er hægt að greina hverjir eru líklegri. Hins vegar, því flóknari sem tilviljanakennda skammtarásin er, því erfiðara fyrir klassíska tölvu að bera kennsl á líklegri bitstrengi - og erfiðleikarnir jukust með veldisvísi. Yfirburðir náðust þegar þeir sýndu fram á að skammtaörgjörvi tók bara 200 sekúndur að reikna út ofurflókið tilviljunarkennd reiknirit, en hraðskreiðasta ofurtölvan hefði tekið 10.000 ár, sagði Google í tölvupósti.

Lestu líka | Yfirburði skammtafræðinnar í tölvumálum: Próf gert, raunveruleg notkun langt í burtu

Svo, hvaða gagn gerir það?

Engin, hvað varðar hagnýt forrit. Verkefnið sem unnið er er ekki mjög mikilvægt fyrir þennan áfanga; það snýst miklu meira um þá staðreynd að tímamótin urðu í fyrsta lagi, sagði tölvupósturinn frá Google. Það vitnaði í Wright-bræðurna sem hliðstæðu: Til þess að þeir sýndu fram á að flug væri mögulegt skipti það ekki svo miklu máli hvert flugvélin stefndi, hvert hún fór í loftið og lenti, heldur að hún gæti flogið yfirleitt.

Eru allir sannfærðir?

IBM hefur mótmælt þeirri fullyrðingu Google að skammtaútreikningur þess gæti ekki verið framkvæmdur með hefðbundinni tölvu. Í bloggfærslu hefur IBM haldið því fram að útreikningurinn sem rannsakendur Google lýstu væri hægt að ná með núverandi tölvu á innan við tveimur og hálfum degi, ekki 10.000 árum.

Tilviljun, IBM sjálft fullyrti um bylting í skammtareikningi á fimmtudaginn. Rannsakendur þess gerðu bylting í að stjórna skammtahegðun einstakra atóma og sýndu fram á fjölhæfan nýjan byggingarhluta fyrir skammtaútreikninga, sagði IBM á vefsíðu sinni. Greinin er birt í tímaritinu Science. Rannsóknir Google birtast í Nature.

Ekki missa af frá Explained | Dushyant Chautala: Þessi 31 árs gamli „búdda“, sem er eldri en hann, tengist öllum

Hvað næst?

Vísindamennirnir leitast við að bæta vinnu sína, þar á meðal að greina og laga villur. Háskólinn í Kaliforníu, Santa Barbara, benti á að rannsóknin hafi þegar náð mjög raunverulegu tæki til að búa til handahófskenndar tölur. Handahófskenndar tölur geta verið gagnlegar á ýmsum sviðum - þar á meðal að vernda dulkóðaða lykla fyrir afkóðun, sem gæti verið hugsanlega vandmeðfarið mál fyrir stjórnvöld.

Skammtatölvur gætu einn daginn skilað miklum framförum í vísindarannsóknum og tækni. Meðal sviða sem eiga eftir að nást eru gervigreind og nýjar lyfjameðferðir. Allt er það þó langt í burtu.

Deildu Með Vinum Þínum: