Квантово изчисление: Значение, предимства и още

Квант изчислителен е прилагането на квантово-механичните принципи при извършване на изчисления. Основните явления, използвани тук, са заплитане намлява суперпозиция.

Докато квантовите компютри са сравнително нова модна дума, квантовата механика съществува от много по-дълго време. Той е отговорен за големи развития в електронната индустрия и освен това предлага отговори на много от мистериите на човечеството.

Квантовата механика се фокусира върху това как работят атомите и субатомните частици, докато думата квант се отнася до най-малката частица, с която може да се работи. Това е най-основният градивен елемент на всеки физически обект.

От Макс Планк до Алберт Айнщайн, Нийлс Бор и Ервин Шрьодингер, много велики учени са участвали в развитието на квантовата механика и нейната евентуална кулминация в надпреварата за квантови изчисления – една от най-големите технологични надпревари на нашето време.

Тази публикация ви отвежда в магическия свят на квантовите явления, показва ви как да направите компютър от него и изследва свързаните с него области.

Призрачно действие от разстояние

Квантовите феномени се противопоставят на конвенционалното разбиране и работят на напълно различни термини от класическата физика. И така, през 1930-те години на миналия век Айнщайн използва думите „призрачно действие от разстояние“, за да опише феномена на квантовото заплитане и как то не се вписва в конвенционалната наука.

Квантовото заплитане не е нищо ново. Ако създадете две частици на едно и също място и моментално, те се заплитат. Което означава, че каквото и да се случи на единия, се отразява и на другия.

Това е като да се влюбите и да получите обаждане, когато мислите за любимия си. Или да се обадите и да чуете „Тъкмо щях да ви се обадя“. Също така е известно, че еднояйчните близнаци се разболяват по едно и също време.

Най-зловещата част от квантовото заплитане е, че можете да отнесете една от заплетените частици далеч. И на каквито и условия да я подложите, това ще повлияе мигновено на втората частица, дори от половин галактика.

Квантовите компютри използват това свойство, за да съхраняват огромни количества информация за множество частици наведнъж. Тези частици се наричат ​​кубити или квантови битове, но първо, поглед към втория квантово-механичен феномен.

Ервин Шрьодингер и неговата котка

Друг ранен квантов изследовател беше австрийският физик Ервин Шрьодингер, който, подобно на Алберт Айнщайн, също намираше части от квантовите явления за смешни. И така, той излезе с вече известния мисловен експеримент, наречен „котката на Шрьодингер“, за да визуализира парадокса на квантовата суперпозиция.

Този експеримент гласи, че ако поставите котка и нещо, което може да убие котката, в кутия и я запечатате. Няма да разберете дали котката е мъртва или жива, докато не отворите кутията. Така че, логично, котката беше едновременно мъртва и жива, докато не отворите кутията.

Суперпозицията е вторият феномен, който прави квантовото изчисление възможно. Когато класическите компютри работят с битове информация, които могат да представляват 1 или 0 във всеки даден момент, квантовите компютри работят с кубити (квантови битове), които могат да представят както 0, така и 1 едновременно, точно като котката, която е била едновременно мъртва и жива.

Ето по-отблизо кюбитите.

Битът срещу Кубит

Кубитът е това, което прави квантовото изчисление възможно. Наричан още като квантов бит или qbit, qubit е най-малката единица енергия, която можете да манипулирате, за да запазите и извлечете информация от нея.

Един обикновен компютърен бит може да бъде само 0 или 1 във всеки даден момент. Докато квантовият бит може да бъде и двете едновременно. Следователно два редовни бита могат да съдържат 00, 01, 10 и 11 във всеки даден момент. Но два квантови бита могат да поддържат всичките четири състояния едновременно. Това означава 4 пъти по-бързи изчислителни цикли.

С 3 обикновени бита можете да получите 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 по всяко време. Но 3 кубита ще поддържат всичките осем състояния едновременно, което ви дава 8 пъти по-бързи изчислителни цикли. Както можете да видите, тази връзка е експоненциална, тогава всеки допълнителен бит удвоява количеството налична информация.

И така, с 5 кубита, вие гледате 32 едновременни състояния, с 10 кубита това са над 1,000 състояния, а с 20 кубита, над един милион. Сега помислете колко държави 1,000-кубитови квантови компютри които IBM и Google разработват, могат да се държат едновременно.

Можете да правите кубити от фотони, електрони, атомни ядра, квантови точки, свръхпроводниции други реализации. Целта е да създадете стабилна колекция от квантови битове енергия, които можете удобно да задавате и измервате по желание.

Предимства на квантовите изчисления

Основното предимство на квантовите изчисления са моменталните резултати от сложни проблеми. Това е главно в ситуации, в които трябва да изберете правилния отговор от много възможности. И това ги прави страхотни за разлагане на числа, широкомащабни симулации и разпознаване на модели в изкуствения интелект.

Стандартният подход за класическите компютри е да се изследва всяка възможност, докато намерите това, което търсите. Често наричана игла в търсене на купа сено, времето, което ще отнеме тази операция, зависи от това колко сено или записи трябва да пресеете. И колко бърза е вашата машина.

Суперкомпютрите улесняват подобни проблеми, като увеличават скоростта на проверка на всяка възможност. Квантовите компютри, от друга страна, могат да генерират всички възможности едновременно, ако са налични достатъчно кубити. Ето защо те могат да изчислят проблеми за няколко часа, които на обикновените компютри ще отнемат стотици до хиляди години, за да изчислят.

Проблеми и ограничения на квантовите изчисления

Докато можете лесно да измервате битове в класически компютър, измерването на кубит разрушава неговото състояние и това на неговите заплетени кубити.

Освен това класическите битове са направени от широка гама полупроводникови материали, които просто трябва или да задържат заряд (1), или да не задържат (0). Кубитите обаче са много по-сложни и трудни за изпълнение. И в допълнение към пространственото изолиране на кубит, трябва да го предпазите от смущения в околната среда, като температура и електростатични колебания. Тъй като такива малки промени в околната среда също ще покварят тези държави.

Тази загуба на заплитане или системен баланс се нарича квантова декохерентност и е основният проблем, който повечето изследователи се опитват да разрешат. Толкова е сериозно, че предстоящата 1,000-кубитова машина на Google ще се нуждае от до 1,000 кубита за коригиране на грешки на всеки кубит. По този начин го прави машина с 1 милион кубита.

Това също означава, че в момента не можете да боравите с квантов компютър, както бихте работили с лаптоп или смартфон. Компютърът се нуждае от лабораторни условия, за да поддържа безопасно ниво на стабилност за своите кубити.

Друг недостатък е ограниченият обхват на така нареченото квантово превъзходство, тъй като не всеки изчислителен проблем включва големи обеми от числа или възможности. Така че изчислителният тласък в повечето други операции е твърде незначителен, за да оправдае подхода на квантовите изчисления. Освен ако квантовите компютри не се окажат по-евтини от класическите компютри, те също няма да ги заменят скоро.

Въпреки всички тези недостатъци, квантовите компютри и техните кубити притежават голям потенциал в компютърната индустрия поради големите числа, с които могат да се справят с лекота.

Има ли опасности с квантовите изчисления?

да Всеки добър хакер знае, че всяка технология има вратичка. Просто трябва да го намерите. Така че, независимо от реалните внедрявания на квантовите компютри в бъдеще, все още ще има проблеми с технологията. И актьори, готови да се възползват от тях.

Този сценарий се отнася за употреби като банкиране, финанси, правителство и подобни публични дейности. Втори сценарий е, когато злонамерен актьор използва удивителната сила на добър квантов компютър, за да постигне подвиг. И както винаги, хората ще разберат за такава възможност едва след извършване на делото.

Квантовото изчисление се справя добре с числата. Така че алгоритмите за асиметрично криптиране, които използват факторизация, като RSA с публичен ключ, не са безопасни. Хеширането и симетричната криптография, като AES-256 и 512, както и SHA-256 и 512, от друга страна, са относително безопасни.

Други приложения на квантовата механика

Колкото и вълнуващ да е светът на квантовите компютри, той все още е само част от квантовата механика. Така че, с други думи, квантовото парти едва започва.

Квантовата механика играе важна роля в развитието на полупроводниците и съвременната електроника. Работи се и за квантови мрежи и криптография, като например базирани в Швейцария пионер в квантовата криптография ID Quantique. Плюс това, квантовите феномени допълнително са показали обещание в многобройни изследователски области, включително фотосинтеза, обонятелни рецептори и дори нашето разбиране за времето.

Квантови компютри в реалния свят

Има много квантови компютри и подобни приложения. Те идват от големи мултинационални компании като Google и IBM, както и от правителства и дори от по-малки играчи като Rigetti.

Квантовите изчисления в момента са една от най-горещите изследователски области на планетата. Така че вероятно има повече тайни програми, отколкото можете да си представите. По-долу са някои големи проекти:

• Google притежава 54-кубитови и 72-кубитови машини
• IBM притежава над 30 машини, разпръснати по целия свят, включително 65-кубитовата Manhattan
• Китай е дом на много квантови компютри, включително 76-кубитова машина и дори квантова сателитна комуникация.
• 54-кубитовата машина на Google, задвижвана от Sycamore, изразходва само 200 секунди, за да изчисли това, което суперкомпютрите ще се нуждаят от 10,000 XNUMX години, за да изчислят.
• IBM разработва 1,000-кубитова машина до 2023 г
• Rigetti Computing притежава четири, включително 31-кубитова машина
• Google изгражда нов квантов център, за да създаде 1,000-кубитов компютър до 2029 г. Факторизирайки корекцията на грешките, общият брой на този компютър може да достигне 1 милион.

Заключение

Квантовите компютри са тук, за да останат. Тъй като те ще създадат много възможности и ще решат проблеми от реалния свят, с които класическите компютри са се борили от десетилетия.

Има обаче още много работа за вършене и предизвикателства за преодоляване, преди да стигнем дотам. А дотогава Китай може просто да изненада света.