Quantum Computing: Význam, výhody a další

Množství výpočetní je aplikace kvantově-mechanických principů při provádění výpočtů. Základní jevy zde použité jsou zapletení si superpozice.

Zatímco kvantové výpočty jsou relativně novým módním slovem, kvantová mechanika existuje mnohem déle. Byla zodpovědná za hlavní vývoj v elektronickém průmyslu a navíc nabízí odpovědi na mnoho záhad lidstva.

Kvantová mechanika se zaměřuje na to, jak fungují atomy a subatomární částice, zatímco slovo kvantové označuje nejmenší částici, se kterou lze pracovat. To je nejzákladnější stavební kámen jakéhokoli fyzického objektu.

Od Maxe Plancka po Alberta Einsteina, Neilse Bohra a Erwina Schrödingera se mnoho skvělých vědců podílelo na vývoji kvantové mechaniky a jejím případném vyvrcholení v závod kvantových počítačů – jeden z největších technologických závodů naší doby.

Tento příspěvek vás zavede do magického světa kvantových jevů, ukáže vám, jak z něj vyrobit počítač, a prozkoumá související oblasti.

Strašidelná akce na dálku

Kvantové jevy se vymykají konvenčnímu chápání a fungují na zcela odlišných pojmech než klasická fyzika. Takže ve 1930. letech XNUMX. století Einstein použil slova „strašidelná akce na dálku“ k popisu fenoménu kvantového zapletení a toho, jak to nezapadá do konvenční vědy.

Kvantové zapletení není nic nového. Pokud vytvoříte dvě částice na stejném místě a v okamžiku, pak se zapletou. To znamená, že cokoli se stane jednomu, ovlivní druhého.

Je to jako zamilovat se a nechat si zavolat, kdykoli si vzpomenete na svého milence. Nebo zavolat a slyšet „Právě jsem ti chtěl zavolat“. Jednovaječná dvojčata jsou také známá tím, že onemocní ve stejnou dobu.

Nejstrašidelnější část kvantového zapletení je, že můžete jednu ze zamotaných částic odnést daleko. A jakékoli podmínky, kterým ji vystavíte, ovlivní druhou částici okamžitě, dokonce i ze vzdálenosti půl galaxie.

Kvantové počítače využívají tuto vlastnost k ukládání obrovského množství informací na více částicích najednou. Tyto částice se nazývají qubity nebo kvantové bity, ale nejprve se podíváme na druhý kvantově-mechanický jev.

Erwin Schrödinger a jeho kočka

Dalším raným kvantovým výzkumníkem byl rakouský fyzik Erwin Schrödinger, který stejně jako Albert Einstein považoval části kvantových jevů za směšné. A tak přišel s dnes již známým myšlenkovým experimentem zvaným „Schrödingerova kočka“, aby vizualizoval paradox kvantové superpozice.

Tento experiment říká, že pokud vložíte kočku a něco, co by ji mohlo zabít, do krabice a zapečetěte ji. Dokud neotevřete krabici, nevěděli byste, zda je kočka mrtvá nebo živá. Takže logicky byla kočka mrtvá i živá, dokud neotevřete krabici.

Superpozice je druhým jevem, který umožňuje kvantové výpočty. Tam, kde klasické počítače pracují s bity informací, které mohou v libovolném okamžiku představovat 1 nebo 0, pracují kvantové počítače s qubity (kvantovými bity), které mohou představovat 0 i 1 současně, stejně jako kočka, která byla mrtvá i živá.

Zde je bližší pohled na qubity.

The Bit vs The Qubit

Qubit je to, co umožňuje kvantové výpočty. Také označovaný jako kvantový bit nebo qbit, qubit je nejmenší jednotka energie, se kterou můžete manipulovat za účelem ukládání a získávání informací.

Běžný počítačový bit může být v daném okamžiku pouze 0 nebo 1. Zatímco kvantový bit může být obojí současně. Dva běžné bity tedy mohou v libovolném okamžiku obsahovat 00, 01, 10 a 11. Ale dva kvantové bity mohou obsahovat všechny čtyři stavy současně. To znamená 4x rychlejší výpočetní cykly.

Se 3 běžnými bity můžete v libovolném okamžiku získat buď 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 a 111. Ale 3 qubity udrží všech osm stavů současně, což vám poskytne 8x rychlejší výpočetní cykly. Jak vidíte, tento vztah je exponenciální, pak každý další bit zdvojnásobuje množství dostupných informací.

Takže s 5 qubity se díváte na 32 současných stavů, s 10 qubity je to přes 1,000 stavů a ​​s 20 qubity přes milion. Nyní zvažte, kolik států 1,000-qubitové kvantové počítače které IBM a Google vyvíjejí, mohou držet současně.

Můžete vytvářet qubity z fotony, elektrony, atomová jádra, kvantové tečky, supravodičea další implementace. Cílem je vytvořit stabilní sbírku kvantových bitů energie, kterou můžete pohodlně nastavovat a libovolně měřit.

Výhody kvantového počítání

Hlavní výhodou kvantového počítání jsou okamžité výsledky ze složitých problémů. A to především v situacích, kdy musíte vybrat správnou odpověď z mnoha možností. A díky tomu jsou skvělé pro číselný faktoring, rozsáhlé simulace a rozpoznávání vzorů v umělé inteligenci.

Standardní přístup pro klasické počítače je zkoumat každou možnost, dokud nenajdete to, co hledáte. Často se nazývá jehla v hledání kupky sena a doba, kterou tato operace zabere, závisí na tom, kolik sena nebo záznamů musíte prosít. A na tom, jak rychlý je váš stroj.

Superpočítače usnadňují takové problémy tím, že zvyšují rychlost kontroly každé možnosti. Na druhé straně kvantové počítače mohou generovat všechny možnosti současně, pokud je k dispozici dostatek qubitů. Proto dokážou za pár hodin spočítat problémy, které běžným počítačům zaberou stovky až tisíce let.

Problémy a omezení kvantových počítačů

Zatímco v klasickém počítači můžete snadno změřit bity, měření qubitu zničí jeho stav a stav jeho zamotaných qubitů.

Také klasické bity jsou vyrobeny ze široké škály polovodičových materiálů, které prostě musí buď držet náboj (1), nebo ne (0). Qubity jsou však mnohem složitější a obtížněji implementovatelné. A kromě prostorové izolace qubitu jej musíte chránit před rušením okolního prostředí, jako jsou teplotní a elektrostatické výkyvy. Protože takové malé změny životního prostředí zkazí i tyto státy.

Tato ztráta zapletení nebo systémové rovnováhy se nazývá kvantová dekoherence a je hlavním problémem, který se většina výzkumníků snaží vyřešit. Je tak závažná, že nadcházející stroj s 1,000 1,000 qubity společnosti Google bude potřebovat až 1 XNUMX qubitů pro opravu chyb každého qubitu. Díky tomu je to stroj na XNUMX milion qubitů.

Znamená to také, že v současné době nemůžete zacházet s kvantovým počítačem jako s notebookem nebo smartphonem. Počítač potřebuje laboratorní podmínky k udržení bezpečné úrovně stability pro své qubity.

Další nevýhodou je omezený rozsah takzvané kvantové nadřazenosti, protože ne každý výpočetní problém zahrnuje velké objemy čísel nebo možností. Výpočetní podpora ve většině ostatních operací je tedy příliš nevýznamná na to, aby ospravedlnila přístup kvantových počítačů. A pokud kvantové počítače neskončí levněji než klasické počítače, také je v dohledné době nenahradí.

Navzdory všem těmto nevýhodám mají kvantové počítače a jejich qubity velký potenciál v počítačovém průmyslu, protože s velkým množstvím si snadno poradí.

Existují nebezpečí kvantové výpočetní techniky?

Ano. Každý správný hacker ví, že každá technologie má mezeru. Jen to musíte najít. Takže bez ohledu na skutečné implementace kvantových počítačů v budoucnu budou stále existovat problémy s technologií. A herci připraveni je využít.

Tento scénář se týká použití jako bankovnictví, finance, vláda a podobné veřejné aktivity. Druhým scénářem je situace, kdy zákeřný herec využívá úžasnou sílu dobrého kvantového počítače, aby dosáhl svého. A jako vždy si lidé takovou možnost uvědomí až po vykonání činu.

Kvantové počítání dobře funguje s čísly. Asymetrické šifrovací algoritmy, které používají faktorizaci, jako je RSA s veřejným klíčem, tedy nejsou bezpečné. Hašování a symetrická kryptografie, jako je AES-256 a 512, stejně jako SHA-256 a 512, jsou na druhou stranu relativně bezpečné.

Další aplikace kvantové mechaniky

Jakkoli je svět kvantových počítačů vzrušující, je stále jen součástí kvantové mechaniky. Tedy jinými slovy, kvantová párty teprve začíná.

Kvantová mechanika byla nápomocná ve vývoji polovodičů a moderní elektroniky. Pracuje se také na kvantových sítích a kryptografii, jako je švýcarská průkopník kvantové kryptografie ID Quaantique. Navíc se kvantové jevy navíc ukázaly jako slibné v mnoha oblastech výzkumu, včetně fotosyntézy, pachových receptorů a dokonce naše chápání času.

Kvantové počítače skutečného světa

Existuje mnoho kvantových počítačů a podobných aplikací. Pocházejí od velkých nadnárodních společností, jako je Google a IBM, stejně jako od vlád a dokonce od menších hráčů, jako je Rigetti.

Kvantová výpočetní technika je v současnosti jednou z nejžhavějších oblastí výzkumu na planetě. Existuje tedy pravděpodobně více tajných programů, než si dokážete představit. Níže jsou uvedeny některé hlavní projekty:

• Google vlastní 54-qubitové a 72-qubitové stroje
• IBM vlastní přes 30 strojů rozmístěných po celém světě, včetně 65qubitového Manhattanu
• Čína je domovem mnoha kvantových počítačů, včetně 76-qubitového stroje a dokonce i kvantové satelitní komunikace.
• 54-qubitový stroj od Googlu s procesorem Sycamore strávil pouhých 200 sekund, než vypočítal to, co by superpočítače potřebovaly na výpočet 10,000 XNUMX let.
• IBM do roku 1,000 vyvíjí stroj s kapacitou 2023 XNUMX qubitů
• Rigetti Computing vlastní čtyři, včetně 31-qubitového stroje
• Google buduje nové kvantové centrum, aby do roku 1,000 vytvořil počítač o kapacitě 2029 1 qubitů. Po zohlednění opravy chyb by celkový počet qubitů tohoto počítače mohl dosáhnout XNUMX milionu.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Kvantové počítače tu zůstanou. Protože vytvoří mnoho příležitostí a vyřeší skutečné problémy, se kterými se klasické počítače potýkaly po celá desetiletí.

Než se tam dostaneme, je však třeba udělat ještě hodně práce a překonat výzvy. A do té doby může Čína jen překvapit svět.