Quantum Computing: Σημασία, Πλεονεκτήματα & Περισσότερα

Quantum χρήση υπολογιστή είναι η εφαρμογή κβαντομηχανικών αρχών στην εκτέλεση υπολογισμών. Τα βασικά φαινόμενα που χρησιμοποιούνται εδώ είναι μπλέξιμο και προσθήκη.

Ενώ ο κβαντικός υπολογισμός είναι μια σχετικά νέα λέξη, η κβαντική μηχανική υπάρχει εδώ και πολύ καιρό. Ήταν υπεύθυνος για σημαντικές εξελίξεις στη βιομηχανία ηλεκτρονικών και επιπλέον προσφέρει απαντήσεις σε πολλά από τα μυστήρια της ανθρωπότητας.

Η κβαντομηχανική εστιάζει στο πώς λειτουργούν τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια, ενώ η λέξη κβαντική αναφέρεται στο μικρότερο σωματίδιο με το οποίο μπορεί κανείς να εργαστεί. Αυτό είναι το πιο βασικό δομικό στοιχείο οποιουδήποτε φυσικού αντικειμένου.

Από τον Μαξ Πλανκ μέχρι τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, τον Νιλς Μπορ και τον Έρβιν Σρέντινγκερ, πολλοί σπουδαίοι επιστήμονες συμμετείχαν στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής και στην τελική κορύφωσή της στον αγώνα των κβαντικών υπολογιστών – έναν από τους μεγαλύτερους τεχνολογικούς αγώνες της εποχής μας.

Αυτή η ανάρτηση σας μεταφέρει στον μαγικό κόσμο των κβαντικών φαινομένων, σας δείχνει πώς να φτιάξετε έναν υπολογιστή από αυτόν και εξερευνά τα σχετικά πεδία του.

Απόκοσμη δράση σε απόσταση

Τα κβαντικά φαινόμενα αψηφούν τη συμβατική κατανόηση και εργάζονται με εντελώς διαφορετικούς όρους από την κλασική φυσική. Έτσι, στη δεκαετία του 1930, ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε τις λέξεις «απόκοσμη δράση σε απόσταση» για να περιγράψει τα φαινόμενα της κβαντικής εμπλοκής και πώς δεν ταιριάζει στη συμβατική επιστήμη.

Η κβαντική εμπλοκή δεν είναι κάτι καινούργιο. Εάν δημιουργήσετε δύο σωματίδια στο ίδιο σημείο και αμέσως, τότε αυτά μπλέκονται. Αυτό σημαίνει ότι ό,τι συμβαίνει στον έναν, επηρεάζει τον άλλον.

Είναι σαν να ερωτεύεσαι και να παίρνεις τηλέφωνο όποτε σκέφτεσαι τον εραστή σου. Ή να κάνετε μια κλήση και να ακούσετε «Μόλις θα σε πάρω τηλέφωνο». Είναι επίσης γνωστό ότι τα πανομοιότυπα δίδυμα αρρωσταίνουν την ίδια στιγμή.

Το πιο τρομακτικό μέρος της κβαντικής εμπλοκής είναι ότι μπορείτε να πάρετε ένα από τα μπλεγμένα σωματίδια μακριά. Και σε όποιες συνθήκες και αν το υποβάλετε θα επηρεάσει το δεύτερο σωματίδιο ακαριαία, ακόμη και από μισό γαλαξία μακριά.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν αυτήν την ιδιότητα για να αποθηκεύουν τεράστιες ποσότητες πληροφοριών σε πολλά σωματίδια ταυτόχρονα. Αυτά τα σωματίδια ονομάζονται qubits ή κβαντικά bit, αλλά πρώτα, μια ματιά στο δεύτερο κβαντομηχανικό φαινόμενο.

Erwin Schrödinger & His Cat

Ένας άλλος πρώιμος κβαντικός ερευνητής ήταν ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντινγκερ, ο οποίος, όπως και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, θεωρούσε εξίσου γελοία μέρη των κβαντικών φαινομένων. Έτσι, σκέφτηκε το διάσημο πλέον πείραμα σκέψης που ονομάζεται «Γάτα του Σρέντινγκερ» για να οπτικοποιήσει το παράδοξο της κβαντικής υπέρθεσης.

Αυτό το πείραμα όμως δηλώνει ότι αν βάλετε μια γάτα και κάτι που θα μπορούσε να σκοτώσει τη γάτα σε ένα κουτί και το σφραγίσετε. Δεν θα ξέρατε αν η γάτα ήταν νεκρή ή ζωντανή μέχρι να ανοίξετε το κουτί. Λογικά λοιπόν, η γάτα ήταν και νεκρή και ζωντανή μέχρι να ανοίξεις το κουτί.

Η υπέρθεση είναι το δεύτερο φαινόμενο που καθιστά δυνατό τον κβαντικό υπολογισμό. Όπου οι κλασικοί υπολογιστές λειτουργούν με bits πληροφοριών που μπορούν να αντιπροσωπεύουν είτε το 1 είτε το 0 σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή, οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν με qubits (κβαντικά bit) που μπορούν να αντιπροσωπεύουν και το 0 και το 1 ταυτόχρονα, ακριβώς όπως η γάτα που ήταν και νεκρή και ζωντανή.

Εδώ είναι μια πιο προσεκτική ματιά στα qubits.

The Bit vs The Qubit

Το qubit είναι αυτό που κάνει δυνατό τον κβαντικό υπολογισμό. Αναφέρεται επίσης ως κβαντικό bit ή qbit, ένα qubit είναι η μικρότερη μονάδα ενέργειας που μπορείτε να χειριστείτε για να αποθηκεύσετε και να ανακτήσετε πληροφορίες.

Ένα κανονικό bit υπολογιστή μπορεί να είναι μόνο 0 ή 1 ανά πάσα στιγμή. Ενώ ένα κβαντικό bit μπορεί να είναι και τα δύο ταυτόχρονα. Δύο κανονικά bit, επομένως, μπορούν να κρατήσουν τα 00, 01, 10 και 11 ανά πάσα στιγμή. Αλλά δύο κβαντικά bit μπορούν να κρατήσουν και τις τέσσερις καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει 4 φορές ταχύτερους υπολογιστικούς κύκλους.

Με 3 κανονικά bit, μπορείτε να λάβετε 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 και 111 ανά πάσα στιγμή. Αλλά 3 qubits θα κρατούν και τις οκτώ καταστάσεις ταυτόχρονα, δίνοντάς σας 8 φορές ταχύτερους υπολογιστικούς κύκλους. Όπως μπορείτε να δείτε, αυτή η σχέση είναι εκθετική, τότε κάθε επιπλέον bit διπλασιάζει τον όγκο των διαθέσιμων πληροφοριών.

Έτσι, με 5 qubits, εξετάζετε 32 ταυτόχρονες καταστάσεις, με 10 qubits είναι πάνω από 1,000 καταστάσεις και στα 20 qubits, πάνω από ένα εκατομμύριο. Τώρα, σκεφτείτε πόσες πολιτείες Κβαντικοί υπολογιστές 1,000 qubit ότι η IBM και η Google αναπτύσσουν μπορούν να κρατήσουν ταυτόχρονα.

Μπορείτε να φτιάξετε qubits από φωτόνια, ηλεκτρόνια, ατομικοί πυρήνες, κβαντικές κουκίδες, υπεραγωγοίκαι άλλες υλοποιήσεις. Ο στόχος είναι να δημιουργήσετε μια σταθερή συλλογή κβαντικών δυαδικών ψηφίων ενέργειας που μπορείτε εύκολα να ορίσετε και να μετρήσετε κατά βούληση.

Πλεονεκτήματα του Κβαντικού Υπολογισμού

Το κύριο πλεονέκτημα του κβαντικού υπολογισμού είναι τα στιγμιαία αποτελέσματα από πολύπλοκα προβλήματα. Αυτό συμβαίνει κυρίως σε καταστάσεις όπου πρέπει να επιλέξετε τη σωστή απάντηση από πολλές πιθανότητες. Και αυτό τα κάνει ιδανικά για παραγοντοποίηση αριθμών, προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας και αναγνώριση προτύπων στην τεχνητή νοημοσύνη.

Η τυπική προσέγγιση για τους κλασικούς υπολογιστές είναι να διερευνήσετε κάθε πιθανότητα μέχρι να βρείτε αυτό που ψάχνετε. Συχνά ονομάζεται βελόνα σε μια αναζήτηση θημωνιάς, ο χρόνος που θα διαρκέσει αυτή η λειτουργία εξαρτάται από το πόσο σανό ή τα αρχεία πρέπει να κοσκινίσετε. Και για το πόσο γρήγορο είναι το μηχάνημά σας.

Οι υπερυπολογιστές διευκολύνουν τέτοια προβλήματα αυξάνοντας την ταχύτητα ελέγχου κάθε δυνατότητας. Οι κβαντικοί υπολογιστές, από την άλλη πλευρά, μπορούν να δημιουργήσουν όλες τις δυνατότητες ταυτόχρονα, εάν υπάρχουν αρκετά qubits. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούν να υπολογίσουν προβλήματα σε λίγες ώρες που οι συνηθισμένοι υπολογιστές θα χρειαστούν εκατοντάδες έως χιλιάδες χρόνια για να υπολογίσουν.

Προβλήματα & Περιορισμοί Κβαντικού Υπολογισμού

Ενώ μπορείτε εύκολα να μετρήσετε bits σε έναν κλασικό υπολογιστή, η μέτρηση ενός qubit καταστρέφει την κατάστασή του και αυτή των μπερδεμένων qubits του.

Επίσης, τα κλασικά μπιτ κατασκευάζονται από μια μεγάλη γκάμα υλικών ημιαγωγών που απλά πρέπει είτε να κρατούν φορτίο (1) είτε όχι (0). Ωστόσο, τα Qubits είναι πολύ πιο περίπλοκα και δύσκολα στην εφαρμογή τους. Και εκτός από τη χωρική απομόνωση ενός qubit, πρέπει να το προστατεύσετε από περιβαλλοντικές παρεμβολές, όπως η θερμοκρασία και οι ηλεκτροστατικές διακυμάνσεις. Γιατί τέτοιες μικρές περιβαλλοντικές αλλαγές θα διαφθείρουν και αυτά τα κράτη.

Αυτή η απώλεια εμπλοκής ή ισορροπίας συστήματος ονομάζεται κβαντική αποσυνοχή και είναι το κύριο πρόβλημα που προσπαθούν να λύσουν οι περισσότεροι ερευνητές. Είναι τόσο σοβαρό που η επερχόμενη μηχανή 1,000 qubit της Google θα χρειαστεί έως και 1,000 qubit για τη διόρθωση σφαλμάτων κάθε qubit. Έτσι, είναι μια μηχανή 1 εκατομμυρίου qubits.

Σημαίνει επίσης ότι επί του παρόντος δεν μπορείτε να χειριστείτε έναν κβαντικό υπολογιστή όπως θα κάνατε με έναν φορητό υπολογιστή ή ένα smartphone. Ο υπολογιστής χρειάζεται εργαστηριακές συνθήκες για να διατηρήσει ένα ασφαλές επίπεδο σταθερότητας για τα qubits του.

Ένα άλλο μειονέκτημα είναι το περιορισμένο εύρος της λεγόμενης κβαντικής υπεροχής, επειδή δεν κάθε υπολογιστικό πρόβλημα περιλαμβάνει μεγάλους όγκους αριθμών ή δυνατοτήτων. Έτσι, η υπολογιστική ώθηση στις περισσότερες άλλες λειτουργίες είναι πολύ ασήμαντη για να δικαιολογήσει μια προσέγγιση κβαντικών υπολογιστών. Και εκτός κι αν οι κβαντικοί υπολογιστές καταλήξουν φθηνότεροι από τους κλασσικούς υπολογιστές, δεν θα τους αντικαταστήσουν σύντομα.

Παρά όλα αυτά τα μειονεκτήματα, οι κβαντικοί υπολογιστές και τα qubits τους έχουν πολλές δυνατότητες στη βιομηχανία υπολογιστών λόγω των μεγάλων αριθμών που μπορούν να χειριστούν με ευκολία.

Υπάρχουν κίνδυνοι με τους Κβαντικούς Υπολογιστές;

Ναί. Κάθε καλός χάκερ γνωρίζει ότι κάθε τεχνολογία έχει ένα κενό. Απλά πρέπει να το βρεις. Έτσι, ανεξάρτητα από τις πραγματικές υλοποιήσεις των κβαντικών υπολογιστών στο μέλλον, θα εξακολουθούν να υπάρχουν προβλήματα με την τεχνολογία. Και ηθοποιοί έτοιμοι να τα αξιοποιήσουν.

Αυτό το σενάριο αναφέρεται σε χρήσεις όπως τραπεζικές, χρηματοοικονομικές, κρατικές και παρόμοιες δημόσιες δραστηριότητες. Ένα δεύτερο σενάριο είναι όταν ένας κακόβουλος ηθοποιός χρησιμοποιεί την εκπληκτική δύναμη ενός καλού κβαντικού υπολογιστή για να πετύχει ένα κατόρθωμα. Και όπως πάντα, οι άνθρωποι θα συνειδητοποιήσουν μια τέτοια πιθανότητα μόνο αφού γίνει η πράξη.

Ο κβαντικός υπολογισμός τα πάει καλά με τους αριθμούς. Έτσι, οι αλγόριθμοι ασύμμετρης κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούν παραγοντοποίηση, όπως το RSA δημόσιου κλειδιού, δεν είναι ασφαλείς. Ο κατακερματισμός και η συμμετρική κρυπτογραφία, όπως τα AES-256 και 512, καθώς και τα SHA-256 και 512, από την άλλη πλευρά, είναι σχετικά ασφαλή.

Άλλες εφαρμογές της Κβαντικής Μηχανικής

Όσο συναρπαστικός κι αν είναι ο κόσμος των κβαντικών υπολογιστών, εξακολουθεί να είναι απλώς ένα μέρος της κβαντικής μηχανικής. Έτσι, με άλλα λόγια, το κβαντικό πάρτι μόλις ξεκινά.

Η κβαντομηχανική έχει συμβάλει καθοριστικά στην ανάπτυξη ημιαγωγών και σύγχρονων ηλεκτρονικών. Γίνονται επίσης εργασίες για κβαντική δικτύωση και κρυπτογραφία, όπως η ελβετική βάση πρωτοπόρος της κβαντικής κρυπτογραφίας ID Quantique. Επιπλέον, τα κβαντικά φαινόμενα έχουν επιπρόσθετα υποσχεθεί σε πολλά ερευνητικά πεδία, όπως η φωτοσύνθεση, οι υποδοχείς οσμής, ακόμα και την κατανόησή μας για το χρόνο.

Κβαντικοί υπολογιστές πραγματικού κόσμου

Υπάρχουν πολλοί κβαντικοί υπολογιστές και παρόμοιες εφαρμογές εκεί έξω. Προέρχονται από μεγάλες πολυεθνικές όπως η Google και η IBM, καθώς και από κυβερνήσεις, και ακόμη μικρότερους παίκτες όπως ο Rigetti.

Η κβαντική πληροφορική είναι αυτή τη στιγμή ένας από τους πιο καυτούς τομείς έρευνας στον πλανήτη. Άρα υπάρχουν πιθανώς περισσότερα μυστικά προγράμματα εκεί έξω από όσα φαντάζεστε. Ακολουθούν μερικά σημαντικά έργα:

• Η Google κατέχει μηχανές 54 qubit και 72 qubit
• Η IBM διαθέτει πάνω από 30 μηχανήματα διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένου του Manhattan 65 qubit
• Η Κίνα φιλοξενεί πολλούς κβαντικούς υπολογιστές, συμπεριλαμβανομένου ενός μηχανήματος 76 qubit και ακόμη και κβαντικής δορυφορικής επικοινωνίας.
• Το μηχάνημα Sycamore 54-qubit της Google ξόδεψε μόνο 200 δευτερόλεπτα για να υπολογίσει τι θα χρειάζονταν οι υπερυπολογιστές 10,000 χρόνια για να υπολογίσουν.
• Η IBM αναπτύσσει μια μηχανή 1,000 qubit έως το 2023
• Η Rigetti Computing διαθέτει τέσσερα, συμπεριλαμβανομένου ενός μηχανήματος 31 qubit
• Η Google κατασκευάζει ένα νέο κβαντικό κέντρο για να δημιουργήσει έναν υπολογιστή 1,000 qubit έως το 2029. Διόρθωση σφαλμάτων παραγοντοποίησης, τα συνολικά qubits αυτού του υπολογιστή θα μπορούσαν να φτάσουν το 1 εκατομμύριο.

Συμπέρασμα

Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι εδώ για να μείνουν. Καθώς θα δημιουργήσουν πολλές ευκαιρίες και θα λύσουν πραγματικά προβλήματα με τα οποία οι κλασικοί υπολογιστές παλεύουν για δεκαετίες.

Ωστόσο, υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει και προκλήσεις που πρέπει να ξεπεράσουμε πριν φτάσουμε εκεί. Και μέχρι τότε, η Κίνα μπορεί απλώς να εκπλήξει τον κόσμο.