Kvantarvuti: tähendus, eelised ja palju muud

Kvant arvutustehnika on kvantmehaaniliste põhimõtete rakendamine arvutuste tegemisel. Siin kasutatavad põhinähtused on takerdumine ja kihilisus.

Kui kvantarvutus on suhteliselt uus moesõna, siis kvantmehaanika on eksisteerinud palju kauem. See vastutas suurte arengute eest elektroonikatööstuses ja pakub lisaks vastuseid paljudele inimkonna saladustele.

Kvantmehaanika keskendub sellele, kuidas aatomid ja subatomilised osakesed töötavad, samas kui sõna kvant viitab väikseimale osakesele, millega saab töötada. See on mis tahes füüsilise objekti kõige elementaarsem ehitusplokk.

Alates Max Planckist kuni Albert Einsteini, Neils Bohri ja Erwin Schrödingerini osalesid paljud suured teadlased kvantmehaanika väljatöötamisega ja selle lõpuks kulminatsiooniga kvantarvutite võidujooksuks – meie aja üheks suurimaks tehnoloogiavõistluseks.

See postitus viib teid kvantnähtuste maagilisse maailma, näitab, kuidas sellest arvutit teha, ja uurib sellega seotud valdkondi.

Õudne tegevus eemalt

Kvantnähtused trotsivad tavapärast arusaama ja töötavad klassikalisest füüsikast täiesti erinevatel tingimustel. Nii kasutas Einstein 1930. aastatel kvantpõimumise nähtusi ja seda, kuidas see tavateadusesse ei sobi, sõnu "õudne tegevus eemalt".

Kvantpõimumine pole midagi uut. Kui loote kaks osakest samas kohas ja hetkega, siis need takerduvad. See tähendab, et kõik, mis ühega juhtub, mõjutab ka teist.

See on nagu armumine ja helistamine, kui mõtled oma väljavalitule. Või helistades ja kuuldes "ma just helistasin sulle". Samuti on teada, et identsed kaksikud haigestuvad samal ajal.

Kvantpõimumise õudsem osa on see, et saate ühe takerdunud osakese kaugele viia. Ja mis tahes tingimustele te selle allutate, mõjutab teine ​​osake koheselt, isegi poole galaktika kaugusel.

Kvantarvutid kasutavad seda omadust tohutul hulgal teabe salvestamiseks korraga mitmele osakesele. Neid osakesi nimetatakse kubitideks või kvantbittideks, kuid kõigepealt vaadake teist kvantmehaanilist nähtust.

Erwin Schrödinger ja tema kass

Teine varane kvantuurija oli Austria füüsik Erwin Schrödinger, kes pidas sarnaselt Albert Einsteiniga kvantnähtuste osi naeruväärseks. Niisiis tuli ta välja nüüdseks kuulsa mõtteeksperimendiga "Schrödingeri kass", et visualiseerida kvantsuperpositsiooni paradoksi.

See eksperiment väidab, et kui paned kassi ja midagi, mis võib kassi tappa, kasti ja sulged selle. Sa ei tea, kas kass oli surnud või elus, kuni kasti avasid. Loogiliselt võttes oli kass nii surnud kui elus, kuni kasti avate.

Superpositsioon on teine ​​nähtus, mis teeb kvantarvutamise võimalikuks. Kui klassikalised arvutid töötavad teabebittidega, mis võivad igal ajahetkel esitada kas 1 või 0, töötavad kvantarvutid kubitidega (kvantbittidega), mis võivad samaaegselt esindada nii 0 kui ka 1, täpselt nagu kass, kes oli nii surnud kui ka elus.

Siin on qubits lähemalt.

The Bit vs The Qubit

Kubit on see, mis teeb kvantarvutamise võimalikuks. Seda nimetatakse ka kvantbitiks või qbitiks, kubit on väikseim energiaühik, millega saate teavet salvestada ja sealt hankida.

Tavaline arvutibitt võib igal ajahetkel olla ainult 0 või 1. Kuigi kvantbitt võivad olla mõlemad korraga. Seetõttu võivad kaks tavalist bitti igal ajahetkel sisaldada väärtusi 00, 01, 10 ja 11. Kuid kaks kvantbitti võivad hoida kõiki nelja olekut korraga. See tähendab 4 korda kiiremat arvutustsüklit.

Kolme tavalise bitiga saate igal ajal saada 3, 000, 001, 010, 011, 100, 101 ja 110. Kuid 111 kubitti hoiavad korraga kõiki kaheksa olekut, mis annab teile 3 korda kiirema arvutustsükli. Nagu näete, on see seos eksponentsiaalne, siis iga täiendav bitt kahekordistab saadaoleva teabe hulga.

Nii et 5 kubiti puhul vaatate 32 samaaegset olekut, 10 kubiidi korral on see üle 1,000 oleku ja 20 kubiidi korral üle miljoni. Nüüd mõelge, mitu osariiki on 1,000 kubitised kvantarvutid mida IBM ja Google arendavad, suudavad samaaegselt hoida.

Saate teha kubite footonid, elektronid, aatomituumad, kvantpunktid, ülijuhidja muud rakendused. Eesmärk on luua stabiilne energia kvantbittide kogu, mida saate mugavalt oma äranägemise järgi seadistada ja mõõta.

Kvantarvutite eelised

Kvantarvutite peamine eelis on keeruliste probleemide hetkelised tulemused. Seda peamiselt olukordades, kus tuleb paljude võimaluste hulgast valida õige vastus. Ja see muudab need suurepäraseks numbrite faktoringuks, suuremahulisteks simulatsioonideks ja tehisintellekti mustrite tuvastamiseks.

Klassikaliste arvutite tavapärane lähenemisviis on uurida iga võimalust, kuni leiate selle, mida otsite. Seda toimingut nimetatakse sageli nõelaks heinakuhja otsimisel ja selle toimingu aeg sõltub sellest, kui palju heina või plaate peate läbi sõeluma. Ja selle kohta, kui kiire teie masin on.

Superarvutid muudavad sellised probleemid lihtsamaks, suurendades iga võimaluse kontrollimise kiirust. Kvantarvutid seevastu suudavad genereerida kõiki võimalusi üheaegselt, kui piisavalt kubitte on saadaval. Seetõttu suudavad nad mõne tunniga arvutada probleeme, mille arvutamiseks kulub tavalistel arvutitel sadu kuni tuhandeid aastaid.

Kvantarvutite probleemid ja piirangud

Kui klassikalises arvutis saate bitte hõlpsalt mõõta, hävitab kubiti mõõtmine selle ja selle takerdunud kubitide oleku.

Samuti on klassikalised bitid valmistatud paljudest pooljuhtmaterjalidest, mis peavad lihtsalt hoidma laengut (1) või mitte (0). Kubitid on aga palju keerulisemad ja raskemini rakendatavad. Lisaks kubiti ruumilisele isoleerimisele peate seda kaitsma keskkonnahäirete, näiteks temperatuuri ja elektrostaatiliste kõikumiste eest. Sest sellised väikesed keskkonnamuutused rikuvad ka need riigid.

Seda takerdumise või süsteemi tasakaalu kadumist nimetatakse kvantdekoherentsiks ja see on peamine probleem, mida enamik teadlasi püüab lahendada. See on nii tõsine, et Google'i tulevane 1,000 kubitine masin vajab iga kubiti vea parandamiseks kuni 1,000 kubitti. Seega on see 1 miljoni kubiti masin.

See tähendab ka seda, et te ei saa praegu kvantarvutiga hakkama nagu sülearvuti või nutitelefoniga. Arvuti vajab laboratoorseid tingimusi, et säilitada oma kubitide ohutu stabiilsustase.

Teiseks puuduseks on nn kvantülimuse piiratud ulatus, sest mitte iga arvutusprobleem ei hõlma suuri arvude või võimaluste mahtu. Seega on arvutuslik tõuge enamikus teistes operatsioonides liiga ebaoluline, et õigustada kvantarvutusmeetodit. Ja kui kvantarvutid ei ole odavamad kui klassikalised arvutid, ei asenda nad neid niipea.

Vaatamata kõigile neile puudustele on kvantarvutitel ja nende kubitidel arvutitööstuses palju potentsiaali, kuna need saavad hõlpsasti hakkama.

Kas kvantarvutiga kaasnevad ohud?

Jah. Iga hea häkker teab, et igal tehnoloogial on lünk. Sa pead selle lihtsalt üles leidma. Seega, olenemata kvantarvutite tegelikust rakendamisest tulevikus, on tehnoloogiaga endiselt probleeme. Ja näitlejad on valmis neid ära kasutama.

See stsenaarium viitab sellistele kasutusviisidele nagu pangandus, rahandus, valitsus ja sarnased avalikud tegevused. Teine stsenaarium on see, kui pahatahtlik näitleja kasutab vägiteo tegemiseks hea kvantarvuti hämmastavat jõudu. Ja nagu ikka, saavad inimesed sellisest võimalusest teada alles pärast teo tegemist.

Kvantarvutus saab numbritega hästi hakkama. Seega ei ole faktoriseerimist kasutavad asümmeetrilised krüpteerimisalgoritmid (nt avaliku võtmega RSA) turvalised. Räsimine ja sümmeetriline krüptograafia, nagu AES-256 ja 512, samuti SHA-256 ja 512, on seevastu suhteliselt ohutud.

Muud kvantmehaanika rakendused

Nii põnev kui kvantarvutite maailm ka pole, on see siiski vaid osa kvantmehaanikast. Ehk teisisõnu – kvantpidu alles algab.

Kvantmehaanika on aidanud kaasa pooljuhtide ja kaasaegse elektroonika arendamisele. Samuti on käimas töö kvantvõrkude ja krüptograafiaga, näiteks Šveitsis kvantkrüptograafia pioneer ID Quantique. Lisaks on kvantnähtused osutunud paljulubavaks paljudes uurimisvaldkondades, sealhulgas fotosüntees, lõhnaretseptorid ja isegi meie arusaam ajast.

Reaalse maailma kvantarvutid

Seal on palju kvantarvuteid ja sarnaseid rakendusi. Nad on pärit suurtest rahvusvahelistest ettevõtetest nagu Google ja IBM, aga ka valitsustelt ja isegi väiksematelt tegijatelt nagu Rigetti.

Kvantarvutus on praegu üks kuumemaid uurimisvaldkondi planeedil. Nii et seal on ilmselt rohkem salaprogramme, kui võite ette kujutada. Allpool on mõned suuremad projektid:

• Google'ile kuuluvad 54-kubitised ja 72-kubitised masinad
• IBM-ile kuulub üle 30 masina, mis on hajutatud üle maailma, sealhulgas 65-kubitine Manhattan
• Hiina on koduks paljudele kvantarvutitele, sealhulgas 76-kubitine masin ja isegi kvantsatelliitside.
• Google'i 54-kubitine Sycamore'iga töötav masin kulutas vaid 200 sekundit, et arvutada, mida superarvutid vajavad 10,000 XNUMX aasta arvutamiseks.
• IBM arendab 1,000. aastaks välja 2023 kubitise masina
• Rigetti Computingule kuulub neli, sealhulgas 31-kubitine masin
• Google ehitab uut kvantkeskust, et luua 1,000. aastaks 2029 kubitine arvuti. Veaparandust arvesse võttes võib selle arvuti kubitite koguarv ulatuda 1 miljonini.

Järeldus

Kvantarvutid on siin, et jääda. Kuna need loovad palju võimalusi ja lahendavad reaalseid probleeme, millega klassikalised arvutid on aastakümneid võidelnud.

Enne selleni jõudmist on aga veel palju tööd teha ja väljakutseid ületada. Ja kuni selle ajani võib Hiina lihtsalt maailma üllatada.