Kvanttilaskenta: merkitys, edut ja paljon muuta

Oletko hämmentynyt kaikesta kvanttilaskennasta puhumisesta ja kutinasta ymmärtää, mistä on kyse? Tässä aloittelijaystävällinen esittely.

Kvantti tietojenkäsittely on kvanttimekaanisten periaatteiden soveltaminen laskelmien suorittamisessa. Tässä käytetyt perusilmiöt ovat kietoutuminen ja päällekkäisyys.

Vaikka kvanttilaskenta on suhteellisen uusi muotisana, kvanttimekaniikka on ollut olemassa paljon pidempään. Se vastasi merkittävistä elektroniikkateollisuuden kehityksestä ja tarjoaa lisäksi vastauksia moniin ihmiskunnan mysteereihin.

Kvanttimekaniikka keskittyy atomien ja osaatomien toimintaan, kun taas sana kvantti viittaa pienimpään hiukkaseen, jonka kanssa voi työskennellä. Se on minkä tahansa fyysisen kohteen perusrakennuspalikka.

Max Planckista Albert Einsteiniin, Neils Bohriin ja Erwin Schrödingeriin monet suuret tiedemiehet olivat mukana kvanttimekaniikan kehittämisessä ja sen lopulta kulminaatiossa kvanttilaskentakilpailuksi – yhdeksi aikamme suurimmista teknologiakilpailuista.

Tämä postaus vie sinut kvanttiilmiöiden maagiseen maailmaan, näyttää kuinka siitä tehdään tietokone ja tutkitaan siihen liittyviä aloja.

Pelottavaa toimintaa etäältä

Kvanttiilmiöt uhmaavat tavanomaista ymmärrystä ja toimivat täysin eri termein kuin klassinen fysiikka. Joten 1930-luvulla Einstein käytti sanoja "pelattava toiminta etäisyydellä" kuvaamaan kvanttiketumisen ilmiöitä ja sitä, kuinka se ei sovi tavanomaiseen tieteeseen.

Kvanttikietoutuminen ei ole mitään uutta. Jos luot kaksi hiukkasta samaan paikkaan ja heti, ne sotkeutuvat. Se tarkoittaa, että kaikki, mitä tapahtuu yhdelle, vaikuttaa toiseen.

Se on kuin rakastuisi ja saisi puhelun, kun ajattelet rakastajaasi. Tai soittaa ja kuulla "Olin juuri soittamassa sinulle". Identtisten kaksosten tiedetään myös sairastuneen samaan aikaan.

Pelottavin osa kvanttisidoutumista on, että voit viedä yhden sotkeutuneista hiukkasista kauas. Ja mitkä olosuhteet tahansa altistat sen, vaikuttaa toiseen hiukkaseen välittömästi, jopa puolen galaksin päässä.

Kvanttitietokoneet käyttävät tätä ominaisuutta tallentaakseen valtavia määriä tietoa useille hiukkasille kerralla. Näitä hiukkasia kutsutaan kubiiteiksi tai kvanttibiteiksi, mutta ensin tarkastellaan toista kvanttimekaanista ilmiötä.

Erwin Schrödinger ja hänen kissansa

Toinen varhainen kvanttitutkija oli itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger, joka Albert Einsteinin tavoin piti kvanttiilmiöiden osia naurettavina. Niinpä hän keksi nyt kuuluisan ajatuskokeen nimeltä "Schrödingerin kissa" visualisoidakseen kvantti-superposition paradoksin.

Tämä kokeilu kuitenkin sanoo, että jos laitat kissan ja jotain, joka voisi tappaa kissan, laatikkoon ja suljet sen. Et tiennyt oliko kissa kuollut vai elossa ennen kuin avaat laatikon. Joten loogisesti kissa oli sekä kuollut että elossa, kunnes avaat laatikon.

Superpositio on toinen ilmiö, joka tekee kvanttilaskennan mahdolliseksi. Kun klassiset tietokoneet työskentelevät informaatiobittien kanssa, jotka voivat edustaa joko 1:tä tai 0:ta kulloinkin, kvanttitietokoneet toimivat kubittien (kvanttibittien) kanssa, jotka voivat edustaa sekä 0:ta että 1:tä samanaikaisesti, aivan kuten kissa, joka oli sekä kuollut että elossa.

Tässä on lähempi katsaus qubiteihin.

The Bit vs The Qubit

Kubitti tekee kvanttilaskennan mahdolliseksi. Kutsutaan myös kvanttibitiksi tai qbitiksi, kubitti on pienin energiayksikkö, jota voit manipuloida tietojen tallentamiseksi ja hakemiseksi.

Tavallinen tietokoneen bitti voi olla vain 0 tai 1 kulloinkin. Vaikka kvanttibitti voi olla molempia samanaikaisesti. Kaksi tavallista bittiä voivat siis sisältää 00, 01, 10 ja 11 milloin tahansa. Mutta kaksi kvanttibittiä voivat sisältää kaikki neljä tilaa samanaikaisesti. Tämä tarkoittaa 4 kertaa nopeampia laskentajaksoja.

Kolmella tavallisella bitillä voit saada joko 3, 000, 001, 010, 011, 100, 101 ja 110 milloin tahansa. Mutta 111 kubittiä säilyttää kaikki kahdeksan tilaa samanaikaisesti, mikä antaa sinulle 3x nopeammat laskentajaksot. Kuten näet, tämä suhde on eksponentiaalinen, jolloin jokainen lisäbitti kaksinkertaistaa käytettävissä olevan tiedon määrän.

Joten 5 kubitillä katsot 32 samanaikaista tilaa, 10 kubitilla se on yli 1,000 tilaa ja 20 kubitillä yli miljoona. Mieti nyt kuinka monta osavaltiota 1,000 kubitin kvanttitietokoneet joita IBM ja Google kehittävät, voivat kestää samanaikaisesti.

Voit tehdä kubitteja siitä fotonit, elektronit, atomiytimet, kvanttipisteet, suprajohteet, ja muut toteutukset. Tavoitteena on luoda vakaa kokoelma energian kvanttibittejä, joita voit kätevästi asettaa ja mitata mielesi mukaan.

Kvanttilaskennan edut

Kvanttilaskennan suurin etu on välittömät tulokset monimutkaisista ongelmista. Tämä tapahtuu pääasiassa tilanteissa, joissa sinun on valittava oikea vastaus monista vaihtoehdoista. Ja tämä tekee niistä erinomaiset lukujen kertomiseen, laajamittaisiin simulaatioihin ja hahmontunnistukseen tekoälyssä.

Klassisten tietokoneiden tavallinen lähestymistapa on tutkia jokaista mahdollisuutta, kunnes löydät etsimäsi. Tätä toimintoa kutsutaan usein neulaksi heinäsuovasta haussa, ja tämän toimenpiteen kesto riippuu siitä, kuinka paljon heinää tai levyjä sinun on seulottava. Ja kuinka nopea koneesi on.

Supertietokoneet helpottavat tällaisia ​​ongelmia lisäämällä kunkin mahdollisuuden tarkistamisen nopeutta. Kvanttitietokoneet puolestaan ​​voivat generoida kaikki mahdollisuudet samanaikaisesti, jos käytettävissä on tarpeeksi kubitteja. Siksi ne voivat laskea muutamassa tunnissa ongelmia, jotka tavallisilla tietokoneilla kestää satoja tai tuhansia vuosia.

Kvanttilaskennan ongelmat ja rajoitukset

Vaikka voit helposti mitata bittejä klassisessa tietokoneessa, kubitin mittaaminen tuhoaa sen ja sen kietoutuneiden kubittien tilan.

Myös klassiset bitit valmistetaan laajasta valikoimasta puolijohdemateriaaleja, joiden täytyy vain joko pitää varaus (1) tai ei (0). Qubitit ovat kuitenkin paljon monimutkaisempia ja vaikeammin toteutettavia. Ja kubitin tilallisen eristämisen lisäksi sinun on suojattava se ympäristön häiriöiltä, ​​kuten lämpötilalta ja sähköstaattisilta vaihteluilta. Koska tällaiset pienet ympäristömuutokset turmelevat myös nämä valtiot.

Tätä sotkeutumisen tai järjestelmän tasapainon menetystä kutsutaan kvanttidekoherenssiksi ja se on suurin ongelma, jonka useimmat tutkijat yrittävät ratkaista. Se on niin vakava, että Googlen tuleva 1,000 1,000 kubitin kone tarvitsee jopa 1 XNUMX kubittia jokaisen kubitin virheen korjaamiseen. Näin ollen siitä tulee miljoonan kubitin kone.

Se tarkoittaa myös, että et voi tällä hetkellä käsitellä kvanttitietokonetta samalla tavalla kuin kannettavaa tietokonetta tai älypuhelinta. Tietokone tarvitsee laboratorio-olosuhteet ylläpitääkseen kubittien turvallisen vakauden.

Toinen haittapuoli on ns. kvanttiylivallan rajallinen ulottuvuus, koska jokaiseen laskentaongelmaan ei liity suuria määriä lukuja tai mahdollisuuksia. Joten laskennallinen tehostus useimmissa muissa operaatioissa on liian merkityksetön oikeuttaakseen kvanttilaskennan lähestymistavan. Ja elleivät kvanttitietokoneet päädy halvemmaksi kuin klassiset tietokoneet, ne eivät myöskään korvaa niitä lähiaikoina.

Kaikista näistä haitoista huolimatta kvanttitietokoneilla ja niiden kubiteilla on paljon potentiaalia tietokoneteollisuudessa, koska ne voivat käsitellä suuria määriä helposti.

Onko kvanttilaskentaan liittyviä vaaroja?

Joo. Jokainen hyvä hakkeri tietää, että jokaisessa tekniikassa on porsaanreikä. Sinun tarvitsee vain löytää se. Joten riippumatta kvanttitietokoneiden todellisista toteutuksista tulevaisuudessa, tekniikassa on edelleen ongelmia. Ja näyttelijät ovat valmiita hyödyntämään niitä.

Tämä skenaario viittaa käyttötarkoituksiin, kuten pankki-, rahoitus-, hallinto- ja vastaavaan julkiseen toimintaan. Toinen skenaario on, kun pahantahtoinen näyttelijä käyttää hyvän kvanttitietokoneen hämmästyttävää tehoa saavuttaakseen saavutuksen. Ja kuten aina, ihmiset tulevat tietoisiksi tällaisesta mahdollisuudesta vasta teon jälkeen.

Kvanttilaskenta pärjää hyvin numeroiden kanssa. Joten epäsymmetriset salausalgoritmit, jotka käyttävät tekijöiden jakautumista, kuten julkisen avaimen RSA, eivät ole turvallisia. Hajautus ja symmetrinen kryptografia, kuten AES-256 ja 512 sekä SHA-256 ja 512, ovat sen sijaan suhteellisen turvallisia.

Muita kvanttimekaniikan sovelluksia

Niin jännittävä kuin kvanttilaskennan maailma onkin, se on silti vain osa kvanttimekaniikkaa. Eli toisin sanoen kvanttijuhlat ovat vasta alkamassa.

Kvanttimekaniikka on ollut avainasemassa puolijohteiden ja modernin elektroniikan kehittämisessä. Myös kvanttiverkottamisen ja kryptografian, kuten Sveitsiläisten, parissa työstetään kvanttisalauksen pioneeri ID Quantique. Lisäksi kvanttiilmiöt ovat osoittautuneet lupaaviksi lukuisilla tutkimusaloilla, mukaan lukien fotosynteesi, hajureseptorit ja jopa käsityksemme ajasta.

Tosimaailman kvanttitietokoneet

Siellä on monia kvanttitietokoneita ja vastaavia sovelluksia. He tulevat suurilta monikansallisilta yrityksiltä, ​​kuten Googlelta ja IBM:ltä, sekä hallituksilta ja jopa pienemmiltä toimijoilta, kuten Rigetti.

Kvanttilaskenta on tällä hetkellä yksi planeetan kuumimmista tutkimusalueista. Joten siellä on luultavasti enemmän salaisia ​​ohjelmia kuin voit kuvitella. Alla on joitain suuria projekteja:

  • Google omistaa 54 qubit ja 72 qubit koneita
  • IBM omistaa yli 30 konetta hajallaan ympäri maailmaa, mukaan lukien 65 kuutioinen Manhattan
  • Kiinassa on monia kvanttitietokoneita, mukaan lukien 76 qubit kone ja jopa kvanttisatelliittiviestintä.
  • Googlen 54 kubitin Sycamore-käyttöinen kone käytti vain 200 sekuntia laskeakseen, mitä supertietokoneet tarvitsevat 10,000 XNUMX vuoden laskemiseen.
  • IBM kehittää 1,000 2023 kubitin konetta vuoteen XNUMX mennessä
  • Rigetti Computing omistaa neljä, mukaan lukien 31 kubitin koneen
  • Google rakentaa uutta kvanttikeskusta 1,000 2029 kubitin tietokoneen luomiseksi vuoteen 1 mennessä. Virheenkorjauksen mukaan kyseisen tietokoneen kubittien kokonaismäärä voi olla miljoona.

Yhteenveto

Kvanttitietokoneet ovat tulleet jäädäkseen. Koska ne luovat monia mahdollisuuksia ja ratkaisevat todellisia ongelmia, joiden kanssa klassiset tietokoneet ovat kamppailleet vuosikymmeniä.

Vielä on kuitenkin paljon tehtävää ja haasteita voitettavana ennen kuin pääsemme perille. Ja siihen asti Kiina saattaa vain yllättää maailman.

Nnamdi Okeke

Nnamdi Okeke

Nnamdi Okeke on tietokoneharrastaja, joka rakastaa lukea monenlaisia ​​kirjoja. Hän pitää Linuxista parempana kuin Windows/Mac ja on käyttänyt
Ubuntu alusta alkaen. Voit saada hänet kiinni Twitterissä bongotrax

Artikkelit: 278

Vastaanota teknisiä tavaroita

Tekniset trendit, startup-trendit, arvostelut, online-tulot, verkkotyökalut ja markkinointi kerran tai kahdesti kuukaudessa

Jätä vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *