Kvantno računalstvo: značenje, prednosti i više

kvantni računanje je primjena kvantno-mehaničkih principa u izvođenju računanja. Osnovni fenomeni koji se ovdje koriste su zapletenost i slaganje.

Dok je kvantno računalstvo relativno nova modna riječ, kvantna mehanika postoji mnogo duže. Bio je odgovoran za velike razvoje u elektroničkoj industriji, a dodatno nudi odgovore na mnoge misterije čovječanstva.

Kvantna mehanika fokusira se na to kako atomi i subatomske čestice rade, dok se riječ kvant odnosi na najmanju česticu s kojom se može raditi. To je najosnovniji građevni blok svakog fizičkog objekta.

Od Maxa Plancka do Alberta Einsteina, Neilsa Bohra i Erwina Schrödingera, mnogi su veliki znanstvenici bili uključeni u razvoj kvantne mehanike i njezinu konačnu kulminaciju u utrku kvantnog računalstva – jednu od najvećih tehnoloških utrka našeg vremena.

Ovaj vas post vodi u čarobni svijet kvantnih fenomena, pokazuje vam kako od njih napraviti računalo i istražuje s njima povezana polja.

Sablasna akcija na daljinu

Kvantni fenomeni prkose konvencionalnom razumijevanju i funkcioniraju pod potpuno drugačijim pojmovima od klasične fizike. Tako je 1930-ih Einstein upotrijebio riječi "sablasna radnja na daljinu" da bi opisao fenomen kvantne isprepletenosti i kako se to ne uklapa u konvencionalnu znanost.

Kvantna isprepletenost nije ništa novo. Ako stvorite dvije čestice na istom mjestu iu trenutku, one se zapetljaju. Što znači da što god se dogodi jednom, utječe i na drugoga.

To je kao da se zaljubite i dobijete poziv kad god pomislite na svog ljubavnika. Ili pozivate i čujete "Upravo sam vas htio nazvati". Također je poznato da se jednojajčani blizanci razbole u isto vrijeme.

Najstrašniji dio kvantne isprepletenosti je taj što jednu od zapetljanih čestica možete odnijeti daleko. I kakvim god uvjetima da je podvrgnete, trenutno će utjecati na drugu česticu, čak i s udaljenosti od pola galaksije.

Kvantna računala koriste ovo svojstvo za pohranjivanje ogromnih količina informacija o više čestica odjednom. Te se čestice nazivaju kubiti ili kvantni bitovi, ali prvo, pogled na drugi kvantno-mehanički fenomen.

Erwin Schrödinger i njegova mačka

Još jedan rani kvantni istraživač bio je austrijski fizičar Erwin Schrödinger, koji je, poput Alberta Einsteina, podjednako smatrao da su dijelovi kvantnih fenomena smiješni. Stoga je smislio sada već poznati misaoni eksperiment pod nazivom "Schrödingerova mačka" kako bi vizualizirao paradoks kvantne superpozicije.

Ovaj eksperiment kaže da ako stavite mačku i nešto što može ubiti mačku u kutiju i zatvorite je. Ne biste znali je li mačka mrtva ili živa dok ne otvorite kutiju. Dakle, logično, mačka je bila i mrtva i živa dok ne otvorite kutiju.

Superpozicija je drugi fenomen koji omogućuje kvantno računalstvo. Dok klasična računala rade s bitovima informacija koji mogu predstavljati 1 ili 0 u bilo kojem trenutku, kvantna računala rade s qubitima (kvantnim bitovima) koji mogu predstavljati i 0 i 1 u isto vrijeme, baš kao mačka koja je bila i mrtva i živ.

Ovdje je bliži pogled na qubits.

Bit protiv Qubita

Qubit je ono što kvantno računalstvo čini mogućim. Također se naziva kvantni bit ili qbit, a qubit je najmanja jedinica energije kojom možete manipulirati da biste spremili i iz nje dohvatili informacije.

Uobičajeni računalni bit može biti samo 0 ili 1 u bilo kojem trenutku. Dok kvantni bit može biti oboje u isto vrijeme. Dva obična bita, dakle, mogu sadržavati 00, 01, 10 i 11 u bilo kojem trenutku. Ali dva kvantna bita mogu držati sva četiri stanja u isto vrijeme. To znači 4x brže računske cikluse.

S 3 regularna bita možete dobiti 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 i 111 u bilo kojem trenutku. Ali 3 qubita će držati svih osam stanja u isto vrijeme, dajući vam 8x brže računalne cikluse. Kao što vidite, ovaj odnos je eksponencijalan, a svaki dodatni bit udvostručuje količinu dostupnih informacija.

Dakle, s 5 qubita gledate 32 istovremena stanja, s 10 qubita to je više od 1,000 stanja, a s 20 qubita više od milijun. Sada, razmislite koliko država Kvantna računala od 1,000 kubita koje IBM i Google razvijaju mogu držati istovremeno.

Možete napraviti qubite od fotona, elektroni, atomske jezgre, kvantne točke, supravodiči, i druge implementacije. Cilj je stvoriti stabilnu kolekciju kvantnih bitova energije koju možete prikladno postaviti i mjeriti po želji.

Prednosti kvantnog računarstva

Glavna prednost kvantnog računalstva su trenutni rezultati složenih problema. To je uglavnom u situacijama u kojima morate odabrati pravi odgovor među mnogim mogućnostima. A to ih čini izvrsnima za faktoring brojeva, simulacije velikih razmjera i prepoznavanje uzoraka u umjetnoj inteligenciji.

Standardni pristup za klasična računala je istražiti svaku mogućnost dok ne pronađete ono što tražite. Često se naziva iglom u potrazi za plastovima sijena, a vrijeme koje će trajati ova operacija ovisi o tome koliko sijena ili zapisa morate prosijati. I o tome koliko je brz vaš stroj.

Superračunala olakšavaju takve probleme povećanjem brzine provjere svake mogućnosti. Kvantna računala, s druge strane, mogu generirati sve mogućnosti istovremeno, ako je dostupno dovoljno qubita. Zato oni mogu izračunati probleme u nekoliko sati za koje će običnim računalima trebati stotine do tisuća godina da ih izračunaju.

Problemi i ograničenja kvantnog računalstva

Iako možete jednostavno mjeriti bitove u klasičnom računalu, mjerenje qubita uništava njegovo stanje i stanje njegovih zapetljanih qubita.

Također, klasični bitovi izrađeni su od širokog spektra poluvodičkih materijala koji samo moraju zadržati naboj (1) ili ne (0). Qubiti su, međutim, mnogo složeniji i teži za implementaciju. Osim prostorne izolacije kubita, morate ga zaštititi od smetnji iz okoline, poput temperature i elektrostatičkih fluktuacija. Jer tako male promjene okoliša također će iskvariti ove države.

Ovaj gubitak isprepletenosti ili ravnoteže sustava naziva se kvantna dekoherencija i glavni je problem koji većina istraživača pokušava riješiti. Toliko je ozbiljan da će Googleov nadolazeći stroj od 1,000 qubita trebati do 1,000 qubita za ispravljanje pogrešaka svakog qubita. To ga čini strojem od 1 milijun kubita.

To također znači da trenutno ne možete rukovati kvantnim računalom kao s prijenosnim računalom ili pametnim telefonom. Računalo treba laboratorijske uvjete za održavanje sigurne razine stabilnosti svojih qubita.

Još jedan nedostatak je ograničeni opseg takozvane kvantne nadmoći, jer svaki računalni problem ne uključuje velike količine brojeva ili mogućnosti. Dakle, računalni poticaj u većini drugih operacija je previše beznačajan da bi opravdao pristup kvantnog računalstva. I osim ako kvantna računala ne budu jeftinija od klasičnih računala, ona ih također neće uskoro zamijeniti.

Unatoč svim tim nedostacima, kvantna računala i njihovi qubiti imaju veliki potencijal u računalnoj industriji zbog velikih brojeva s kojima mogu s lakoćom rukovati.

Postoje li opasnosti s kvantnim računalstvom?

Da. Svaki dobar haker zna da svaka tehnologija ima rupu u zakonu. Samo ga morate pronaći. Dakle, bez obzira na stvarne implementacije kvantnih računala u budućnosti, i dalje će biti problema s tehnologijom. I glumci spremni kapitalizirati ih.

Ovaj se scenarij odnosi na upotrebu kao što su bankarstvo, financije, vlada i slične javne aktivnosti. Drugi scenarij je kada zlonamjerni akter koristi nevjerojatnu moć dobrog kvantnog računala da izvede podvig. I kao i uvijek, ljudi će tek nakon obavljenog djela postati svjesni takve mogućnosti.

Kvantno računalstvo se dobro snalazi s brojevima. Dakle, algoritmi asimetrične enkripcije koji koriste faktorizaciju, kao što je RSA s javnim ključem, nisu sigurni. S druge strane, hashiranje i simetrična kriptografija, kao što su AES-256 i 512, kao i SHA-256 i 512, relativno su sigurni.

Druge primjene kvantne mehanike

Koliko god svijet kvantnog računalstva bio uzbudljiv, on je ipak samo dio kvantne mehanike. Dakle, drugim riječima, kvantna zabava tek počinje.

Kvantna mehanika bila je ključna u razvoju poluvodiča i moderne elektronike. U tijeku je i rad na kvantnom umrežavanju i kriptografiji, primjerice u Švicarskoj pionir kvantne kriptografije ID Quantique. Osim toga, kvantni fenomeni dodatno obećavaju u brojnim istraživačkim poljima, uključujući fotosintezu, receptore mirisa, pa čak i naše razumijevanje vremena.

Kvantna računala iz stvarnog svijeta

Postoji mnogo kvantnih računala i sličnih aplikacija. Dolaze iz velikih multinacionalnih kompanija poput Googlea i IBM-a, kao i vlada, pa čak i manjih igrača poput Rigettija.

Kvantno računalstvo trenutno je jedno od najtoplijih područja istraživanja na planeti. Tako da vjerojatno postoji više tajnih programa nego što možete zamisliti. U nastavku su neki od velikih projekata:

• Google posjeduje 54-kubitne i 72-kubitne strojeve
• IBM posjeduje više od 30 strojeva razasutih diljem svijeta, uključujući 65-qubit Manhattan
• Kina je dom mnogih kvantnih računala, uključujući 76-qubitni stroj, pa čak i kvantnu satelitsku komunikaciju.
• Googleov 54-qubitni stroj koji pokreće Sycamore potrošio je samo 200 sekundi da izračuna ono za što bi superračunalima trebalo 10,000 godina da izračunaju.
• IBM razvija stroj od 1,000 qubit do 2023
• Rigetti Computing posjeduje četiri, uključujući 31-qubit stroj
• Google gradi novi kvantni centar kako bi do 1,000. stvorio računalo od 2029 qubita. Uzimajući u obzir ispravak pogreške, ukupni qubit tog računala mogao bi doseći 1 milijun.

Zaključak

Kvantna računala su tu da ostanu. Budući da će stvoriti mnoge mogućnosti i riješiti probleme iz stvarnog svijeta s kojima se klasična računala bore desetljećima.

Međutim, još uvijek ima puno posla i izazova koje treba savladati prije nego što to postignemo. A do tada bi Kina mogla iznenaditi svijet.