კვანტური გამოთვლა: მნიშვნელობა, უპირატესობები და სხვა

Quantum კომპიუტერული არის კვანტურ-მექანიკური პრინციპების გამოყენება გამოთვლების შესრულებისას. აქ გამოყენებული ძირითადი ფენომენებია ჩახლართვა მდე სუპერპოზიცია.

მიუხედავად იმისა, რომ კვანტური გამოთვლები შედარებით ახალი ხმაურია, კვანტური მექანიკა გაცილებით დიდი ხანია არსებობს. ის პასუხისმგებელი იყო ელექტრონიკის ინდუსტრიის მთავარ განვითარებაზე და დამატებით გვთავაზობს პასუხებს კაცობრიობის ბევრ საიდუმლოებაზე.

კვანტური მექანიკა ყურადღებას ამახვილებს იმაზე, თუ როგორ მუშაობენ ატომები და ქვეატომური ნაწილაკები, ხოლო სიტყვა კვანტური მიუთითებს ყველაზე პატარა ნაწილაკზე, რომელთანაც შეიძლება მუშაობა. ეს არის ნებისმიერი ფიზიკური ობიექტის ყველაზე ძირითადი სამშენებლო ბლოკი.

მაქს პლანკიდან ალბერტ აინშტაინამდე, ნილს ბორამდე და ერვინ შროდინგერამდე, ბევრი დიდი მეცნიერი იყო ჩართული კვანტური მექანიკის განვითარებაში და მის საბოლოო კულმინაციაში კვანტურ გამოთვლით რბოლაში - ჩვენი დროის ერთ-ერთი უდიდესი ტექნოლოგიური რბოლა.

ეს პოსტი გადაგიყვანთ კვანტური ფენომენების ჯადოსნურ სამყაროში, გაჩვენებთ, როგორ გააკეთოთ მისგან კომპიუტერი და იკვლევს მის დაკავშირებულ სფეროებს.

საშინელი მოქმედება დისტანციაზე

კვანტური ფენომენი ეწინააღმდეგება ჩვეულებრივ გაგებას და მუშაობს კლასიკური ფიზიკისგან სრულიად განსხვავებულ ტერმინებზე. ასე რომ, 1930-იან წლებში აინშტაინმა გამოიყენა სიტყვები „საშინელი მოქმედება მანძილზე“ კვანტური ჩახლართულობის ფენომენების აღსაწერად და იმის შესახებ, თუ როგორ არ ჯდება იგი ჩვეულებრივ მეცნიერებაში.

კვანტური ჩახლართულობა ახალი არაფერია. თუ თქვენ შექმნით ორ ნაწილაკს ერთსა და იმავე ადგილას და მყისიერად, მაშინ ისინი იბნევიან. რაც იმას ნიშნავს, რომ რაც არ უნდა მოხდეს ერთს, გავლენას ახდენს მეორეზე.

ეს ჰგავს შეყვარებას და დარეკვას, როცა საყვარელზე ფიქრობ. ან ზარის დარეკვა და მოსმენა "მე ვაპირებდი შენთან დარეკვას". ასევე ცნობილია, რომ იდენტური ტყუპები ერთდროულად ავადდებიან.

კვანტური ჩახლართულობის ყველაზე საშინელი ნაწილი არის ის, რომ თქვენ შეგიძლიათ შორს წაიყვანოთ ერთ-ერთი ჩახლართული ნაწილაკი. და რა პირობებსაც არ უნდა დაექვემდებაროს მას, მომენტალურად იმოქმედებს მეორე ნაწილაკზე, თუნდაც ნახევარი გალაქტიკიდან.

კვანტური კომპიუტერები იყენებენ ამ თვისებას ერთდროულად მრავალ ნაწილაკზე უზარმაზარი ინფორმაციის შესანახად. ამ ნაწილაკებს უწოდებენ კუბიტებს ან კვანტურ ბიტებს, მაგრამ პირველ რიგში, შევხედოთ მეორე კვანტურ-მექანიკურ ფენომენს.

ერვინ შრედინგერი და მისი კატა

კიდევ ერთი ადრეული კვანტური მკვლევარი იყო ავსტრიელი ფიზიკოსი ერვინ შრედინგერი, რომელსაც ალბერტ აინშტაინის მსგავსად კვანტური ფენომენის ნაწილები სასაცილოდ მიაჩნდა. ასე რომ, მან მოიფიქრა ახლა უკვე ცნობილი სააზროვნო ექსპერიმენტი სახელწოდებით "შროდინგერის კატა", რათა წარმოედგინა კვანტური სუპერპოზიციის პარადოქსი.

ამ ექსპერიმენტში ნათქვამია, რომ თუ კატას და რამეს, რამაც შეიძლება კატა მოკლას ყუთში ჩადებ და დალუქე მას. სანამ ყუთს არ გახსნი, ვერ გაიგებდი კატა მკვდარი იყო თუ ცოცხალი. ასე რომ, ლოგიკურად, კატა მკვდარიც იყო და ცოცხალიც, სანამ ყუთს არ გახსნი.

სუპერპოზიცია არის მეორე ფენომენი, რომელიც შესაძლებელს ხდის კვანტურ გამოთვლას. სადაც კლასიკური კომპიუტერები მუშაობენ ინფორმაციის ბიტებთან, რომლებიც შეიძლება წარმოადგენდეს 1 ან 0-ს ნებისმიერ დროს, კვანტური კომპიუტერები მუშაობენ კუბიტებით (კვანტური ბიტები), რომლებსაც შეუძლიათ ერთდროულად წარმოადგინონ 0 და 1, ისევე როგორც კატა, რომელიც მკვდარი იყო და ცოცხალი.

აქ არის უფრო ახლოს კუბიტები.

ბიტი კუბიტის წინააღმდეგ

კუბიტი არის ის, რაც შესაძლებელს ხდის კვანტურ გამოთვლას. ასევე მოიხსენიება როგორც კვანტური ბიტი ან qbit, კუბიტი არის ენერგიის უმცირესი ერთეული, რომლითაც შეგიძლიათ მანიპულირება შეინახოთ და მიიღოთ ინფორმაცია.

ჩვეულებრივი კომპიუტერის ბიტი შეიძლება იყოს მხოლოდ 0 ან 1 ნებისმიერ დროს. მაშინ როცა კვანტური ბიტი შეიძლება იყოს ორივე ერთდროულად. მაშასადამე, ორ ჩვეულებრივ ბიტს შეუძლია ნებისმიერ დროს შეინახოს 00, 01, 10 და 11. მაგრამ ორ კვანტურ ბიტს შეუძლია ოთხივე მდგომარეობის ერთდროულად შენარჩუნება. ეს ნიშნავს 4-ჯერ უფრო სწრაფ გამოთვლის ციკლებს.

3 ჩვეულებრივი ბიტით, შეგიძლიათ მიიღოთ 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 და 111 ნებისმიერ დროს. მაგრამ 3 კუბიტი ერთდროულად იტევს რვა მდგომარეობას, რაც მოგცემთ 8-ჯერ უფრო სწრაფ გამოთვლით ციკლს. როგორც ხედავთ, ეს ურთიერთობა ექსპონენციალურია, შემდეგ ყოველი დამატებითი ბიტი აორმაგებს ხელმისაწვდომი ინფორმაციის რაოდენობას.

ასე რომ, 5 კუბიტით, თქვენ უყურებთ 32 ერთდროულ მდგომარეობას, 10 კუბიტით ეს არის 1,000-ზე მეტი მდგომარეობა, ხოლო 20 კუბიტზე, მილიონზე მეტი. ახლა განიხილეთ რამდენი სახელმწიფოა 1,000 კუბიტიანი კვანტური კომპიუტერები რომელსაც IBM და Google ავითარებენ, შეუძლიათ ერთდროულად გამართონ.

თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ კუბიტები photonsელექტრონები, ატომის ბირთვები, კვანტური წერტილები, სუპერგამტარებიდა სხვა განხორციელებები. მიზანია შექმნათ ენერგიის კვანტური ბიტების სტაბილური კოლექცია, რომელიც შეგიძლიათ მოხერხებულად დააყენოთ და გაზომოთ სურვილისამებრ.

კვანტური გამოთვლის უპირატესობები

კვანტური გამოთვლის მთავარი უპირატესობა არის რთული პრობლემების მყისიერი შედეგები. ეს ძირითადად ისეთ სიტუაციებშია, როდესაც თქვენ უნდა აირჩიოთ სწორი პასუხი მრავალი შესაძლებლობიდან. და ეს მათ შესანიშნავს ხდის რიცხვების ფაქტორინგისთვის, ფართომასშტაბიანი სიმულაციებისთვის და ხელოვნური ინტელექტის ნიმუშების ამოცნობისთვის.

კლასიკური კომპიუტერებისთვის სტანდარტული მიდგომა არის თითოეული შესაძლებლობის გამოკვლევა, სანამ არ იპოვით იმას, რასაც ეძებთ. ხშირად მას ნემსს უწოდებენ თივის გროვის ძიებაში, ამ ოპერაციის ხანგრძლივობა დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენი თივა ან ჩანაწერი უნდა გაცრათ. და იმაზე, თუ რამდენად სწრაფია თქვენი მანქანა.

სუპერკომპიუტერები აადვილებენ ასეთ პრობლემებს თითოეული შესაძლებლობის შემოწმების სიჩქარის გაზრდით. მეორეს მხრივ, კვანტურ კომპიუტერებს შეუძლიათ წარმოქმნან ყველა შესაძლებლობა ერთდროულად, თუ საკმარისი კუბიტებია ხელმისაწვდომი. სწორედ ამიტომ მათ შეუძლიათ რამდენიმე საათში გამოთვალონ პრობლემები, რომელთა გამოთვლასაც ჩვეულებრივ კომპიუტერებს დასჭირდებათ ასობით-ათასობით წელი.

კვანტური გამოთვლის პრობლემები და შეზღუდვები

მიუხედავად იმისა, რომ თქვენ შეგიძლიათ მარტივად გაზომოთ ბიტები კლასიკურ კომპიუტერში, კუბიტის გაზომვა ანგრევს მის მდგომარეობას და ჩახლართული კუბიტების მდგომარეობას.

ასევე, კლასიკური ბიტები მზადდება ნახევარგამტარული მასალების ფართო სპექტრისგან, რომლებსაც უბრალოდ უნდა ჰქონდეთ მუხტი (1) ან არა (0). თუმცა, კუბიტები ბევრად უფრო რთული და რთულად განსახორციელებელია. კუბიტის სივრცითი იზოლაციის გარდა, თქვენ უნდა დაიცვათ იგი გარემოს ჩარევისგან, როგორიცაა ტემპერატურა და ელექტროსტატიკური რყევები. იმიტომ, რომ ასეთი მცირე ეკოლოგიური ცვლილებები ამ ქვეყნებსაც გააფუჭებს.

ჩახლართულობის ან სისტემური ბალანსის დაკარგვას კვანტური დეკოჰერენტობა ეწოდება და არის მთავარი პრობლემა, რომლის გადაჭრასაც მკვლევართა უმეტესობა ცდილობს. ეს იმდენად მძიმეა, რომ Google-ის მომავალ 1,000 კუბიტიან აპარატს დასჭირდება 1,000 კუბიტი თითო კუბიტის შეცდომის გამოსასწორებლად. ამრიგად, ის 1 მილიონი კუბიტიანი მანქანა გახდა.

ეს ასევე ნიშნავს, რომ თქვენ არ შეგიძლიათ კვანტურ კომპიუტერთან მუშაობა ისე, როგორც ლეპტოპს ან სმარტფონს. კომპიუტერს სჭირდება ლაბორატორიული პირობები მისი კუბიტების სტაბილურობის უსაფრთხო დონის შესანარჩუნებლად.

კიდევ ერთი ნაკლი არის ეგრეთ წოდებული კვანტური უზენაესობის შეზღუდული ფარგლები, რადგან ყველა გამოთვლითი პრობლემა არ მოიცავს რიცხვების ან შესაძლებლობების დიდ მოცულობას. ასე რომ, სხვა ოპერაციების უმეტესობაში გამოთვლითი გაძლიერება ზედმეტად უმნიშვნელოა კვანტური გამოთვლითი მიდგომის გასამართლებლად. და თუ კვანტური კომპიუტერები არ დამთავრდება უფრო იაფი ვიდრე კლასიკური კომპიუტერები, ისინი ასევე არ შეცვლიან მათ მალე.

მიუხედავად ყველა ამ ნაკლოვანებისა, კვანტურ კომპიუტერებს და მათ კუბიტებს აქვთ დიდი პოტენციალი კომპიუტერულ ინდუსტრიაში, რადგან მათ შეუძლიათ მარტივად გაუმკლავდნენ.

არის თუ არა საფრთხე კვანტურ გამოთვლით?

დიახ. ყველა კარგმა ჰაკერმა იცის, რომ ყველა ტექნოლოგიას აქვს ხარვეზი. თქვენ უბრალოდ უნდა იპოვოთ იგი. ასე რომ, არ აქვს მნიშვნელობა კვანტური კომპიუტერების ფაქტობრივი დანერგვა მომავალში, მაინც იქნება პრობლემები ტექნოლოგიასთან დაკავშირებით. და მსახიობები მზად არიან გამოიყენონ ისინი.

ეს სცენარი ეხება ისეთ გამოყენებას, როგორიცაა საბანკო, ფინანსები, მთავრობა და მსგავსი საჯარო საქმიანობა. მეორე სცენარი არის, როდესაც მავნე მსახიობი გამოიყენებს კარგი კვანტური კომპიუტერის გასაოცარ ძალას წარმატების მისაღწევად. და როგორც ყოველთვის, ადამიანები მხოლოდ საქმის განხორციელების შემდეგ გახდება ცნობილი ასეთი შესაძლებლობის შესახებ.

კვანტური გამოთვლა კარგად მუშაობს რიცხვებთან. ასე რომ, ასიმეტრიული დაშიფვრის ალგორითმები, რომლებიც იყენებენ ფაქტორიზაციას, როგორიცაა საჯარო გასაღები RSA, არ არის უსაფრთხო. ჰეშინგური და სიმეტრიული კრიპტოგრაფია, როგორიცაა AES-256 და 512, ისევე როგორც SHA-256 და 512, მეორეს მხრივ, შედარებით უსაფრთხოა.

კვანტური მექანიკის სხვა აპლიკაციები

რამდენადაც საინტერესოა კვანტური გამოთვლის სამყარო, ის მაინც მხოლოდ კვანტური მექანიკის ნაწილია. ასე რომ, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კვანტური პარტია ახლახან იწყება.

კვანტური მექანიკა მნიშვნელოვანი იყო ნახევარგამტარებისა და თანამედროვე ელექტრონიკის განვითარებაში. ასევე მიმდინარეობს მუშაობა კვანტური ქსელისა და კრიპტოგრაფიის მიმართულებით, როგორიცაა შვეიცარიაში კვანტური კრიპტოგრაფიის პიონერი ID Quantique. გარდა ამისა, კვანტურმა ფენომენებმა დამატებით აჩვენა დაპირება მრავალი კვლევის სფეროში, მათ შორის ფოტოსინთეზი, სუნის რეცეპტორები და კიდევ ჩვენი დროის გაგება.

რეალური სამყაროს კვანტური კომპიუტერები

არსებობს ბევრი კვანტური კომპიუტერი და მსგავსი აპლიკაციები. ისინი მოდიან დიდი მრავალეროვნული კომპანიებისგან, როგორიცაა Google და IBM, ისევე როგორც მთავრობები და კიდევ უფრო მცირე მოთამაშეები, როგორიცაა Rigetti.

კვანტური გამოთვლები ამჟამად პლანეტის ერთ-ერთი ყველაზე ცხელი კვლევის სფეროა. ასე რომ, ალბათ იმაზე მეტი საიდუმლო პროგრამაა, ვიდრე თქვენ წარმოიდგენთ. ქვემოთ მოცემულია რამდენიმე ძირითადი პროექტი:

• Google ფლობს 54 კუბიტიან და 72 კუბიტიან აპარატებს
• IBM ფლობს 30-ზე მეტ მანქანას, რომლებიც მიმოფანტულია მთელ მსოფლიოში, მათ შორის 65 კუბიტიანი მანჰეტენი.
• ჩინეთი არის მრავალი კვანტური კომპიუტერის სახლი, მათ შორის 76 კუბიტიანი მანქანა და თუნდაც კვანტური თანამგზავრული კომუნიკაცია.
• Google-ის 54 კუბიტიან Sycamore-ზე მომუშავე მანქანამ მხოლოდ 200 წამი დახარჯა იმის გამოსათვლელად, რაც სუპერკომპიუტერებს 10,000 წელი დასჭირდებოდათ გამოსათვლელად.
• IBM 1,000 წლისთვის 2023 კუბიტიან აპარატს ავითარებს
• Rigetti Computing ფლობს ოთხს, მათ შორის 31 კუბიტიან მანქანას
• Google აშენებს ახალ კვანტურ ცენტრს 1,000 წლისთვის 2029 კუბიტიანი კომპიუტერის შესაქმნელად. შეცდომის შესწორების ფაქტორინგი, ამ კომპიუტერის ჯამურმა კუბიტმა შეიძლება მიაღწიოს 1 მილიონს.

დასკვნა

კვანტური კომპიუტერები აქ დარჩენისთვისაა. რადგან ისინი შექმნიან ბევრ შესაძლებლობას და გადაჭრიან რეალურ სამყაროში არსებულ პრობლემებს, რომლებსაც კლასიკური კომპიუტერები ათწლეულების განმავლობაში ებრძოდნენ.

თუმცა, იქამდე ჯერ კიდევ ბევრი სამუშაოა გასაკეთებელი და გამოწვევების გადალახვა. მანამდე კი ჩინეთმა შეიძლება უბრალოდ გააკვირვოს მსოფლიო.