Kvantinė kompiuterija: prasmė, pranašumai ir kt

Kvantas Kompiuterija yra kvantinių-mechaninių principų taikymas atliekant skaičiavimus. Pagrindiniai čia naudojami reiškiniai yra susipynimas bei sluoksniavimas.

Nors kvantinė kompiuterija yra palyginti naujas madingas žodis, kvantinė mechanika egzistavo daug ilgiau. Ji buvo atsakinga už pagrindinius elektronikos pramonės pokyčius ir taip pat siūlo atsakymus į daugelį žmonijos paslapčių.

Kvantinė mechanika sutelkia dėmesį į tai, kaip veikia atomai ir subatominės dalelės, o žodis kvantas reiškia mažiausią dalelę, su kuria galima dirbti. Tai yra pagrindinė bet kurio fizinio objekto statybinė medžiaga.

Nuo Maxo Plancko iki Alberto Einsteino, Neilso Bohro ir Erwino Schrödingerio daug puikių mokslininkų dalyvavo kuriant kvantinę mechaniką ir galiausiai jos kulminaciją į kvantinių skaičiavimų lenktynes ​​– vieną didžiausių mūsų laikų technologijų lenktynių.

Šis įrašas nukelia jus į stebuklingą kvantinių reiškinių pasaulį, parodo, kaip iš jo sukurti kompiuterį, ir tyrinėja su juo susijusias sritis.

Baisus veiksmas per atstumą

Kvantiniai reiškiniai prieštarauja įprastiniam supratimui ir veikia visiškai skirtingais terminais nei klasikinė fizika. Taigi XX amžiaus trečiajame dešimtmetyje Einšteinas vartojo žodžius „baisus veiksmas per atstumą“, kad apibūdintų kvantinio susipynimo reiškinius ir tai, kaip jis netelpa į tradicinį mokslą.

Kvantinis susipynimas nėra jokia naujiena. Jei sukuriate dvi daleles toje pačioje vietoje ir akimirksniu, jos susipainioja. Tai reiškia, kad tai, kas atsitiks vienam, turi įtakos kitam.

Tai tarsi įsimylėjimas ir skambutis, kai tik pagalvoji apie savo meilužį. Arba paskambinti ir išgirsti „ka tik ruošiausi tau paskambinti“. Taip pat žinoma, kad identiški dvyniai susirgo tuo pačiu metu.

Baisiausia kvantinio įsipainiojimo dalis yra ta, kad vieną iš įsipainiojusių dalelių galite nunešti toli. Ir kad ir kokiomis sąlygomis ją palaikysite, antrąją dalelę paveiks akimirksniu, net iš pusės galaktikos.

Kvantiniai kompiuteriai naudoja šią savybę, kad vienu metu saugotų daugybę informacijos apie kelias daleles. Šios dalelės vadinamos kubitais arba kvantiniais bitais, bet pirmiausia pažvelkime į antrąjį kvantinį-mechaninį reiškinį.

Erwinas Schrödingeris ir jo katė

Kitas ankstyvasis kvantų tyrinėtojas buvo austrų fizikas Erwinas Schrödingeris, kuriam, kaip ir Albertui Einšteinui, kai kurios kvantinių reiškinių dalys atrodė juokingos. Taigi, jis sugalvojo dabar žinomą minties eksperimentą, pavadintą „Schrödingerio katė“, kad įsivaizduotų kvantinės superpozicijos paradoksą.

Tačiau šis eksperimentas teigia, kad jei į dėžutę įdėsite katę ir kažką, kas gali katę nužudyti, ir užsandarysite. Nežinote, ar katė negyva, ar gyva, kol neatidarėte dėžutės. Taigi, logiškai mąstant, katė buvo ir mirusi, ir gyva, kol neatidarėte dėžės.

Superpozicija yra antrasis reiškinys, dėl kurio galima atlikti kvantinį skaičiavimą. Kai klasikiniai kompiuteriai dirba su informacijos bitais, kurie bet kuriuo metu gali reikšti 1 arba 0, kvantiniai kompiuteriai dirba su kubitais (kvantiniais bitais), kurie vienu metu gali reikšti ir 0, ir 1, kaip ir katė, kuri buvo mirusi ir mirusi. gyvas.

Čia atidžiau pažvelgsime į kubitus.

The Bit vs The Qubit

Dėl kubito kvantinis skaičiavimas yra įmanomas. Taip pat vadinamas kvantiniu bitu arba qbitu, kubitas yra mažiausias energijos vienetas, kuriuo galite manipuliuoti norėdami išsaugoti ir išgauti informaciją.

Įprastas kompiuterio bitas bet kuriuo metu gali būti tik 0 arba 1. Nors kvantinis bitas gali būti abu tuo pačiu metu. Todėl du įprasti bitai bet kuriuo metu gali turėti 00, 01, 10 ir 11. Tačiau du kvantiniai bitai gali turėti visas keturias būsenas vienu metu. Tai reiškia 4 kartus greitesnius skaičiavimo ciklus.

Naudodami 3 įprastus bitus, bet kuriuo metu galite gauti 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 ir 111. Tačiau 3 kubitai vienu metu išlaikys visas aštuonias būsenas, todėl skaičiavimo ciklai bus 8 kartus greitesni. Kaip matote, šis ryšys yra eksponentinis, tada kiekvienas papildomas bitas padvigubina turimos informacijos kiekį.

Taigi, naudojant 5 kubitus, jūs žiūrite į 32 vienu metu veikiančias būsenas, su 10 kubitų tai yra daugiau nei 1,000 būsenų, o esant 20 kubitų - daugiau nei milijonas. Dabar apsvarstykite, kiek valstybių yra 1,000 kubitų kvantiniai kompiuteriai kurį IBM ir Google kuria vienu metu.

Galite padaryti kubitus iš fotonai, elektronai, atomų branduoliai, kvantiniai taškai, superlaidininkai, ir kiti įgyvendinimai. Tikslas yra sukurti stabilų kvantinių energijos bitų rinkinį, kurį galėtumėte patogiai nustatyti ir išmatuoti savo nuožiūra.

Kvantinio skaičiavimo pranašumai

Pagrindinis kvantinio skaičiavimo pranašumas yra momentiniai sudėtingų problemų rezultatai. Tai daugiausia tais atvejais, kai reikia pasirinkti tinkamą atsakymą iš daugybės galimybių. Dėl to jie puikiai tinka skaičių faktoringui, didelio masto modeliavimui ir modelių atpažinimui dirbtiniame intelekte.

Standartinis klasikinių kompiuterių metodas yra ištirti kiekvieną galimybę, kol rasite tai, ko ieškote. Dažnai vadinama adata ieškant šieno kupetos, šios operacijos laikas priklauso nuo to, kiek šieno ar įrašų turite atsijoti. Ir apie tai, koks greitas jūsų aparatas.

Superkompiuteriai palengvina tokias problemas padidindami kiekvienos galimybės tikrinimo greitį. Kita vertus, kvantiniai kompiuteriai gali generuoti visas galimybes vienu metu, jei yra pakankamai kubitų. Štai kodėl jie gali per kelias valandas apskaičiuoti problemas, kurias paprastiems kompiuteriams apskaičiuoti prireiks nuo šimtų iki tūkstančių metų.

Kvantinio skaičiavimo problemos ir apribojimai

Nors klasikiniame kompiuteryje galite nesunkiai išmatuoti bitus, kubito matavimas sunaikina jo ir susipynusių kubitų būseną.

Be to, klasikiniai antgaliai gaminami iš daugybės puslaidininkinių medžiagų, kurios tiesiog turi išlaikyti krūvį (1) arba ne (0). Tačiau kubitai yra daug sudėtingesni ir sunkiau įgyvendinami. Be erdvinio kubito izoliavimo, turite apsaugoti jį nuo aplinkos trukdžių, tokių kaip temperatūros ir elektrostatinių svyravimų. Nes tokie nedideli aplinkos pokyčiai taip pat sugadins šias valstybes.

Šis įsipainiojimo arba sistemos pusiausvyros praradimas vadinamas kvantine dekoherence ir yra pagrindinė problema, kurią bando išspręsti dauguma tyrinėtojų. Tai tokia rimta, kad būsimam „Google“ 1,000 1,000 kubitų įrenginiui reikės iki 1 XNUMX kubitų, kad ištaisytų kiekvieno kubito klaidas. Taigi tai tampa XNUMX milijono kubitų mašina.

Tai taip pat reiškia, kad šiuo metu negalite valdyti kvantinio kompiuterio kaip nešiojamojo kompiuterio ar išmaniojo telefono. Norint išlaikyti saugų jo kubitų stabilumo lygį, kompiuteriui reikia laboratorinių sąlygų.

Kitas trūkumas yra ribota vadinamosios kvantinės viršenybės apimtis, nes ne kiekviena skaičiavimo problema apima didelius skaičių ar galimybių kiekius. Taigi, daugumos kitų operacijų skaičiavimo padidinimas yra per nereikšmingas, kad pateisintų kvantinio skaičiavimo metodą. Ir nebent kvantiniai kompiuteriai bus pigesni nei klasikiniai kompiuteriai, jie taip pat greitai jų nepakeis.

Nepaisant visų šių trūkumų, kvantiniai kompiuteriai ir jų kubitai turi daug potencialo kompiuterių pramonėje dėl didelio skaičiaus, kurį jie gali lengvai valdyti.

Ar kvantinis kompiuteris kelia pavojų?

Taip. Kiekvienas geras įsilaužėlis žino, kad kiekviena technologija turi spragą. Jūs tiesiog turite jį rasti. Taigi, nepaisant faktinio kvantinių kompiuterių diegimo ateityje, su technologija vis tiek bus problemų. Ir aktoriai pasiruošę jais pasinaudoti.

Šis scenarijus susijęs su tokiais naudojimo būdais kaip bankininkystė, finansai, vyriausybė ir panaši viešoji veikla. Antrasis scenarijus yra toks, kai piktavalis veikėjas panaudoja nuostabią gero kvantinio kompiuterio galią, kad padarytų žygdarbį. Ir kaip visada, žmonės apie tokią galimybę sužinos tik po to, kai bus atliktas poelgis.

Kvantinė kompiuterija puikiai veikia su skaičiais. Taigi asimetriniai šifravimo algoritmai, naudojantys faktorių, pvz., viešojo rakto RSA, nėra saugūs. Kita vertus, maišos ir simetrinė kriptografija, pvz., AES-256 ir 512, taip pat SHA-256 ir 512, yra gana saugios.

Kiti kvantinės mechanikos pritaikymai

Kad ir koks įdomus būtų kvantinės kompiuterijos pasaulis, jis vis dar yra tik kvantinės mechanikos dalis. Taigi, kitaip tariant, kvantinis vakarėlis dar tik prasideda.

Kvantinė mechanika prisidėjo prie puslaidininkių ir šiuolaikinės elektronikos kūrimo. Taip pat vyksta darbas su kvantiniais tinklais ir kriptografija, pavyzdžiui, Šveicarijoje kvantinės kriptografijos pradininkas ID Quantique. Be to, kvantiniai reiškiniai taip pat buvo perspektyvūs daugelyje tyrimų sričių, įskaitant fotosintezę, kvapo receptorius ir net mūsų laiko supratimas.

Realaus pasaulio kvantiniai kompiuteriai

Yra daug kvantinių kompiuterių ir panašių programų. Jie ateina iš didelių tarptautinių įmonių, tokių kaip „Google“ ir IBM, taip pat iš vyriausybių ir net mažesnių žaidėjų, tokių kaip „Rigetti“.

Kvantinė kompiuterija šiuo metu yra viena karščiausių tyrimų sričių planetoje. Taigi tikriausiai yra daugiau slaptų programų, nei galite įsivaizduoti. Žemiau yra keletas pagrindinių projektų:

• „Google“ priklauso 54 kubitų ir 72 kubitų mašinos
• IBM priklauso daugiau nei 30 mašinų, išsibarsčiusių visame pasaulyje, įskaitant 65 kubitų Manheteną
• Kinijoje yra daug kvantinių kompiuterių, įskaitant 76 kubitų mašiną ir net kvantinį palydovinį ryšį.
• „Google“ 54 kubitų „Sycamore“ varoma mašina sugaišo tik 200 sekundžių, kad suskaičiuotų, kam superkompiuteriams reikės 10,000 XNUMX metų.
• IBM iki 1,000 m. kuria 2023 kubitų mašiną
• „Rigetti Computing“ valdo keturis, įskaitant 31 kubitų mašiną
• „Google“ stato naują kvantinį centrą, kad iki 1,000 m. sukurtų 2029 kubitų kompiuterį. Ištaisius klaidas, bendras šio kompiuterio kubitų skaičius gali siekti 1 mln.

Išvada

Kvantiniai kompiuteriai yra čia, kad liktų. Kadangi jie sukurs daug galimybių ir išspręs realias problemas, su kuriomis klasikiniai kompiuteriai kovojo dešimtmečius.

Tačiau dar reikia daug nuveikti ir įveikti iššūkius, kol pasieksime. Ir iki tol Kinija gali tiesiog nustebinti pasaulį.