Kvantu skaitļošana: nozīme, priekšrocības un daudz kas cits

Quantum skaitļošanas ir kvantu mehānisko principu pielietošana aprēķinu veikšanā. Šeit izmantotās pamata parādības ir sapīšanās un superpozīcijas.

Lai gan kvantu skaitļošana ir salīdzinoši jauns vārds, kvantu mehānika pastāv jau daudz ilgāk. Tas bija atbildīgs par galvenajiem notikumiem elektronikas nozarē un papildus piedāvā atbildes uz daudziem cilvēces noslēpumiem.

Kvantu mehānika koncentrējas uz to, kā darbojas atomi un subatomiskās daļiņas, savukārt vārds kvants attiecas uz mazāko daļiņu, ar kuru var strādāt. Tas ir jebkura fiziska objekta pamatelements.

No Maksa Planka līdz Albertam Einšteinam, Neilam Boram un Ervinam Šrēdingeram, daudzi lieliski zinātnieki bija iesaistīti kvantu mehānikas izstrādē un tās beigu kulminācijā kvantu skaitļošanas sacīkstēs – vienā no mūsdienu lielākajām tehnoloģiju sacīkstēm.

Šis ieraksts ievedīs jūs maģiskajā kvantu parādību pasaulē, parāda, kā no tā izveidot datoru, un izpēta ar to saistītās jomas.

Spokains pasākums no attāluma

Kvantu parādības ir pretrunā tradicionālajai izpratnei un darbojas ar pilnīgi atšķirīgiem noteikumiem nekā klasiskā fizika. Tātad 1930. gados Einšteins lietoja vārdus “baidoša darbība no attāluma”, lai aprakstītu kvantu sapīšanās parādības un to, kā tā neiekļaujas parastajā zinātnē.

Kvantu sapīšanās nav nekas jauns. Ja jūs izveidojat divas daļiņas vienā un tajā pašā vietā, tad tās sapinās. Tas nozīmē, ka viss, kas notiek ar vienu, ietekmē otru.

Tas ir kā iemīlēties un saņemt zvanu ikreiz, kad domājat par savu mīļāko. Vai arī zvanot un dzirdot “Es tikko grasījos tev piezvanīt”. Ir zināms, ka identiskie dvīņi vienlaikus saslimst.

Spokainākā kvantu sapīšanās daļa ir tā, ka jūs varat aiznest vienu no sapinušajām daļiņām tālu prom. Un neatkarīgi no tā, kādiem apstākļiem jūs to pakļausiet, otro daļiņu ietekmēs uzreiz, pat no pusgalaktikas.

Kvantu datori izmanto šo īpašību, lai vienlaikus uzglabātu milzīgu daudzumu informācijas par vairākām daļiņām. Šīs daļiņas sauc par kubitiem vai kvantu bitiem, bet vispirms apskatiet otro kvantu mehānisko parādību.

Ervīns Šrēdingers un viņa kaķis

Vēl viens agrīnais kvantu pētnieks bija austriešu fiziķis Ervins Šrēdingers, kurš tāpat kā Alberts Einšteins uzskatīja, ka kvantu parādību daļas ir smieklīgas. Tāpēc viņš nāca klajā ar tagad slaveno domu eksperimentu ar nosaukumu “Šrēdingera kaķis”, lai vizualizētu kvantu superpozīcijas paradoksu.

Tomēr šis eksperiments norāda, ka, ja jūs ievietojat kastē kaķi un kaut ko, kas varētu kaķi nogalināt, un to aizzīmogojat. Jūs nezināt, vai kaķis ir miris vai dzīvs, kamēr neatvērsiet kastīti. Tātad, loģiski, ka kaķis bija gan miris, gan dzīvs, līdz jūs atverat kasti.

Superpozīcija ir otrā parādība, kas padara iespējamu kvantu skaitļošanu. Ja klasiskie datori strādā ar informācijas bitiem, kas jebkurā brīdī var attēlot 1 vai 0, kvantu datori strādā ar kubitiem (kvantu bitiem), kas vienlaikus var attēlot gan 0, gan 1, tāpat kā kaķis, kurš bija gan miris, gan dzīvs.

Šeit ir tuvāks kubitu apskats.

The Bit vs The Qubit

Kbīts padara kvantu skaitļošanu iespējamu. To dēvē arī par kvantu bitu vai qbit, kubits ir mazākā enerģijas vienība, ar kuru varat manipulēt, lai saglabātu un izgūtu informāciju.

Parastais datora bits jebkurā brīdī var būt tikai 0 vai 1. Lai gan kvantu bits var būt abi vienlaikus. Tāpēc divi parastie biti jebkurā brīdī var saturēt 00, 01, 10 un 11. Bet divi kvantu biti var saturēt visus četrus stāvokļus vienlaikus. Tas nozīmē 4x ātrākus skaitļošanas ciklus.

Izmantojot 3 parastos bitus, jūs jebkurā laikā varat iegūt 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 un 111. Taču 3 kubiti vienlaikus saglabās visus astoņus stāvokļus, nodrošinot 8x ātrākus skaitļošanas ciklus. Kā redzat, šī attiecība ir eksponenciāla, tad katrs papildu bits divkāršo pieejamās informācijas apjomu.

Tātad ar 5 kubitiem jūs skatāties uz 32 vienlaicīgiem stāvokļiem, ar 10 kubitiem tas ir vairāk nekā 1,000 stāvokļu, bet ar 20 kubitiem - vairāk nekā miljons. Tagad apsveriet, cik štatu 1,000 kubitu kvantu datori ko IBM un Google izstrādā, var turēt vienlaikus.

Jūs varat izveidot kubitus no fotoni, elektroni, atomu kodoli, kvantu punkti, supravadītāji, un citas ieviešanas. Mērķis ir izveidot stabilu enerģijas kvantu bitu kolekciju, ko varat ērti iestatīt un izmērīt pēc vēlēšanās.

Kvantu skaitļošanas priekšrocības

Kvantu skaitļošanas galvenā priekšrocība ir sarežģītu problēmu tūlītēji rezultāti. Tas galvenokārt notiek situācijās, kad jums ir jāizvēlas pareizā atbilde no daudzām iespējām. Tas padara tos lieliski piemērotus skaitļu faktoringam, liela mēroga simulācijām un modeļu atpazīšanai mākslīgajā intelektā.

Standarta pieeja klasiskajiem datoriem ir izpētīt katru iespēju, līdz atrodat to, ko meklējat. Bieži vien to sauc par adatu siena kaudzes meklēšanā, un šīs darbības ilgums ir atkarīgs no tā, cik daudz siena vai ierakstu jums ir jāizsijā. Un par to, cik ātra ir jūsu mašīna.

Superdatori atvieglo šādas problēmas, palielinot katras iespējas pārbaudes ātrumu. Savukārt kvantu datori var ģenerēt visas iespējas vienlaicīgi, ja ir pieejams pietiekami daudz kubitu. Tāpēc viņi dažās stundās var aprēķināt problēmas, ko parastos datoros var aprēķināt simtiem līdz tūkstošiem gadu.

Kvantu skaitļošanas problēmas un ierobežojumi

Lai gan jūs varat viegli izmērīt bitus klasiskajā datorā, kubitu mērīšana iznīcina tā un tā sapinušo kubitu stāvokli.

Arī klasiskie uzgaļi ir izgatavoti no plaša klāsta pusvadītāju materiāliem, kuriem vienkārši ir jāuztur lādiņš (1) vai nav (0). Tomēr kubiti ir daudz sarežģītāki un grūtāk īstenojami. Papildus kubita telpiskajai izolācijai jums tas ir jāaizsargā no vides traucējumiem, piemēram, temperatūras un elektrostatiskām svārstībām. Jo tik mazas vides izmaiņas arī šīs valstis sabojās.

Šo sapīšanās vai sistēmas līdzsvara zudumu sauc par kvantu dekoherenci, un tā ir galvenā problēma, ko mēģina atrisināt lielākā daļa pētnieku. Tas ir tik smags, ka Google gaidāmajai 1,000 kubitu mašīnai būs nepieciešami līdz 1,000 kubitiem, lai labotu katra kubita kļūdu. Tādējādi padarot to par 1 miljona kubitu mašīnu.

Tas arī nozīmē, ka jūs pašlaik nevarat rīkoties ar kvantu datoru tāpat kā ar klēpjdatoru vai viedtālruni. Datoram ir nepieciešami laboratorijas apstākļi, lai uzturētu drošu tā kubitu stabilitātes līmeni.

Vēl viens trūkums ir tā sauktās kvantu pārākuma ierobežotais apjoms, jo ne katra skaitļošanas problēma ietver lielus skaitļu vai iespēju apjomus. Tātad skaitļošanas palielinājums lielākajā daļā citu darbību ir pārāk nenozīmīgs, lai attaisnotu kvantu skaitļošanas pieeju. Un, ja vien kvantu datori nebūs lētāki nekā klasiskie datori, tie arī drīzumā tos neaizstās.

Neskatoties uz visiem šiem trūkumiem, kvantu datoriem un to kubitiem ir liels potenciāls datoru nozarē, jo tie var viegli apstrādāt lielos skaitļus.

Vai kvantu skaitļošanā pastāv briesmas?

Jā. Katrs labs hakeris zina, ka katrai tehnoloģijai ir nepilnības. Jums tas vienkārši jāatrod. Tātad, neatkarīgi no kvantu datoru faktiskās ieviešanas nākotnē, joprojām būs problēmas ar tehnoloģiju. Un aktieri ir gatavi tos izmantot.

Šis scenārijs attiecas uz tādiem lietojumiem kā banku darbība, finanses, valdība un līdzīgas publiskas darbības. Otrs scenārijs ir tāds, kad ļaunprātīgs aktieris izmanto laba kvantu datora pārsteidzošo jaudu, lai paveiktu varoņdarbu. Un kā vienmēr, cilvēki par šādu iespēju uzzinās tikai pēc akta izdarīšanas.

Kvantu skaitļošana labi darbojas ar skaitļiem. Tātad asimetriskas šifrēšanas algoritmi, kas izmanto faktorizāciju, piemēram, publiskās atslēgas RSA, nav droši. Jaukšana un simetriskā kriptogrāfija, piemēram, AES-256 un 512, kā arī SHA-256 un 512, no otras puses, ir salīdzinoši drošas.

Citi kvantu mehānikas pielietojumi

Lai cik aizraujoša būtu kvantu skaitļošanas pasaule, tā joprojām ir tikai daļa no kvantu mehānikas. Tātad, citiem vārdiem sakot, kvantu ballīte tikai sākas.

Kvantu mehānikai ir bijusi liela nozīme pusvadītāju un mūsdienu elektronikas attīstībā. Tiek strādāts arī pie kvantu tīkla un kriptogrāfijas, piemēram, Šveices bāzes kvantu kriptogrāfijas pionieris ID Quantique. Turklāt kvantu parādības ir parādījušās daudzsološas daudzās pētniecības jomās, tostarp fotosintēzē, smaržas receptoros un pat mūsu laika izpratne.

Reālās pasaules kvantu datori

Ir daudz kvantu datoru un līdzīgu lietojumprogrammu. Tie nāk no lieliem starptautiskiem uzņēmumiem, piemēram, Google un IBM, kā arī no valdībām un pat mazākiem spēlētājiem, piemēram, Rigetti.

Kvantu skaitļošana šobrīd ir viena no karstākajām pētniecības jomām uz planētas. Tātad, iespējams, ir vairāk slepenu programmu, nekā jūs varat iedomāties. Zemāk ir daži lieli projekti:

• Google pieder 54 kubitu un 72 kubitu mašīnas
• IBM pieder vairāk nekā 30 mašīnas, kas izkaisītas visā pasaulē, tostarp 65 kubitu Manhetenā
• Ķīnā atrodas daudzi kvantu datori, tostarp 76 kubitu mašīna un pat kvantu satelīta komunikācija.
• Google 54 kubitu Sycamore darbināmā iekārta pavadīja tikai 200 sekundes, lai aprēķinātu, kādi superdatoriem nepieciešami 10,000 XNUMX gadu.
• IBM līdz 1,000. gadam izstrādā 2023 kubitu iekārtu
• Rigetti Computing pieder četri, tostarp 31 kubitu mašīna
• Google būvē jaunu kvantu centru, lai līdz 1,000. gadam izveidotu 2029 kubitu datoru. Veicot kļūdu labošanu, šī datora kopējais kubits varētu sasniegt 1 miljonu.

Secinājumi

Kvantu datori ir šeit, lai paliktu. Tā kā tie radīs daudzas iespējas un atrisinās reālas problēmas, ar kurām klasiskie datori ir cīnījušies gadu desmitiem.

Tomēr vēl ir daudz darāmā un jāpārvar izaicinājumi, pirms mēs tur nonāksim. Un līdz tam Ķīna varētu vienkārši pārsteigt pasauli.