Quantum Computing: Betydning, fordeler og mer

Kvanteberegning er anvendelsen av kvantemekaniske prinsipper i utførelse av beregninger. De grunnleggende fenomenene som brukes her er sammenfiltring og superposisjon.

Mens kvantedatabehandling er et relativt nytt buzzword, har kvantemekanikk eksistert mye lenger. Den var ansvarlig for store utviklinger i elektronikkindustrien og tilbyr i tillegg svar på mange av menneskehetens mysterier.

Kvantemekanikk fokuserer på hvordan atomer og subatomære partikler fungerer, mens ordet kvante refererer til den minste partikkelen man kan jobbe med. Det er den mest grunnleggende byggesteinen til ethvert fysisk objekt.

Fra Max Planck til Albert Einstein, Neils Bohr og Erwin Schrödinger, mange store forskere var involvert i utviklingen av kvantemekanikk og dens eventuelle kulminasjon til kvanteberegningsløpet – en av vår tids største teknologiraser.

Dette innlegget tar deg med inn i den magiske verden av kvantefenomener, viser deg hvordan du lager en datamaskin fra den, og utforsker dens relaterte felt.

Uhyggelig handling på avstand

Kvantefenomener trosser konvensjonell forståelse og fungerer på helt andre vilkår enn klassisk fysikk. Så på 1930-tallet brukte Einstein ordene "skummel handling på avstand" for å beskrive fenomenene kvanteforviklinger og hvordan det ikke passer inn i konvensjonell vitenskap.

Kvanteforviklinger er ikke noe nytt. Hvis du lager to partikler på samme sted og på samme øyeblikk, blir de viklet inn. Det betyr at det som skjer med den ene, påvirker den andre.

Det er som å bli forelsket og bli oppringt hver gang du tenker på kjæresten din. Eller ringe og høre «Jeg skulle akkurat til å ringe deg». Identiske tvillinger har også vært kjent for å bli syke på samme tid.

Den skumleste delen av kvanteforviklinger er at du kan ta en av de sammenfiltrede partiklene langt unna. Og uansett hvilke forhold du utsetter den for vil påvirke den andre partikkelen øyeblikkelig, selv fra en halv galakse unna.

Kvantedatamaskiner bruker denne egenskapen til å lagre enorme mengder informasjon om flere partikler samtidig. Disse partiklene kalles qubits eller quantum-bits, men først, en titt på det andre kvantemekaniske fenomenet.

Erwin Schrödinger og katten hans

En annen tidlig kvanteforsker var den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger, som i likhet med Albert Einstein fant deler av kvantefenomener latterlige. Så han kom opp med det nå kjente tankeeksperimentet kalt "Schrödingers katt" for å visualisere paradokset med kvantesuperposisjon.

Dette skjønt eksperimentet sier at hvis du legger en katt og noe som kan drepe katten i en boks og forseglet den. Du ville ikke vite om katten var død eller levende før du åpnet esken. Så logisk nok var katten både død og levende helt til du åpnet esken.

Superposisjon er det andre fenomenet som gjør kvanteberegning mulig. Der klassiske datamaskiner arbeider med informasjonsbiter som enten kan representere 1 eller 0 til enhver tid, fungerer kvantedatamaskiner med qubits (kvantebiter) som kan representere både 0 og 1 samtidig, akkurat som katten som både var død og i live.

Her er en nærmere titt på qubits.

The Bit vs The Qubit

Qubiten er det som gjør kvanteberegning mulig. Også referert til som kvantebit eller qbit, er en qubit den minste energienheten du kan manipulere for å lagre og hente informasjon fra.

En vanlig datamaskinbit kan bare være 0 eller 1 til enhver tid. Mens en kvantebit kan være begge deler samtidig. To vanlige biter kan derfor holde 00, 01, 10 og 11 til enhver tid. Men to kvantebiter kan holde alle fire tilstander samtidig. Dette betyr 4 ganger raskere beregningssykluser.

Med 3 vanlige biter kan du enten få 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 og 111 til enhver tid. Men 3 qubits vil holde alle åtte tilstander samtidig, noe som gir deg 8 ganger raskere beregningssykluser. Som du kan se, er dette forholdet eksponentielt, så dobler hver ekstra bit mengden tilgjengelig informasjon.

Så, med 5 qubits, ser du på 32 samtidige tilstander, med 10 qubits er det over 1,000 tilstander, og med 20 qubits, over en million. Tenk nå på hvor mange tilstander kvantedatamaskinene på 1,000 qubits som IBM og Google utvikler kan holde samtidig.

Du kan lage qubits fra fotoner , elektroner, atomkjerner, kvanteprikker , superledere og andre implementeringer. Målet er å lage en stabil samling av kvantebiter med energi som du enkelt kan stille inn og måle etter eget ønske.

Fordeler med Quantum Computing

Den største fordelen med kvanteberegning er øyeblikkelige resultater fra komplekse problemer. Dette er hovedsakelig i situasjoner hvor du må velge riktig svar fra mange muligheter. Og dette gjør dem ypperlige for tallfaktorering, storskala simuleringer og mønstergjenkjenning innen kunstig intelligens.

Standardtilnærmingen for klassiske datamaskiner er å undersøke hver mulighet til du finner det du leter etter. Ofte kalt en nål i et høystakksøk, hvor lang tid denne operasjonen vil ta avhenger av hvor mye høy eller poster du må sile gjennom. Og hvor rask maskinen din er.

Superdatamaskiner gjør slike problemer enklere ved å øke hastigheten på å sjekke hver mulighet. Kvantedatamaskiner, på den annen side, kan generere alle mulighetene samtidig, hvis nok qubits er tilgjengelig. Det er derfor de kan beregne problemer på noen få timer som vanlige datamaskiner vil ta hundrevis til tusenvis av år å beregne.

Kvantedatabehandlingsproblemer og begrensninger

Mens du enkelt kan måle biter i en klassisk datamaskin, ødelegger måling av en qubit tilstanden dens og dens sammenfiltrede qubits.

Klassiske bits er også laget av et bredt spekter av halvledermaterialer som bare må holde en ladning (1) eller ikke (0). Qubits er imidlertid mye mer komplekse og vanskelige å implementere. Og i tillegg til romlig isolering av en qubit, må du skjerme den mot miljøinterferens, som temperatur og elektrostatiske svingninger. Fordi slike små miljøendringer også vil korrumpere disse statene.

Dette tapet av sammenfiltring eller systembalanse kalles kvantedekoherens og er det største problemet som de fleste forskere prøver å løse. Det er så alvorlig at Googles kommende 1,000-qubit-maskin vil trenge opptil 1,000 qubits for feilretting av hver qubit. Dette gjør den til en 1 million qubits-maskin.

Det betyr også at du for øyeblikket ikke kan håndtere en kvantedatamaskin slik du ville gjort med en bærbar PC eller smarttelefon. Datamaskinen trenger laboratorieforhold for å opprettholde et sikkert stabilitetsnivå for qubitene.

En annen ulempe er det begrensede omfanget av den såkalte kvanteoverlegenhet, fordi ikke alle dataproblemer involverer store mengder tall eller muligheter. Så beregningsløftet i de fleste andre operasjoner er for ubetydelig til å rettferdiggjøre en kvanteberegningsmetode. Og med mindre kvantedatamaskiner ender opp billigere enn klassiske datamaskiner, vil de heller ikke erstatte dem med det første.

Til tross for alle disse ulempene, har kvantedatamaskiner og deres qubits mye potensial i dataindustrien på grunn av det store antallet de kan håndtere med letthet.

Er det farer med Quantum Computing?

Ja. Enhver god hacker vet at hver teknologi har et smutthull. Du må bare finne den. Så uansett de faktiske implementeringene av kvantedatamaskiner i fremtiden, vil det fortsatt være problemer med teknologien. Og skuespillere klare til å utnytte dem.

Dette scenariet refererer til bruk som bank, finans, offentlig virksomhet og lignende offentlige aktiviteter. Et annet scenario er når en ondsinnet skuespiller bruker den fantastiske kraften til en god kvantedatamaskin for å få til en bragd. Og som alltid vil folk først bli klar over en slik mulighet etter at gjerningen er gjort.

Kvanteberegning klarer seg godt med tall. Så asymmetriske krypteringsalgoritmer som bruker faktorisering, for eksempel RSA med offentlig nøkkel, er ikke trygge. Hashing og symmetrisk kryptografi, som AES-256 og 512, samt SHA-256 og 512, er derimot relativt trygge.

Andre anvendelser av kvantemekanikk

Så spennende som verden av kvantedatabehandling er, er den fortsatt bare en del av kvantemekanikken. Så kvantefesten er med andre ord så vidt i gang.

Kvantemekanikk har vært avgjørende for utviklingen av halvledere og moderne elektronikk. Det arbeides også med kvantenettverk og kryptografi, slik som den sveitsiskbaserte kvantekryptografipioneren ID Quantique . I tillegg har kvantefenomener vist lovende resultater innen en rekke forskningsfelt, inkludert fotosyntese, luktreseptorer og til og med vår forståelse av tid.

Kvantedatamaskiner fra den virkelige verden

Det er mange kvantedatamaskiner og lignende applikasjoner der ute. De kommer fra store multinasjonale selskaper som Google og IBM, så vel som regjeringer, og enda mindre aktører som Rigetti.

Quantum computing er for tiden et av de hotteste forskningsområdene på planeten. Så det er sannsynligvis flere hemmelige programmer der ute enn du kan forestille deg. Nedenfor er noen større prosjekter:

• Google eier 54-qubit og 72-qubit-maskiner
• IBM eier over 30 maskiner spredt over hele kloden, inkludert 65-qubit Manhattan
• Kina er hjemsted for mange kvantedatamaskiner, inkludert en 76-qubit-maskin og til og med kvantesatellittkommunikasjon.
• Googles 54-qubit Sycamore-drevne maskin brukte bare 200 sekunder på å beregne hva superdatamaskiner ville trenge 10,000 XNUMX år for å beregne.
• IBM utvikler en 1,000-qubit-maskin innen 2023
• Rigetti Computing eier fire, inkludert en 31-qubit-maskin
• Google bygger et nytt kvantesenter for å lage en 1,000-qubit-datamaskin innen 2029. Factoring feilretting, kan datamaskinens totale qubits nå 1 million.

Konklusjon

Kvantedatamaskiner er kommet for å bli. Ettersom de vil skape mange muligheter og løse virkelige problemer som klassiske datamaskiner har slitt med i flere tiår.

Det er imidlertid fortsatt mye arbeid som gjenstår og utfordringer å overvinne før vi kommer dit. Og inntil da kan Kina bare overraske verden.