Obliczenia kwantowe: znaczenie, zalety i więcej

Kwant computing to zastosowanie zasad mechaniki kwantowej w wykonywaniu obliczeń. Podstawowymi zjawiskami, jakie tu zastosowano, są uwikłanie oraz nałożenie.

Chociaż obliczenia kwantowe to stosunkowo nowe, modne hasło, mechanika kwantowa istnieje znacznie dłużej. Odpowiadał za znaczący rozwój przemysłu elektronicznego, a dodatkowo oferuje odpowiedzi na wiele tajemnic ludzkości.

Mechanika kwantowa koncentruje się na działaniu atomów i cząstek subatomowych, podczas gdy słowo „kwant” odnosi się do najmniejszej cząstki, z którą można pracować. Jest to najbardziej podstawowy element budulcowy każdego obiektu fizycznego.

Od Maxa Plancka po Alberta Einsteina, Neilsa Bohra i Erwina Schrödingera, wielu wspaniałych naukowców było zaangażowanych w rozwój mechaniki kwantowej i jego ostateczną kulminację w wyścig obliczeń kwantowych – jeden z największych wyścigów technologicznych naszych czasów.

Ten post przenosi Cię w magiczny świat zjawisk kwantowych, pokazuje, jak zrobić z niego komputer i zgłębia powiązane z nim dziedziny.

Upiorna akcja na odległość

Zjawiska kwantowe wymykają się konwencjonalnemu rozumieniu i działają na zupełnie innych zasadach niż fizyka klasyczna. Dlatego w latach trzydziestych Einstein użył słów „upiorne działanie na odległość”, aby opisać zjawisko splątania kwantowego i to, że nie pasuje ono do konwencjonalnej nauki.

Splątanie kwantowe nie jest niczym nowym. Jeśli utworzysz dwie cząstki w tym samym miejscu i w tej samej chwili, wówczas zostaną one splątane. Oznacza to, że cokolwiek dzieje się z jednym, ma wpływ na drugiego.

To jak zakochać się i otrzymać telefon, gdy pomyślisz o swoim kochanku. Albo wykonanie połączenia i usłyszenie „Właśnie miałem do ciebie zadzwonić”. Wiadomo również, że bliźnięta jednojajowe chorują w tym samym czasie.

Najstraszniejszą częścią splątania kwantowego jest to, że jedną ze splątanych cząstek można zabrać daleko. Niezależnie od warunków, jakim ją poddasz, natychmiast wpłynie to na drugą cząstkę, nawet z odległości połowy galaktyki.

Komputery kwantowe wykorzystują tę właściwość do przechowywania ogromnych ilości informacji na wielu cząstkach jednocześnie. Cząstki te nazywane są kubitami lub bitami kwantowymi, ale najpierw spójrzmy na drugie zjawisko mechaniki kwantowej.

Erwin Schrödinger i jego kot

Innym wczesnym badaczem kwantowym był austriacki fizyk Erwin Schrödinger, który podobnie jak Albert Einstein również uważał niektóre zjawiska kwantowe za śmieszne. Dlatego wymyślił słynny obecnie eksperyment myślowy zwany „kotem Schrödingera”, aby zwizualizować paradoks superpozycji kwantowej.

Ten jednak eksperyment stwierdza, że ​​jeśli umieścisz kota i coś, co może zabić kota, w pudełku i zapieczętujesz je. Dopóki nie otworzysz pudełka, nie będziesz wiedział, czy kot jest martwy, czy żywy. Logicznie rzecz biorąc, kot był zarówno martwy, jak i żywy, dopóki nie otworzysz pudełka.

Superpozycja to drugie zjawisko umożliwiające obliczenia kwantowe. Podczas gdy klasyczne komputery pracują z fragmentami informacji, które w danym momencie mogą reprezentować 1 lub 0, komputery kwantowe pracują z kubitami (bitami kwantowymi), które mogą reprezentować jednocześnie 0 i 1, zupełnie jak kot, który był zarówno martwy, jak i żywy.

Oto bliższe spojrzenie na kubity.

Bit kontra Kubit

Kubit umożliwia obliczenia kwantowe. Kubit, nazywany także bitem kwantowym lub qbitem, to najmniejsza jednostka energii, którą można manipulować w celu zapisywania i pobierania informacji.

Zwykły bit komputerowy może w danym momencie wynosić tylko 0 lub 1. Chociaż bit kwantowy może być obydwoma jednocześnie. Dlatego dwa zwykłe bity mogą w dowolnym momencie przechowywać liczby 00, 01, 10 i 11. Ale dwa bity kwantowe mogą pomieścić wszystkie cztery stany jednocześnie. Oznacza to 4x szybsze cykle obliczeniowe.

Za pomocą 3 zwykłych bitów możesz w dowolnym momencie uzyskać 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 i 111. Ale 3 kubity utrzymają wszystkie osiem stanów jednocześnie, co zapewni 8 razy szybsze cykle obliczeniowe. Jak widać, zależność ta jest wykładnicza, wtedy każdy dodatkowy bit podwaja ilość dostępnej informacji.

Tak więc przy 5 kubitach patrzysz na 32 jednoczesne stany, przy 10 kubitach jest to ponad 1,000 stanów, a przy 20 kubitach ponad milion. Teraz rozważ, ile stanów Komputery kwantowe o pojemności 1,000 kubitów które IBM i Google rozwijają, mogą utrzymać jednocześnie.

Z nich możesz tworzyć kubity fotony, elektrony, jądra atomowe, kropki kwantowe, nadprzewodnikii inne wdrożenia. Celem jest stworzenie stabilnego zbioru kwantowych bitów energii, który można wygodnie ustawiać i mierzyć według własnego uznania.

Zalety obliczeń kwantowych

Główną zaletą obliczeń kwantowych są natychmiastowe wyniki złożonych problemów. Dzieje się tak głównie w sytuacjach, gdy trzeba wybrać właściwą odpowiedź spośród wielu możliwości. Dzięki temu doskonale nadają się do faktoryzacji liczb, symulacji na dużą skalę i rozpoznawania wzorców w sztucznej inteligencji.

Standardowe podejście do klasycznych komputerów polega na badaniu każdej możliwości, aż znajdziesz to, czego szukasz. Często nazywana igłą w przeszukiwaniu stogu siana, czas trwania tej operacji zależy od tego, ile siana lub rekordów musisz przesiać. Oraz od tego, jak szybka jest Twoja maszyna.

Superkomputery ułatwiają takie problemy, zwiększając prędkość sprawdzania każdej możliwości. Z drugiej strony komputery kwantowe mogą generować wszystkie możliwości jednocześnie, jeśli dostępna jest wystarczająca liczba kubitów. Dlatego w ciągu kilku godzin mogą rozwiązać problemy, których obliczenie zwykłym komputerom zajmie setki, a nawet tysiące lat.

Problemy i ograniczenia obliczeń kwantowych

Chociaż na klasycznym komputerze można łatwo zmierzyć bity, pomiar kubitu niszczy jego stan i stan jego splątanych kubitów.

Ponadto klasyczne bity są wykonane z szerokiej gamy materiałów półprzewodnikowych, które muszą albo utrzymywać ładunek (1), albo nie (0). Kubity są jednak znacznie bardziej złożone i trudne do wdrożenia. Oprócz przestrzennej izolacji kubitu należy go chronić przed zakłóceniami środowiska, takimi jak temperatura i wahania elektrostatyczne. Ponieważ takie małe zmiany środowiskowe również skorumpują te stany.

Ta utrata splątania lub równowagi systemu nazywana jest dekoherencją kwantową i stanowi główny problem, który większość badaczy próbuje rozwiązać. Jest tak poważny, że nadchodząca maszyna Google o pojemności 1,000 kubitów będzie potrzebować do 1,000 kubitów do korekcji błędów każdego kubitu. Dzięki temu jest to maszyna posiadająca 1 milion kubitów.

Oznacza to również, że obecnie nie można obsługiwać komputera kwantowego tak, jak laptopa czy smartfona. Komputer potrzebuje warunków laboratoryjnych, aby utrzymać bezpieczny poziom stabilności swoich kubitów.

Kolejną wadą jest ograniczony zakres tzw. supremacji kwantowej, ponieważ nie każdy problem obliczeniowy wiąże się z dużymi wolumenami liczb lub możliwości. Zatem zwiększenie mocy obliczeniowej w większości innych operacji jest zbyt nieznaczne, aby uzasadniać podejście oparte na obliczeniach kwantowych. I jeśli komputery kwantowe nie staną się tańsze od komputerów klasycznych, w najbliższym czasie ich nie zastąpią.

Pomimo tych wszystkich wad komputery kwantowe i ich kubity mają duży potencjał w przemyśle komputerowym ze względu na duże liczby, które z łatwością mogą obsłużyć.

Czy istnieją zagrożenia związane z obliczeniami kwantowymi?

Tak. Każdy dobry haker wie, że każda technologia ma lukę. Musisz to po prostu znaleźć. Zatem niezależnie od faktycznego wdrożenia komputerów kwantowych w przyszłości, nadal będą występować problemy z tą technologią. I aktorzy gotowi je wykorzystać.

Ten scenariusz odnosi się do zastosowań takich jak bankowość, finanse, rząd i podobna działalność publiczna. Drugi scenariusz zakłada, że ​​złośliwy aktor wykorzystuje niesamowitą moc dobrego komputera kwantowego, aby dokonać wyczynu. I jak zawsze, ludzie dowiedzą się o takiej możliwości dopiero po dokonaniu czynu.

Obliczenia kwantowe dobrze radzą sobie z liczbami. Zatem algorytmy szyfrowania asymetrycznego korzystające z faktoryzacji, takie jak RSA z kluczem publicznym, nie są bezpieczne. Z drugiej strony haszowanie i kryptografia symetryczna, taka jak AES-256 i 512, a także SHA-256 i 512, są stosunkowo bezpieczne.

Inne zastosowania mechaniki kwantowej

Choć świat obliczeń kwantowych jest ekscytujący, wciąż jest tylko częścią mechaniki kwantowej. Innymi słowy, impreza kwantowa dopiero się zaczyna.

Mechanika kwantowa odegrała kluczową rolę w rozwoju półprzewodników i nowoczesnej elektroniki. Trwają także prace nad sieciami kwantowymi i kryptografią, m.in. w Szwajcarii pionier kryptografii kwantowej ID Quantique. Ponadto zjawiska kwantowe okazały się obiecujące w wielu dziedzinach badań, w tym w fotosyntezie, receptorach węchu, a nawet nasze rozumienie czasu.

Komputery kwantowe w świecie rzeczywistym

Istnieje wiele komputerów kwantowych i podobnych aplikacji. Pochodzą od dużych międzynarodowych korporacji, takich jak Google i IBM, a także od rządów, a nawet mniejszych graczy, takich jak Rigetti.

Obliczenia kwantowe to obecnie jeden z najgorętszych obszarów badawczych na świecie. Prawdopodobnie istnieje więcej tajnych programów, niż możesz sobie wyobrazić. Poniżej kilka najważniejszych projektów:

• Google posiada maszyny 54-kubitowe i 72-kubitowe
• IBM jest właścicielem ponad 30 maszyn rozsianych po całym świecie, w tym 65-kubitowy Manhattan
• W Chinach znajduje się wiele komputerów kwantowych, w tym maszyna 76-kubitowa, a nawet kwantowa komunikacja satelitarna.
• 54-kubitowa maszyna Google, napędzana silnikiem Sycamore, poświęciła zaledwie 200 sekund na obliczenia, na które superkomputery potrzebowałyby 10,000 XNUMX lat.
• Do 1,000 roku IBM opracuje maszynę o pojemności 2023 kubitów
• Rigetti Computing posiada cztery, w tym maszynę 31-kubitową
• Google buduje nowe centrum kwantowe, aby do 1,000 r. stworzyć komputer o pojemności 2029 kubitów. Uwzględniając korekcję błędów, całkowita liczba kubitów tego komputera może osiągnąć 1 milion.

Wniosek

Komputery kwantowe już tu zostaną. Stworzą bowiem wiele możliwości i rozwiążą rzeczywiste problemy, z którymi klasyczne komputery borykają się od dziesięcioleci.

Jednak zanim tam dotrzemy, nadal pozostaje wiele do zrobienia i wyzwań do pokonania. A do tego czasu Chiny mogą po prostu zaskoczyć świat.