Квантовые вычисления: смысл, преимущества и многое другое

Квантовый вычисление это применение квантово-механических принципов при выполнении вычислений. Основные явления, используемые здесь, запутанность и суперпозиция.

В то время как квант вычисление — это относительно новое модное словечко, квантовая механика существует гораздо дольше. Он был ответственен за важные разработки в электронной промышленности и, кроме того, предлагает ответы на многие загадки человечества.

Квантовая механика фокусируется на том, как работают атомы и субатомные частицы, а слово «квант» относится к самой маленькой частице, с которой можно работать. Это самый основной строительный блок любого физического объекта.

От Макса Планка до Альберта Эйнштейна, Нильса Бора и Эрвина Шредингера многие великие ученые участвовали в разработке квантовой механики и ее конечной кульминации в гонке квантовых вычислений — одной из величайших технологических гонок нашего времени.

Этот пост перенесет вас в волшебный мир квантовых явлений, покажет, как сделать из него компьютер, и исследует связанные с ним области.

Жуткое действие на расстоянии

Квантовые явления бросают вызов общепринятому пониманию и работают на совершенно иных условиях, чем в классической физике. Итак, в 1930-х годах Эйнштейн использовал слова «призрачное действие на расстоянии», чтобы описать явления квантовой запутанности и то, как они не вписываются в обычную науку.

В квантовой запутанности нет ничего нового. Если вы создадите две частицы в одном и том же месте и в одно мгновение, они запутаются. Это означает, что все, что происходит с одним, влияет на другое.

Это как влюбиться и получить звонок всякий раз, когда вы думаете о своем возлюбленном. Или сделать звонок и услышать «Я как раз собирался тебе позвонить». Также известно, что однояйцевые близнецы заболевают одновременно.

Самая жуткая часть квантовой запутанности заключается в том, что вы можете унести одну из запутанных частиц подальше. И какие бы условия вы ни поставили, они мгновенно повлияют на вторую частицу, даже на расстоянии половины галактики.

Квантовые компьютеры используют это свойство для одновременного хранения огромных объемов информации о нескольких частицах. Эти частицы называются кубитами или квантовыми битами, но сначала рассмотрим второе квантово-механическое явление.

Эрвин Шредингер и его кот

Еще одним ранним квантовым исследователем был австрийский физик Эрвин Шредингер, который, как и Альберт Эйнштейн, в равной степени находил части квантовых явлений нелепыми. Поэтому он придумал знаменитый мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера», чтобы визуализировать парадокс квантовой суперпозиции.

В этом эксперименте говорится, что если вы поместите кошку и что-то, что может убить кошку, в коробку и запечатаете ее. Вы не узнаете, жив кот или мертв, пока не откроете коробку. Так что, по логике, кот был и мертв, и жив, пока вы не откроете коробку.

Суперпозиция — это второе явление, которое делает возможными квантовые вычисления. В то время как классические компьютеры работают с битами информации, которые могут представлять либо 1, либо 0 в любой момент времени, квантовые компьютеры работают с кубитами (квантовыми битами), которые могут представлять как 0, так и 1 одновременно, как кошка, которая была одновременно мертвой и мертвой. в живых.

Вот более пристальный взгляд на кубиты.

Бит против Кубита

Кубит — это то, что делает возможными квантовые вычисления. Также называемый квантовым битом или кубитом, кубит — это наименьшая единица энергии, которой вы можете манипулировать для сохранения и извлечения информации.

Обычный компьютерный бит может быть только 0 или 1 в любой момент времени. В то время как квантовый бит может быть и тем, и другим одновременно. Таким образом, два обычных бита могут содержать 00, 01, 10 и 11 в любой момент времени. Но два квантовых бита могут удерживать все четыре состояния одновременно. Это означает, что вычислительные циклы в 4 раза быстрее.

С 3 обычными битами вы можете получить 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 в любой момент времени. Но 3 кубита будут удерживать все восемь состояний одновременно, давая вам в 8 раз более быстрые вычислительные циклы. Как видите, эта зависимость экспоненциальная, тогда каждый дополнительный бит удваивает объем доступной информации.

Итак, с 5 кубитами вы видите 32 одновременных состояния, с 10 кубитами — более 1,000 состояний, а с 20 кубитами — более миллиона. А теперь посчитайте, сколько состояний Квантовые компьютеры на 1,000 кубитов которые разрабатывают IBM и Google, могут удерживать одновременно.

Вы можете сделать кубиты из фотонов, электроны, атомные ядра, квантовые точки, сверхпроводникии другие реализации. Цель состоит в том, чтобы создать стабильный набор квантовых битов энергии, который можно удобно устанавливать и измерять по желанию.

Преимущества квантовых вычислений

Главное преимущество квантовых вычислений — мгновенные результаты решения сложных задач. В основном это происходит в ситуациях, когда из множества возможностей приходится выбирать правильный ответ. И это делает их отличными для факторизации чисел, крупномасштабного моделирования и распознавания образов в искусственный интеллект.

Стандартный подход к классическим компьютерам состоит в том, чтобы исследовать каждую возможность, пока вы не найдете то, что ищете. Часто называемая иголкой в ​​стоге сена, количество времени, которое займет эта операция, зависит от того, сколько сена или записей вам нужно просеять. И от того, насколько быстра ваша машина.

Суперкомпьютеры облегчают такие задачи, увеличивая скорость проверки каждой возможности. С другой стороны, квантовые компьютеры могут генерировать все возможности одновременно, если доступно достаточное количество кубитов. Вот почему они могут за несколько часов решить задачи, на решение которых обычным компьютерам потребуются сотни или тысячи лет.

Проблемы и ограничения квантовых вычислений

В то время как вы можете легко измерить биты в классическом компьютере, измерение кубита разрушает его состояние и состояние его запутанных кубитов.

Кроме того, классические биты изготавливаются из широкого спектра полупроводниковых материалов, которые просто должны либо удерживать заряд (1), либо нет (0). Однако кубиты намного сложнее и сложнее в реализации. И в дополнение к пространственной изоляции кубита вам необходимо защитить его от внешних воздействий, таких как температура и электростатические колебания. Потому что такие небольшие изменения в окружающей среде также испортят эти состояния.

Эта потеря запутанности или системного баланса называется квантовой декогеренцией и является основной проблемой, которую пытается решить большинство исследователей. Это настолько серьезно, что будущей машине Google на 1,000 кубитов потребуется до 1,000 кубитов для исправления ошибок каждого кубита. Таким образом, это машина на 1 миллион кубитов.

Это также означает, что в настоящее время вы не можете обращаться с квантовым компьютером так же, как с ноутбуком или смартфоном. Компьютеру нужны лабораторные условия, чтобы поддерживать безопасный уровень стабильности своих кубитов.

Еще одним недостатком является ограниченность так называемого квантового превосходства, потому что не каждая вычислительная задача связана с большими объемами чисел или возможностей. Таким образом, вычислительный прирост в большинстве других операций слишком незначителен, чтобы оправдать подход квантовых вычислений. И если квантовые компьютеры не станут дешевле классических компьютеров, они также не заменят их в ближайшее время.

Несмотря на все эти недостатки, квантовые компьютеры и их кубиты обладают большим потенциалом в компьютерной индустрии из-за того, что они могут легко обрабатывать большие числа.

Опасны ли квантовые вычисления?

Да. Каждый хороший хакер знает, что в каждой технологии есть лазейка. Вам просто нужно найти его. Таким образом, независимо от фактического внедрения квантовых компьютеров в будущем, проблемы с этой технологией все равно будут. И актеры готовы на этом заработать.

Этот сценарий относится к таким видам использования, как банковское дело, финансы, правительство и подобная общественная деятельность. Второй сценарий — когда злоумышленник использует удивительную мощь хорошего квантового компьютера, чтобы совершить подвиг. И, как всегда, люди узнают о такой возможности только после того, как дело будет сделано.

Квантовые вычисления хорошо работают с числами. Таким образом, алгоритмы асимметричного шифрования, использующие факторизацию, такие как RSA с открытым ключом, небезопасны. С другой стороны, хеширование и симметричная криптография, такие как AES-256 и 512, а также SHA-256 и 512, относительно безопасны.

Другие приложения квантовой механики

Каким бы захватывающим ни был мир квантовых вычислений, это всего лишь часть квантовой механики. Другими словами, квантовая вечеринка только начинается.

Квантовая механика сыграла важную роль в разработке полупроводников и современной электроники. Также ведется работа над квантовыми сетями и криптографией, такими как швейцарский пионер квантовой криптографии ID Quantique. Кроме того, квантовые явления продемонстрировали многообещающие результаты во многих областях исследований, включая фотосинтез, рецепторы обоняния и даже наше понимание времени.

Реальные квантовые компьютеры

Существует множество квантовых компьютеров и подобных приложений. Они исходят от крупных транснациональных корпораций, таких как Google и IBM, а также от правительств и даже от более мелких игроков, таких как Rigetti.

Квантовые вычисления в настоящее время являются одной из самых популярных областей исследований на планете. Так что секретных программ, вероятно, больше, чем вы можете себе представить. Ниже приведены некоторые крупные проекты:

• Google владеет 54-кубитными и 72-кубитными машинами
• IBM владеет более чем 30 машинами, разбросанными по всему миру, включая 65-кубитный Manhattan.
• Китай является домом для многих квантовых компьютеров, включая 76-кубитную машину и даже квантовую спутниковую связь.
• Машина Google на базе процессора Sycamore с 54 кубитами потратила всего 200 секунд на вычисление того, на что суперкомпьютерам понадобилось бы 10,000 XNUMX лет.
• IBM разрабатывает машину на 1,000 кубитов к 2023 году
• Rigetti Computing владеет четырьмя, включая 31-кубитную машину.
• Google строит новый квантовый центр для создания компьютера на 1,000 кубитов к 2029 году. С учетом исправления ошибок общее количество кубитов этого компьютера может достичь 1 миллиона.

Заключение

Квантовые компьютеры никуда не денутся. Поскольку они откроют множество возможностей и решат реальные проблемы, с которыми классические компьютеры боролись десятилетиями.

Тем не менее, предстоит еще много работы и проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем мы доберемся до цели. А до тех пор Китай может просто удивить мир.