Kvantno računalništvo: pomen, prednosti in več

Kvantna računalništvo je uporaba kvantno-mehanskih principov pri izvajanju izračunov. Osnovni pojavi, ki se tukaj uporabljajo, so zapletanje in superpozicija.

Medtem ko je kvantno računalništvo razmeroma nova modna beseda, kvantna mehanika obstaja že veliko dlje. Bil je odgovoren za velik razvoj v elektronski industriji, poleg tega pa ponuja odgovore na številne skrivnosti človeštva.

Kvantna mehanika se osredotoča na to, kako delujejo atomi in subatomski delci, medtem ko se beseda kvant nanaša na najmanjši delec, s katerim lahko delamo. To je najosnovnejši gradnik katerega koli fizičnega predmeta.

Od Maxa Plancka do Alberta Einsteina, Neilsa Bohra in Erwina Schrödingerja so bili številni veliki znanstveniki vključeni v razvoj kvantne mehanike in njen končni vrhunec v tekmo kvantnega računalništva – eno največjih tehnoloških dirk našega časa.

Ta objava vas popelje v čarobni svet kvantnih pojavov, vam pokaže, kako iz njih narediti računalnik, in raziskuje z njim sorodna področja.

Srhljiva akcija na daljavo

Kvantni pojavi nasprotujejo konvencionalnemu razumevanju in delujejo na popolnoma drugačnih pogojih od klasične fizike. Tako je Einstein v tridesetih letih 1930. stoletja uporabil besede "strašljivo delovanje na daljavo", da bi opisal pojav kvantne prepletenosti in kako ne sodi v konvencionalno znanost.

Kvantna prepletenost ni nič novega. Če ustvarite dva delca na istem mestu in v trenutku, se zapleteta. To pomeni, da karkoli se zgodi enemu, vpliva na drugega.

To je tako, kot bi se zaljubil in prejel klic vsakič, ko pomisliš na svojega ljubimca. Ali klicati in slišati "Ravnokar sem te hotel poklicati". Znano je tudi, da istočasno zbolijo enojajčni dvojčki.

Najbolj grozljiv del kvantne prepletenosti je, da lahko enega od zapletenih delcev odnesete daleč stran. In kakršnimkoli pogojem ga izpostavite, bodo v trenutku vplivali na drugi delec, tudi s pol galaksije stran.

Kvantni računalniki uporabljajo to lastnost za shranjevanje ogromnih količin informacij o več delcih hkrati. Ti delci se imenujejo kubiti ali kvantni biti, a najprej pogled na drugi kvantno-mehanski pojav.

Erwin Schrödinger in njegova mačka

Drugi zgodnji kvantni raziskovalec je bil avstrijski fizik Erwin Schrödinger, ki se mu je podobno kot Albertu Einsteinu zdel del kvantnih pojavov prav tako smešen. Tako se je domislil zdaj znanega miselnega eksperimenta, imenovanega "Schrödingerjeva mačka", da bi vizualiziral paradoks kvantne superpozicije.

Ta poskus navaja, da če daš mačko in nekaj, kar bi mačko lahko ubilo, v škatlo in jo zapreš. Ne boste vedeli, ali je mačka mrtva ali živa, dokler ne odprete škatle. Torej je bila mačka logično mrtva in živa, dokler ne odprete škatle.

Superpozicija je drugi pojav, ki omogoča kvantno računalništvo. Medtem ko klasični računalniki delajo z deli informacij, ki lahko v danem trenutku predstavljajo 1 ali 0, kvantni računalniki delajo s kubiti (kvantnimi biti), ki lahko hkrati predstavljajo 0 in 1, tako kot mačka, ki je bila mrtva in živ.

Tukaj je podrobnejši pogled na kubite.

Bit proti Qubitu

Qubit je tisto, kar omogoča kvantno računalništvo. Qubit, imenovan tudi kvantni bit ali qbit, je najmanjša enota energije, s katero lahko manipulirate, da shranite in iz nje pridobite informacije.

Običajni računalniški bit je lahko v danem trenutku samo 0 ali 1. Medtem ko je kvantni bit lahko oboje hkrati. Dva navadna bita lahko torej kadar koli vsebujeta 00, 01, 10 in 11. Toda dva kvantna bita lahko hranita vsa štiri stanja hkrati. To pomeni 4x hitrejše računske cikle.

S 3 navadnimi biti lahko kadar koli dobite 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 in 111. Vendar pa bodo 3 kubiti hranili vseh osem stanj hkrati, kar vam omogoča 8-krat hitrejše računske cikle. Kot lahko vidite, je to razmerje eksponentno, potem pa vsak dodatni bit podvoji količino razpoložljivih informacij.

Torej, s 5 kubiti gledate 32 sočasnih stanj, z 10 kubiti je več kot 1,000 stanj, z 20 kubiti pa več kot milijon. Zdaj pa razmislite, koliko držav je 1,000-kubitni kvantni računalniki ki jih razvijata IBM in Google, lahko držita hkrati.

Kubite lahko naredite iz fotoni, elektroni, atomska jedra, kvantne pike, superprevodnikiin druge izvedbe. Cilj je ustvariti stabilno zbirko kvantnih bitov energije, ki jih lahko priročno nastavite in poljubno merite.

Prednosti kvantnega računalništva

Glavna prednost kvantnega računalništva so takojšnji rezultati kompleksnih problemov. To je predvsem v situacijah, ko morate med številnimi možnostmi izbrati pravi odgovor. Zaradi tega so odlični za faktorizacijo števil, obsežne simulacije in prepoznavanje vzorcev v umetni inteligenci.

Standardni pristop za klasične računalnike je raziskati vsako možnost, dokler ne najdete tistega, kar iščete. Pogosto imenovana igla pri iskanju sezona, čas, ki bo trajal ta postopek, je odvisen od tega, koliko sena ali zapisov morate presejati. In kako hiter je vaš stroj.

Superračunalniki olajšajo takšne težave s povečanjem hitrosti preverjanja vsake možnosti. Po drugi strani pa lahko kvantni računalniki generirajo vse možnosti hkrati, če je na voljo dovolj kubitov. Zato lahko v nekaj urah izračunajo probleme, ki jih običajni računalniki potrebujejo na stotine do tisoče let.

Težave in omejitve kvantnega računalništva

Medtem ko lahko bite preprosto merite v klasičnem računalniku, merjenje kubita uniči njegovo stanje in stanje njegovih zapletenih kubitov.

Poleg tega so klasični nastavki izdelani iz širokega nabora polprevodniških materialov, ki morajo zadržati naboj (1) ali ne (0). Qubiti pa so veliko bolj zapleteni in jih je težko implementirati. In poleg prostorske izolacije kubita, ga morate zaščititi pred motnjami iz okolja, kot so temperatura in elektrostatična nihanja. Ker bodo tako majhne okoljske spremembe tudi pokvarile te države.

Ta izguba prepletenosti ali sistemskega ravnovesja se imenuje kvantna dekoherenca in je glavni problem, ki ga poskuša rešiti večina raziskovalcev. Tako huda je, da bo Googlov prihajajoči 1,000-kubitni stroj potreboval do 1,000 kubitov za popravljanje napak vsakega kubita. Tako postane stroj z 1 milijonom kubitov.

Pomeni tudi, da trenutno ne morete ravnati s kvantnim računalnikom, kot bi s prenosnikom ali pametnim telefonom. Računalnik potrebuje laboratorijske pogoje, da ohrani varno raven stabilnosti svojih kubitov.

Druga pomanjkljivost je omejen obseg tako imenovane kvantne nadvlade, ker vsak računalniški problem ne vključuje velike količine števil ali možnosti. Torej je računalniška spodbuda v večini drugih operacij premajhna, da bi upravičila pristop kvantnega računalništva. In razen če bodo kvantni računalniki na koncu cenejši od klasičnih računalnikov, jih prav tako ne bodo kmalu nadomestili.

Kljub vsem tem pomanjkljivostim imajo kvantni računalniki in njihovi kubiti velik potencial v računalniški industriji zaradi velikega števila, ki ga z lahkoto obravnavajo.

Ali obstajajo nevarnosti kvantnega računalništva?

ja Vsak dober heker ve, da ima vsaka tehnologija vrzel. Samo najti ga moraš. Torej, ne glede na dejansko implementacijo kvantnih računalnikov v prihodnosti, bodo še vedno težave s tehnologijo. In igralci, ki so jih pripravljeni izkoristiti.

Ta scenarij se nanaša na uporabe, kot so bančništvo, finance, vlada in podobne javne dejavnosti. Drugi scenarij je, ko zlonamerni igralec uporabi neverjetno moč dobrega kvantnega računalnika, da izvede podvig. In kot vedno, se bodo ljudje za takšno možnost zavedli šele po opravljenem dejanju.

Kvantno računalništvo se dobro znajde s številkami. Torej algoritmi asimetričnega šifriranja, ki uporabljajo faktorizacijo, kot je RSA z javnim ključem, niso varni. Po drugi strani sta zgoščevanje in simetrična kriptografija, kot sta AES-256 in 512 ter SHA-256 in 512, relativno varni.

Druge aplikacije kvantne mehanike

Čeprav je svet kvantnega računalništva vznemirljiv, je še vedno le del kvantne mehanike. Z drugimi besedami, kvantna zabava se šele začenja.

Kvantna mehanika je bila ključna pri razvoju polprevodnikov in sodobne elektronike. Delo poteka tudi za kvantno mreženje in kriptografijo, na primer v Švici pionir kvantne kriptografije ID Quantique. Poleg tega so kvantni pojavi obetavni tudi na številnih raziskovalnih področjih, vključno s fotosintezo, receptorji za vonj in celo naše razumevanje časa.

Kvantni računalniki iz resničnega sveta

Obstaja veliko kvantnih računalnikov in podobnih aplikacij. Prihajajo iz velikih multinacionalk, kot sta Google in IBM, pa tudi iz vlad in celo manjših igralcev, kot je Rigetti.

Kvantno računalništvo je trenutno eno najbolj vročih raziskovalnih področij na planetu. Torej obstaja verjetno več skrivnih programov, kot si lahko predstavljate. Spodaj je nekaj večjih projektov:

• Google ima v lasti 54-kubitne in 72-kubitne naprave
• IBM ima v lasti več kot 30 strojev, raztresenih po vsem svetu, vključno s 65-kubitnim Manhattnom
• Kitajska je domovina številnih kvantnih računalnikov, vključno s 76-kubitnim strojem in celo kvantno satelitsko komunikacijo.
• Googlov 54-qubitni stroj, ki ga poganja Sycamore, je porabil le 200 sekund za izračun, za kar bi superračunalniki potrebovali 10,000 let.
• IBM do leta 1,000 razvija 2023-kubitni stroj
• Rigetti Computing ima v lasti štiri, vključno z 31-kubitnim strojem
• Google gradi nov kvantni center, da bi do leta 1,000 ustvaril 2029-kubitni računalnik. Če upoštevamo popravek napak, bi lahko skupno število kubitov tega računalnika doseglo 1 milijon.

zaključek

Kvantni računalniki so tu, da ostanejo. Ker bodo ustvarili številne priložnosti in rešili probleme iz resničnega sveta, s katerimi so se klasični računalniki borili desetletja.

Vendar nas čaka še veliko dela in izzivov, ki jih moramo premagati, preden pridemo do cilja. In do takrat bo Kitajska morda presenetila svet.