Quantum Computing: Mening, fördelar och mer

Quantum databehandling är tillämpningen av kvantmekaniska principer vid utförande av beräkningar. De grundläggande fenomenen som används här är intrassling och överlagring.

Medan kvantberäkning är ett relativt nytt modeord, har kvantmekanik funnits mycket längre. Den var ansvarig för stora utvecklingar inom elektronikindustrin och erbjuder dessutom svar på många av mänsklighetens mysterier.

Kvantmekaniken fokuserar på hur atomer och subatomära partiklar fungerar, medan ordet kvant syftar på den minsta partikel man kan arbeta med. Det är den mest grundläggande byggstenen för alla fysiska föremål.

Från Max Planck till Albert Einstein, Neils Bohr och Erwin Schrödinger, många stora vetenskapsmän var involverade i utvecklingen av kvantmekaniken och dess slutliga kulmination till kvantberäkningsloppet – en av vår tids största teknologiraser.

Det här inlägget tar dig in i den magiska världen av kvantfenomen, visar hur du gör en dator av den och utforskar dess relaterade områden.

Spöklik action på avstånd

Kvantfenomen trotsar konventionell förståelse och fungerar på helt andra termer än klassisk fysik. Så på 1930-talet använde Einstein orden "spöklik handling på avstånd" för att beskriva fenomenen med kvantförveckling och hur det inte passar in i konventionell vetenskap.

Quantum intrassling är inget nytt. Om du skapar två partiklar på samma plats och i samma ögonblick, blir de intrasslade. Det betyder att vad som än händer med den ena påverkar den andra.

Det är som att bli kär och få ett samtal när du tänker på din älskare. Eller ringa ett samtal och höra "Jag skulle precis ringa dig". Enäggstvillingar har också varit kända för att bli sjuka samtidigt.

Den läskigaste delen av kvantentanglement är att du kan ta en av de intrasslade partiklarna långt bort. Och vilka förhållanden du än utsätter den för kommer att påverka den andra partikeln omedelbart, även från en halv galax bort.

Kvantdatorer använder den här egenskapen för att lagra enorma mängder information om flera partiklar samtidigt. Dessa partiklar kallas qubits eller quantum-bits, men först en titt på det andra kvantmekaniska fenomenet.

Erwin Schrödinger och hans katt

En annan tidig kvantforskare var den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger, som precis som Albert Einstein fann delar av kvantfenomenen löjliga. Så han kom på det nu berömda tankeexperimentet som heter "Schrödingers katt" för att visualisera paradoxen med kvantsuperposition.

Detta dock experiment säger att om du lägger en katt och något som kan döda katten i en låda och förseglade den. Du skulle inte veta om katten var död eller levande förrän du öppnade lådan. Så logiskt sett var katten både död och levande tills du öppnade lådan.

Superposition är det andra fenomenet som gör kvantberäkning möjlig. Där klassiska datorer arbetar med informationsbitar som antingen kan representera 1 eller 0 vid varje given tidpunkt, arbetar kvantdatorer med qubits (kvantbitar) som kan representera både 0 och 1 samtidigt, precis som katten som både var död och levande.

Här är en närmare titt på qubits.

The Bit vs The Qubit

Qubit är det som gör kvantberäkning möjlig. Även kallad kvantbit eller qbit, en qubit är den minsta energienhet som du kan manipulera för att spara och hämta information från.

En vanlig datorbit kan bara vara 0 eller 1 vid varje given tidpunkt. Medan en kvantbit kan vara båda samtidigt. Två vanliga bitar kan därför hålla 00, 01, 10 och 11 vid varje given tidpunkt. Men två kvantbitar kan hålla alla fyra tillstånden samtidigt. Detta innebär 4x snabbare beräkningscykler.

Med 3 vanliga bitar kan du antingen få 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 och 111 när som helst. Men 3 qubits kommer att hålla alla åtta tillstånden samtidigt, vilket ger dig 8 gånger snabbare beräkningscykler. Som du kan se är detta förhållande exponentiellt, då fördubblar varje ytterligare bit mängden tillgänglig information.

Så, med 5 qubits, tittar du på 32 samtidiga tillstånd, med 10 qubits är det över 1,000 20 tillstånd, och vid XNUMX qubits, över en miljon. Tänk nu på hur många stater 1,000 XNUMX-qubit kvantdatorer som IBM och Google utvecklar kan hålla samtidigt.

Du kan göra qubits av fotoner, elektroner, atomkärnor, kvantprickar, supraledareoch andra implementeringar. Målet är att skapa en stabil samling av kvantbitar av energi som du bekvämt kan ställa in och mäta efter behag.

Fördelar med Quantum Computing

Den stora fördelen med kvantberäkning är omedelbara resultat från komplexa problem. Detta är främst i situationer där du måste välja rätt svar bland många möjligheter. Och detta gör dem utmärkta för talfaktorering, storskaliga simuleringar och mönsterigenkänning inom artificiell intelligens.

Standardmetoden för klassiska datorer är att undersöka varje möjlighet tills du hittar det du letar efter. Ofta kallad en nål i en höstackssökning, hur lång tid denna operation kommer att ta beror på hur mycket hö eller skivor du måste sålla igenom. Och på hur snabb din maskin är.

Superdatorer underlättar sådana problem genom att öka hastigheten för att kontrollera varje möjlighet. Kvantdatorer, å andra sidan, kan generera alla möjligheter samtidigt, om tillräckligt många qubits finns tillgängliga. Det är därför de kan beräkna problem på några timmar som vanliga datorer kommer att ta hundratals till tusentals år att beräkna.

Kvantberäkningsproblem och begränsningar

Även om du enkelt kan mäta bitar i en klassisk dator, förstör mätning av en qubit dess tillstånd och dess intrasslade qubits.

Klassiska bitar är också gjorda av ett brett utbud av halvledarmaterial som bara måste antingen hålla en laddning (1) eller inte (0). Qubits är dock mycket mer komplexa och svåra att implementera. Och förutom att rymdisolera en qubit måste du skydda den från miljöstörningar, såsom temperatur och elektrostatiska fluktuationer. Eftersom sådana små miljöförändringar också kommer att korrumpera dessa stater.

Denna förlust av intrassling eller systembalans kallas kvantdekoherens och är det stora problemet som de flesta forskare försöker lösa. Det är så allvarligt att Googles kommande 1,000 1,000-qubit-maskin kommer att behöva upp till 1 XNUMX qubits för felkorrigering av varje qubit. Detta gör det till en XNUMX-miljon qubits maskin.

Det betyder också att du för närvarande inte kan hantera en kvantdator som du skulle göra med en bärbar dator eller smartphone. Datorn behöver laboratorieförhållanden för att upprätthålla en säker stabilitetsnivå för sina qubits.

En annan nackdel är den begränsade omfattningen av den så kallade kvantöverhögheten, eftersom inte alla datorproblem involverar stora volymer av tal eller möjligheter. Så, beräkningslyftet i de flesta andra operationer är för obetydligt för att motivera en kvantberäkningsmetod. Och om inte kvantdatorer blir billigare än klassiska datorer kommer de inte heller att ersätta dem inom kort.

Trots alla dessa nackdelar har kvantdatorer och deras qubits en stor potential i datorindustrin på grund av det stora antalet de kan hantera med lätthet.

Finns det faror med Quantum Computing?

Ja. Varje bra hackare vet att varje teknik har ett kryphål. Du måste bara hitta den. Så, oavsett de faktiska implementeringarna av kvantdatorer i framtiden, kommer det fortfarande att finnas problem med tekniken. Och skådespelare redo att dra nytta av dem.

Det här scenariot hänvisar till användningar som bank, finans, myndigheter och liknande offentlig verksamhet. Ett andra scenario är när en illvillig skådespelare använder den fantastiska kraften hos en bra kvantdator för att göra en bedrift. Och som alltid kommer människor att bli medvetna om en sådan möjlighet först efter att gärningen är gjord.

Kvantberäkning klarar sig bra med siffror. Så, asymmetriska krypteringsalgoritmer som använder faktorisering, såsom RSA med offentlig nyckel, är inte säkra. Hashing och symmetrisk kryptografi, som AES-256 och 512, samt SHA-256 och 512, å andra sidan, är relativt säkra.

Andra tillämpningar av kvantmekanik

Lika spännande som världen av kvantberäkningar är, är den fortfarande bara en del av kvantmekaniken. Så, med andra ord, kvantfesten har precis börjat.

Kvantmekaniken har varit avgörande för utvecklingen av halvledar- och modern elektronik. Arbete pågår även för kvantnätverk och kryptografi, till exempel schweizisk kvantkryptografi pionjär ID Quantique. Dessutom har kvantfenomen dessutom visat sig lovande inom många forskningsområden, inklusive fotosyntes, luktreceptorer och till och med vår förståelse av tiden.

Kvantdatorer i verkliga världen

Det finns många kvantdatorer och liknande applikationer där ute. De kommer från stora multinationella företag som Google och IBM, såväl som regeringar och till och med mindre aktörer som Rigetti.

Quantum computing är för närvarande ett av de hetaste forskningsområdena på planeten. Så det finns förmodligen fler hemliga program där ute än du kan föreställa dig. Nedan är några större projekt:

• Google äger 54-qubit och 72-qubit-maskiner
• IBM äger över 30 maskiner utspridda över hela världen, inklusive 65-qubit Manhattan
• Kina är hem för många kvantdatorer, inklusive en 76-qubit-maskin och till och med kvantsatellitkommunikation.
• Googles 54-qubit Sycamore-drivna maskin tillbringade bara 200 sekunder för att beräkna vad superdatorer skulle behöva 10,000 XNUMX år för att beräkna.
• IBM utvecklar en maskin på 1,000 2023 qubit till XNUMX
• Rigetti Computing äger fyra, inklusive en 31-qubit-maskin
• Google bygger ett nytt kvantcenter för att skapa en dator med 1,000 2029 qubits till 1. Om man tar hänsyn till felkorrigering kan den datorns totala qubits nå XNUMX miljon.

Slutsats

Kvantdatorer är här för att stanna. Eftersom de kommer att skapa många möjligheter och lösa verkliga problem som klassiska datorer har kämpat med i årtionden.

Det finns dock fortfarande mycket arbete kvar att göra och utmaningar att övervinna innan vi når dit. Och tills dess kan Kina bara överraska världen.