Kuantum Hesaplama: Anlamı, Avantajları ve Daha Fazlası

Kuantum bilgisayar hesaplamaların gerçekleştirilmesinde kuantum-mekanik ilkelerin uygulanmasıdır. Burada kullanılan temel fenomenler dolaşıklık ve üstüne koyma.

kuantum iken bilgisayar Nispeten yeni moda bir kelime olmasına rağmen, kuantum mekaniği çok daha uzun süredir var. Elektronik endüstrisindeki büyük gelişmelerden sorumluydu ve ayrıca insanlığın birçok gizemine yanıtlar sunuyor.

Kuantum mekaniği, atomların ve atom altı parçacıkların nasıl çalıştığına odaklanırken, kuantum kelimesi, çalışılabilecek en küçük parçacık anlamına gelir. Bu, herhangi bir fiziksel nesnenin en temel yapı taşıdır.

Max Planck'tan Albert Einstein'a, Neils Bohr'dan ve Erwin Schrödinger'e kadar pek çok büyük bilim adamı, kuantum mekaniğinin geliştirilmesinde ve onun zamanımızın en büyük teknoloji yarışlarından biri olan kuantum hesaplama yarışına dönüşmesinde yer aldı.

Bu gönderi sizi kuantum fenomenlerinin büyülü dünyasına götürür, ondan nasıl bir bilgisayar yapılacağını gösterir ve ilgili alanlarını araştırır.

Uzaktan Korkunç Aksiyon

Kuantum fenomenleri, geleneksel anlayışa meydan okur ve klasik fizikten tamamen farklı terimler üzerinde çalışır. Böylece, 1930'larda Einstein, kuantum dolaşıklığı fenomenini ve bunun geleneksel bilime nasıl uymadığını açıklamak için "uzaktan ürkütücü eylem" kelimelerini kullandı.

Kuantum dolaşıklığı yeni bir şey değil. Aynı yerde ve aynı anda iki parçacık yaratırsanız, bunlar birbirine karışır. Yani birinin başına gelen diğerini de etkiler.

Sevgilinizi düşündüğünüzde aşık olmak ve bir çağrı almak gibi. Ya da bir arama yapıp “tam seni arayacaktım” diye duymak. Tek yumurta ikizlerinin aynı zamanda hastalandığı da bilinmektedir.

Kuantum dolaşıklığın en ürkütücü yanı, dolaşık parçacıklardan birini çok uzaklara götürebilmenizdir. Ve onu hangi koşullara maruz bırakırsanız kullanın, ikinci parçacığı, yarım galaksi öteden bile anında etkileyecektir.

Kuantum bilgisayarları, aynı anda birden fazla parçacık üzerinde büyük miktarda bilgi depolamak için bu özelliği kullanır. Bu parçacıklara kübitler veya kuantum bitleri denir, ancak önce ikinci kuantum-mekanik fenomene bir göz atın.

Erwin Schrödinger ve Kedisi

Bir başka erken dönem kuantum araştırmacısı, Albert Einstein gibi kuantum fenomenlerinin bazı kısımlarını gülünç bulan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger'di. Böylece, kuantum süperpozisyon paradoksunu görselleştirmek için “Schrödinger'in kedisi” adlı şimdilerde ünlü olan düşünce deneyini buldu.

Bu deney, bir kediyi ve kediyi öldürebilecek bir şeyi bir kutuya koyarsanız ve onu mühürlerseniz belirtir. Kutuyu açana kadar kedinin ölü mü canlı mı olduğunu bilemezsiniz. Yani, mantıksal olarak, siz kutuyu açana kadar kedi hem ölü hem de canlıydı.

Süperpozisyon, kuantum hesaplamayı mümkün kılan ikinci olgudur. Klasik bilgisayarların herhangi bir zamanda 1 veya 0'ı temsil edebilen bilgi bitleriyle çalıştığı yerde, kuantum bilgisayarlar aynı anda hem 0'ı hem de 1'i temsil edebilen kübitlerle (kuantum bitleri) çalışır, tıpkı hem ölü hem de ölü olan kedi gibi. canlı.

İşte kübitlere daha yakından bir bakış.

Bit vs Qubit

Kubit, kuantum hesaplamayı mümkün kılan şeydir. Kuantum biti veya qbit olarak da adlandırılan kübit, bilgi kaydetmek ve almak için kullanabileceğiniz en küçük enerji birimidir.

Normal bir bilgisayar biti herhangi bir zamanda yalnızca 0 veya 1 olabilir. Bir kuantum biti aynı anda her ikisi de olabilir. Bu nedenle, iki normal bit herhangi bir zamanda 00, 01, 10 ve 11 tutabilir. Ancak iki kuantum biti aynı anda dört durumu da tutabilir. Bu, 4 kat daha hızlı hesaplama döngüleri anlamına gelir.

3 normal bit ile herhangi bir zamanda 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 ve 111 alabilirsiniz. Ancak 3 kübit, sekiz durumun tümünü aynı anda tutacak ve size 8 kat daha hızlı hesaplama döngüsü sağlayacaktır. Gördüğünüz gibi, bu ilişki üsteldir, o zaman her ek bit, mevcut bilgi miktarını ikiye katlar.

Yani, 5 kübit ile 32 eşzamanlı duruma bakıyorsunuz, 10 kübit ile 1,000'den fazla ve 20 kübitte bir milyonun üzerinde. Şimdi, kaç eyalette olduğunu düşünün. 1,000 kübit kuantum bilgisayarlar IBM ve Google'ın geliştirdikleri aynı anda tutabilir.

kübitler yapabilirsiniz fotonlarelektronlar, atom çekirdekleri, kuantum noktaları, süperiletkenler, ve diğer uygulamalar. Amaç, istediğiniz zaman rahatça ayarlayabileceğiniz ve ölçebileceğiniz sabit bir kuantum enerji bitleri koleksiyonu oluşturmaktır.

Kuantum Hesaplamanın Avantajları

Kuantum hesaplamanın en büyük avantajı karmaşık problemlerden anında sonuç alınmasıdır. Bu esas olarak birçok olasılık arasından doğru cevabı seçmeniz gereken durumlarda geçerlidir. Bu da onları sayı çarpanlarına ayırma, büyük ölçekli simülasyonlar ve örüntü tanıma için mükemmel kılar. yapay zeka.

Klasik bilgisayarlar için standart yaklaşım, aradığınızı bulana kadar her olasılığı araştırmaktır. Samanlık aramasında genellikle iğne olarak adlandırılan bu işlemin süresi, ne kadar saman veya kayıt elemeniz gerektiğine bağlıdır. Ve makinenizin ne kadar hızlı olduğu konusunda.

Süper bilgisayarlar, her olasılığı kontrol etme hızını artırarak bu tür sorunları kolaylaştırır. Kuantum bilgisayarlar ise yeterli kübit varsa tüm olasılıkları aynı anda üretebilir. Bu nedenle, sıradan bilgisayarların hesaplamasının yüzlerce ila binlerce yıl alacağı sorunları birkaç saat içinde hesaplayabilirler.

Kuantum Hesaplama Sorunları ve Sınırlamaları

Klasik bir bilgisayarda bitleri kolayca ölçebilseniz de, bir kübiti ölçmek onun ve dolaşmış kübitlerinin durumunu yok eder.

Ayrıca klasik uçlar, yalnızca bir yük (1) tutması veya (0) tutmaması gereken çok çeşitli yarı iletken malzemelerden yapılır. Bununla birlikte, kübitler çok daha karmaşık ve uygulanması zordur. Bir kübiti uzamsal olarak izole etmenin yanı sıra, onu sıcaklık ve elektrostatik dalgalanmalar gibi çevresel parazitlerden korumanız gerekir. Çünkü bu tür küçük çevresel değişiklikler bu durumları da bozacaktır.

Bu karışıklık veya sistem dengesi kaybına kuantum uyumsuzluğu denir ve çoğu araştırmacının çözmeye çalıştığı ana problemdir. Google'ın yaklaşmakta olan 1,000 kübitlik makinesinin, her bir kübitin hata düzeltmesi için 1,000 kübit'e kadar ihtiyacı olacak kadar şiddetlidir. Böylece onu 1 milyon kübitlik bir makine yapıyor.

Bu aynı zamanda şu anda bir kuantum bilgisayarı bir dizüstü bilgisayar veya akıllı telefon gibi kullanamayacağınız anlamına gelir. Bilgisayarın, kübitleri için güvenli bir kararlılık seviyesini korumak için laboratuvar koşullarına ihtiyacı var.

Diğer bir dezavantaj, sözde kuantum üstünlüğünün sınırlı kapsamıdır, çünkü her hesaplama problemi büyük hacimli sayılar veya olasılıklar içermez. Bu nedenle, diğer çoğu işlemdeki hesaplama artışı, bir kuantum hesaplama yaklaşımını haklı çıkarmak için çok önemsizdir. Ve kuantum bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan daha ucuza gelmedikçe, yakın zamanda onların yerini almıyorlar.

Tüm bu dezavantajlara rağmen, kuantum bilgisayarlar ve onların kübitleri, kolaylıkla işleyebilecekleri çok sayıda nedeniyle bilgisayar endüstrisinde büyük bir potansiyele sahiptir.

Kuantum Hesaplamanın Tehlikeleri Var mı?

Evet. Her iyi Hacker Her teknolojinin bir açığı olduğunu biliyor. Sadece bulman gerek. Dolayısıyla gelecekte kuantum bilgisayarların fiili uygulamaları ne olursa olsun, teknolojiyle ilgili sorunlar olmaya devam edecek. Ve aktörler bunlardan yararlanmaya hazır.

Bu senaryo bankacılık gibi kullanımları ifade eder, maliye, hükümet ve benzeri kamu faaliyetleri. İkinci senaryo ise kötü niyetli bir aktörün, iyi bir kuantum bilgisayarın inanılmaz gücünü kullanarak büyük bir başarı elde etmesidir. Ve her zaman olduğu gibi insanlar böyle bir ihtimalin ancak eylem gerçekleştikten sonra farkına varacak.

Kuantum hesaplama sayılarla iyi iş çıkarır. Dolayısıyla, açık anahtarlı RSA gibi çarpanlara ayırma kullanan asimetrik şifreleme algoritmaları güvenli değildir. Öte yandan AES-256 ve 512 ile SHA-256 ve 512 gibi karma ve simetrik kriptografi nispeten güvenlidir.

Kuantum Mekaniğinin Diğer Uygulamaları

Kuantum hesaplama dünyası ne kadar heyecan verici olsa da, hala kuantum mekaniğinin bir parçasıdır. Yani, başka bir deyişle, kuantum partisi daha yeni başlıyor.

Kuantum mekaniği, yarı iletken ve modern elektronik geliştirmede etkili olmuştur. İsviçre merkezli sistemler gibi kuantum ağ oluşturma ve kriptografi için de çalışmalar devam etmektedir. kuantum kriptografi öncü kimliği Quantique. Ayrıca kuantum fenomenleri, fotosentez, koku alıcıları ve hatta zaman anlayışımız.

Gerçek Dünya Kuantum Bilgisayarları

Piyasada birçok kuantum bilgisayar ve benzeri uygulamalar var. Google ve IBM gibi büyük çok uluslu şirketlerin yanı sıra hükümetlerden ve hatta Rigetti gibi daha küçük oyunculardan geliyorlar.

Kuantum hesaplama şu anda gezegendeki en sıcak araştırma alanlarından biridir. Yani muhtemelen tahmin edebileceğinizden çok daha fazla gizli program var. Aşağıda bazı büyük projeler yer almaktadır:

• Google'ın 54 kübit ve 72 kübit makineleri var
• IBM, 30-qubit Manhattan da dahil olmak üzere dünyanın dört bir yanına dağılmış 65'dan fazla makineye sahiptir.
• Çin, 76 kübitlik bir makine ve hatta kuantum uydu iletişimi de dahil olmak üzere birçok kuantum bilgisayara ev sahipliği yapıyor.
• Google'ın 54-qubit Sycamore destekli makinesi, süper bilgisayarların hesaplamak için 200 yıla ihtiyaç duyacağını hesaplamak için yalnızca 10,000 saniye harcadı.
• IBM, 1,000'e kadar 2023 kübitlik bir makine geliştiriyor
• Rigetti Computing, 31 kübitlik bir makine de dahil olmak üzere dördüne sahip
• Google, 1,000 yılına kadar 2029 kübitlik bir bilgisayar oluşturmak için yeni bir kuantum merkezi kuruyor. Faktoring hatası düzeltmesi, bu bilgisayarın toplam kübiti 1 milyona ulaşabilir.

Sonuç

Kuantum bilgisayarlar kalıcıdır. Birçok fırsat yaratacakları ve klasik bilgisayarların onlarca yıldır mücadele ettiği gerçek dünya sorunlarını çözecekleri için.

Ancak, oraya varmadan önce yapılacak çok iş ve üstesinden gelinmesi gereken zorluklar var. Ve o zamana kadar Çin dünyayı şaşırtabilir.