Квантові обчислення: значення, переваги та інше

Квантовий обчислення це застосування квантово-механічних принципів у виконанні обчислень. Тут використовуються такі основні явища заплутаність та суперпозиція.

Хоча квантові обчислення є відносно новим модним словом, квантова механіка існує набагато довше. Він був відповідальним за основні розробки в електронній промисловості, а також пропонує відповіді на багато загадок людства.

Квантова механіка зосереджується на тому, як працюють атоми та субатомні частинки, тоді як слово квант відноситься до найменшої частинки, з якою можна працювати. Це основний будівельний блок будь-якого фізичного об’єкта.

Від Макса Планка до Альберта Ейнштейна, Нільса Бора та Ервіна Шредінгера багато видатних вчених брали участь у розвитку квантової механіки та її кінцевому завершенні у гонці квантових обчислень – одній із найвидатніших гонок технологій нашого часу.

Ця публікація перенесе вас у чарівний світ квантових явищ, покаже вам, як створити з них комп’ютер, і дослідить пов’язані з ними сфери.

Моторошна дія на відстані

Квантові явища кидають виклик загальноприйнятому розумінню та працюють на зовсім інших термінах, ніж у класичній фізиці. Отже, у 1930-х роках Ейнштейн використав слова «моторошна дія на відстані», щоб описати явище квантової заплутаності та те, як воно не вписується в звичайну науку.

Квантова заплутаність не є чимось новим. Якщо створити дві частинки в одному місці й миттєво, вони заплутаються. Це означає, що все, що відбувається з одним, впливає на іншого.

Це як закохатися і отримати дзвінок щоразу, коли ти думаєш про свого коханого. Або зробити дзвінок і почути «Я якраз збирався тобі подзвонити». Також відомо, що однояйцеві близнюки хворіють одночасно.

Найстрашніша частина квантової заплутаності полягає в тому, що ви можете забрати одну із заплутаних частинок далеко. І будь-які умови, яким ви її піддаєте, миттєво вплинуть на другу частинку, навіть на відстані половини галактики.

Квантові комп’ютери використовують цю властивість для зберігання величезних обсягів інформації про декілька частинок одночасно. Ці частинки називаються кубітами або квантовими бітами, але спочатку поглянемо на друге квантово-механічне явище.

Ервін Шредінгер і його кіт

Іншим раннім дослідником квантової теорії був австрійський фізик Ервін Шредінгер, який, як і Альберт Ейнштейн, вважав деякі частини квантових явищ смішними. Отже, він придумав відомий нині мисленнєвий експеримент під назвою «кіт Шредінгера», щоб візуалізувати парадокс квантової суперпозиції.

У цьому експерименті стверджується, що якщо ви помістите кота та щось, що може вбити кота, у коробку та запечатаєте її. Ви б не дізналися, мертвий кіт чи живий, доки не відкриєте коробку. Отже, за логікою, кіт був і мертвим, і живим, поки ви не відкриєте коробку.

Суперпозиція — це друге явище, яке робить можливим квантове обчислення. Там, де класичні комп’ютери працюють з бітами інформації, які можуть представляти 1 або 0 у будь-який момент часу, квантові комп’ютери працюють з кубітами (квантовими бітами), які можуть представляти 0 і 1 одночасно, як кіт, який був мертвим і живий.

Ось ближчий погляд на кубіти.

Біт проти Кубіту

Кубіт – це те, що робить можливим квантове обчислення. Також відомий як квантовий біт або кубіт, кубіт — це найменша одиниця енергії, якою можна маніпулювати, щоб зберігати та отримувати інформацію.

Звичайний комп’ютерний біт може бути лише 0 або 1 у будь-який момент часу. У той час як квантовий біт може бути обома одночасно. Таким чином, два звичайних біта можуть містити 00, 01, 10 і 11 у будь-який момент часу. Але два квантові біти можуть утримувати всі чотири стани одночасно. Це означає в 4 рази швидші цикли обчислень.

Завдяки 3 звичайним бітам ви можете отримати 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 і 111 у будь-який момент часу. Але 3 кубіти будуть утримувати всі вісім станів одночасно, даючи вам у 8 разів швидші цикли обчислень. Як бачите, цей зв’язок є експоненціальним, тож кожен додатковий біт подвоює кількість доступної інформації.

Отже, з 5 кубітами ви дивитесь на 32 одночасних стани, з 10 кубітами це понад 1,000 станів, а з 20 кубітами більше мільйона. Тепер подумайте, скільки станів 1,000-кубітні квантові комп’ютери які IBM і Google розробляють, можуть зберігатися одночасно.

Ви можете робити кубіти з фотонів, електрони, атомні ядра, квантові точки, надпровідникита інші реалізації. Мета полягає в тому, щоб створити стабільну колекцію квантових частинок енергії, яку ви можете зручно встановлювати та вимірювати за бажанням.

Переваги квантових обчислень

Головна перевага квантових обчислень — миттєві результати складних проблем. Це переважно в ситуаціях, коли вам потрібно вибрати правильну відповідь із багатьох можливих. І це робить їх чудовими для розкладання чисел, великомасштабного моделювання та розпізнавання образів у штучному інтелекті.

Стандартний підхід для класичних комп’ютерів полягає у дослідженні кожної можливості, доки не знайдете те, що шукаєте. Ця операція, яку часто називають голкою в пошуку стогу сіна, залежить від того, скільки сіна або записів вам потрібно просіяти. І від того, наскільки швидка ваша машина.

Суперкомп’ютери полегшують такі проблеми, збільшуючи швидкість перевірки кожної можливості. З іншого боку, квантові комп’ютери можуть генерувати всі можливості одночасно, якщо доступно достатньо кубітів. Ось чому вони можуть обчислити задачі за кілька годин, для обчислення яких звичайним комп’ютерам знадобляться від сотень до тисяч років.

Проблеми та обмеження квантових обчислень

Хоча ви можете легко виміряти біти в класичному комп’ютері, вимірювання кубіта руйнує його стан і стан його заплутаних кубітів.

Крім того, класичні біти виготовляються з широкого діапазону напівпровідникових матеріалів, які просто повинні утримувати заряд (1) або ні (0). Однак кубіти набагато складніші та складніші для впровадження. І на додаток до просторової ізоляції кубіта, вам потрібно захистити його від зовнішнього впливу, такого як температура та електростатичні коливання. Оскільки такі незначні зміни навколишнього середовища також розбещують ці держави.

Ця втрата заплутаності або системного балансу називається квантовою декогеренцією і є основною проблемою, яку намагаються вирішити більшість дослідників. Це настільки серйозно, що майбутній 1,000-кубітній машині Google знадобиться до 1,000 кубітів для виправлення помилок кожного кубіта. Таким чином, це машина на 1 мільйон кубітів.

Це також означає, що зараз ви не можете працювати з квантовим комп’ютером так, як з ноутбуком чи смартфоном. Комп’ютеру потрібні лабораторні умови, щоб підтримувати безпечний рівень стабільності своїх кубітів.

Іншим недоліком є ​​обмежений обсяг так званої квантової переваги, тому що не кожна обчислювальна проблема передбачає великий обсяг чисел або можливостей. Отже, обчислювальний приріст у більшості інших операцій надто незначний, щоб виправдати підхід квантового обчислення. І якщо квантові комп’ютери не будуть дешевшими за класичні комп’ютери, вони також не замінять їх найближчим часом.

Незважаючи на всі ці недоліки, квантові комп’ютери та їхні кубіти мають великий потенціал у комп’ютерній індустрії через велику кількість даних, з якими вони можуть легко працювати.

Чи існують небезпеки з квантовими обчисленнями?

так Кожен хороший хакер знає, що кожна технологія має лазівку. Ви просто повинні знайти його. Отже, незалежно від реальних реалізацій квантових комп’ютерів у майбутньому, проблеми з технологією все одно будуть. І актори, готові заробити на них.

Цей сценарій стосується банківської, фінансової, державної та подібної громадської діяльності. Другий сценарій — коли зловмисник використовує дивовижну потужність хорошого квантового комп’ютера, щоб здійснити подвиг. І як завжди, люди дізнаються про таку можливість лише після того, як справа буде зроблена.

Квантові обчислення добре справляються з числами. Таким чином, асиметричні алгоритми шифрування, які використовують факторізацію, такі як RSA з відкритим ключем, небезпечні. З іншого боку, хешування та симетрична криптографія, як-от AES-256 і 512, а також SHA-256 і 512, відносно безпечні.

Інші застосування квантової механіки

Яким би захоплюючим не був світ квантових обчислень, він все ще є лише частиною квантової механіки. Отже, іншими словами, квантова вечірка тільки починається.

Квантова механіка відіграла важливу роль у розвитку напівпровідників і сучасної електроніки. Також ведеться робота над квантовими мережами та криптографією, наприклад у Швейцарії піонер квантової криптографії ID Quantique. Крім того, квантові явища також показали перспективність у багатьох галузях досліджень, включаючи фотосинтез, рецептори запахів і навіть наше розуміння часу.

Реальні квантові комп’ютери

Існує багато квантових комп’ютерів і подібних програм. Вони походять від великих транснаціональних компаній, таких як Google і IBM, а також від урядів і навіть менших гравців, таких як Rigetti.

Квантові обчислення на даний момент є одним із найпопулярніших напрямків досліджень на планеті. Тож, ймовірно, існує більше секретних програм, ніж ви можете собі уявити. Нижче наведено кілька основних проектів:

• Google володіє 54-кубітними та 72-кубітними машинами
• IBM володіє понад 30 машинами, розкиданими по всьому світу, включаючи 65-кубітний Manhattan
• Китай є батьківщиною багатьох квантових комп’ютерів, включаючи 76-кубітну машину та навіть квантовий супутниковий зв’язок.
• 54-кубітна машина Google на базі Sycamore витратила лише 200 секунд, щоб обчислити те, на що суперкомп’ютерам знадобилося б 10,000 XNUMX років.
• IBM розробляє 1,000-кубітну машину до 2023 року
• Rigetti Computing володіє чотирма, включаючи 31-кубітну машину
• Google будує новий квантовий центр, щоб створити 1,000-кубітний комп’ютер до 2029 року. З урахуванням виправлення помилок загальна кількість кубітів цього комп’ютера може досягти 1 мільйона.

Висновок

Квантові комп’ютери тут, щоб залишитися. Оскільки вони створять багато можливостей і вирішать проблеми реального світу, з якими класичні комп’ютери боролися десятиліттями.

Однак попереду ще багато роботи та викликів, які потрібно подолати, перш ніж ми досягнемо цього. А до того часу Китай може дивувати світ.