Ինչ է քվանտային հաշվարկը եւ ինչու է այն խախտում կանոնները
Սովորական համակարգիչները մշակում են տեղեկատվությունը բիթերի միջոցով: արժեքներ, որոնք 0 կամ 1 են: Դա ամեն ինչ կամ ոչինչ է, առանց միջին հիմքի: Դասական 3-բիթանոց համակարգիչը կարող է միաժամանակ մշակել 0-ների եւ 1-ների համակցություն: Քվանտային համակարգիչը, սակայն, աշխատում է քուբիթ (քվանտային բիթ), որոնք հետեւում են բոլորովին տարբեր կանոններին մեր իմացած ֆիզիկայից:
Մեծ տարբերությունը կոչվում է հայեցակարգում սուպերպոզիցիա: Քվբիտը կարող է լինել 0 եւ 1 միաժամանակ մինչեւ չափումը: Դա անհնար է թվում: Ահա թե ինչու է այն խախտում դասական տրամաբանությունը: Թեեւ նորմալ համակարգիչը պետք է յուրաքանչյուր հնարավորություն ստուգի մեկ առ մեկ, քվանտային համակարգիչը միանգամից ուսումնասիրում է բազմաթիվ հնարավորություններ: Ընդամենը 300 քյուբիթ սուպերպոզիցիայով դուք կունենաք ավելի շատ հնարավոր վիճակներ, քան ատոմները տիեզերքում:
Այս էքսպոնենցիալ մշակման հզորությունն է պատճառը, որ այնպիսի հսկաներ, ինչպիսիք են Google-ը, IBM-ը եւ Microsoft-ը, միլիարդներ են ներդնում քվանտային հետազոտություններում:
Քվանտային հաշվարկի սյուները
Սուպերպոզիցիա՝ միաժամանակ երկու տեղում լինելը
Սուպերպոզիցիան քվանտային հաշվարկի ամենաինտուիտիվ հիմքն է: Երբ չափում եք դասական բիթը, այն արդեն 0 կամ 1 է: Երբ չափում եք քյուբիթը, այն հավանաբար կգտնվի 0 կամ 1-ում, բայց մինչեւ չափումը, այն գոյություն ունի երկու վիճակներում միաժամանակ: Սա անտեղյակություն չէ, թե իրական արժեքը 0 կամ 1 է: դա իսկապես երկու նահանգներում է մինչեւ դիտարկելը:
Այս վարքագիծը դրսեւորվել է հայտնի կրկնակի ճեղքվածքով փորձի ժամանակ: մասնիկը կարող է անցնել միանգամից երկու ճանապարհով՝ միջամտելով իրեն: Դա քվանտային մեխանիկայի հիմքն է, եւ քվանտային համակարգիչները ուսումնասիրում են հենց այս սկզբունքը: Որքան շատ քյուբիթներ սուպերպոզիցիայի մեջ լինեն, այնքան մեծ է միաժամանակ ուսումնասիրված հնարավորությունների տարածությունը:
Խճճվածություն: Ակնթարթային անբացատրելի հարաբերակցություն
Խճճվածությունը (խճճվածությունը) նույնիսկ ավելի օտար է, քան սուպերպոզիցիան: Երբ երկու կամ ավելի քյուբիթներ խճճվում են, մեկի վիճակն ակնթարթորեն ազդում է մյուսի վիճակի վրա, անկախ նրանից, թե որքան հեռու են դրանք միմյանցից: Էյնշտեյնն այն անվանել է "սարսափելի գործողություն հեռավորության վրա" եւ չի հավատացել, որ դա իրական է:
Բայց դա իրական է, եւ այդպես է էական է քվանտային հզորության համարխճճված քվանտային համակարգչում քյուբիթի չափումը տեղեկատվություն է տալիս իր ուղեկիցների մասին՝ ստեղծելով հարաբերակցություններ, որոնք դասական համակարգիչները չեն կարող վերարտադրել:
Քվանտային միջամտություն: ճիշտ պատասխանների ուժեղացում
Քվանտային միջամտությունը թույլ է տալիս քվանտային ալգորիթմներին մեծացնել ճիշտ պատասխանների հավանականությունը եւ չեղարկել սխալները: Դա նման է ալիքների կարգավորմանը, որպեսզի գագաթները (աջ պատասխանները) բարձրանան, իսկ հովիտները (սխալ պատասխանները) անհետանան: Առանց հավանականությունների այս մանիպուլյացիայի, քյուբիթից ճիշտ պատասխանը կարդալը պարզապես բախտի խնդիր կլիներ:
Ինչպես է քվանտային համակարգիչը գործնականում աշխատում
Ֆիզիկական քվանտային համակարգիչը չափազանց նուրբ է: Քվուբիտները սովորաբար ատոմներ, ֆոտոններ կամ էլեկտրոններ են, որոնք թակարդված են ինտենսիվ էլեկտրամագնիսական դաշտերում: Ջերմության, թրթռումների, ճառագայթման եւ ճառագայթման ցանկացած խանգարում ոչնչացնում է սուպերպոզիցիան: Այսպիսով, քվանտային համակարգիչների մեծ մասը գործում է քվանտային միջավայրում բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճան՝ մոտ -273°:
Մշակումը հետեւում է հստակ քայլերին: կոշիկ (քյուբիթների պատրաստում սուպերպոզիցիայի մեջ), եւ գործողություն (կիրառել քվանտային նավահանգիստներ, որոնք շահարկում են քյուբիթները), կամ խճճվածություն (քյուբիթների միացում հարաբերակցություններ ստեղծելու համար) եւ չափում (ստացեք արդյունքը, որը փլուզում է սուպերպոզիցիան 0-ով կամ 1-ով): Խնդիրը քյուբիթները մշտապես կայուն պահելն է, քանի որ ցանկացած սխալ վտանգում է հաշվարկը:
Ներկայումս ամենաառաջադեմ քվանտային համակարգիչներն ունեն 50-ից 433 քյուբիթ: IBM-ը 2022 թվականին հասել է 433 քյուբիթի, սակայն դրանք դեռեւս բախվում են սխալների բարձր մակարդակի: Իրական աշխարհի խնդիրները լուծելու համար այն պետք է հասնի միլիոնավոր տրամաբանական քյուբիթների եւ կտրուկ նվազեցնի սխալները "հավանաբար մեկ տասնամյակ կամ ավելի հետազոտություններ":
Խնդիրներ, որոնք կարող են լուծել քվանտային հաշվարկը
Առօրյա առաջադրանքների համար, ինչպիսիք են ինտերնետում ճամփորդելը կամ փաստաթղթերի խմբագրումը, դասական համակարգիչները կմնան իդեալական: Բայց կան հատուկ դաշտեր, որտեղ քյուբիթներն ունեն էքսպոնենցիալ առավելություն:
Կոդավորումը եւ անվտանգությունը Քվանտային համակարգիչները կարող են րոպեների ընթացքում կոտրել այսօր օգտագործվող գաղտնագրման համակարգերի մեծ մասը: Սա հանգեցրել է հետքվանտային ծածկագրության զարգացմանը, ալգորիթմներ, որոնք դիմադրում են ինչպես դասական, այնպես էլ քվանտային համակարգիչներին:
Մոլեկուլային սիմուլյացիա: Բարդ մոլեկուլների մոդելավորումը ամենահեռանկարային կիրառություններից մեկն է: Նոր դեղամիջոցների, պարարտանյութերի կամ հատուկ հատկություններով նյութերի մշակումը ներառում է միլիարդավոր համակցությունների փորձարկում: Քվանտային համակարգիչը կարող է դա անել կտրուկ ավելի արագ՝ պոտենցիալ արագացնելով բժշկական հայտնագործությունները:
Օպտիմալացում: Խնդիրները, ինչպիսիք են բաշխիչ ցանցում ամենաարդյունավետ երթուղին գտնելը, ներդրումային պորտֆելների օպտիմալացումը կամ հարյուրավոր ռեսուրսների պլանավորումը, կարող են ավելի արագ լուծվել քվանտային ալգորիթմների միջոցով, ինչպիսին է QAOA-ն (Քվանտային մոտավոր օպտիմալացման ալգորիթմ):
Մեքենայական ուսուցում: Մեքենայական ուսուցման որոշ ալգորիթմներ կարող են արագացվել քվանտորեն: Միլիարդավոր պարամետրերով մոդելների վերապատրաստումը հաշվողականորեն թանկ է: քվանտային իրականացումները կարող են զգալիորեն նվազեցնել այս արժեքը:
Ընթացիկ մարտահրավերները եւ դեպի ապագա ճանապարհը
Ամենամեծ մարտահրավերը դեկոհերենցիա: Սուպերպոզիցիոն քյուբիթները արագորեն կորցնում են իրենց քվանտային վիճակը, երբ ենթարկվում են միջամտության: Տիպիկ քյուբիթը պահպանում է իր սուպերպոզիցիան միայն միկրովայրկյանով մինչեւ փլուզումը: Այդ ժամանակ համակարգիչը պետք է միլիարդավոր գործողություններ կատարի:
Մեկ այլ խնդիր է քվանտային սխալի ուղղումի տարբերություն դասական բիթերի՝ դուք չեք կարող պարզապես պատճենել քյուբիթը՝ դրա արժեքը ստուգելու համար՝ քանի որ չափումը ոչնչացնում է այն: Դուք պետք է ստեղծեք համակարգեր քվանտային ավելորդությամբ՝ օգտագործելով բազմաթիվ ֆիզիկական քյուբիթներ՝ մեկ տրամաբանական քյուբիթը պաշտպանելու համար: Ենթադրվում է, որ յուրաքանչյուր հուսալի տրամաբանական քյուբիթի համար պահանջվում է 1000 ֆիզիկական քյուբիթ:
Չնայած այս մարտահրավերներին՝ առաջընթացն արագանում է: Ամպային քվանտային համակարգիչներն արդեն հասանելի են՝ եւ IBM-ն առաջարկում է անվճար մուտք դեպի իրենց համակարգեր Qiskit հարթակի միջոցով: Ամբողջ աշխարհում հետազոտողները փորձարկում են ալգորիթմներ եւ կատարելագործում տեխնիկան: Ակնկալվում է՝ որ հաջորդ տասնամյակում մենք կտեսնենք առաջին քվանտային համակարգիչները՝ որոնք գործնական ունակությամբ լուծելու իրական խնդիրներ այնպիսի ոլորտներում՝ ինչպիսիք են դեղագործությունը՝ ֆինանսները եւ էներգետիկան:
Քվանտային հաշվարկների ապագա ազդեցությունը
Երբ քվանտային հաշվարկը հասունանա՝ այն կվերափոխի ամբողջ արդյունաբերությունը: Առողջապահության ոլորտում դեղերի զարգացումը արագացված կլինի տարիներից մինչեւ ամիսներ: Էներգիայի մեջ արեւային մարտկոցների եւ մարտկոցների օպտիմալացումը կարող է հանգեցնել շատ ավելի արդյունավետ տեխնոլոգիաների: Արհեստական ինտելեկտի պայմաններում ավելի բարդ եւ հզոր նեյրոնային ցանցերը կդառնան կենսունակ:
Բայց կան նաեւ ռիսկեր: ավանդական ծածկագրության խախտումը իրական սպառնալիք է: Կառավարություններն ու ընկերություններն արդեն գաղթում են դեպի քվանտային համակարգիչների նկատմամբ կայուն գաղտնագրման ստանդարտներ: Բացի այդ, քվանտային հաշվարկները կուժեղացնեն անհավասարությունները:
Հստակ է, որ մենք ապրում ենք պատմական պահին: Մենք ականատես ենք տեսական պատրանքից տեխնոլոգիական իրականության անցմանը: Քվանտային համակարգիչները չեն խախտում ֆիզիկայի օրենքները: իրականում նրանք վերջապես ճիշտ են օգտագործում դրանք: Տեղեկատվության մշակման համար քվանտային մեխանիկայի յուրացումը ամենամեծ գիտական նվաճումներից մեկն է, որին մարդկությունը կարող է հասնել, եւ այս հեղափոխությունը նոր է սկսվում:
