Kas yra kvantinė kompiuterija ir kodėl ji pažeidžia taisykles

Įprasti kompiuteriai apdoroja informaciją naudodami bitus: reikšmes, kurios yra 0 arba 1. Tai viskas arba nieko, be vidurio. Klasikinis 3 bitų kompiuteris vienu metu gali apdoroti 0 ir 1 derinį. kvantinis kompiuteris, tačiau, veikia su kubitai (kvantiniai bitai), kurie atitinka visiškai kitokias taisykles nei mums žinoma fizika.

Didelis skirtumas yra koncepcijoje, vadinamoje superpozicija. Kubitas gali būti 0 ir 1 vienu metu, kol išmatuotas. atrodo neįmanoma? Būtent todėl jis pažeidžia klasikinę logiką. Nors įprastas kompiuteris turi išbandyti kiekvieną galimybę po vieną, kvantinis kompiuteris vienu metu tiria kelias galimybes. Turėdamas tik 300 kubitų superpozicijoje, turėtumėte daugiau galimų būsenų nei atomai egzistuoja visatoje.

Dėl šios eksponentinės apdorojimo galios tokie gigantai kaip Google, IBM ir Microsoft investuoja milijardus į kvantinius tyrimus.

Kvantinio skaičiavimo ramsčiai

Superpozicija: buvimas dviejose vietose vienu metu

Superpozicija yra intuityviausias kvantinio skaičiavimo pagrindas Kai matuojate klasikinį bitą, jis jau yra 0 arba 1. Kai matuojate kubitą, tikėtina, kad jis bus rastas 0 arba 1, bet prieš matavimą jis egzistuoja abiejose būsenose vienu metu Tai nėra nežinojimas apie tai, kokia tikroji reikšmė yra 0 arba 1. tai tikrai yra abiejose valstybėse kol pastebėta.

Toks elgesys buvo pademonstruotas garsiajame dvigubo plyšio eksperimente: dalelė gali eiti dviem keliais vienu metu, trukdydama sau Tai yra kvantinės mechanikos pagrindas, o kvantiniai kompiuteriai tyrinėja būtent šį principą Kuo daugiau kubitų superpozicijoje, tuo didesnė vienu metu tyrinėjama galimybių erdvė.

Įsipainiojimas: momentinė nepaaiškinama koreliacija

Įsipainiojimas (įsipainiojimas) yra dar keistesnis už superpozicijąKai du ar daugiau kubitų įsipainioja, vieno būsena akimirksniu paveikia kito būseną, kad ir kaip toli vienas nuo kito būtų. Einšteinas tai pavadino „baisiu veiksmu per atstumą“ ir netikėjo, kad tai tikra.

Bet tai tikra, ir taip yra būtinas kvantinei galiaisusivėlusiame kvantiniame kompiuteryje kubito matavimas suteikia informacijos apie jo palydovus, sukuriant koreliacijas, kurių klasikiniai kompiuteriai negali atkurti.

Kvantiniai trukdžiai: teisingų atsakymų stiprinimas

Kvantiniai trukdžiai leidžia kvantiniams algoritmams padidinti teisingų atsakymų tikimybes ir panaikinti neteisingus Tai tarsi bangų reguliavimas, kad keteros (teisingi atsakymai) pakiltų aukštai, o slėniai (neteisingi atsakymai) išnyktų Be šio manipuliavimo tikimybėmis, teisingo atsakymo skaitymas iš kubito būtų tik sėkmės reikalas.

Kaip Kvantinis Kompiuteris Veikia Praktikoje

Fizinis kvantinis kompiuteris yra itin subtilus.Qubits paprastai yra atomai, fotonai ar elektronai, įstrigę intensyviuose elektromagnetiniuose laukuose. bet koks šilumos, vibracijos, spinduliuotės ir spinduliuotės sutrikimas sunaikina superpoziciją.todėl dauguma kvantinių kompiuterių veikia kvantinėje aplinkoje temperatūra artima absoliučiam nuliui, apie -273°C.

Apdorojimas atliekamas aiškiais žingsniais: bootstrap (kubitų paruošimas superpozicijoje) ir operaciją (taikyti kvantinius prievadus, kurie manipuliuoja kubitais), arba įsipainiojimas (kubitų sujungimas koreliacijoms sukurti) ir matavimas (gauti rezultatą, kuris sutraukia superpoziciją 0 arba 1). iššūkis yra išlaikyti kubitus stabilius visą laiką, nes bet kokia klaida pažeidžia skaičiavimą.

Šiuo metu pažangiausi kvantiniai kompiuteriai turi nuo 50 iki 433 kubitų IBM pasiekė 433 kubitus 2022 m., Tačiau jie vis dar susiduria su dideliu klaidų lygiu Norint išspręsti realaus pasaulio problemas, reikės pasiekti milijonus loginių kubitų ir drastiškai sumažinti klaidas 'tikriausiai dešimtmetį ar daugiau tyrimų.

Problemos, kurias gali išspręsti kvantinė kompiuterija

Kasdienėms užduotims, tokioms kaip naršymas internete ar dokumentų redagavimas, klasikiniai kompiuteriai išliks idealūs. Tačiau yra specifinių laukų, kuriuose kubitai turi eksponentinį pranašumą.

Šifravimas ir saugumas: Kvantiniai kompiuteriai gali per kelias minutes sulaužyti daugumą šiandien naudojamų šifravimo sistemų. Tai paskatino sukurti postkvantinę kriptografiją - algoritmus, kurie priešinasi tiek klasikiniams, tiek kvantiniams kompiuteriams.

Molekulinis modeliavimas: Sudėtingų molekulių imitavimas yra vienas iš perspektyviausių panaudojimo būdų Kuriant naujus vaistus, trąšas ar specifines savybes turinčias medžiagas reikia išbandyti milijardus derinių. Kvantinis kompiuteris galėtų tai padaryti dramatiškai greičiau, potencialiai paspartindamas medicinos atradimus.

Optimizavimas: Tokios problemos kaip efektyviausio maršruto paieška paskirstymo tinkle, investicijų portfelių optimizavimas ar šimtų išteklių planavimas gali būti greičiau išspręstos naudojant kvantinius algoritmus, tokius kaip QAOA (kvantinio apytikslio optimizavimo algoritmas).

Mašininis mokymasis: Kai kuriuos mašininio mokymosi algoritmus galima paspartinti kiekybiškai. Modelių su milijardais parametrų mokymas yra brangus skaičiavimais; kvantiniai diegimai galėtų žymiai sumažinti šias išlaidas.

Dabartiniai iššūkiai ir kelias į ateitį

Didžiausias iššūkis yra dekoherencija: superpozicijos kubitai greitai praranda savo kvantinę būseną, kai yra veikiami trukdžių Tipiškas kubitas išlaiko savo superpoziciją tik mikrosekundes prieš griūvant Tuo metu kompiuteriui reikia atlikti milijardus operacijų.

Kita problema yra kvantinės klaidos taisymasskirtingai nuo klasikinių bitų, jūs negalite tiesiog nukopijuoti kubito, kad patikrintumėte jo vertę, nes matavimas jį sunaikina. Jums reikės sukurti sistemas su kvantiniu pertekliumi, naudojant kelis fizinius kubitus, kad apsaugotumėte vieną loginį kubitą Apskaičiuota, kad kiekvienam patikimam loginiam kubitui reikia 1000 fizinių kubitų.

Nepaisant šių iššūkių, pažanga paspartėja Debesų kvantiniai kompiuteriai jau yra prieinami & IBM siūlo nemokamą prieigą prie jų sistemų per Qiskit platformą Tyrėjai visame pasaulyje išbando algoritmus ir tobulina metodus Tikimasi, kad per ateinantį dešimtmetį pamatysime pirmuosius kvantinius kompiuterius, turinčius praktinių galimybių spręsti realias problemas tokiose pramonės šakose kaip farmacija, finansai ir energetika.

Kvantinės kompiuterijos poveikis ateičiai

Kai kvantinė kompiuterija subręs, ji transformuos visas pramonės šakas Sveikatos priežiūros srityje vaistų kūrimas bus paspartintas nuo metų iki mėnesių. Energetikoje saulės baterijų ir baterijų optimizavimas gali lemti daug efektyvesnes technologijas. Dirbtiniame intelekte sudėtingesni ir galingesni neuroniniai tinklai taps gyvybingi.

Tačiau yra ir rizikos: tradicinės kriptografijos laužymas yra reali grėsmė Vyriausybės ir įmonės jau migruoja į kriptografinius standartus, atsparius kvantiniams kompiuteriams Be to, kvantinė kompiuterija sustiprins nelygybes.

Neabejotina, kad gyvename istoriniu momentu. esame perėjimo nuo teorinės iliuzijos prie technologinės tikrovės liudininkai Kvantiniai kompiuteriai nepažeidžia fizikos dėsnių; iš tikrųjų jie pagaliau juos tinkamai išnaudoja Kvantinės mechanikos įsisavinimas informacijai apdoroti yra vienas didžiausių mokslo laimėjimų, kuriuos žmonija gali pasiekti, ir ši revoliucija tik prasideda.