Wyjaśnienie obliczeń kwantowych: kiedy komputery łamią prawa fizyki

Czym jest Quantum Computing i dlaczego łamie zasady

Konwencjonalne komputery przetwarzają informacje za pomocą bitów: wartości, które wynoszą 0 lub 1. to wszystko lub nic, bez środka Klasyczny komputer 3-bitowy może przetwarzać kombinację 0 i 1 na raz Komputer kwantowy, jednak działa z kubiki (bity kwantowe), które kierują się zupełnie innymi regułami niż znana nam fizyka.

Duża różnica polega na koncepcji zwanej superpozycja. Kubit może być 0 i 1 jednocześnie, dopóki nie zostanie zmierzony Wydaje się to niemożliwe Dokładnie dlatego łamie klasyczną logikę Podczas gdy normalny komputer musi testować każdą możliwość jedna po drugiej, komputer kwantowy bada wiele możliwości na raz Przy zaledwie 300 kubitach w superpozycji, miałbyś więcej możliwych stanów niż atomy istnieją we wszechświecie.

Ta wykładnicza moc obliczeniowa jest powodem, dla którego giganci tacy jak Google, IBM i Microsoft inwestują miliardy w badania kwantowe.

Filary obliczeń kwantowych

Superpozycja: Bycie w Dwóch Miejscach jednocześnie

Superpozycja jest najbardziej intuicyjną podstawą obliczeń kwantowych Kiedy mierzy się bit klasyczny, to już jest 0 lub 1. kiedy mierzy się kubit, prawdopodobnie znajduje się on w 0 lub 1, ale przed pomiarem istnieje on w obu stanach jednocześnie Nie jest to niewiedza o tym, jaka jest rzeczywista wartość 0 lub 1. naprawdę jest w obu stanach do zaobserwowania.

Takie zachowanie zostało wykazane w słynnym eksperymencie z podwójną szczeliną: cząstka może przechodzić dwie ścieżki naraz, ingerując w siebie Jest podstawą mechaniki kwantowej, a komputery kwantowe badają dokładnie tę zasadę.Im więcej kubitów w superpozycji, tym większa przestrzeń możliwości badanych jednocześnie.

Splątanie: Natychmiastowa niewytłumaczalna korelacja

Splątanie (splątanie) jest jeszcze dziwniejsze niż superpozycja, Kiedy splątają się dwa lub więcej kubitów, stan jednego natychmiast wpływa na stan drugiego, bez względu na odległość między nimi Einstein nazwał to "upiornym działaniem na odległość" i nie wierzył, że jest prawdziwe.

Ale to jest prawdziwe i tak jest niezbędne dla mocy kwantowejw splątanym komputerze kwantowym pomiar kubitu dostarcza informacji o jego towarzyszach, tworząc korelacje, których klasyczne komputery nie są w stanie odtworzyć.

Zakłócenia kwantowe: wzmocnienie właściwych odpowiedzi

Interferencja kwantowa pozwala algorytmom kwantowym na powiększenie prawdopodobieństw poprawnych odpowiedzi i anulowanie błędnych. To tak, jakby dostosowywać fale tak, aby grzbiety (właściwe odpowiedzi) były wysokie, a doliny (złe odpowiedzi) znikały.Bez tej manipulacji prawdopodobieństwami odczytanie prawidłowej odpowiedzi z kubitu byłoby tylko kwestią szczęścia.

Jak działa komputer kwantowy w praktyce

Fizyczny komputer kwantowy jest niezwykle delikatny. Qubity to zwykle atomy, fotony lub elektrony uwięzione w intensywnych polach elektromagnetycznych. Wszelkie zakłócenia ciepła, wibracji, promieniowania i promieniowania niszczą superpozycję. Dlatego większość komputerów kwantowych działa w środowisku kwantowym temperatury bliskie zera absolutnego, około -273°C.

Przetwarzanie odbywa się w jasnych krokach: bootstrap (przygotowanie kubitów w superpozycji) i operacja (zastosuj porty kwantowe manipulujące kubitami) lub splątanie (łączenie kubitów w celu utworzenia korelacji) i pomiar (zdobądź wynik, który załamuje superpozycję o 0 lub 1).Wyzwaniem jest utrzymanie kubitów przez cały czas stabilnych, ponieważ każdy błąd utrudnia obliczenia.

Obecnie najbardziej zaawansowane komputery kwantowe mają od 50 do 433 kubitów IBM osiągnął 433 kubity w 2022 roku, ale wciąż borykają się z wysokimi wskaźnikami błędów Aby rozwiązać problemy w świecie rzeczywistym, będzie musiał dotrzeć do milionów kubitów logicznych i drastycznie zmniejszyć liczbę błędów 'prawdopodobnie dekadę lub więcej badań.

Problemy, które obliczenia kwantowe mogą rozwiązać

Do codziennych zadań, takich jak surfowanie po Internecie lub edycja dokumentów, klasyczne komputery pozostaną idealne. Istnieją jednak specyficzne pola, w których kubity mają wykładniczą przewagę.

Szyfrowanie i bezpieczeństwo: Komputery kwantowe mogą złamać większość systemów szyfrowania używanych obecnie w ciągu kilku minut. Doprowadziło to do opracowania kryptografii postkwantowej, algorytmów odpornych zarówno na komputery klasyczne, jak i kwantowe.

Symulacja molekularna: Symulacja złożonych cząsteczek jest jednym z najbardziej obiecujących zastosowań Opracowywanie nowych leków, nawozów lub materiałów o określonych właściwościach wiąże się z testowaniem miliardów kombinacji. Komputer kwantowy mógłby to zrobić znacznie szybciej, potencjalnie przyspieszając odkrycia medyczne.

Optymalizacja: Problemy takie jak znalezienie najbardziej wydajnej trasy w sieci dystrybucyjnej, optymalizacja portfeli inwestycyjnych czy planowanie setek zasobów można rozwiązać szybciej za pomocą algorytmów kwantowych, takich jak QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm).

Uczenie maszynowe: Niektóre algorytmy uczenia maszynowego można przyspieszyć ilościowo.Szkolenie modeli z miliardami parametrów jest kosztowne obliczeniowo; implementacje kwantowe mogą znacznie obniżyć ten koszt.

Aktualne wyzwania i droga do przyszłości

Największym wyzwaniem jest dekoherencja: kubity superpozycji szybko tracą swój stan kwantowy pod wpływem zakłóceń Typowy kubit utrzymuje swoją superpozycję tylko przez mikrosekundy, zanim się zapadnie. W tym czasie komputer musi wykonać miliardy operacji.

Kolejnym problemem jest korekcja błędów kwantowychw przeciwieństwie do bitów klasycznych, nie można po prostu skopiować kubitu, aby sprawdzić jego wartość, ponieważ pomiar go niszczy, Będziesz musiał stworzyć systemy z redundancją kwantową, używając wielu kubitów fizycznych, aby chronić pojedynczy kubit logiczny Szacuje się, że dla każdego niezawodnego kubitu logicznego potrzeba 1000 kubitów fizycznych.

Pomimo tych wyzwań postęp jest przyspieszony Chmura komputery kwantowe są już dostępne & IBM oferuje bezpłatny dostęp do swoich systemów za pośrednictwem platformy Qiskit Badacze na całym świecie testują algorytmy i techniki rafinacji.Oczekuje się, że w następnej dekadzie zobaczymy pierwsze komputery kwantowe z praktyczną zdolnością do rozwiązywania rzeczywistych problemów w takich branżach jak farmaceutyka, finanse i energia.

Przyszły wpływ obliczeń kwantowych

Kiedy obliczenia kwantowe dojrzewają, przekształcą całe gałęzie przemysłu. W opiece zdrowotnej rozwój leków będzie przyspieszany z lat na miesiące. W energetyce optymalizacja paneli słonecznych i baterii może prowadzić do znacznie bardziej wydajnych technologii. W sztucznej inteligencji bardziej złożone i potężne sieci neuronowe staną się opłacalne.

Ale są też zagrożenia: zerwanie tradycyjnej kryptografii jest prawdziwym zagrożeniem Rządy i firmy już migrują do standardów kryptograficznych odpornych na komputery kwantowe. Ponadto obliczenia kwantowe wzmocnią nierówności.

Pewne jest to, że żyjemy w chwili historycznej Jesteśmy świadkami przejścia od iluzji teoretycznej do rzeczywistości technologicznej Komputery kwantowe nie łamią praw fizyki; w rzeczywistości w końcu wykorzystują je właściwie Opanowanie mechaniki kwantowej do przetwarzania informacji jest jednym z największych osiągnięć naukowych, jakie ludzkość może osiągnąć, a rewolucja ta dopiero się zaczyna.