Obliczenia kwantowe: znaczenie, zalety i nie tylko

Obliczenia kwantowe to zastosowanie zasad mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń. Podstawowymi zjawiskami tutaj stosowanymi są splątanie i superpozycja .

Chociaż informatyka kwantowa jest stosunkowo nowym modnym hasłem, mechanika kwantowa istnieje znacznie dłużej. Był odpowiedzialny za ważne zmiany w przemyśle elektronicznym, a dodatkowo oferuje odpowiedzi na wiele tajemnic ludzkości.

Mechanika kwantowa skupia się na działaniu atomów i cząstek subatomowych, podczas gdy słowo kwant odnosi się do najmniejszej cząstki, z którą można pracować. To najbardziej podstawowa cegiełka każdego obiektu fizycznego.

Od Maxa Plancka po Alberta Einsteina, Neilsa Bohra i Erwina Schrodingera, wielu wielkich naukowców było zaangażowanych w rozwój mechaniki kwantowej i jej ostatecznego kulminacji w wyścigu komputerów kwantowych – jednym z największych wyścigów technologicznych naszych czasów.

Ten post zabierze Cię w magiczny świat zjawisk kwantowych, pokaże, jak zrobić z niego komputer i zgłębia powiązane z nim dziedziny.

Upiorna akcja na odległość

Zjawiska kwantowe wymykają się konwencjonalnemu rozumieniu i działają na zupełnie innych warunkach niż fizyka klasyczna. Tak więc w latach trzydziestych Einstein użył słów „upiorne działanie na odległość”, aby opisać zjawisko splątania kwantowego i to, jak nie pasuje do konwencjonalnej nauki.

Splątanie kwantowe nie jest niczym nowym. Jeśli utworzysz dwie cząsteczki w tym samym miejscu i momencie, to się zaplątują. Oznacza to, że cokolwiek dzieje się z jednym, wpływa na drugie.

To jak zakochanie się i odebranie telefonu, gdy myślisz o swoim kochanku. Albo dzwoniąc i słysząc „Właśnie miałem do ciebie zadzwonić”. Wiadomo również, że bliźnięta jednojajowe chorują w tym samym czasie.

Najbardziej przerażającą częścią splątania kwantowego jest to, że możesz zabrać jedną z splątanych cząstek daleko. I bez względu na warunki, którym je poddasz, natychmiast wpłyną na drugą cząsteczkę, nawet z pół galaktyki dalej.

Komputery kwantowe wykorzystują tę właściwość do przechowywania ogromnych ilości informacji na wielu cząsteczkach jednocześnie. Cząstki te nazywane są kubitami lub bitami kwantowymi, ale najpierw przyjrzyjmy się drugiemu zjawisku kwantowo-mechanicznemu.

Erwin Schrodinger i jego kot

Innym wczesnym badaczem kwantowym był austriacki fizyk Erwin Schrodinger, który, podobnie jak Albert Einstein, uważał, że części zjawisk kwantowych są śmieszne. Wymyślił więc słynny teraz eksperyment myślowy o nazwie „Kot Schrödingera”, aby zobrazować paradoks kwantowej superpozycji.

Ten chociaż eksperyment stwierdza, że ​​jeśli włożysz kota i coś, co może zabić kota, do pudełka i zapieczętujesz je. Nie wiedziałbyś, czy kot jest martwy, czy żywy, dopóki nie otworzysz pudełka. Logicznie więc kot był martwy i żywy, dopóki nie otworzysz pudełka.

Superpozycja to drugie zjawisko, które umożliwia wykonywanie obliczeń kwantowych. Podczas gdy klasyczne komputery pracują z bitami informacji, które mogą reprezentować 1 lub 0 w danym momencie, komputery kwantowe pracują z kubitami (bitami kwantowymi), które mogą reprezentować zarówno 0, jak i 1 w tym samym czasie, podobnie jak kot, który był martwy i martwy. żywy.

Oto bliższe spojrzenie na kubity.

Bit kontra kubit

Kubit jest tym, co umożliwia obliczenia kwantowe. Nazywany również bitem kwantowym lub qbitem, kubit to najmniejsza jednostka energii, którą można manipulować, aby zapisywać i pobierać informacje.

Zwykły bit komputera może mieć tylko 0 lub 1 w danym momencie. Podczas gdy bit kwantowy może być jednym i drugim jednocześnie. W związku z tym dwa regularne bity mogą zawierać 00, 01, 10 i 11 w dowolnym momencie. Ale dwa bity kwantowe mogą jednocześnie utrzymywać wszystkie cztery stany. Oznacza to 4x szybsze cykle obliczeniowe.

Przy 3 regularnych bitach możesz uzyskać 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 i 111 w dowolnym momencie. Ale 3 kubity zachowają jednocześnie wszystkie osiem stanów, co zapewnia 8-krotnie szybsze cykle obliczeniowe. Jak widać, ta zależność jest wykładnicza, więc każdy dodatkowy bit podwaja ilość dostępnych informacji.

Tak więc przy 5 kubitach patrzysz na 32 równoczesne stany, przy 10 kubitach to ponad 1000 stanów, a przy 20 kubitach ponad milion. Zastanówmy się teraz, ile stanów mogą jednocześnie posiadać komputery kwantowe o pojemności 1000 kubitów, które opracowują IBM i Google.

Możesz tworzyć kubity z fotonów, elektronów, jąder atomowych, kropek kwantowych, nadprzewodników i innych implementacji. Celem jest stworzenie stabilnego zbioru kwantowych bitów energii, które można wygodnie ustawiać i mierzyć do woli.

Zalety obliczeń kwantowych

Główną zaletą obliczeń kwantowych są natychmiastowe wyniki złożonych problemów. Dzieje się tak głównie w sytuacjach, w których musisz wybrać właściwą odpowiedź z wielu możliwości. Dzięki temu świetnie nadają się do faktoryzacji liczb, symulacji na dużą skalę i rozpoznawania wzorców w sztucznej inteligencji.

Standardowym podejściem do klasycznych komputerów jest zbadanie każdej możliwości, aż znajdziesz to, czego szukasz. Często nazywana igłą w przeszukiwaniu stogu siana, czas, jaki zajmie ta operacja, zależy od tego, ile siana lub rekordów musisz przesiać. I jak szybka jest Twoja maszyna.

Superkomputery ułatwiają takie problemy, zwiększając szybkość sprawdzania każdej możliwości. Z drugiej strony komputery kwantowe mogą generować wszystkie możliwości jednocześnie, jeśli dostępna jest wystarczająca liczba kubitów. Dlatego w ciągu kilku godzin mogą obliczyć problemy, których obliczenie zajmie zwykłym komputerom setki, a nawet tysiące lat.

Problemy i ograniczenia obliczeń kwantowych

Chociaż w klasycznym komputerze można z łatwością mierzyć bity, pomiar kubitu niszczy jego stan i stan splątanych kubitów.

Ponadto klasyczne bity są wykonane z szerokiej gamy materiałów półprzewodnikowych, które po prostu muszą utrzymywać ładunek (1) lub nie (0). Kubity są jednak znacznie bardziej złożone i trudniejsze do zaimplementowania. Oprócz przestrzennego odizolowania kubitu należy chronić go przed zakłóceniami środowiskowymi, takimi jak wahania temperatury i elektrostatyki. Ponieważ takie drobne zmiany środowiskowe skorumpują również te państwa.

Ta utrata splątania lub równowagi systemu nazywana jest dekoherencją kwantową i jest głównym problemem, który większość badaczy próbuje rozwiązać. Jest tak poważna, że ​​nadchodząca maszyna Google z 1000 kubitów będzie potrzebować do 1000 kubitów do korekcji błędów każdego kubitu. Dzięki temu jest to maszyna o wartości 1 miliona kubitów.

Oznacza to również, że obecnie nie możesz obsługiwać komputera kwantowego tak, jak laptop lub smartfon. Komputer potrzebuje warunków laboratoryjnych, aby utrzymać bezpieczny poziom stabilności swoich kubitów.

Kolejną wadą jest ograniczony zakres tzw. supremacji kwantowej, ponieważ nie każdy problem obliczeniowy wiąże się z dużą ilością liczb lub możliwości. Tak więc przyspieszenie obliczeniowe w większości innych operacji jest zbyt nieznaczne, aby uzasadnić podejście oparte na obliczeniach kwantowych. I o ile komputery kwantowe nie będą tańsze od klasycznych, nie zastąpią ich w najbliższym czasie.

Pomimo tych wszystkich wad, komputery kwantowe i ich kubity mają duży potencjał w branży komputerowej ze względu na dużą liczbę, z jaką mogą sobie poradzić z łatwością.

Czy istnieją zagrożenia związane z obliczeniami kwantowymi?

TAk. Każdy dobry haker wie, że każda technologia ma lukę. Po prostu musisz to znaleźć. Tak więc, bez względu na faktyczne wdrożenia komputerów kwantowych w przyszłości, nadal będą problemy z technologią. I aktorzy gotowi je wykorzystać.

Ten scenariusz odnosi się do zastosowań takich jak bankowość, finanse, rząd i podobne działania publiczne. Drugi scenariusz to sytuacja, w której złośliwy aktor wykorzystuje niesamowitą moc dobrego komputera kwantowego, aby dokonać wyczynu. I jak zawsze, ludzie zdadzą sobie sprawę z takiej możliwości dopiero po dokonaniu czynu.

Obliczenia kwantowe dobrze sobie radzą z liczbami. Tak więc algorytmy szyfrowania asymetrycznego, które wykorzystują faktoryzację, takie jak RSA z kluczem publicznym, nie są bezpieczne. Z drugiej strony szyfrowanie haszujące i kryptografia symetryczna, takie jak AES-256 i 512, a także SHA-256 i 512, są stosunkowo bezpieczne.

Inne zastosowania mechaniki kwantowej

Choć świat komputerów kwantowych jest ekscytujący, nadal jest tylko częścią mechaniki kwantowej. Innymi słowy, impreza kwantowa dopiero się zaczyna.

Mechanika kwantowa odegrała kluczową rolę w rozwoju półprzewodników i nowoczesnej elektroniki. Trwają również prace nad sieciami kwantowymi i kryptografią, takimi jak pionierska szwajcarska kryptografia kwantowa ID Quantique. Ponadto zjawiska kwantowe okazały się obiecujące w wielu dziedzinach badawczych, w tym w fotosyntezie, receptorach zapachowych, a nawet w naszym zrozumieniu czasu.

Prawdziwe komputery kwantowe

Istnieje wiele komputerów kwantowych i podobnych aplikacji. Pochodzą z dużych międzynarodowych korporacji, takich jak Google i IBM, a także z rządów, a nawet mniejszych graczy, takich jak Rigetti.

Obliczenia kwantowe to obecnie jeden z najgorętszych obszarów badawczych na świecie. Więc prawdopodobnie istnieje więcej tajnych programów, niż możesz sobie wyobrazić. Poniżej kilka głównych projektów:

• Google jest właścicielem maszyn 54-kubitowych i 72-kubitowych
• IBM posiada ponad 30 maszyn rozsianych po całym świecie, w tym 65-kubitowy Manhattan
• Chiny są domem dla wielu komputerów kwantowych, w tym maszyny 76-kubitowej, a nawet kwantowej komunikacji satelitarnej.
• 54-kubitowa maszyna firmy Google z systemem Sycamore poświęciła zaledwie 200 sekund na obliczenie, czego superkomputery potrzebowałyby 10 000 lat do obliczeń.
• IBM opracuje maszynę o pojemności 1000 kubitów do 2023 r.
• Rigetti Computing posiada cztery, w tym maszynę z 31 kubitami
• Google buduje nowe centrum kwantowe, aby do 2029 r. stworzyć komputer o pojemności 1000 kubitów. Uwzględniając korekcję błędów, łączna liczba kubitów tego komputera może osiągnąć milion.

Wniosek

Komputery kwantowe zostają. Ponieważ stworzą wiele możliwości i rozwiążą rzeczywiste problemy, z którymi od dziesięcioleci zmagają się klasyczne komputery.

Jednak, zanim tam dotrzemy, jest jeszcze wiele do zrobienia i wyzwań do pokonania. A do tego czasu Chiny mogą po prostu zaskoczyć świat.