Calcularea cuantică: semnificație, avantaje și altele

Calculul cuantic este aplicarea principiilor mecanicii cuantice în efectuarea calculelor. Fenomenele de bază folosite aici sunt încurcarea și suprapunerea .

În timp ce calculul cuantic este un cuvânt la modă relativ nou, mecanica cuantică există de mult mai mult timp. A fost responsabil pentru evoluțiile majore din industria electronică și oferă în plus răspunsuri la multe dintre misterele omenirii.

Mecanica cuantică se concentrează asupra modului în care funcționează atomii și particulele subatomice, în timp ce cuvântul cuantic se referă la cea mai mică particulă cu care se poate lucra. Acesta este elementul de bază al oricărui obiect fizic.

De la Max Planck la Albert Einstein, Neils Bohr și Erwin Schrodinger, mulți mari oameni de știință au fost implicați în dezvoltarea mecanicii cuantice și în eventuala culminare a acesteia în cursa de calcul cuantic - una dintre cele mai mari curse tehnologice ale timpului nostru.

Această postare vă duce în lumea magică a fenomenelor cuantice, vă arată cum să faceți un computer din el și explorează domeniile conexe ale acestuia.

Acțiune înfricoșătoare la distanță

Fenomenele cuantice sfidează înțelegerea convențională și lucrează pe termeni complet diferiți de fizica clasică. Așadar, în anii 1930, Einstein a folosit cuvintele „acțiune înfricoșătoare la distanță” pentru a descrie fenomenele de întricare cuantică și modul în care nu se încadrează în știința convențională.

Închegarea cuantică nu este nimic nou. Dacă creați două particule în același loc și instantaneu, atunci acestea devin încurcate. Înseamnă că orice i se întâmplă unuia, îl afectează pe celălalt.

Este ca și cum te-ai îndrăgosti și primești un apel ori de câte ori te gândești la iubitul tău. Sau efectuând un apel și auzind „Tocmai eram pe cale să te sun”. De asemenea, se știe că gemenii identici se îmbolnăvesc în același timp.

Cea mai înfricoșătoare parte a încâlcirii cuantice este că poți lua una dintre particulele încurcate departe. Și indiferent de condițiile la care o supui, a doua particulă va afecta instantaneu, chiar și de la o jumătate de galaxie distanță.

Calculatoarele cuantice folosesc această proprietate pentru a stoca cantități uriașe de informații pe mai multe particule simultan. Aceste particule sunt numite qubiți sau biți cuantici, dar mai întâi, o privire asupra celui de-al doilea fenomen mecanic cuantic.

Erwin Schrodinger și pisica lui

Un alt cercetător cuantic timpuriu a fost fizicianul austriac Erwin Schrodinger, care, la fel ca Albert Einstein, a găsit la fel de ridicole părți ale fenomenelor cuantice. Așadar, a venit cu faimosul experiment de gândire numit „pisica lui Schrodinger” pentru a vizualiza paradoxul suprapunerii cuantice.

Acest experiment arată că dacă puneți o pisică și ceva care ar putea ucide pisica într-o cutie și o sigilați. Nu veți ști dacă pisica este moartă sau vie până când nu deschideți cutia. Deci, logic, pisica era și moartă și vie până când deschideți cutia.

Suprapunerea este al doilea fenomen care face posibilă calculul cuantic. În cazul în care computerele clasice lucrează cu biți de informații care pot reprezenta fie 1, fie 0 la un moment dat, computerele cuantice lucrează cu qubiți (biți cuantici) care pot reprezenta atât 0, cât și 1 în același timp, la fel ca pisica care a fost moartă și moartă. în viaţă.

Iată o privire mai atentă asupra qubiților.

Bit vs Qubit

Qubit-ul este ceea ce face posibilă calculul cuantic. Denumit și bit cuantic sau qbit, un qubit este cea mai mică unitate de energie pe care o poți manipula pentru a salva și a prelua informații din care.

Un bit obișnuit de computer poate fi doar 0 sau 1 la un moment dat. În timp ce un bit cuantic poate fi ambele în același timp. Prin urmare, doi biți obișnuiți pot conține 00, 01, 10 și 11 în orice moment dat. Dar doi biți cuantici pot deține toate cele patru stări în același timp. Aceasta înseamnă cicluri de calcul de 4 ori mai rapide.

Cu 3 biți obișnuiți, puteți obține fie 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 și 111 în orice moment. Dar 3 qubiți vor menține toate cele opt stări în același timp, oferindu-vă cicluri de calcul de 8 ori mai rapide. După cum puteți vedea, această relație este exponențială, apoi fiecare bit suplimentar dublează cantitatea de informații disponibile.

Deci, cu 5 qubiți, te uiți la 32 de stări simultane, cu 10 qubiți sunt peste 1.000 de stări, iar la 20 de qubiți, peste un milion. Acum, luați în considerare câte state pot deține simultan computerele cuantice de 1.000 de qubiți pe care le dezvoltă IBM și Google.

Puteți crea qubiți din fotoni, electroni, nuclee atomice, puncte cuantice, supraconductori și alte implementări. Scopul este de a crea o colecție stabilă de biți cuantici de energie pe care le puteți seta și măsura în mod convenabil după bunul plac.

Avantajele calculului cuantic

Avantajul major al calculului cuantic este rezultatele instantanee din probleme complexe. Acest lucru se întâmplă în principal în situațiile în care trebuie să alegeți răspunsul corect din multe posibilități. Și acest lucru le face grozave pentru factorizarea numerelor, simulări la scară largă și recunoașterea modelelor în inteligența artificială.

Abordarea standard pentru calculatoarele clasice este de a investiga fiecare posibilitate până când găsiți ceea ce căutați. Adesea numit ac în căutarea unui car de fân, timpul pe care îl va dura această operațiune depinde de cât de mult fân sau înregistrări trebuie să verificați. Și cât de rapidă este mașina ta.

Supercalculatoarele facilitează astfel de probleme prin creșterea vitezei de verificare a fiecărei posibilități. Calculatoarele cuantice, pe de altă parte, pot genera toate posibilitățile simultan, dacă sunt disponibili suficienți qubiți. De aceea, ei pot calcula probleme în câteva ore pe care computerele obișnuite le vor lua de la sute la mii de ani să le calculeze.

Probleme și limitări de calcul cuantic

În timp ce puteți măsura cu ușurință biți într-un computer clasic, măsurarea unui qubit distruge starea acestuia și a qubitilor săi încurși.

De asemenea, biții clasici sunt fabricați dintr-o gamă largă de materiale semiconductoare care trebuie doar să mențină o sarcină (1) sau nu (0). Qubit-urile sunt, totuși, mult mai complexe și dificil de implementat. Și pe lângă izolarea spațială a unui qubit, trebuie să-l protejați de interferențele mediului, cum ar fi fluctuațiile de temperatură și electrostatice. Pentru că astfel de mici schimbări de mediu vor corupe și aceste state.

Această pierdere a încurcăturii sau a echilibrului sistemului se numește decoerență cuantică și este problema majoră pe care majoritatea cercetătorilor încearcă să o rezolve. Este atât de grav încât viitoarea mașină de 1.000 de qubit de la Google va avea nevoie de până la 1.000 de qubiți pentru corectarea erorilor fiecărui qubit. Făcându-l astfel o mașină de 1 milion de qubiți.

De asemenea, înseamnă că în prezent nu poți gestiona un computer cuantic așa cum ai face cu un laptop sau un smartphone. Calculatorul are nevoie de condiții de laborator pentru a menține un nivel sigur de stabilitate pentru qubiții săi.

Un alt dezavantaj este domeniul limitat al așa-numitei supremații cuantice, deoarece nu orice problemă de calcul implică volume mari de numere sau posibilități. Deci, creșterea computațională în majoritatea celorlalte operațiuni este prea nesemnificativă pentru a justifica o abordare de calcul cuantic. Și dacă computerele cuantice nu ajung să fie mai ieftine decât computerele clasice, nici nu le vor înlocui prea curând.

În ciuda tuturor acestor dezavantaje, calculatoarele cuantice și qubiții lor dețin un potențial foarte mare în industria computerelor din cauza numărului mare pe care le pot gestiona cu ușurință.

Există pericole cu calculul cuantic?

Da. Fiecare hacker bun știe că fiecare tehnologie are o lacună. Trebuie doar să-l găsești. Deci, indiferent de implementările reale ale computerelor cuantice în viitor, vor exista în continuare probleme cu tehnologia. Și actori gata să le valorifice.

Acest scenariu se referă la utilizări precum activitatea bancară, financiară, guvernamentală și activități publice similare. Un al doilea scenariu este atunci când un actor rău intenționat folosește puterea uimitoare a unui computer cuantic bun pentru a realiza o ispravă. Și ca întotdeauna, oamenii vor deveni conștienți de o astfel de posibilitate abia după ce fapta va fi făcută.

Calculul cuantic se descurcă bine cu numerele. Deci, algoritmii de criptare asimetrică care utilizează factorizarea, cum ar fi RSA cu cheie publică, nu sunt siguri. Hashing și criptografia simetrică, cum ar fi AES-256 și 512, precum și SHA-256 și 512, pe de altă parte, sunt relativ sigure.

Alte aplicații ale mecanicii cuantice

Oricât de interesantă este lumea calculului cuantic, ea este încă doar o parte a mecanicii cuantice. Deci, cu alte cuvinte, petrecerea cuantică tocmai începe.

Mecanica cuantică a jucat un rol esențial în dezvoltarea semiconductorilor și a electronicii moderne. Se lucrează, de asemenea, pentru rețelele cuantice și criptografia, cum ar fi ID Quantique, pionierul criptografiei cuantice din Elveția. În plus, fenomenele cuantice s-au dovedit promițătoare în numeroase domenii de cercetare, inclusiv fotosinteza, receptorii mirosului și chiar înțelegerea noastră a timpului.

Calculatoare cuantice din lumea reală

Există multe computere cuantice și aplicații similare acolo. Ei provin de la mari multinaționale precum Google și IBM, precum și de la guverne și chiar de la jucători mai mici precum Rigetti.

Calculul cuantic este în prezent una dintre cele mai fierbinți domenii de cercetare de pe planetă. Deci probabil că există mai multe programe secrete decât vă puteți imagina. Mai jos sunt câteva proiecte majore:

• Google deține mașini de 54 și 72 de qubiți
• IBM deține peste 30 de mașini împrăștiate pe tot globul, inclusiv Manhattan-ul de 65 de qubiți
• China găzduiește multe computere cuantice, inclusiv o mașină de 76 de qubiți și chiar comunicații cuantice prin satelit.
• Mașina Google de 54 de qubiți alimentată de Sycamore a petrecut doar 200 de secunde pentru a calcula ce supercomputere ar avea nevoie de 10.000 de ani pentru a calcula.
• IBM dezvoltă o mașină de 1.000 de qubit până în 2023
• Rigetti Computing deține patru, inclusiv o mașină de 31 de qubiți
• Google construiește un nou centru cuantic pentru a crea un computer de 1.000 de qubiți până în 2029. Luând în considerare corectarea erorilor, totalul qubiților acelui computer ar putea ajunge la 1 milion.

Concluzie

Calculatoarele cuantice sunt aici pentru a rămâne. Deoarece vor crea multe oportunități și vor rezolva problemele din lumea reală cu care calculatoarele clasice s-au luptat timp de decenii.

Cu toate acestea, mai sunt încă multe de făcut și provocări de depășit înainte de a ajunge acolo. Și până atunci, China ar putea să surprindă lumea.