Kā kvantu skaitļošana var mainīt pasauli

Kvantu fizika jau ir būtiski ietekmējusi mūsu dzīvi. Lāzera un tranzistora izgudrojumi faktiski ir kvantu teorijas sekas - un tā kā abi šie komponenti ir katras mūsdienās esošās elektroniskās ierīces pamatelements, ko jūs liecināt, būtībā ir “kvantu mehānika darbība ”.

To sakot, kvantu industrija tagad ir gatava pārveidot skaitļošanas pasauli, jo tiek veikti ievērojami centieni, lai izmantotu patieso spēku no kvantu jomas. Kvantu skaitļošana varētu atrast lietojumus dažādās nozarēs, piemēram, drošībā, veselības aprūpē, enerģētikā un pat izklaides nozarē.

Kvants vs. Klasiskie datori

Kvantu teorijas vēsture aizsākās vairāk nekā gadsimtu. Tomēr pašreizējais kvantu buzz ir saistīts ar jaunāko pētījumu rezultātiem, kas liecina par nenoteiktību kvantu daļiņu raksturīgais īpašums var kalpot kā spēcīgs ierocis kvantu realizēšanai potenciālu.

Kā teikts teorijā, šķiet, ka nav iespējams zināt katru atsevišķu kvantu daļiņu (t.i., elektronu vai fotonu) īpašību. Apsveriet klasiskā GPS piemēru, kur tas var precīzi paredzēt jūsu kustības ātrumu, atrašanās vietu un virzienu, kamēr jūs nonākat vēlamajā galamērķī.

Tomēr kvantu GPS nevar precīzi noteikt visas iepriekš minētās kvantu daļiņas īpašības, jo kvantu fizikas likumi jums to neļauj. Tas rada varbūtības valodu kvantu pasaulē, nevis klasisko noteiktības valodu.

Šajā gadījumā varbūtības valoda nozīmē varbūtību piešķiršanu dažādām kvantu īpašībām tādas daļiņas kā ātrums, pozīcija un kustības virziens, ar kurām šķietami ir grūti noteikt noteiktība. Šis kvantu daļiņu varbūtības raksturs rada iespēju, kas ļauj visam un visam notikt jebkurā laika brīdī.

Ņemot vērā skaitļošanu, binārajiem 0 un 1, kas attēloti kā kvīti (kvantu biti), ir īpašība būt 1 vai 0 jebkurā brīdī.

Iepriekš minētais attēlojums atstāj rūgtu garšu mutē, jo klasiskajās mašīnās 0 un 1 ir saistītas ar slēdžiem un ķēdēm, kas ieslēdzas un izslēdzas dažādos brīžos. Tādējādi skaitīšanas kontekstā nešķiet saprātīgi nezināt viņu precīzo stāvokli (t.i., ieslēgt vai izslēgt).

Reālā nozīmē tas varētu izraisīt aprēķinu kļūdas. Tomēr informācijas apstrāde kvantu pasaulē balstās uz kvantu nenoteiktības jēdzienu - kur 0 un 1 “superpozīcija” nav kļūda, bet tā vietā ir funkcija. Tas ļauj ātrāk apstrādāt datus un atvieglo ātrāku saziņu.

Lasīt vairāk: Kā darbojas optiskie kvantu datori

Kvantu skaitļošanas centrā

Kvantu teorijas varbūtības īpašības sekas ir tādas, ka kvantu informācijas precīza kopēšana ir šķietami neiespējama. No drošības viedokļa tas ir nozīmīgi, jo kibernoziedznieki, kuri plāno kopēt kvantu atslēgas, lai šifrētu un nosūtītu ziņojumus, galu galā neizdoties, pat ja viņi saņem piekļuvi kvantu datoriem.

Šeit ir svarīgi izcelt, ka tik augstākās klases šifrēšana (t.i. sarežģīta metode, kā slepenus datus vai atslēgas pārveidot par kods, kas novērš nesankcionētu piekļuvi) ir fizikas likumu rezultāts, nevis mūsdienās izmantotie matemātiski rakstītie algoritmi. Matemātiskās šifrēšanas var uzlauzt ar jaudīgu datoru palīdzību, tomēr, uzlaužot kvantu šifrēšanu, ir jāpārraksta fizikas pamatlikumi.

Tā kā kvantu šifrēšana atšķiras no pašreizējām šifrēšanas metodēm, līdzīgi kvantu datori no klasiskajiem atšķiras ļoti fundamentālā līmenī. Apsveriet automašīnas un vēršu ratiņu līdzību. Šeit automašīna ievēro noteiktus fizikas likumus, kas ātri nokļūst vajadzīgajā galamērķī, salīdzinot ar kolēģi. Tāda pati filozofija attiecas uz kvantu datoru un klasisko datoru.

Kvantu dators izmanto kvantu fizikas varbūtības raksturu, lai veiktu aprēķinus un apstrādātu datus unikālā veidā. Tas var veikt skaitļošanas uzdevumus daudz ātrāk, kā arī lēkt tradicionāli neiespējamos jēdzienos, piemēram, kvantu teleportācijā. Šis datu pārraides veids varētu pavērt ceļu nākotnes internetam, t.i., kvantu internetam.

Kam šodien varētu izmantot kvantu datoru?

Kvantu datori varētu būt noderīgi pētniecības un attīstības organizācijām, valsts iestādēm un akadēmiskām aprindām iestādes, jo tās varētu palīdzēt atrisināt sarežģītas problēmas, kuras pašreizējie datori uzskata par izaicinošiem samierinies.

Viens nozīmīgs pielietojums varētu būt zāļu izstrādē, kur tas varētu nemanāmi simulēt un analizēt ķīmiskās vielas un molekulas, kad molekulas darbojas uz tiem pašiem kvantu fizikas likumiem kā kvants datori. Turklāt varētu būt iespējama efektīva kvantu ķīmijas simulācija, jo ātrākie superdatori šodien nespēj sasniegt mērķi.

Arī kvantu datori varētu atrisināt sarežģītas optimizācijas problēmas un palīdzēt ātri meklēt nešķirotos datus. Šajā ziņā ir daudz lietojumu, sākot no šķietami dinamisku klimatisko, veselības vai finanšu datu šķirošanas līdz loģistikas vai satiksmes plūsmas optimizēšanai.

Kvantu datori labi spēj atpazīt datu modeļus, piemēram, mašīnmācīšanās problēmas. Turklāt kvantu datoriem varētu būt izšķiroša loma nākotnes prognozēšanas modeļu izstrādē, piemēram, laika apstākļu prognozēšanā.

Gatavošanās kvantu nākotnei

Tā kā sacensības par kvantu nākotni ieņem galveno lomu, investori un valdības struktūras kvantitatīvajā pētniecībā un attīstībā iegulda miljardiem dolāru. Jau ir ieviests globāls sakaru tīkls, kas izmanto satelītu bāzes kvantu atslēgu izplatīšanu, nosakot turpmākās attīstības ceļu.

Tādi uzņēmumi kā Google, Amazon, Microsoft, IBM un citi iegulda lielas investīcijas kvantu skaitļošanas resursu, t.i., aparatūras un programmatūras izstrādē.

Pēc Cosmos, pētnieku grupa Ķīnā uzbūvēja kvantu datoru, kas veica sarežģītu aprēķinu nedaudz vairāk par 60 minūtēm, kas būtu nepieciešami vismaz 8 vai vairāk gadus, līdz klasiskais dators to izdara pabeigta.

Tas ir spilgts pēdējos divos gados notikušajā kvantu skaitļošanas attīstībā. Tiek uzskatīts, ka zinātnieku aprindas beidzot ir sasniegušas netveramo “kvantu priekšrocību” - kur atrodas kvantu skaitļošana spēj atrisināt vismodernāko problēmu, kuras klasiskā skaitļošana burtiski varētu prasīt nepraktisku laiku, lai to saprastu.

Kvantu pagrieziena punktu Google pirmo reizi sasniedza 2019. gadā kur viņi izmantoja kvitus, kas aprēķina veikšanai izmantoja strāvu. Vēlāk 2020. gadā Ķīnas komanda procesa paātrināšanai izmantoja fotoniskos kvitus. Tagad 2021. gadā cita Ķīnas komanda (kuru vadīja Jian-Wei Pan Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātē Šanhajā) atkal ir pārspējusi Google.

In pētījums, kas publicēts iepriekš izdrukātajā serverī ArXivpētījuma grupa, kas piedalījās pētījumā, atklāja savus atklājumus par kvantu priekšrocībām, kur viņi izmantoja supravadītus kvitus kvantu procesorā ar nosaukumu Zuchongzhi, kas sastāv no 66 kvitiem. Komanda parādīja, ka Zuchongzhi spēja manipulēt ar 56 kubitiem, lai risinātu skaitļošanas problēmu, kuras mērķis bija pārbaudīt datoru jaudu.

Nenoteiktības aptveršana

Kvantu tehnoloģiju pasaules straujā attīstība pēdējos piecos gados ir bijusi diezgan aizraujoša. Pēc The Quantum Daily, paredzams, ka kvantu industrijai līdz 2030. gada beigām būs vairāku miljardu dolāru vērtējums. Lai gan pirms tik liela mēroga izvietošanas ir jāpārvar dažādas praktiskas problēmas, tomēr nākotne šķiet gaiša.

Par laimi, kvantu teorija izgaismo “neparedzamības” gaišāko pusi. Saskaņā ar teoriju divus kubitus var bloķēt viens ar otru ar varbūtību, ka katrs kubs paliek nav individuāli noteikts, bet ir sinhronizēts ar otru, ja to aplūko kā vienību - tas nozīmē, ka abi ir 0 vai 1.

Šo individuālo neparedzamību un apvienoto noteiktību sauc par “sapīšanos” - parocīgu rīku lielākajai daļai kvantu skaitļošanas algoritmu mūsdienās. Tādējādi, piesardzīgi rīkojoties ar nenoteiktību, organizācijas var iegūt formu, lai aptvertu kvantu nākotni.

Nanodarbība: vai datori patiešām var būt mikroskopiski?

Datori kļūst mazāki, bet vai tie kādreiz būs tik mazi, ka nav redzami ar neapbruņotu aci?

Lasiet Tālāk

Par autoru

Izvērsiet, lai lasītu visu stāstu