Ako kvantové výpočty môžu zmeniť svet

Kvantová fyzika už významne ovplyvnila náš život. Vynález lasera a tranzistora je v skutočnosti dôsledkom kvantovej teórie - a pretože obidve tieto zložky sú ktorého ste dnes základným stavebným prvkom každého elektronického zariadenia, čoho ste svedkami, je v zásade „kvantová mechanika v akcia “.

Vzhľadom na to je teraz kvantový priemysel nastavený na revolúciu vo výpočtovom svete, pretože sa vynakladá značné úsilie na využitie skutočnej sily z kvantovej sféry. Kvantová výpočtová technika by mohla nájsť uplatnenie v rôznych odvetviach, ako sú bezpečnosť, zdravotníctvo, energetika a dokonca aj zábavný priemysel.

Kvantová vs. Klasické počítače

História kvantovej teórie siaha pred storočie. Súčasný kvantový rozruch je však spôsobený nedávnymi výskumnými nálezmi, ktoré naznačujú, že neistota, an inherentná vlastnosť kvantových častíc, môže slúžiť ako mocná zbraň na realizáciu kvanta potenciál.

Ako uvádza teória, je zdanlivo nemožné poznať všetky vlastnosti jednotlivých kvantových častíc (t. J. Elektrónov alebo fotónov). Zvážte príklad klasického GPS, kde za vás dokáže presne predpovedať rýchlosť, polohu a smer vášho pohybu, kým sa dostanete do požadovaného cieľa.

Kvantová GPS však nedokáže presne určiť všetky vyššie uvedené vlastnosti kvantovej častice, pretože to zákony kvantovej fyziky neumožňujú. Z toho vyplýva pravdepodobnejší jazyk v kvantovom svete, ako klasický jazyk istoty.

V tomto prípade pravdepodobnostný jazyk znamená priradenie pravdepodobností k rôznym vlastnostiam kvanta častice, ako je rýchlosť, poloha a smer pohybu, s ktorými je zdanlivo ťažké povedať istota. Táto pravdepodobnostná povaha kvantových častíc vedie k možnosti, ktorá umožňuje, aby sa všetko a všetko stalo v ktoromkoľvek okamihu.

Vo svetle výpočtov majú binárne jednotky 0 a 1 predstavované ako qubity (kvantové bity) vlastnosť 1 alebo 0 v ktoromkoľvek okamihu.

Vyššie uvedené vyobrazenie zanecháva v ústach trpkú príchuť, pretože u klasických strojov sú čísla 0 a 1 spojené s prepínačmi a obvodmi, ktoré sa zapínajú a vypínajú v rôznych okamihoch. Preto nepoznanie ich presného stavu (tj. Zapnutie alebo vypnutie) by sa v počítačovom kontexte nezdalo rozumné.

V skutočnom zmysle by to mohlo spôsobiť chyby vo výpočte. Spracovanie informácií v kvantovom svete sa však spolieha na koncept kvantovej neistoty - pričom „superpozícia“ 0 a 1 nie je chybou, ale skôr vlastnosťou. Umožňuje rýchlejšie spracovanie údajov a uľahčuje rýchlejšiu komunikáciu.

Čítaj viac: Ako fungujú optické kvantové počítače

Na vrchole kvantovej výpočty

Dôsledkom pravdepodobnostnej vlastnosti kvantovej teórie je, že presné kopírovanie kvantovej informácie je zdanlivo nemožné. Z bezpečnostného hľadiska je to významné, pretože zločinci, ktorí majú v úmysle kopírovať kvantové kľúče na šifrovanie a odosielanie správ, by nakoniec zlyhali, aj keby získali prístup ku kvantovým počítačom.

Je dôležité tu zdôrazniť, že také špičkové šifrovanie (t. J. Sofistikovaná metóda na prevod tajných údajov alebo kľúčov na kód, ktorý zabraňuje neoprávnenému prístupu) je výsledkom fyzikálnych zákonov a nie matematicky skriptovaných algoritmov používaných dnes. Matematické šifrovanie je možné prelomiť pomocou výkonných počítačov, avšak prelomenie kvantového šifrovania si vyžaduje prepísanie základných fyzikálnych zákonov.

Pretože sa kvantové šifrovanie líši od súčasných šifrovacích techník, podobne sa aj kvantové počítače líšia od klasických na veľmi základnej úrovni. Zvážte obdobu automobilu a býčieho vozíka. Automobil sa tu riadi určitými fyzikálnymi zákonmi, ktoré vás v porovnaní s náprotivkom dostanú rýchlo do požadovaného cieľa. Rovnaká filozofia platí pre kvantový počítač aj pre klasický počítač.

Kvantový počítač využíva pravdepodobnostnú povahu kvantovej fyziky na vykonávanie výpočtov a spracovanie údajov jedinečným spôsobom. Môže vykonávať výpočtové úlohy oveľa rýchlejším tempom a tiež skokom v tradične nemožných konceptoch, ako je kvantová teleportácia. Táto forma prenosu dát by mohla pripraviť cestu pre internet budúcnosti, to znamená kvantový internet.

Na čo by sa dnes mohol používať kvantový počítač?

Kvantové počítače by mohli byť užitočné pre organizácie výskumu a vývoja, vládne orgány a akademické obce inštitúcie, pretože by mohli pomôcť pri riešení zložitých problémov, ktoré súčasné počítače považujú za náročné zaoberať sa.

Jednou významnou aplikáciou by mohol byť vývoj liekov, v ktorom by bolo možné bez problémov simulovať a analyzujte chemikálie a molekuly, pretože molekuly fungujú na rovnakých zákonoch kvantovej fyziky ako kvantové počítačov. Ďalej by mohla byť možná efektívna simulácia kvantovej chémie, pretože najrýchlejšie superpočítače dnes nedosahujú cieľ.

Kvantové počítače tiež mohli vyriešiť zložité problémy s optimalizáciou a pomôcť pri rýchlom vyhľadávaní netriedených údajov. V tejto súvislosti existuje veľa aplikácií, od triedenia zdanlivo dynamických klimatických, zdravotných alebo finančných údajov až po optimalizáciu logistiky alebo dopravného toku.

Kvantové počítače sú tiež dobré v rozpoznávaní vzorcov v dátach, napríklad v problémoch so strojovým učením. Kvantové počítače by navyše mohli hrať rozhodujúcu úlohu pri vývoji modelov na predpovedanie budúcnosti, napríklad pri predpovedi počasia.

Príprava na kvantovú budúcnosť

Pretože preteky o kvantovú budúcnosť sa dostávajú do centra pozornosti, investori a vládne orgány poháňajú kvantový výskum a vývoj miliardy dolárov. Globálna komunikačná sieť využívajúca satelitnú kvantovú distribúciu kľúčov už bola implementovaná a stanovuje cestu pre ďalší vývoj.

Spoločnosti ako Google, Amazon, Microsoft, IBM a ďalšie investujú značné prostriedky do rozvoja zdrojov kvantového výpočtového systému, t. J. Hardvéru a softvéru.

Podľa Kozmos, tím vedcov v Číne zostrojil kvantový počítač, ktorý v roku 2009 dokončil zložitý výpočet niečo málo cez 60 minút, čo by klasickému počítaču trvalo najmenej 8 rokov kompletný.

Je vrcholom vývoja kvantovej výpočtovej techniky, ku ktorému došlo za posledné dva roky. Verí sa, že vedecká komunita konečne dosiahla nepolapiteľnú „kvantovú výhodu“ - v ktorej je kvantové výpočty v pozícii na riešenie najsofistikovanejšieho problému, ktorý by klasickým výpočtom trvalo doslova nepraktický čas.

Prvýkrát dosiahol kvantový míľnik Google v roku 2019 kde použili qubits, ktoré na vykonávanie výpočtov používali prúd. Neskôr v roku 2020 čínsky tím použil na urýchlenie procesu fotonické qubity. Teraz v roku 2021 iný čínsky tím (vedený Jian-Wei Panom na Čínskej univerzite pre vedu a techniku ​​v Šanghaji) opäť prekonal spoločnosť Google.

V výskumná práca publikovaná na predtlačovom serveri ArXivprispievajúci výskumný tím odhalil svoje zistenia týkajúce sa kvantovej výhody, pri ktorých použili supravodivé qubity na kvantovom procesore s názvom Zuchongzhi, ktorý pozostáva zo 66 qubitov. Tím preukázal, že Zuchongzhi bol schopný manipulovať s 56 qubitmi, aby zvládol výpočtový problém zameraný na testovanie výkonu počítačov.

Prijímanie neistoty

Rýchly vývoj vo svete kvantových technológií za posledných päť rokov bol celkom vzrušujúci. Podľa Kvantové denné, očakáva sa, že kvantový priemysel bude mať do konca roku 2030 ocenenie v hodnote niekoľkých miliárd dolárov. Pred takýmto rozsiahlym nasadením je síce potrebné prekonať rôzne praktické výzvy, ale zdá sa, že budúcnosť je svetlá.

Našťastie kvantová teória vrhá svetlo na svetlejšiu stránku „nepredvídateľnosti“. Teória hovorí, že dva qubits môžu byť uzamknuté navzájom s pravdepodobnosťou, že každý qubit zostane neurčené jednotlivo, ale je synchronizované s druhou, keď sa na ne pozerá ako na jednotku - z čoho vyplýva, že obidve sú 0 alebo 1.

Táto individuálna nepredvídateľnosť a kombinovaná istota sa nazýva „zapletenie“ - praktický nástroj pre väčšinu kvantových výpočtových algoritmov súčasnosti. Opatrným zaobchádzaním s neistotou sa teda organizácie môžu dostať do formy, aby prijali kvantovú budúcnosť.

Nanočipovanie: Môžu byť počítače skutočne mikroskopické?

Počítače sa zmenšujú, ale budú niekedy také malé, že budú neviditeľné voľným okom?

Prečítajte si Ďalej

O autorovi

Rozbaliť a prečítať si celý príbeh