Τι είναι ένας Κβαντικός Υπολογιστής;

Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν το δυναμικό να αυξήσουν δραματικά την ποικιλία και την ακρίβεια των υπολογισμών, ανοίγοντας νέες εφαρμογές για τους υπολογιστές και βελτιώνοντας τα μοντέλα μας για φυσικά φαινόμενα. Ωστόσο, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές λαμβάνουν αυξανόμενη κάλυψη από τα μέσα ενημέρωσης, πολλοί δεν είναι ακόμη σίγουροι για το πώς οι κβαντικοί υπολογιστές διαφέρουν από τους κανονικούς υπολογιστές. Ας εξετάσουμε πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές, algumas από τις εφαρμογές τους και το μέλλον τους.

Τι είναι ένας Κβαντικός Υπολογιστής;

Πριν μπορέσουμε να εξετάσουμε με νόημα πώς οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν, πρέπει να ορίσουμε κβαντικούς υπολογιστές. Η σύντομη ορισμός ενός κβαντικού υπολογιστή είναι ο ακόλουθος: ένας υπολογιστής, βασισμένος στη κβαντική μηχανική, που είναι σε θέση να εκτελέσει ορισμένους σύνθετους υπολογισμούς με πολύ μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα από τους παραδοσιακούς υπολογιστές. Αυτός είναι ένας γρήγορος ορισμός των κβαντικών υπολογιστών, αλλά θα θέλαμε να dànhουμε κάποιο χρόνο για να κατανοήσουμε πραγματικά τι διακρίνει τους κβαντικούς υπολογιστές από τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Οι κανονικοί υπολογιστές κωδικοποιούν τις πληροφορίες με ένα δυαδικό σύστημα: αντιπροσωπεύοντας κάθε bit των δεδομένων ως είτε ένα ή μηδέν. Σειρές από.ones και μηδέν συνδέονται για να αντιπροσωπεύουν σύνθετα τμήματα πληροφοριών όπως κείμενο, εικόνες και ήχο. Ωστόσο, σε αυτά τα δυαδικά συστήματα, οι πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν μόνο ως.ones και μηδέν, που σημαίνει ότι υπάρχει ένα σκληρό όριο στο πώς αντιπροσωπεύονται και ερμηνεύονται τα δεδομένα και ότι καθώς τα δεδομένα γίνονται πιο σύνθετα, πρέπει αναγκαστικά να γίνουν μεγαλύτερες και μεγαλύτερες σειρές από.ones και μηδέν.

Ο λόγος για τον οποίο οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να αποθηκεύσουν και να ερμηνεύσουν τα δεδομένα με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα είναι ότι δεν χρησιμοποιούν bits για να αντιπροσωπεύουν τα δεδομένα, αλλά χρησιμοποιούν ” κβαντικά bits “. Τα κβαντικά bits είναι υποατομικές σωματίδια όπως φωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα κβαντικά bits έχουν δύο ιδιότητες που οι μηχανικοί υπολογιστών μπορούν να εκμεταλλευτούν: υπέρθεση και εντάνγκλμαν.

Η κβαντική υπέρθεση επιτρέπει στα κβαντικά bits να υπάρχουν όχι μόνο στην “ένα” κατάσταση ή την “μηδέν” κατάσταση, αλλά κατά μήκος ενός συνεχούς μεταξύ αυτών των καταστάσεων, που σημαίνει ότι περισσότερες πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν χρησιμοποιώντας κβαντικά bits. Εν τω μεταξύ, η κβαντική εντάνγκλμαν αναφέρεται σε ένα φαινόμενο όπου ζευγάρια κβαντικών bits μπορούν να παραχθούν και εάν ένα κβαντικό bit τροποποιηθεί, το άλλο κβαντικό bit τροποποιείται με προβλέψιμο τρόπο. Αυτές οι κβαντικές ιδιότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αντιπροσωπεύσουν και να δομήσουν σύνθετα δεδομένα με πιο αποτελεσματικούς τρόπους.

Πώς Λειτουργούν οι Κβαντικοί Υπολογιστές

Οι κβαντικές “υπέρθεσεις” πήραν το όνομά τους από το γεγονός ότι μπορούν να βρίσκονται σε περισσότερες από μία θέσεις ταυτόχρονα. Ενώ τα bits μπορούν να βρίσκονται μόνο σε δύο θέσεις, τα κβαντικά bits μπορούν να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα.

Χάρη εν μέρει στην ύπαρξη κβαντικών υπερθέσεων, ένας κβαντικός υπολογιστής είναι ικανός να υπολογίζει πολλά διαφορετικά πιθανά αποτελέσματα ταυτόχρονα. Μόλις ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί, τα κβαντικά bits μετράονται, που δημιουργεί ένα τελικό αποτέλεσμα μέσω της κατάρρευσης της κβαντικής κατάστασης σε 0 ή 1, που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα μπορεί τότε να ερμηνευθεί από τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Οι ερευνητές και οι μηχανικοί κβαντικών υπολογιστών μπορούν να τροποποιήσουν τη θέση των κβαντικών bits χρησιμοποιώντας μικροκύματα ή ακριβή λέιζερ.

Οι μηχανικοί υπολογιστών μπορούν να εκμεταλλευτούν την κβαντική εντάνγκλμαν για να βελτιώσουν δραματικά την επεξεργαστική ισχύ των υπολογιστών. Η κβαντική εντάνγκλμαν αναφέρεται στο γεγονός ότι δύο κβαντικά bits μπορούν να συνδεθούν μαζί με τέτοιο τρόπο που η αλλαγή ενός από τα κβαντικά bits τροποποιεί το άλλο κβαντικό bit με προβλέψιμο τρόπο. Δεν είναι πλήρως κατανοητό γιατί τα κβαντικά bits μπορούν να καθιερώσουν τέτοια σχέση ή πώς λειτουργεί αυτό το φαινόμενο, αλλά οι επιστήμονες κατανοούν το αρκετά καλά για να το εκμεταλλευτούν για κβαντικούς υπολογιστές. Λόγω της κβαντικής εντάνγκλμαν, η προσθήκη επιπλέον κβαντικών bits σε μια κβαντική μηχανή δεν απλώς διπλασιάζει την επεξεργαστική ισχύ του υπολογιστή, αλλά μπορεί να την κλιμακώσει εκпонεντιακά.

Εάν όλα αυτά φαίνονταν λίγο αφηρημένα, μπορούμε να περιγράψουμε πώς οι υπέρθεσεις είναι χρήσιμες φανταζόμενοι ένα λαβύρινθο. Για έναν κανονικό υπολογιστή να προσπαθήσει να λύσει ένα λαβύρινθο, πρέπει να δοκιμάσει κάθε μονοπάτι του λαβυρίνθου μέχρι να βρει μια επιτυχημένη διαδρομή. Ωστόσο, ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να εξερευνήσει όλα τα διαφορετικά μονοπάτια ταυτόχρονα,既然 δεν είναι δεσμευμένος σε μια συγκεκριμένη κατάσταση.

Όλα αυτά σημαίνουν ότι οι ιδιότητες της εντάνγκλμαν και των υπερθέσεων καθιστούν τους κβαντικούς υπολογιστές χρήσιμους επειδή μπορούν να αντιμετωπίσουν την αβεβαιότητα, είναι ικανοί να εξερευνήσουν περισσότερες πιθανές καταστάσεις και αποτελέσματα. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα βοηθήσουν τους επιστήμονες και τους μηχανικούς να μοντελοποιήσουν και να κατανοήσουν καταστάσεις που είναι πολύπλοκες, με πολλές μεταβλητές.

Για Τι Χρησιμοποιούνται οι Κβαντικοί Υπολογιστές;

Τώρα που έχουμε μια καλύτερη直 giác για το πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές, ας εξετάσουμε τις πιθανές εφαρμογές για κβαντικούς υπολογιστές.

Έχουμε ήδη αναφερθεί στο γεγονός ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτελέσουν παραδοσιακούς υπολογισμούς με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα. Ωστόσο, η τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιτύχει πράγματα που μπορεί να μην είναι δυνατά ή είναι πολύ δυσχερή με τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Μια από τις πιο υποσχόμενες και ενδιαφέρουσες εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών είναι στο πεδίο της τεχνητής νοημοσύνης. Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δύναμη να βελτιώσουν τα μοντέλα που δημιουργούνται από τα νευρωνικά δίκτυα, καθώς και το λογισμικό που τα υποστηρίζει. Η Google (GOOGL ) χρησιμοποιεί目前 τους κβαντικούς υπολογιστές της για να βοηθήσει στη δημιουργία αυτονομών οχημάτων.

Οι κβαντικοί υπολογιστές也有 ένα ρόλο να παίξουν στην ανάλυση χημικών αλληλεπιδράσεων και αντιδράσεων. Ακόμη και οι πιο προηγμένοι κανονικοί υπολογιστές μπορούν να μοντελοποιήσουν αντιδράσεις μόνο μεταξύ σχετικά απλών μορίων, τα οποία επιτύχουν模擬οντας τις ιδιότητες των μορίων που εξετάζονται. Οι κβαντικοί υπολογιστές, ωστόσο, επιτρέπουν στους ερευνητές να δημιουργήσουν μοντέλα που έχουν τις ίδιες κβαντικές ιδιότητες με τα μόρια που ερευνώνται. Γρηγορότερη, πιο ακριβής μοντελοποίηση μορίων θα βοηθήσει στη δημιουργία νέων θεραπευτικών φαρμάκων και νέων υλικών για χρήση στην παραγωγή ενέργειας, όπως πιο αποτελεσματικές ηλιακές πάνελ.

Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να προβλέψουν καλύτερα το καιρό. Το καιρό είναι η σύγκρουση πολλών γεγονότων και οι формούλες που χρησιμοποιούνται για να προβλέψουν τις καιρικές συνθήκες είναι σύνθετες και περιέχουν πολλές μεταβλητές. Μπορεί να πάρει πολύ χρόνο για να εκτελεστούν όλοι οι υπολογισμοί που απαιτούνται για να προβλεφθεί το καιρό, κατά τη διάρκεια του οποίου οι καιρικές συνθήκες possono να εξελιχθούν. Ευτυχώς, οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να προβλέψουν το καιρό έχουν μια κυματική φύση που ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να εκμεταλλευτεί. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να δημιουργήσουν πιο ακριβή κλιματικά μοντέλα, τα οποία είναι απαραίτητα σε έναν κόσμο όπου το κλίμα αλλάζει.

Οι κβαντικοί υπολογιστές και οι αλγόριθμοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στην προστασία της ιδιωτικής ζωής των ανθρώπων. Η κβαντική κρυπτογράφηση χρησιμοποιεί την κβαντική αρχή της αβεβαιότητας, όπου κάθε προσπάθεια να μετρηθεί ένα αντικείμενο οδηγεί σε αλλαγές του αντικειμένου. Οι προσπάθειες να διαταραχθούν οι επικοινωνίες θα επηρεάσουν το αποτέλεσμα και θα δείξουν ενδείξεις παραβίασης.

Το Μέλλον των Κβαντικών Υπολογιστών

Οι περισσότερες από τις χρήσεις των κβαντικών υπολογιστών θα περιοριστούν στους ακαδημαϊκούς και τις επιχειρήσεις. Είναι απίθανο ότι οι καταναλωτές/ο γενικός πληθυσμός θα λάβουν κβαντικούς κινητές, τουλάχιστον όχι σύντομα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απαιτούνται ειδικά εξοπλισμοί για να λειτουργήσουν ένας κβαντικός υπολογιστής. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι πολύ ευαίσθητοι στις διαταραχές, καθώς ακόμη και οι πιο μικρές αλλαγές στο περιβάλλον peuvent να προκαλέσουν τα κβαντικά bits να αλλάξουν θέση και να εξαφανιστούν από την υπέρθεση. Αυτό ονομάζεται decoherence, και είναι ένας από τους λόγους που οι προόδους στους κβαντικούς υπολογιστές φαίνονται να προχωρούν τόσο αργά σε σύγκριση με τους κανονικούς υπολογιστές. Οι κβαντικοί υπολογιστές通常 πρέπει να λειτουργούν σε συνθήκες εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, απομονωμένοι από άλλα ηλεκτρικά εξοπλισμοί.

ΕVEN με όλες τις προφυλάξεις, ο θόρυβος vẫn manages να δημιουργήσει λάθη στους υπολογισμούς, και οι ερευνητές ψάχνουν τρόπους για να κάνουν τα κβαντικά bits πιο αξιόπιστα. Για να επιτύχουν την κβαντική υπεροχή, όπου ένας κβαντικός υπολογιστής υπερβαίνει πλήρως την ισχύ ενός τρέχοντος σούπερ υπολογιστή, τα κβαντικά bits πρέπει να συνδεθούν μαζί. Ένας πραγματικά κβαντικός υπεύθυνος υπολογιστής θα μπορούσε να απαιτήσει χιλιάδες κβαντικά bits, αλλά οι καλύτεροι κβαντικοί υπολογιστές σήμερα μπορούν τυπικά να αντιμετωπίσουν μόνο γύρω στα 50 κβαντικά bits. Οι ερευνητές είναι συνεχώς σε πρόοδο για να δημιουργήσουν πιο σταθερά και αξιόπιστα κβαντικά bits. Οι εμπειρογνώμονες στο πεδίο των κβαντικών υπολογιστών προβλέπουν ότι ισχυρά και αξιόπιστα κβαντικά συσκευές μπορεί να είναι εδώ μέσα σε μια δεκαετία.