Mitä ovat kvanttitietokoneet?

Kvanttitietokoneilla on potentiaalia dramaattisesti lisätä laskelmien monipuolisuutta ja tarkkuutta, avata uusia sovelluksia tietokoneille ja parantaa fyysisten ilmiöiden mallejamme. Vaikka kvanttitietokoneet saavat yhä enemmän näkyvyyttä mediassa, monet eivät vieläkään ole varmoja siitä, kuinka kvanttitietokoneet eroavat tavallisista tietokoneista. Tarkastellaan kuinka kvanttitietokoneet toimivat, joitain niiden sovelluksia ja niiden tulevaisuutta.

Mikä on kvanttitietokone?

Ennen kuin voimme mielekkäästi tutkia kuinka kvanttitietokoneet käyttää, meidän on ensin määritettävä kvantitietokoneet. Kvanttitietokoneen lyhyt määritelmä on tämä: kvanttimekaniikkaan perustuva tietokone, joka pystyy suorittamaan tiettyjä monimutkaisia ​​laskelmia paljon tehokkaammalla tavalla kuin perinteiset tietokoneet. Tämä on nopea määritelmä kvanttitietokoneista, mutta haluamme kestää jonkin aikaa ymmärtääksemme, mikä erottaa kvanttitietokoneet perinteisistä tietokoneista.

Tavalliset tietokoneet koodaavat tiedot binäärijärjestelmällä: esittävät jokaisen datan bitin joko ykkösenä tai nollana. Ykkösten ja nollien sarjat on ketjutettu yhteen edustamaan monimutkaisia ​​tietopaloja, kuten tekstiä, kuvia ja ääntä. Silti näissä binäärijärjestelmissä tiedot voidaan tallentaa vain ykkösinä ja nolliksina, mikä tarkoittaa, että datan esittämiselle ja tulkinnalle on olemassa kovat rajat ja että kun datasta tulee monimutkaisempaa, siitä tulee välttämättä pidempiä ja pidempiä ykkösten merkkijonoja ja nollia.

Syy, miksi kvanttitietokoneet pystyvät tallentamaan ja tulkitsemaan dataa tehokkaammin, johtuu siitä, että ne eivät käytä bittejä tietojen esittämiseen, vaan ne käyttävät "kubittien”. Kubitit ovat subatomisia hiukkasia, kuten fotoneja ja elektroneja. Qubiteilla on pari mielenkiintoista ominaisuutta, jotka tekevät niistä hyödyllisiä uusille laskentamenetelmille. Qubiteilla on kaksi ominaisuutta, joita tietokoneinsinöörit voivat hyödyntää: superpositiot ja sotkeutuminen.

Kvanttisuperpositiot mahdollistavat kubittien olemassaolon ei vain "yksi"- tai "nolla"-tilassa, vaan näiden tilojen välisessä jatkumossa, mikä tarkoittaa, että kubittien avulla voidaan säilyttää enemmän tietoa. Samaan aikaan kvanttisekoittuminen viittaa ilmiöön, jossa voidaan luoda kubittipareja ja jos yhtä kubittia muutetaan, myös toista kubittia muutetaan ennustettavalla tavalla. Näitä kvanttiominaisuuksia voidaan käyttää monimutkaisen datan esittämiseen ja jäsentämiseen tehokkaammin.

Kuinka kvanttitietokoneet toimivat

Kvantti "superpositiot" ovat saaneet nimensä siitä tosiasiasta, että ne voivat olla useammassa kuin yhdessä paikassa kerrallaan. Vaikka bitit voivat olla vain kahdessa paikassa, kubitit voivat olla useissa tiloissa kerralla.

Kvanttisuperpositioiden olemassaolon ansiosta kvanttitietokone pystyy laskemaan monia erilaisia ​​mahdollisia tuloksia samanaikaisesti. Kun laskelmat on tehty, kubitit mitataan, mikä luo lopullisen tuloksen kvanttitilan romahtamisen kautta joko 0:ksi tai 1:ksi, mikä tarkoittaa, että tulos voidaan sitten tulkita perinteisillä tietokoneilla.

Kvanttilaskennan tutkijat ja insinöörit voivat muuttaa kubittien sijaintia käyttämällä mikroaaltoja tai tarkkuuslasereita.

Tietokoneinsinöörit voivat hyödyntää kvanttisekoittumista parantaakseen merkittävästi tietokoneiden prosessointitehoa. Kvanttikietoutuminen viittaa siihen, että kaksi kubittia voidaan linkittää toisiinsa siten, että toisen kubitin muuttaminen muuttaa toista kubittia luotettavalla tavalla. Ei täysin ymmärretä, miksi kubitit voivat luoda tällaisen suhteen tai kuinka tämä ilmiö toimii tarkalleen, mutta tiedemiehet ymmärtävät sen riittävän hyvin hyödyntääkseen sitä kvanttitietokoneissa. Kvanttisekoittumisen vuoksi ylimääräisten kubittien lisääminen kvanttikoneeseen ei vain kaksinkertaista tietokoneen prosessointitehoa, vaan se voi skaalata prosessointitehoa eksponentiaalisesti.

Jos tämä kaikki on tuntunut hieman liian abstraktilta, voimme kuvata superpositioiden hyödyllisyyttä kuvittelemalla sokkeloa. Jotta normaali tietokone yrittää ratkaista sokkelon, sen on kokeiltava jokaista sokkelon polkua, kunnes se löytää onnistuneen reitin. Kvanttitietokone voisi kuitenkin pohjimmiltaan tutkia kaikkia eri polkuja kerralla, koska se ei ole sidottu mihinkään tiettyyn tilaan.

Kaikki tämä tarkoittaa, että kietoutumisen ja superpositioiden ominaisuudet tekevät kvanttitietokoneista hyödyllisiä, koska ne voivat käsitellä epävarmuutta, ne pystyvät tutkimaan enemmän mahdollisia tiloja ja tuloksia. Kvanttitietokoneet auttavat tutkijoita ja insinöörejä paremmin mallintamaan ja ymmärtämään tilanteita, jotka ovat monitahoisia ja joissa on monia muuttujia.

Mihin kvanttitietokoneita käytetään?

Nyt kun meillä on parempi intuitio kvanttitietokoneiden toiminnasta, tutkitaanpa mahdollista käyttötapauksia kvanttitietokoneille.

Olemme jo viitanneet siihen, että kvanttitietokoneita voidaan käyttää perinteisten laskelmien suorittamiseen paljon nopeammin. Kvanttitietokonetekniikalla voidaan kuitenkin saavuttaa asioita, jotka eivät ehkä ole edes mahdollisia tai ovat erittäin epäkäytännöllisiä perinteisillä tietokoneilla.

Yksi lupaavimmista ja mielenkiintoisimmista kvanttitietokoneiden sovelluksista on tekoälyn alalla. Kvanttitietokoneilla on kyky parantaa hermoverkkojen luomia malleja sekä niitä tukevia ohjelmistoja. Google käyttää tällä hetkellä kvanttitietokoneitaan auttaa itseohjautuvien ajoneuvojen luomisessa.

Kvanttitietokoneilla on myös oma roolinsa analysoinnissa kemialliset vuorovaikutukset ja reaktiot. Edistyneimmätkin normaalitietokoneet voivat mallintaa vain suhteellisen yksinkertaisten molekyylien välisiä reaktioita, jotka ne saavuttavat simuloimalla kyseisten molekyylien ominaisuuksia. Kvanttitietokoneiden avulla tutkijat voivat kuitenkin luoda malleja, joilla on tarkat kvanttiominaisuudet kuin heidän tutkimillaan molekyyleillä. Nopeampi ja tarkempi molekyylimallinnus auttaisi luomaan uusia terapeuttisia lääkkeitä ja uusia materiaaleja käytettäväksi energiateknologian luomisessa, kuten tehokkaampia aurinkopaneeleja.

Myös kvanttitietokoneita voidaan käyttää ennustaa paremmin säätä. Sää on monien tapahtumien yhtymäkohta, ja sääkuvioiden ennustamiseen käytetyt kaavat ovat monimutkaisia ​​ja sisältävät monia muuttujia. Kaikkien sään ennustamiseen tarvittavien laskelmien tekeminen voi kestää erittäin kauan, jonka aikana sääolosuhteet voivat muuttua. Onneksi sään ennustamiseen käytetyt yhtälöt ovat aaltoluonteisia, joita kvanttitietokone voi hyödyntää. Kvanttitietokoneet voivat auttaa tutkijoita rakentamaan tarkempia ilmastomalleja, joita tarvitaan ilmaston muuttuvassa maailmassa.

Kvanttitietokoneilla ja algoritmeilla voidaan myös varmistaa ihmisten tietosuoja. Kvanttisalaus hyödyntää kvanttiepävarmuuden periaatetta, jossa mikä tahansa yritys mitata objektia johtaa siihen, että siihen tehdään muutoksia. Yritykset siepata viestintää vaikuttaisivat tuloksena olevaan viestintään ja osoittaisivat todisteita kajotuksesta.

Kvanttilaskennan tulevaisuus

Suurin osa kvanttitietokoneiden käyttötarkoituksista rajoittuu tutkijoihin ja yrityksiin. On epätodennäköistä, että kuluttajat/yleisö saa kvanttiälypuhelimia ainakaan lähiaikoina. Tämä johtuu siitä, että kvanttitietokoneen käyttäminen vaatii erikoislaitteita. Kvanttitietokoneet ovat erittäin herkkiä häiriöille, sillä pienimmätkin muutokset ympäröivässä ympäristössä voivat saada kubitit siirtymään paikkaa ja putoamaan superpositiotilasta. Tätä kutsutaan dekoherenssiksi, ja se on yksi syy, miksi kvanttitietokoneiden kehitys näyttää tapahtuvan niin hitaasti tavallisiin tietokoneisiin verrattuna. Kvanttitietokoneiden on tyypillisesti toimittava äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa erillään muista sähkölaitteista.

Kaikista varotoimista huolimatta kohina onnistuu silti aiheuttamaan virheitä laskelmissa, ja tutkijat etsivät tapoja tehdä kubiteista luotettavampia. Kvanttiylivallan saavuttamiseksi, jossa kvanttitietokone peittää täysin nykyisen supertietokoneen tehon, kubitit on linkitettävä toisiinsa. Todella korkealaatuinen kvanttitietokone voi vaatia tuhansia kubittejä, mutta tämän päivän parhaat kvanttitietokoneet voivat käsittelevät yleensä vain noin 50 kubittia. Tutkijat pyrkivät jatkuvasti luomaan vakaampia ja luotettavampia kubitteja. Kvanttitietokoneiden asiantuntijat ennustavat, että tehokkaat ja luotettavat kvanttilaitteet saattaa olla täällä vuosikymmenen sisällä.