Mik azok a kvantumszámítógépek?

A kvantumszámítógépek képesek drasztikusan növelni a számítások változatosságát és pontosságát, új alkalmazásokat nyitnak a számítógépek számára, és továbbfejlesztik a fizikai jelenségek modelljeinket. Mégis, miközben a kvantumszámítógépek egyre nagyobb médiavisszhangot kapnak, sokan még mindig nem biztosak abban, hogy a kvantumszámítógépek miben különböznek a hagyományos számítógépektől. Vizsgáljuk meg a kvantumszámítógépek működését, egyes alkalmazásaikat és a közelgő jövőjüket.

Mi az a kvantum számítógép?

Mielőtt érdemben megvizsgálhatnánk, hogyan kvantumszámítógépek működik, először meg kell határoznunk kvantum számítógépek. A kvantumszámítógép rövid definíciója a következő: olyan kvantummechanikán alapuló számítógép, amely bizonyos összetett számításokat sokkal nagyobb hatékonysággal képes végrehajtani, mint a hagyományos számítógépek. Ez a kvantumszámítógépek gyors definíciója, de el kell szánnunk egy kis időt, hogy valóban megértsük, mi különbözteti meg a kvantumszámítógépeket a hagyományos számítógépektől.

A hagyományos számítógépek bináris rendszerrel kódolják az információkat: az adatok minden bitjét egyként vagy nullaként jelenítik meg. Az egyesek és nullák sorozatai össze vannak láncolva, hogy összetett információ-darabokat, például szöveget, képeket és hangot képviseljenek. Ám ezekben a bináris rendszerekben az információ mindig csak egyesek és nullák formájában tárolható, ami azt jelenti, hogy az adatok ábrázolásának és értelmezésének szigorú határai vannak, és az adatok összetettebbé válásával szükségszerűen egyre hosszabb egyesek és nullák.

A kvantumszámítógépek azért képesek hatékonyabban tárolni és értelmezni az adatokat, mert nem biteket használnak az adatok megjelenítésére, hanem „qubit”. A kubitok olyan szubatomi részecskék, mint a fotonok és az elektronok. A Qubitoknak van néhány érdekes tulajdonsága, amelyek hasznossá teszik őket új számítási módszerekhez. A Qubit két tulajdonsággal rendelkezik, amelyeket a számítógépes mérnökök kihasználhatnak: szuperpozíciók és összefonódások.

A kvantum-szuperpozíciók lehetővé teszik, hogy a qubitek ne csak az „egy” vagy a „nulla” állapotban létezzenek, hanem az ezen állapotok közötti kontinuum mentén, ami azt jelenti, hogy a qubitek segítségével több információ tárolható. Eközben a kvantumösszefonódás egy olyan jelenségre utal, amikor qubit párok generálhatók, és ha az egyik qubit megváltozik, a másik qubit is megváltozik, előre látható módon. Ezek a kvantumtulajdonságok felhasználhatók összetett adatok hatékonyabb ábrázolására és strukturálására.

Hogyan működnek a kvantumszámítógépek

A kvantum „szuperpozíciók” onnan kapták a nevüket, hogy egyszerre több pozícióban is lehetnek. Míg a bitek csak két pozícióban lehetnek, a qubitek egyszerre több állapotban is létezhetnek.

Részben a kvantum-szuperpozíciók létének köszönhetően a kvantumszámítógép képes egyidejűleg sok különböző lehetséges kimenetel kiszámítására. A számítások elvégzése után megmérik a qubiteket, ami a kvantumállapot 0-ra vagy 1-re való összeomlásával a végeredményt eredményezi, ami azt jelenti, hogy az eredményt a hagyományos számítógépek értelmezhetik.

A kvantumszámítástechnikai kutatók és mérnökök mikrohullámú vagy precíziós lézerek segítségével megváltoztathatják a qubitek helyzetét.

A számítógépes mérnökök kihasználhatják a kvantumösszefonódás előnyeit a számítógépek feldolgozási teljesítményének drámai javítására. A kvantumösszefonódás arra utal, hogy két qubit úgy kapcsolható össze, hogy az egyik qubit megváltoztatása megbízható módon megváltoztatja a másik qubitet. Nem teljesen érthető, hogy a kubitek miért hozhatnak létre ilyen kapcsolatot, vagy hogyan működik pontosan ez a jelenség, de a tudósok elég jól értik ahhoz, hogy potenciálisan kihasználják a kvantumszámítógépek számára. A kvantumösszefonódás miatt az extra qubitek hozzáadása a kvantumgéphez nem csak megduplázza a számítógép feldolgozási teljesítményét, hanem exponenciálisan is skálázhatja a feldolgozási teljesítményt.

Ha mindez túlságosan elvontnak tűnt, egy labirintus elképzelésével leírhatjuk, hogy milyen hasznosak a szuperpozíciók. Ahhoz, hogy egy normál számítógép megpróbáljon megoldani egy labirintust, meg kell próbálnia a labirintus minden egyes útvonalát, amíg meg nem találja a sikeres útvonalat. Egy kvantumszámítógép azonban lényegében az összes különböző utat képes egyszerre feltárni, mivel nincs egy adott állapothoz kötve.

Mindez azt jelenti, hogy az összefonódás és szuperpozíció tulajdonságai hasznossá teszik a kvantumszámítógépeket, mert képesek kezelni a bizonytalanságot, több lehetséges állapotot és eredményt képesek feltárni. A kvantumszámítógépek segítenek a tudósoknak és mérnököknek jobban modellezni és megérteni a sokrétű, sok változót tartalmazó helyzeteket.

Mire használhatók a kvantumszámítógépek?

Most, hogy jobban megértjük a kvantumszámítógépek működését, vizsgáljuk meg a lehetséges lehetőségeket használati esetek kvantumszámítógépekhez.

Már utaltunk arra, hogy a kvantumszámítógépekkel sokkal gyorsabban lehet hagyományos számításokat végrehajtani. A kvantumszámítógépes technológiával azonban olyan dolgok is megvalósíthatók, amelyek a hagyományos számítógépekkel nem is lehetségesek, vagy nagyon nem praktikusak.

A kvantumszámítógépek egyik legígéretesebb és legérdekesebb alkalmazása a mesterséges intelligencia területén található. A kvantumszámítógépek képesek javítani a neurális hálózatok által létrehozott modelleket, valamint az ezeket támogató szoftvereket. A Google jelenleg arra használja kvantumszámítógépeit segítik az önvezető járművek létrehozását.

A kvantumszámítógépeknek is szerepük van az elemzésben kémiai kölcsönhatások és reakciók. A legfejlettebb normál számítógépek is csak viszonylag egyszerű molekulák közötti reakciókat tudnak modellezni, amit a kérdéses molekulák tulajdonságainak szimulálásával érnek el. A kvantumszámítógépek azonban lehetővé teszik a kutatók számára, hogy olyan modelleket hozzanak létre, amelyek pontosan olyan kvantumtulajdonságokkal rendelkeznek, mint az általuk kutatott molekulák. A gyorsabb, pontosabb molekulamodellezés elősegítené új terápiás gyógyszerek és az energiatechnológia létrehozásához felhasználható új anyagok, például hatékonyabb napelemek létrehozását.

Kvantumszámítógépek is használhatók hogy jobban megjósoljuk az időjárást. Az időjárás sok esemény összefolyása, és az időjárási minták előrejelzésére használt képletek bonyolultak, és sok változót tartalmaznak. Rendkívül hosszú időbe telhet az időjárás előrejelzéséhez szükséges összes számítás elvégzése, amely során maguk az időjárási körülmények is változhatnak. Szerencsére az időjárás előrejelzésére használt egyenletek hullámjellegűek, amelyeket egy kvantumszámítógép ki tud használni. A kvantumszámítógépek segíthetnek a kutatóknak pontosabb éghajlati modellek felépítésében, amelyek szükségesek egy olyan világban, ahol az éghajlat változik.

A kvantumszámítógépek és algoritmusok szintén felhasználhatók az emberek adatvédelmének biztosítására. Kvantumkriptográfia a kvantumbizonytalanság elvét használja, ahol minden kísérlet egy objektum mérésére az adott objektum módosítását eredményezi. A kommunikáció lehallgatására tett kísérletek befolyásolnák a létrejövő kommunikációt, és a manipuláció bizonyítékát mutatnák.

A kvantumszámítástechnika jövője

A kvantumszámítógépek legtöbb felhasználási területe az akadémikusokra és a vállalkozásokra korlátozódik. Nem valószínű, hogy a fogyasztók/a nagyközönség kvantum-okostelefonokhoz jutna, legalábbis nem egyhamar. Ennek az az oka, hogy a kvantumszámítógép működtetéséhez speciális berendezésekre van szükség. A kvantumszámítógépek rendkívül érzékenyek a zavarokra, mivel a környező környezetben a legapróbb változások is a qubitek helyzetének eltolódását és a szuperpozíciós állapotból való kiesést okozhatják. Ezt dekoherenciának hívják, és ez az egyik oka annak, hogy a kvantumszámítógépek fejlődése olyan lassúnak tűnik a hagyományos számítógépekhez képest. A kvantumszámítógépeknek általában extrém alacsony hőmérsékleten kell működniük, más elektromos berendezésektől elkülönítve.

A zaj minden óvintézkedés ellenére is képes hibákat okozni a számításokban, és a kutatók keresik a módszereket a qubitek megbízhatóbbá tételére. A kvantumfölény eléréséhez, ahol a kvantumszámítógép teljesen elhomályosítja egy jelenlegi szuperszámítógép erejét, a qubiteket össze kell kapcsolni. Egy igazán kvantum-szuperszámítógéphez több ezer qubitre lehet szükség, de a mai legjobb kvantumszámítógépek erre képesek. általában csak körülbelül 50 qubittel foglalkoznak. A kutatók folyamatosan dolgoznak a stabilabb és megbízhatóbb qubitek létrehozása felé. A kvantumszámítógépekkel foglalkozó szakértők azt jósolják, hogy nagy teljesítményű és megbízható kvantumeszközök egy évtizeden belül itt lehet.