Ի՞նչ են քվանտային համակարգիչները:

Քվանտային համակարգիչները ներուժ ունեն կտրուկ մեծացնելու հաշվարկների բազմազանությունն ու ճշգրտությունը՝ բացելով նոր հավելվածներ համակարգիչների համար և բարելավելով ֆիզիկական երևույթների մեր մոդելները: Այնուամենայնիվ, մինչ քվանտային համակարգիչները տեսնում են մեդիա լուսաբանման աճ, շատերը դեռևս վստահ չեն, թե ինչպես են քվանտային համակարգիչները տարբերվում սովորական համակարգիչներից: Եկեք քննենք, թե ինչպես են աշխատում քվանտային համակարգիչները, դրանց որոշ կիրառություններ և առաջիկա ապագան:

Ի՞նչ է քվանտային համակարգիչը:

Նախքան մենք կարող ենք իմաստալից ուսումնասիրել, թե ինչպես են քվանտային համակարգիչները գործել, նախ պետք է սահմանենք քվանտային համակարգիչներ. Քվանտային համակարգչի կարճ սահմանումը հետևյալն է. համակարգիչ, որը հիմնված է քվանտային մեխանիկայի վրա, որն ի վիճակի է որոշակի բարդ հաշվարկներ իրականացնել շատ ավելի մեծ արդյունավետությամբ, քան ավանդական համակարգիչները: Սա քվանտային համակարգիչների արագ սահմանումն է, բայց մենք կուզենանք որոշ ժամանակ հատկացնել, որպեսզի իսկապես հասկանանք, թե ինչն է առանձնացնում քվանտային համակարգիչները ավանդական համակարգիչներից:

Սովորական համակարգիչները տեղեկատվությունը կոդավորում են երկուական համակարգով՝ ներկայացնելով տվյալների յուրաքանչյուր բիթ որպես մեկ կամ զրո: Մեկերի և զրոների շարքերը շղթայված են՝ ներկայացնելու տեղեկատվության բարդ կտորներ, ինչպիսիք են տեքստը, պատկերները և ձայնը: Այնուամենայնիվ, այս երկուական համակարգերում տեղեկատվությունը երբևէ կարող է պահպանվել միայն որպես մեկ և զրո, ինչը նշանակում է, որ տվյալների ներկայացման և մեկնաբանման դժվար սահման կա, և քանի որ տվյալներն ավելի բարդ են դառնում, դրանք պետք է դառնան ավելի ու ավելի երկար տողեր, և զրոներ.

Պատճառն այն է, որ քվանտային համակարգիչները կարողանում են ավելի արդյունավետ կերպով պահել և մեկնաբանել տվյալները, այն է, որ նրանք չեն օգտագործում բիթերը տվյալներ ներկայացնելու համար, այլ օգտագործում են «քյուբիթներ»: Կուբիտները ենթաատոմային մասնիկներ են, ինչպիսիք են ֆոտոնները և էլեկտրոնները: Քուբիթներն ունեն մի քանի հետաքրքիր հատկություններ, որոնք դրանք օգտակար են դարձնում հաշվարկման նոր մեթոդների համար: Քուբիթներն ունեն երկու հատկություն, որոնցից համակարգչային ինժեներները կարող են օգտվել. սուպերպոզիցիաներ և խճճվածություն.

Քվանտային սուպերպոզիցիաները թույլ են տալիս քյուբիթներին գոյություն ունենալ ոչ միայն «մեկ» կամ «զրոյական» վիճակում, այլ այս վիճակների միջև շարունակականության երկայնքով, ինչը նշանակում է, որ ավելի շատ տեղեկատվություն կարելի է պահել քյուբիթների միջոցով: Միևնույն ժամանակ, քվանտային խճճվածությունը վերաբերում է մի երևույթի, որտեղ կարող են ստեղծվել զույգ քյուբիթներ, և եթե մի քուբիթը փոփոխվում է, մյուս քուբիթը նույնպես փոխվում է կանխատեսելի ձևով: Այս քվանտային հատկությունները կարող են օգտագործվել բարդ տվյալների ավելի արդյունավետ ձևերով ներկայացնելու և կառուցվածքի համար:

Ինչպես են գործում քվանտային համակարգիչները

Քվանտային «գերդիրքերն» իրենց անվանումն ստացել են այն փաստից, որ նրանք կարող են միաժամանակ լինել մեկից ավելի դիրքերում: Մինչ բիթերը կարող են լինել ընդամենը երկու դիրքում, քյուբիթները կարող են գոյություն ունենալ միանգամից մի քանի վիճակներում:

Մասամբ քվանտային սուպերպոզիցիաների առկայության շնորհիվ քվանտային համակարգիչը ի վիճակի է միաժամանակ հաշվարկել բազմաթիվ տարբեր պոտենցիալ արդյունքներ: Հաշվարկներն ավարտվելուց հետո քյուբիթները չափվում են, ինչը վերջնական արդյունք է ստեղծում քվանտային վիճակի կամ 0-ի կամ 1-ի փլուզման միջոցով, ինչը նշանակում է, որ արդյունքը կարող է այնուհետև մեկնաբանվել ավանդական համակարգիչների կողմից:

Քվանտային հաշվողական հետազոտողները և ինժեներները կարող են փոխել կուբիտների դիրքը՝ օգտագործելով միկրոալիքային վառարաններ կամ ճշգրիտ լազերներ:

Համակարգչային ինժեներները կարող են օգտվել քվանտային խճճվածությունից՝ կտրուկ բարելավելու համակարգիչների մշակման հզորությունը: Քվանտային խճճվածությունը վերաբերում է այն փաստին, որ երկու քյուբիթները կարող են միմյանց հետ կապված լինել այնպես, որ քյուբիթներից մեկի փոփոխությունը փոխում է մյուս քյուբիթը հուսալի ձևով: Լիովին հասկանալի չէ, թե ինչու են քյուբիթները կարող են նման հարաբերություններ հաստատել կամ ինչպես է այս երևույթը ճիշտ աշխատում, բայց գիտնականները դա բավական լավ են հասկանում, որպեսզի հնարավոր լինի օգտվել դրանից քվանտային համակարգիչների համար: Քվանտային խճճվածության պատճառով քվանտային մեքենային հավելյալ քյուբիթների ավելացումը ոչ միայն կրկնապատկում է համակարգչի մշակման հզորությունը, այլև կարող է երկրաչափականորեն մեծացնել մշակման հզորությունը:

Եթե ​​այս ամենը մի փոքր չափազանց վերացական է թվում, մենք կարող ենք նկարագրել, թե ինչպես են սուպերպոզիցիաները օգտակար՝ պատկերացնելով լաբիրինթոս: Որպեսզի սովորական համակարգիչը փորձի լաբիրինթոս լուծել, այն պետք է փորձի լաբիրինթոսի յուրաքանչյուր ուղին, մինչև գտնի հաջող երթուղին: Այնուամենայնիվ, քվանտային համակարգիչը կարող է էապես ուսումնասիրել բոլոր տարբեր ուղիները միանգամից, քանի որ այն կապված չէ որևէ վիճակի հետ:

Այս ամենը նշանակում է, որ խճճվածության և սուպերպոզիցիաների հատկությունները քվանտային համակարգիչները դարձնում են օգտակար, քանի որ նրանք կարող են գործ ունենալ անորոշության հետ, նրանք ի վիճակի են ավելի շատ հնարավոր վիճակներ և արդյունքներ ուսումնասիրելու: Քվանտային համակարգիչները կօգնեն գիտնականներին և ինժեներներին ավելի լավ մոդելավորել և հասկանալ իրավիճակները, որոնք բազմակողմանի են՝ բազմաթիվ փոփոխականներով:

Ինչի համար են օգտագործվում քվանտային համակարգիչները:

Այժմ, երբ մենք ավելի լավ ինտուիցիա ունենք, թե ինչպես են աշխատում քվանտային համակարգիչները, եկեք ուսումնասիրենք հնարավորը օգտագործել պատյաններ քվանտային համակարգիչների համար:

Մենք արդեն ակնարկել ենք այն փաստը, որ քվանտային համակարգիչները կարող են օգտագործվել ավանդական հաշվարկները շատ ավելի արագ տեմպերով իրականացնելու համար: Այնուամենայնիվ, քվանտային համակարգչային տեխնոլոգիան կարող է օգտագործվել այնպիսի բաների հասնելու համար, որոնք կարող են նույնիսկ հնարավոր չլինել կամ շատ անիրագործելի լինել ավանդական համակարգիչների հետ:

Քվանտային համակարգիչների ամենահեռանկարային և հետաքրքիր կիրառություններից մեկը արհեստական ​​ինտելեկտի ոլորտում է։ Քվանտային համակարգիչները կարող են բարելավել նեյրոնային ցանցերի կողմից ստեղծված մոդելները, ինչպես նաև դրանք աջակցող ծրագրակազմը: Google-ը ներկայումս օգտագործում է իր քվանտային համակարգիչները աջակցել ինքնակառավարվող մեքենաների ստեղծմանը.

Քվանտային համակարգիչները նույնպես իրենց դերն ունեն վերլուծության մեջ քիմիական փոխազդեցություններ և ռեակցիաներ. Նույնիսկ ամենաառաջադեմ նորմալ համակարգիչները կարող են մոդելավորել միայն համեմատաբար պարզ մոլեկուլների միջև ռեակցիաները, որոնք նրանք հասնում են խնդրո առարկա մոլեկուլների հատկությունները մոդելավորելու միջոցով: Քվանտային համակարգիչները, սակայն, թույլ են տալիս հետազոտողներին ստեղծել մոդելներ, որոնք ունեն ճշգրիտ քվանտային հատկություններ, ինչպես մոլեկուլները, որոնք նրանք ուսումնասիրում են: Մոլեկուլների ավելի արագ և ճշգրիտ մոդելավորումը կօգնի ստեղծել նոր բուժական դեղամիջոցներ և նոր նյութեր՝ էներգիայի տեխնոլոգիաների ստեղծման համար օգտագործելու համար, ինչպիսիք են ավելի արդյունավետ արևային մարտկոցները:

Կարող են օգտագործվել նաև քվանտային համակարգիչներ եղանակը ավելի լավ կանխատեսելու համար: Եղանակը բազմաթիվ իրադարձությունների միախառնումն է, և եղանակի օրինաչափությունները կանխատեսելու համար օգտագործվող բանաձևերը բարդ են՝ պարունակելով բազմաթիվ փոփոխականներ: Եղանակի կանխատեսման համար անհրաժեշտ բոլոր հաշվարկները կատարելու համար կարող է չափազանց երկար ժամանակ պահանջվել, որի ընթացքում եղանակային պայմաններն իրենք կարող են զարգանալ: Բարեբախտաբար, եղանակի կանխատեսման համար օգտագործվող հավասարումները ունեն ալիքային բնույթ, որը քվանտային համակարգիչը կարող է օգտագործել: Քվանտային համակարգիչները կարող են օգնել հետազոտողներին ստեղծել ավելի ճշգրիտ կլիմայական մոդելներ, որոնք անհրաժեշտ են մի աշխարհում, որտեղ կլիման փոխվում է:

Քվանտային համակարգիչները և ալգորիթմները կարող են օգտագործվել նաև մարդկանց տվյալների գաղտնիության ապահովման համար: Quantum cryptography- ը օգտագործում է քվանտային անորոշության սկզբունքը, որտեղ օբյեկտը չափելու ցանկացած փորձ ավարտվում է այդ օբյեկտում փոփոխություններ կատարելով: Հաղորդակցությունը գաղտնալսելու փորձերը կազդեն արդյունքում ստացվող հաղորդակցության վրա և ցույց կտան կեղծման ապացույցներ:

Քվանտային հաշվարկների ապագան

Քվանտային համակարգիչների օգտագործման մեծ մասը կսահմանափակվի գիտնականների և բիզնեսի համար: Քիչ հավանական է, որ սպառողները/հասարակությունը քվանտային սմարթֆոններ ստանան, համենայն դեպս ոչ շուտով: Դա պայմանավորված է նրանով, որ քվանտային համակարգիչը գործարկելու համար անհրաժեշտ է մասնագիտացված սարքավորում: Քվանտային համակարգիչները խիստ զգայուն են անկարգությունների նկատմամբ, քանի որ նույնիսկ շրջակա միջավայրի ամենանվազագույն փոփոխությունները կարող են ստիպել կուբիթներին փոխել դիրքը և դուրս գալ սուպերպոզիցիոն վիճակից: Սա կոչվում է decoherence, և դա պատճառներից մեկն է, որ քվանտային համակարգիչների առաջընթացը սովորական համակարգիչների համեմատ այնքան դանդաղ է գալիս: Քվանտային համակարգիչները սովորաբար պետք է աշխատեն ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի պայմաններում՝ մեկուսացված այլ էլեկտրական սարքավորումներից:

Նույնիսկ բոլոր նախազգուշական միջոցներով, աղմուկը դեռ կարողանում է սխալներ ստեղծել հաշվարկներում, և հետազոտողները ուղիներ են փնտրում քյուբիթներն ավելի հուսալի դարձնելու համար: Քվանտային գերակայության հասնելու համար, որտեղ քվանտային համակարգիչը լիովին խավարում է ընթացիկ գերհամակարգչի հզորությունը, քյուբիթները պետք է միացվեն միմյանց: Իսկապես քվանտային գերագույն համակարգիչը կարող է պահանջել հազարավոր կիուբիթներ, բայց այսօրվա լավագույն քվանտային համակարգիչները կարող են. սովորաբար զբաղվում է միայն մոտ 50 քյուբիթով: Հետազոտողները մշտապես փորձում են ստեղծել ավելի կայուն և հուսալի քյուբիթներ: Քվանտային համակարգիչների ոլորտի մասնագետները կանխատեսում են, որ հզոր և հուսալի քվանտային սարքերը կարող է այստեղ լինել մեկ տասնամյակի ընթացքում: