Hvað eru skammtatölvur?

Skammtatölvur hafa tilhneigingu til að stórauka fjölbreytni og nákvæmni útreikninga, opna ný forrit fyrir tölvur og bæta líkan okkar af eðlisfræðilegum fyrirbærum. Samt á meðan skammtatölvur eru að sjá vaxandi fjölmiðlaumfjöllun, eru margir enn ekki vissir um hvernig skammtatölvur eru frábrugðnar venjulegum tölvum. Skoðum hvernig skammtatölvur virka, sum forrit þeirra og komandi framtíð þeirra.

Hvað er skammtatölva?

Áður en við getum á marktækan hátt kannað hvernig skammtatölvur starfa, við þurfum fyrst að skilgreina skammtatölvur. Stutta skilgreiningin á skammtatölvu er þessi: tölva, byggð á skammtafræði, sem er fær um að framkvæma ákveðnar flóknar útreikninga með mun meiri skilvirkni en hefðbundnar tölvur. Þetta er fljótleg skilgreining á skammtatölvum, en við viljum taka okkur tíma til að skilja hvað skilur skammtatölvur frá hefðbundnum tölvum.

Venjulegar tölvur kóða upplýsingar með tvíundarkerfi: tákna hvern bita af gögnunum sem annaðhvort einn eða núll. Röð af einum og núllum eru hlekkjaðar saman til að tákna flókna hluta upplýsinga eins og texta, myndir og hljóð. Samt í þessum tvöfalda kerfum er alltaf hægt að geyma upplýsingarnar sem eitt og núll, sem þýðir að það eru takmörk fyrir því hvernig gögn eru táknuð og túlkuð og að eftir því sem gögn verða flóknari verða þau endilega að verða lengri og lengri strengir af einum og núll.

Ástæðan fyrir því að skammtatölvur geta geymt og túlkað gögn á skilvirkari hátt er sú að þær nota ekki bita til að tákna gögn, heldur nota þær "qubits“. Qubits eru subatomic agnir eins og ljóseindir og rafeindir. Qubits hafa nokkra áhugaverða eiginleika sem gera þá gagnlega fyrir nýjar útreikningsaðferðir. Qubits hafa tvo eiginleika sem tölvuverkfræðingar geta nýtt sér: yfirsetningar og flækjur.

Skammtasamsetningar gera qubitum kleift að vera til í ekki bara „einu“ ástandinu eða „núll“ ástandinu, heldur meðfram samfellu milli þessara ríkja, sem þýðir að hægt er að geyma meiri upplýsingar með því að nota qubits. Á sama tíma vísar skammtaflækja til fyrirbæris þar sem hægt er að búa til pör af qubitum og ef einum qubit er breytt er hinum qubitnum breytt, á fyrirsjáanlegan hátt, líka. Þessa skammtaeiginleika er hægt að nota til að tákna og byggja upp flókin gögn á skilvirkari hátt.

Hvernig skammtatölvur starfa

Skammtafræðilegar „yfirsetningar“ fá nafn sitt af því að þær geta verið í fleiri en einni stöðu í einu. Þó að bitar geti verið í aðeins tveimur stöðum geta qubitar verið til í mörgum ríkjum í einu.

Að hluta til þökk sé tilvist skammtasamsetninga er skammtatölva fær um að reikna út margar mismunandi mögulegar niðurstöður á sama tíma. Þegar útreikningarnir hafa verið gerðir eru qubitarnir mældir, sem skapar lokaniðurstöðu með því að skammtaástandið hrynur niður í annað hvort 0 eða 1, sem þýðir að niðurstaðan er síðan hægt að túlka með hefðbundnum tölvum.

Skammtatölvunarfræðingar og verkfræðingar geta breytt stöðunni sem qubitarnir eru í með því að nota örbylgjuofna eða nákvæmnisleysis.

Tölvuverkfræðingar geta nýtt sér skammtafræðiflækju til að stórbæta vinnslugetu tölva. Skammtaflækja vísar til þess að hægt er að tengja saman tvo qubita á þann hátt að breyting á einum qubita breytir hinum qubitnum á áreiðanlegan hátt. Það er ekki alveg skilið hvers vegna qubits geta komið á slíku sambandi eða hvernig þetta fyrirbæri virkar nákvæmlega, en vísindamenn skilja það nógu vel til að hugsanlega nýta það fyrir skammtatölvur. Vegna skammtaflækju tvöfaldar það að bæta við auka qubits í skammtavél ekki bara vinnslugetu tölvunnar heldur getur það stækkað vinnslukraftinn veldishraða.

Ef þetta hefur allt virst aðeins of abstrakt, getum við lýst því hvernig yfirsetningar eru gagnlegar með því að ímynda okkur völundarhús. Til þess að venjuleg tölva geti reynt að leysa völundarhús verður hún að reyna hverja leið völundarhússins þar til hún finnur farsæla leið. Hins vegar gæti skammtatölva í raun kannað allar mismunandi leiðir í einu, þar sem hún er ekki bundin við eitthvert tiltekið ástand.

Allt þetta er að segja að eiginleikar flækju og yfirsetninga gera skammtatölvur gagnlegar vegna þess að þær geta tekist á við óvissu, þær eru færar um að kanna fleiri mögulegar aðstæður og niðurstöður. Skammtatölvur munu hjálpa vísindamönnum og verkfræðingum betur að líkja og skilja aðstæður sem eru margþættar, með mörgum breytum.

Til hvers eru skammtatölvur notaðar?

Nú þegar við höfum betra innsæi fyrir hvernig skammtatölvur starfa, skulum við kanna það sem er mögulegt nota tilvik fyrir skammtatölvur.

Við höfum þegar bent á þá staðreynd að hægt er að nota skammtatölvur til að framkvæma hefðbundna útreikninga á mun hraðari hraða. Hins vegar er hægt að nota skammtatölvutækni til að ná fram hlutum sem eru kannski ekki einu sinni mögulegir, eða eru mjög óhagkvæmir, með hefðbundnum tölvum.

Eitt efnilegasta og áhugaverðasta forrit skammtatölva er á sviði gervigreindar. Skammtatölvur hafa kraft til að bæta líkanin sem búin eru til af tauganetum, sem og hugbúnaðinn sem styður þær. Google notar nú skammtatölvur sínar til að aðstoða við gerð sjálfkeyrandi farartækja.

Skammtatölvur hafa einnig hlutverki að gegna við greiningu á efnasamspil og viðbrögð. Jafnvel fullkomnustu venjulegu tölvurnar geta aðeins mótað viðbrögð milli tiltölulega einfaldra sameinda, sem þær ná með því að líkja eftir eiginleikum viðkomandi sameinda. Skammtatölvur gera vísindamönnum hins vegar kleift að búa til líkön sem hafa nákvæma skammtaeiginleika eins og sameindirnar sem þeir eru að rannsaka. Hraðari, nákvæmari sameindalíkan myndi hjálpa til við að búa til ný lækningalyf og ný efni til notkunar við gerð orkutækni, svo sem skilvirkari sólarrafhlöður.

Einnig er hægt að nota skammtatölvur til að spá betur fyrir um veður. Veður er samruni margra atburða og formúlurnar sem notaðar eru til að spá fyrir um veðurfar eru flóknar og innihalda margar breytur. Það getur tekið ákaflega langan tíma að framkvæma alla þá útreikninga sem þarf til að spá fyrir um veðrið, þar sem veðurskilyrðin sjálf geta þróast. Sem betur fer hafa jöfnurnar sem notaðar eru til að spá fyrir um veður öldueðli sem skammtatölva getur nýtt sér. Skammtatölvur geta hjálpað vísindamönnum að búa til nákvæmari loftslagslíkön sem eru nauðsynleg í heimi þar sem loftslag er að breytast.

Einnig er hægt að nota skammtatölvur og reiknirit til að tryggja gagnavernd fólks. Skammtafræðileg dulritun notar skammtaóvissuregluna, þar sem allar tilraunir til að mæla hlut endar með því að gera breytingar á hlutnum. Tilraunir til að stöðva fjarskipti myndu hafa áhrif á samskiptin sem mynduðust og sýna vísbendingar um að átt hafi verið við.

Framtíð skammtafræðinnar

Mest af notkun fyrir skammtatölvur verður bundin við fræðimenn og fyrirtæki. Það er ólíklegt að neytendur/almenningur fái skammtafræðisnjallsíma, að minnsta kosti ekki í bráð. Þetta er vegna þess að það þarf sérhæfðan búnað til að stjórna skammtatölvu. Skammtatölvur eru mjög viðkvæmar fyrir truflunum, þar sem jafnvel minnstu breytingar á umhverfinu í kring geta valdið því að qubitar breytist um stöðu og falla úr superposition ástandinu. Þetta er kallað decoherence og það er ein af ástæðunum fyrir því að framfarir í skammtatölvum virðast koma svona hægt miðað við venjulegar tölvur. Skammtatölvur þurfa venjulega að starfa við mjög lágt hitastig, einangraðar frá öðrum rafbúnaði.

Jafnvel með öllum varúðarráðstöfunum tekst hávaði samt að skapa villur í útreikningunum og vísindamenn eru að leita leiða til að gera qubita áreiðanlegri. Til að ná yfirráðum yfir skammtafræði, þar sem skammtatölva myrkjar að fullu krafti núverandi ofurtölvu, þarf að tengja qubita saman. Raunveruleg skammtatölva gæti þurft þúsundir qubits, en bestu skammtatölvurnar í dag geta tekur venjulega aðeins á um 50 qubits. Vísindamenn eru stöðugt að leggja sig fram um að búa til stöðugri og áreiðanlegri qubita. Sérfræðingar á sviði skammtatölva spá því að öflug og áreiðanleg skammtafræðitæki gæti verið hér innan áratugar.