Kas yra kvantiniai kompiuteriai?

Kvantiniai kompiuteriai gali žymiai padidinti skaičiavimų įvairovę ir tikslumą, atverti naujas kompiuterių programas ir patobulinti mūsų fizinių reiškinių modelius. Vis dėlto, nors kvantiniai kompiuteriai vis dažniau aprėpia žiniasklaidą, daugelis vis dar nėra tikri, kuo kvantiniai kompiuteriai skiriasi nuo įprastų kompiuterių. Panagrinėkime, kaip veikia kvantiniai kompiuteriai, kai kurios jų programos ir jų ateitis.

Kas yra kvantinis kompiuteris?

Prieš pradėdami prasmingai ištirti, kaip kvantiniai kompiuteriai veikti, pirmiausia turime apibrėžti kvantiniai kompiuteriai. Trumpas kvantinio kompiuterio apibrėžimas yra toks: kompiuteris, pagrįstas kvantine mechanika, kuris gali atlikti tam tikrus sudėtingus skaičiavimus daug efektyviau nei tradiciniai kompiuteriai. Tai greitas kvantinių kompiuterių apibrėžimas, tačiau norėsime šiek tiek laiko suprasti, kuo kvantiniai kompiuteriai skiriasi nuo tradicinių kompiuterių.

Įprasti kompiuteriai koduoja informaciją dvejetaine sistema: kiekvieną duomenų bitą vaizduoja kaip vienetą arba nulį. Vienetų ir nulių serijos yra sujungtos grandinėmis, kad pateiktų sudėtingas informacijos dalis, pvz., tekstą, vaizdus ir garsą. Tačiau šiose dvejetainėse sistemose informacija visada gali būti saugoma tik kaip vienetai ir nuliai, o tai reiškia, kad yra griežtos ribos, kaip duomenys pateikiami ir interpretuojami, o duomenims tampant sudėtingesniais, jie būtinai turi tapti vis ilgesnėmis vienetų eilutėmis. nuliai.

Priežastis, dėl kurios kvantiniai kompiuteriai gali efektyviau saugoti ir interpretuoti duomenis, yra ta, kad jie nenaudoja bitų duomenims pavaizduoti, o naudoja „kubitai“. Kubitai yra subatominės dalelės, tokios kaip fotonai ir elektronai. Kubitai turi keletą įdomių savybių, dėl kurių jie yra naudingi naujiems skaičiavimo metodams. Kubitai turi dvi savybes, kuriomis kompiuterių inžinieriai gali pasinaudoti: superpozicijos ir susipynimas.

Kvantinės superpozicijos leidžia kubitams egzistuoti ne tik „vienoje“ ar „nulinėje“ būsenoje, bet ir kontinuumu tarp šių būsenų, o tai reiškia, kad naudojant kubitus galima laikyti daugiau informacijos. Tuo tarpu kvantinis susipynimas reiškia reiškinį, kai gali būti generuojamos kubitų poros, o jei vienas kubitas pakeičiamas, kitas kubitas taip pat keičiamas nuspėjamu būdu. Šios kvantinės savybės gali būti naudojamos sudėtingiems duomenims pateikti ir struktūrizuoti efektyvesniais būdais.

Kaip veikia kvantiniai kompiuteriai

Kvantinės „superpozicijos“ savo pavadinimą gavo iš to, kad vienu metu gali būti daugiau nei vienoje padėtyje. Nors bitai gali būti tik dviejose padėtyse, kubitai gali egzistuoti keliose būsenose vienu metu.

Iš dalies dėl kvantinių superpozicijų buvimo kvantinis kompiuteris gali tuo pačiu metu apskaičiuoti daug skirtingų galimų rezultatų. Atlikus skaičiavimus, išmatuojami kubitai, o tai sukuria galutinį rezultatą, kai kvantinė būsena sumažėja iki 0 arba 1, o tai reiškia, kad rezultatą gali interpretuoti tradiciniai kompiuteriai.

Kvantinės kompiuterijos tyrėjai ir inžinieriai gali pakeisti kubitų padėtį naudodami mikrobangų krosneles arba tikslius lazerius.

Kompiuterių inžinieriai gali pasinaudoti kvantinio susipynimo pranašumais, kad žymiai pagerintų kompiuterių apdorojimo galią. Kvantinis susipynimas reiškia faktą, kad du kubitai gali būti sujungti taip, kad pakeitus vieną iš kubitų patikimai pakeičiamas kitas kubitas. Ne visiškai suprantama, kodėl kubitai gali sukurti tokį ryšį arba kaip šis reiškinys tiksliai veikia, tačiau mokslininkai tai pakankamai gerai supranta, kad galėtų tuo pasinaudoti kvantiniams kompiuteriams. Dėl kvantinio susipynimo papildomų kubitų pridėjimas prie kvantinės mašinos ne tik padvigubina kompiuterio apdorojimo galią, bet ir gali eksponentiškai padidinti apdorojimo galią.

Jei visa tai atrodė per daug abstraktu, galime apibūdinti superpozicijos naudingumą įsivaizduodami labirintą. Kad įprastas kompiuteris bandytų išspręsti labirintą, jis turi išbandyti kiekvieną labirinto kelią, kol suras sėkmingą maršrutą. Tačiau kvantinis kompiuteris iš esmės galėtų ištirti visus skirtingus kelius vienu metu, nes jis nėra susietas su jokia tam tikra būsena.

Visa tai reiškia, kad įsipainiojimo ir superpozicijų savybės daro kvantinius kompiuterius naudingus, nes jie gali susidoroti su neapibrėžtumu, jie gali ištirti daugiau galimų būsenų ir rezultatų. Kvantiniai kompiuteriai padės mokslininkams ir inžinieriams geriau modeliuoti ir suprasti situacijas, kurios yra daugialypės ir turi daug kintamųjų.

Kam naudojami kvantiniai kompiuteriai?

Dabar, kai turime geresnę kvantinių kompiuterių veikimo intuiciją, panagrinėkime, ką galima kvantinių kompiuterių naudojimo atvejai.

Mes jau užsiminėme apie tai, kad kvantiniai kompiuteriai gali būti naudojami tradiciniams skaičiavimams atlikti daug greičiau. Tačiau kvantinės kompiuterinės technologijos gali būti naudojamos norint pasiekti dalykų, kurie gali būti net neįmanomi arba labai nepraktiški naudojant tradicinius kompiuterius.

Vienas iš perspektyviausių ir įdomiausių kvantinių kompiuterių pritaikymo būdų yra dirbtinio intelekto srityje. Kvantiniai kompiuteriai gali tobulinti neuroninių tinklų sukurtus modelius bei juos palaikančią programinę įrangą. „Google“ šiuo metu naudoja savo kvantinius kompiuterius padėti sukurti savarankiškai važiuojančias transporto priemones.

Kvantiniai kompiuteriai taip pat atlieka svarbų vaidmenį analizuojant cheminės sąveikos ir reakcijos. Netgi pažangiausi įprasti kompiuteriai gali modeliuoti tik palyginti paprastų molekulių reakcijas, kurias jie pasiekia imituodami atitinkamų molekulių savybes. Tačiau kvantiniai kompiuteriai leidžia tyrėjams sukurti modelius, kurie turi tikslias kvantines savybes kaip ir tiriamos molekulės. Greitesnis ir tikslesnis molekulių modeliavimas padėtų sukurti naujus terapinius vaistus ir naujas medžiagas, skirtas naudoti kuriant energijos technologijas, pavyzdžiui, efektyvesnes saulės baterijas.

Taip pat gali būti naudojami kvantiniai kompiuteriai geriau prognozuoti orą. Oras yra daugelio įvykių santaka, o formulės, naudojamos prognozuoti orų modelius, yra sudėtingos ir apima daug kintamųjų. Visų skaičiavimų, reikalingų orui prognozuoti, atlikimas gali užtrukti itin ilgai, per kurį gali keistis pačios oro sąlygos. Laimei, lygtys, naudojamos nuspėti orą, turi banginį pobūdį, kurį gali išnaudoti kvantinis kompiuteris. Kvantiniai kompiuteriai gali padėti mokslininkams sukurti tikslesnius klimato modelius, kurie yra būtini pasaulyje, kuriame klimatas keičiasi.

Kvantiniai kompiuteriai ir algoritmai taip pat gali būti naudojami siekiant užtikrinti žmonių duomenų privatumą. Kvantinė kriptografija naudoja kvantinio neapibrėžtumo principą, kai bet koks bandymas išmatuoti objektą baigiasi to objekto pakeitimais. Bandymai perimti ryšius paveiktų gautą ryšį ir parodytų klastojimo požymius.

Kvantinio skaičiavimo ateitis

Dauguma kvantinių kompiuterių bus naudojami tik mokslininkams ir įmonėms. Mažai tikėtina, kad vartotojai / plačioji visuomenė gaus kvantinius išmaniuosius telefonus, bent jau artimiausiu metu. Taip yra todėl, kad kvantiniam kompiuteriui valdyti reikalinga specializuota įranga. Kvantiniai kompiuteriai yra labai jautrūs trikdžiams, nes net ir dėl smulkiausių aplinkos pokyčių kubitai gali pakeisti padėtį ir iškristi iš superpozicijos būsenos. Tai vadinama dekoherencija, ir tai yra viena iš priežasčių, kodėl atrodo, kad kvantinių kompiuterių pažanga vyksta taip lėtai, palyginti su įprastais kompiuteriais. Kvantiniai kompiuteriai paprastai turi veikti itin žemos temperatūros sąlygomis, izoliuoti nuo kitos elektros įrangos.

Net ir laikantis visų atsargumo priemonių, triukšmas vis tiek gali sukelti skaičiavimų klaidų, o mokslininkai ieško būdų, kaip padaryti kubitus patikimesnius. Norint pasiekti kvantinį pranašumą, kai kvantinis kompiuteris visiškai užtemdo dabartinio superkompiuterio galią, kubitai turi būti susieti kartu. Tikrai kvantiniam aukščiausiam kompiuteriui gali prireikti tūkstančių kubitų, tačiau geriausi šiuolaikiniai kvantiniai kompiuteriai gali paprastai susidoroja tik su maždaug 50 kubitų. Tyrėjai nuolat ieško stabilesnių ir patikimesnių kubitų kūrimo būdų. Kvantinių kompiuterių srities ekspertai prognozuoja, kad galingi ir patikimi kvantiniai įrenginiai gali būti čia per dešimtmetį.