Kas ir kvantu datori?

Kvantu datoriem ir potenciāls ievērojami palielināt aprēķinu daudzveidību un precizitāti, atverot jaunas lietojumprogrammas datoriem un uzlabojot mūsu fizisko parādību modeļus. Tomēr, lai gan kvantu datori arvien vairāk atspoguļo plašsaziņas līdzekļus, daudzi joprojām nav pārliecināti par to, kā kvantu datori atšķiras no parastajiem datoriem. Izpētīsim, kā darbojas kvantu datori, daži to lietojumi un to nākotne.

Kas ir kvantu dators?

Pirms mēs varam jēgpilni pārbaudīt, kā kvantu datori darboties, mums vispirms ir jādefinē kvantu datori. Īsā kvantu datora definīcija ir šāda: dators, kura pamatā ir kvantu mehānika un kas spēj veikt noteiktus sarežģītus aprēķinus ar daudz lielāku efektivitāti nekā tradicionālie datori. Tā ir ātra kvantu datoru definīcija, taču mēs vēlēsimies kādu laiku, lai patiešām saprastu, kas atšķir kvantu datorus no tradicionālajiem datoriem.

Parastie datori kodē informāciju ar bināro sistēmu: katru datu bitu attēlo kā vienu vai nulle. Vieninieku un nullju sērijas ir savienotas kopā, lai attēlotu sarežģītas informācijas daļas, piemēram, tekstu, attēlus un audio. Tomēr šajās binārajās sistēmās informāciju vienmēr var uzglabāt tikai kā vieniniekus un nulles, kas nozīmē, ka datu attēlojumam un interpretācijai ir stingri ierobežojumi un, datiem kļūstot sarežģītākiem, tiem noteikti jākļūst par arvien garākām vieninieku virknēm un nulles.

Iemesls, kāpēc kvantu datori spēj efektīvāk uzglabāt un interpretēt datus, ir tas, ka tie neizmanto bitus datu attēlošanai, bet gan "kbīti”. Kubiti ir subatomiskas daļiņas, piemēram, fotoni un elektroni. Kubitiem ir dažas interesantas īpašības, kas padara tos noderīgus jaunām aprēķina metodēm. Kubitiem ir divas īpašības, ko datoru inženieri var izmantot: superpozīcijas un sapīšanās.

Kvantu superpozīcijas ļauj kubitiem eksistēt ne tikai “viena” vai “nulles” stāvoklī, bet gan nepārtrauktībā starp šiem stāvokļiem, kas nozīmē, ka, izmantojot kubitus, var iegūt vairāk informācijas. Tikmēr kvantu sapīšanās attiecas uz parādību, kurā var ģenerēt kubitu pārus un, ja tiek mainīts viens kubits, tiek mainīts arī otrs kubits paredzamā veidā. Šīs kvantu īpašības var izmantot, lai efektīvāk attēlotu un strukturētu sarežģītus datus.

Kā darbojas kvantu datori

Kvantu “superpozīcijas” ir ieguvušas savu nosaukumu no tā, ka tās vienlaikus var atrasties vairākās pozīcijās. Lai gan biti var būt tikai divās pozīcijās, kubiti var pastāvēt vairākos stāvokļos vienlaikus.

Daļēji pateicoties kvantu superpozīciju esamībai, kvantu dators spēj vienlaicīgi aprēķināt daudz dažādu iespējamo rezultātu. Kad aprēķini ir veikti, tiek mērīti kubiti, kas rada gala rezultātu, kvantu stāvoklim sabrūkot līdz 0 vai 1, kas nozīmē, ka rezultātu pēc tam var interpretēt tradicionālie datori.

Kvantu skaitļošanas pētnieki un inženieri var mainīt kubitu stāvokli, izmantojot mikroviļņus vai precīzijas lāzerus.

Datoru inženieri var izmantot kvantu sapīšanās priekšrocības, lai ievērojami uzlabotu datoru apstrādes jaudu. Kvantu sapīšanās attiecas uz faktu, ka divus kubitus var savienot kopā tā, ka, mainot vienu no kubitiem, uzticamā veidā tiek mainīts otrs kubits. Nav pilnībā saprotams, kāpēc kubiti var izveidot šādas attiecības vai kā šī parādība precīzi darbojas, taču zinātnieki to saprot pietiekami labi, lai potenciāli izmantotu kvantu datoriem. Kvantu sapīšanās dēļ papildu kubitu pievienošana kvantu mašīnai ne tikai dubulto datora apstrādes jaudu, bet arī var eksponenciāli palielināt apstrādes jaudu.

Ja tas viss šķita pārāk abstrakts, mēs varam aprakstīt, kā superpozīcijas ir noderīgas, iztēlojot labirintu. Lai parasts dators mēģinātu atrisināt labirintu, tam ir jāizmēģina katrs labirinta ceļš, līdz tiek atrasts veiksmīgs maršruts. Tomēr kvantu dators būtībā varētu izpētīt visus dažādos ceļus vienlaikus, jo tas nav saistīts ar kādu konkrētu stāvokli.

Tas viss nozīmē, ka sapīšanās un superpozīcijas īpašības padara kvantu datorus noderīgus, jo tie var tikt galā ar nenoteiktību, tie spēj izpētīt vairāk iespējamo stāvokļu un rezultātu. Kvantu datori palīdzēs zinātniekiem un inženieriem labāk modelēt un izprast situācijas, kas ir daudzšķautņainas un ar daudziem mainīgajiem.

Kam tiek izmantoti kvantu datori?

Tagad, kad mums ir labāka intuīcija par to, kā darbojas kvantu datori, izpētīsim iespējamo kvantu datoru lietošanas gadījumi.

Mēs jau esam minējuši faktu, ka kvantu datorus var izmantot, lai veiktu tradicionālos aprēķinus daudz ātrāk. Tomēr kvantu datortehnoloģiju var izmantot, lai sasniegtu lietas, kas, iespējams, pat nav iespējamas vai ir ļoti nepraktiskas ar tradicionālajiem datoriem.

Viens no daudzsološākajiem un interesantākajiem kvantu datoru pielietojumiem ir mākslīgā intelekta jomā. Kvantu datori spēj uzlabot neironu tīklu izveidotos modeļus, kā arī programmatūru, kas tos atbalsta. Google pašlaik izmanto savus kvantu datorus, lai palīdzēt izveidot pašbraucošus transportlīdzekļus.

Kvantu datoriem ir arī sava loma analīzē ķīmiskās mijiedarbības un reakcijas. Pat vismodernākie parastie datori var modelēt reakcijas tikai starp salīdzinoši vienkāršām molekulām, ko tie panāk, simulējot attiecīgo molekulu īpašības. Tomēr kvantu datori ļauj pētniekiem izveidot modeļus, kuriem ir precīzas kvantu īpašības kā molekulām, kuras viņi pēta. Ātrāka un precīzāka molekulu modelēšana palīdzētu radīt jaunas terapeitiskās zāles un jaunus materiālus izmantošanai energotehnoloģiju izveidē, piemēram, efektīvākus saules paneļus.

Var izmantot arī kvantu datorus lai labāk prognozētu laikapstākļus. Laikapstākļi ir daudzu notikumu saplūsme, un laikapstākļu prognozēšanai izmantotās formulas ir sarežģītas un ietver daudzus mainīgos lielumus. Visu laikapstākļu prognozēšanai nepieciešamo aprēķinu veikšana var aizņemt ārkārtīgi ilgu laiku, kura laikā var mainīties paši laika apstākļi. Par laimi, laikapstākļu prognozēšanai izmantotajiem vienādojumiem ir viļņu raksturs, ko kvantu dators var izmantot. Kvantu datori var palīdzēt pētniekiem izveidot precīzākus klimata modeļus, kas ir nepieciešami pasaulē, kurā klimats mainās.

Kvantu datorus un algoritmus var izmantot arī, lai palīdzētu nodrošināt cilvēku datu privātumu. Kvantu kriptogrāfija izmanto kvantu nenoteiktības principu, kur jebkurš mēģinājums izmērīt objektu beidzas ar izmaiņām šajā objektā. Mēģinājumi pārtvert sakarus ietekmētu saziņu un parādītu manipulācijas pazīmes.

Kvantu skaitļošanas nākotne

Lielākā daļa kvantu datoru izmantošanas attieksies tikai uz akadēmiķiem un uzņēmumiem. Maz ticams, ka patērētāji/plašā sabiedrība iegūs kvantu viedtālruņus, vismaz ne tuvākajā laikā. Tas ir tāpēc, ka kvantu datora darbībai ir nepieciešams specializēts aprīkojums. Kvantu datori ir ļoti jutīgi pret traucējumiem, jo ​​pat vissīkākās izmaiņas apkārtējā vidē var izraisīt kubitu pozīcijas maiņu un izkrist no superpozīcijas stāvokļa. To sauc par dekoherenci, un tas ir viens no iemesliem, kāpēc kvantu datoru attīstība šķiet tik lēna, salīdzinot ar parastajiem datoriem. Kvantu datoriem parasti jādarbojas ārkārtīgi zemas temperatūras apstākļos, izolēti no citām elektroiekārtām.

Pat ievērojot visus piesardzības pasākumus, troksnis joprojām spēj radīt kļūdas aprēķinos, un pētnieki meklē veidus, kā padarīt kubitus uzticamākus. Lai sasniegtu kvantu pārākumu, kur kvantu dators pilnībā aizēno pašreizējā superdatora jaudu, kubiti ir jāsaista kopā. Patiešām kvantu augstākajam datoram varētu būt nepieciešami tūkstošiem kubitu, bet mūsdienu labākie kvantu datori var parasti nodarbojas tikai ar aptuveni 50 kubitiem. Pētnieki nepārtraukti strādā, lai izveidotu stabilākus un uzticamākus kubitus. Eksperti kvantu datoru jomā prognozē, ka jaudīgas un uzticamas kvantu ierīces var būt šeit desmit gadu laikā.