Што се квантни компјутери?

Квантните компјутери имаат потенцијал драматично да ја зголемат разновидноста и точноста на пресметките, отворајќи нови апликации за компјутерите и подобрувајќи ги нашите модели на физички феномен. Сепак, додека квантните компјутери забележуваат зголемена медиумска покриеност, многумина сè уште не се сигурни како квантните компјутери се разликуваат од обичните компјутери. Ајде да испитаме како работат квантните компјутери, некои од нивните апликации и нивната претстојна иднина.

Што е квантен компјутер?

Пред да можеме значајно да испитаме како квантните компјутери работат, прво треба да дефинираме квантни компјутери. Кратката дефиниција за квантен компјутер е следнава: компјутер, базиран на квантна механика, кој може да изврши одредени сложени пресметки со многу поголема ефикасност од традиционалните компјутери. Тоа е брза дефиниција за квантните компјутери, но ќе сакаме да одвоиме малку време за навистина да разбереме што ги одделува квантните компјутери од традиционалните компјутери.

Обичните компјутери кодираат информации со бинарен систем: претставувајќи го секој бит од податоците како еден или како нула. Сериите од едно и нули се оковани за да претставуваат сложени делови од информации како текст, слики и аудио. Сепак, во овие бинарни системи, информациите може да се складираат само како единици и нули, што значи дека постои цврста граница за тоа како податоците се претставени и интерпретираат и дека како што податоците стануваат покомплексни, тие нужно мора да станат подолги и подолги низи од единици и нули.

Причината зошто квантните компјутери се способни поефикасно да складираат и интерпретираат податоци е затоа што тие не користат битови за да претставуваат податоци, туку користат „кубити“. Кубитите се субатомски честички како фотони и електрони. Кубитите имаат неколку интересни својства што ги прават корисни за новите методи на пресметување. Кубитите имаат две својства што компјутерските инженери можат да ги искористат: суперпозиции и заплеткување.

Квантните суперпозиции дозволуваат кјубитите да постојат не само во состојба „една“ или „нулта“ состојба, туку долж континуумот помеѓу овие состојби, што значи дека повеќе информации може да се чуваат со користење на кубити. Во меѓувреме, квантното заплеткување се однесува на феномен каде што може да се генерираат парови на кубити и ако еден кјубит е изменет, другиот кјубит се менува, исто така, на предвидлив начин. Овие квантни својства може да се користат за да се претстават и структурираат сложените податоци на поефикасни начини.

Како функционираат квантните компјутери

Квантните „суперпозиции“ го добиваат своето име поради фактот што тие можат да бидат на повеќе од една позиција истовремено. Додека битовите можат да бидат на само две позиции, кубитите можат да постојат во повеќе состојби одеднаш.

Благодарение делумно на постоењето на квантни суперпозиции, квантниот компјутер е способен да пресметува многу различни потенцијални исходи во исто време. Откако ќе се завршат пресметките, се мерат кјубитите, што создава конечен резултат преку колапсот на квантната состојба на 0 или 1, што значи дека резултатот потоа може да се интерпретира од традиционалните компјутери.

Истражувачите и инженерите за квантни компјутери можат да ја променат положбата во која се наоѓаат кјубитите со користење на микробранови или прецизни ласери.

Компјутерските инженери можат да ја искористат предноста на квантното заплеткување за драматично да ја подобрат процесорската моќ на компјутерите. Квантното заплеткување се однесува на фактот дека два кјубита можат да се поврзат заедно на таков начин што менувањето на еден од кјубитите го менува другиот кјубит на сигурен начин. Не е целосно разбрано зошто кјубитите можат да воспостават таков однос или како точно функционира овој феномен, но научниците го разбираат доволно добро за потенцијално да го искористат тоа за квантните компјутери. Поради квантното заплеткување, додавањето дополнителни кубити на квантната машина не само што ја удвојува процесорската моќ на компјутерот, туку може експоненцијално да ја зголеми моќта на процесирање.

Ако сето ова изгледаше малку премногу апстрактно, можеме да опишеме како суперпозициите се корисни со замислување на лавиринт. За нормален компјутер да се обиде да реши лавиринт, мора да ја испроба секоја патека од лавиринтот додека не најде успешна рута. Сепак, квантен компјутер би можел во суштина да ги истражи сите различни патеки одеднаш, бидејќи не е врзан за ниту една дадена состојба.

Сето ова значи дека својствата на испреплетеноста и суперпозициите ги прават квантните компјутери корисни затоа што можат да се справат со несигурноста, тие се способни да истражуваат повеќе можни состојби и резултати. Квантните компјутери ќе им помогнат на научниците и инженерите подобро да ги моделираат и разберат ситуациите кои се повеќеслојни, со многу променливи.

За што се користат квантните компјутери?

Сега кога имаме подобра интуиција за тоа како функционираат квантните компјутери, ајде да го истражиме можното користат кутии за квантни компјутери.

Веќе алудиравме на фактот дека квантните компјутери можат да се користат за извршување на традиционални пресметки со многу побрзо темпо. Сепак, квантната компјутерска технологија може да се користи за да се постигнат работи кои можеби дури и не се можни или се крајно непрактични со традиционалните компјутери.

Една од најперспективните и најинтересните апликации на квантните компјутери е во областа на вештачката интелигенција. Квантните компјутери имаат моќ да ги подобрат моделите создадени од невронските мрежи, како и софтверот што ги поддржува. Google моментално ги користи своите квантни компјутери за помагаат во создавањето на самоуправувачки возила.

Квантните компјутери исто така имаат улога во анализата на хемиски интеракции и реакции. Дури и најнапредните нормални компјутери можат само да моделираат реакции помеѓу релативно едноставни молекули, што го постигнуваат со симулирање на својствата на предметните молекули. Квантните компјутери, сепак, им овозможуваат на истражувачите да создадат модели кои имаат точни квантни својства како молекулите што ги истражуваат. Побрзо, попрецизно моделирање на молекули ќе помогне во создавањето на нови терапевтски лекови и нови материјали за употреба во создавањето на енергетска технологија, како што се поефикасни соларни панели.

Може да се користат и квантни компјутери за подобро да се предвиди времето. Времето е спој на многу настани и формулите што се користат за предвидување на временските шеми се комплицирани, содржат многу променливи. Може да потрае исклучително долго време за да се извршат сите пресметки потребни за да се предвиди времето, при што самите временски услови можат да се развиваат. За среќа, равенките што се користат за предвидување на времето имаат бранова природа што квантен компјутер може да ја искористи. Квантните компјутери можат да им помогнат на истражувачите да изградат попрецизни климатски модели, кои се неопходни во свет каде што климата се менува.

Квантните компјутери и алгоритми исто така може да се користат за да се обезбеди приватност на податоците на луѓето. Квантна криптографија го користи принципот на квантна несигурност, каде што секој обид да се измери објект завршува со правење промени на тој објект. Обидите за пресретнување на комуникациите би влијаеле на добиената комуникација и би покажале докази за манипулации.

Иднината на квантните компјутери

Повеќето од употребите на квантните компјутери ќе бидат ограничени на академици и бизниси. Малку е веројатно дека потрошувачите/општата јавност ќе добијат квантни паметни телефони, барем не во скоро време. Тоа е затоа што бара специјализирана опрема за управување со квантен компјутер. Квантните компјутери се многу чувствителни на пречки, бидејќи дури и најмалите промени во околината може да предизвикаат менување на положбата на кјубитите и паѓање од состојбата на суперпозиција. Ова се нарекува декохерентност, и тоа е една од причините што се чини дека напредокот во квантните компјутери доаѓа толку бавно во споредба со обичните компјутери. Квантните компјутери обично треба да работат во услови на екстремно ниски температури, изолирани од друга електрична опрема.

Дури и со сите мерки на претпазливост, бучавата сепак успева да создаде грешки во пресметките, а истражувачите бараат начини да ги направат кјубитите посигурни. За да се постигне квантна надмоќ, каде што квантниот компјутер целосно ја затемнува моќта на тековниот суперкомпјутер, кубитите треба да се поврзат заедно. Навистина квантен врвен компјутер може да бара илјадници кјубити, но најдобрите квантни компјутери денес можат обично се занимаваат само со околу 50 кубити. Истражувачите постојано напредуваат кон создавање постабилни и сигурни кјубити. Експертите од областа на квантните компјутери предвидуваат дека моќните и сигурни квантни уреди може да биде тука во рок од една деценија.