Co to są komputery kwantowe?

Komputery kwantowe mają potencjał, aby dramatycznie zwiększyć różnorodność i dokładność obliczeń, otwierając nowe aplikacje dla komputerów i poprawiając nasze modele zjawisk fizycznych. Jednak pomimo coraz częstszych doniesień medialnych, wiele osób nadal nie jest pewnych, jak komputery kwantowe różnią się od zwykłych komputerów. Przeanalizujmy, jak komputery kwantowe działają, niektóre z ich zastosowań i ich przyszłość.

Co to jest komputer kwantowy?

Przed tym, jak możemy znacząco zbadać, jak komputery kwantowe działają, musimy najpierw zdefiniować komputery kwantowe. Krótko mówiąc, komputer kwantowy to komputer, oparty na mechanice kwantowej, który może wykonywać pewne złożone obliczenia z o wiele większą wydajnością niż tradycyjne komputery. To szybka definicja komputerów kwantowych, ale chcemy spędzić trochę czasu, aby naprawdę zrozumieć, co odróżnia komputery kwantowe od tradycyjnych komputerów.

Zwykłe komputery kodują informacje za pomocą systemu binarnego: reprezentując każdy bit danych jako jeden lub zero. Ciągi jedynek i zer są łączone, aby reprezentować złożone kawałki informacji, takie jak tekst, obrazy i dźwięk. Jednak w tych systemach binarnych informacje mogą być przechowywane tylko jako jedynki i zera, co oznacza, że istnieje twardy limit, w jaki sposób dane są reprezentowane i interpretowane, i że im dane stają się bardziej złożone, tym muszą się stać dłuższymi ciągami jedynek i zer.

Powodem, dla którego komputery kwantowe mogą bardziej efektywnie przechowywać i interpretować dane, jest to, że nie używają bitów do reprezentowania danych, ale używają „qubitów”. Qubity są cząstkami subatomowymi, takimi jak fotony i elektrony. Qubity mają kilka interesujących właściwości, które mogą być wykorzystane przez inżynierów komputerowych: nadmierne położenia i splątanie.

Kwantowe nadmierne położenia pozwalają qubitom istnieć nie tylko w stanie „jeden” lub „zero”, ale także w ciągłym stanie pomiędzy tymi stanami, co oznacza, że więcej informacji może być przechowywanych przy użyciu qubitów. Tymczasem kwantowe splątanie odnosi się do zjawiska, w którym pary qubitów mogą być generowane, a jeśli jeden qubit zostanie zmieniony, drugi qubit zostanie zmieniony w przewidywalny sposób. Te kwantowe właściwości mogą być wykorzystane do reprezentowania i strukturyzowania złożonych danych w bardziej efektywny sposób.

Jak działają komputery kwantowe

Kwantowe „nadmierne położenia” otrzymują swoją nazwę od faktu, że mogą znajdować się w więcej niż jednym położeniu jednocześnie. Podczas gdy bity mogą znajdować się tylko w dwóch położeniach, qubity mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie.

Dzięki istnieniu kwantowych nadmiernych położeń komputer kwantowy jest w stanie obliczyć wiele różnych potencjalnych wyników jednocześnie. Po zakończeniu obliczeń qubity są mierzone, co tworzy ostateczny wynik poprzez załamanie stanu kwantowego do 0 lub 1, co oznacza, że wynik może być następnie interpretowany przez tradycyjne komputery.

Inżynierowie komputerowi mogą zmieniać położenie qubitów, używając mikrofal lub precyzyjnych laserów.

Inżynierowie komputerowi mogą wykorzystać kwantowe splątanie, aby dramatycznie poprawić moc przetwarzania komputerów. Kwantowe splątanie odnosi się do faktu, że dwa qubity mogą być połączone w taki sposób, że zmiana jednego qubitu zmienia drugi qubit w niezawodny sposób. Nie jest w pełni zrozumiane, dlaczego qubity mogą ustanowić takie relacje lub jak to zjawisko działa dokładnie, ale naukowcy rozumieją to wystarczająco dobrze, aby potencjalnie wykorzystać je dla komputerów kwantowych. Dzięki kwantowemu splątaniu dodanie dodatkowych qubitów do maszyny kwantowej nie podwaja tylko mocy obliczeniowej komputera, ale może ją skalować wykładniczo.

Jeśli wszystko to wydaje się trochę abstrakcyjne, możemy opisać, jak nadmierne położenia są użyteczne, wyobrażając sobie labirynt. Dla zwykłego komputera, aby spróbować rozwiązać labirynt, musi on spróbować każdej ścieżki labiryntu, aż znajdzie skuteczną trasę. Jednak komputer kwantowy mógłby w zasadzie zbadać wszystkie różne ścieżki jednocześnie, ponieważ nie jest związany z żadnym konkretnym stanem.

Wszystko to oznacza, że właściwości splątania i nadmierne położenia sprawiają, że komputery kwantowe są użyteczne, ponieważ mogą radzić sobie z niepewnością, są w stanie zbadać więcej możliwych stanów i wyników. Komputery kwantowe pomogą naukowcom i inżynierom lepiej modelować i rozumieć sytuacje, które są wielowymiarowe, z wieloma zmiennymi.

Czego używa się komputery kwantowe?

Teraz, gdy mamy lepsze zrozumienie, jak komputery kwantowe działają, przyjrzyjmy się możliwym zastosowaniom komputerów kwantowych.

Już wspomnieliśmy o tym, że komputery kwantowe mogą być używane do wykonywania tradycyjnych obliczeń z o wiele większą prędkością. Jednak technologia komputerów kwantowych może być używana do osiągnięcia rzeczy, które mogą nie być możliwe lub są bardzo niewygodne z tradycyjnymi komputerami.

Jednym z najbardziej obiecujących i interesujących zastosowań komputerów kwantowych jest w dziedzinie sztucznej inteligencji. Komputery kwantowe mają moc, aby poprawić modele tworzone przez sieci neuronowe, a także oprogramowanie, które je wspiera. Google obecnie używa swoich komputerów kwantowych, aby pomóc w tworzeniu samochodów bezzałogowych.

Komputery kwantowe mają również rolę do odegrania w analizie wzajemnych oddziaływań i reakcji chemicznych. Nawet najbardziej zaawansowane normalne komputery mogą tylko modelować reakcje między względnie prostymi cząsteczkami, co osiągają, symulując właściwości cząsteczek w question. Komputery kwantowe pozwalają badaczom tworzyć modele, które mają dokładne właściwości kwantowe, jak cząsteczki, które badają. Szybsze, bardziej dokładne modelowanie cząsteczek pomoże w tworzeniu nowych leków i nowych materiałów do użytku w tworzeniu technologii energetycznej, takiej jak bardziej wydajne panele słoneczne.

Komputery kwantowe mogą być również używane do lepszego przewidywania pogody. Pogoda jest połączeniem wielu zdarzeń, a formuły używane do przewidywania wzorców pogody są skomplikowane i zawierają wiele zmiennych. Może to potrwać bardzo długo, aby wykonać wszystkie obliczenia potrzebne do przewidywania pogody, podczas którego warunki pogodowe same w sobie mogą ewoluować. Na szczęście równania używane do przewidywania pogody mają charakter falowy, który komputer kwantowy może wykorzystać. Komputery kwantowe mogą pomóc badaczom tworzyć bardziej dokładne modele klimatu, które są niezbędne w świecie, w którym klimat się zmienia.

Komputery kwantowe i algorytmy mogą być również używane, aby pomóc zapewnić prywatność danych ludzi. Kryptografia kwantowa wykorzystuje zasadę niepewności kwantowej, gdzie każda próba pomiaru obiektu powoduje zmiany w tym obiekcie. Próby przechwycenia komunikacji wpłyną na wynikową komunikację i pokażą dowody ingerencji.

Przyszłość komputerów kwantowych

Większość zastosowań komputerów kwantowych będzie ograniczona do akademickich i biznesowych. Mało prawdopodobne, że konsumenci/ogólna publiczność otrzymają kwantowe smartfony, przynajmniej nie w najbliższej przyszłości. Jest to spowodowane tym, że wymaga to specjalistycznego sprzętu do obsługi komputera kwantowego. Komputery kwantowe są bardzo wrażliwe na zakłócenia, ponieważ nawet najmniejsze zmiany w otoczeniu mogą spowodować, że qubity zmienią położenie i opuszczą stan nadmiernego położenia. Nazywa się to dekoherencją, i jest to jeden z powodów, dla których postępy w komputerach kwantowych wydają się tak wolne w porównaniu z zwykłymi komputerami. Komputery kwantowe zwykle muszą działać w warunkach ekstremalnie niskich temperatur, izolowanych od innych urządzeń elektrycznych.

Nawet z wszystkimi środkami ostrożności, szum nadal powoduje błędy w obliczeniach, a badacze szukają sposobów, aby uczynić qubity bardziej niezawodnymi. Aby osiągnąć supremację kwantową, gdzie komputer kwantowy w pełni przewyższa moc bieżącego superkomputera, qubity muszą być połączone. Prawdziwy komputer kwantowy mógłby wymagać tysięcy qubitów, ale najlepsze komputery kwantowe dzisiaj mogą zwykle obsłużyć tylko około 50 qubitów. Badacze stale robią postępy w tworzeniu bardziej stabilnych i niezawodnych qubitów. Eksperci w dziedzinie komputerów kwantowych przewidują, że potężne i niezawodne urządzenia kwantowe mogą pojawić się w ciągu dekady.