Ce sunt calculatoarele cuantice?

Calculatoarele cuantice au potențialul de a crește în mod dramatic varietatea și acuratețea calculelor, deschizând noi aplicații pentru computere și îmbunătățind modelele noastre de fenomen fizic. Cu toate acestea, în timp ce computerele cuantice înregistrează o acoperire mediatică în creștere, mulți încă nu sunt siguri de modul în care computerele cuantice diferă de computerele obișnuite. Să examinăm cum funcționează computerele cuantice, unele dintre aplicațiile lor și viitorul lor.

Ce este un computer cuantic?

Înainte de a putea examina în mod semnificativ modul în care computerele cuantice funcionar, trebuie mai întâi să definim calculatoare cuantice. Scurta definiție a unui computer cuantic este aceasta: un computer, bazat pe mecanica cuantică, care este capabil să efectueze anumite calcule complexe cu o eficiență mult mai mare decât calculatoarele tradiționale. Aceasta este o definiție rapidă a computerelor cuantice, dar vom dori să luăm ceva timp pentru a înțelege cu adevărat ce separă computerele cuantice de computerele tradiționale.

Calculatoarele obișnuite codifică informația cu un sistem binar: reprezentând fiecare bit al datelor fie ca unu, fie ca zero. Serii de unu și zerouri sunt înlănțuite împreună pentru a reprezenta bucăți complexe de informații precum text, imagini și audio. Cu toate acestea, în aceste sisteme binare, informațiile pot fi stocate doar ca unu și zero, ceea ce înseamnă că există o limită strictă a modului în care datele sunt reprezentate și interpretate și că, pe măsură ce datele devin mai complexe, trebuie neapărat să devină șiruri din ce în ce mai lungi de unități și zerouri.

Motivul pentru care computerele cuantice sunt capabile să stocheze și să interpreteze mai eficient datele este pentru că nu folosesc biți pentru a reprezenta datele, ci mai degrabă folosesc „qubiti”. Qubiții sunt particule subatomice precum fotonii și electronii. Qubiții au câteva proprietăți interesante care îi fac utile pentru noi metode de calcul. Qubiții au două proprietăți de care pot profita inginerii informatici: suprapuneri si incurcare.

Suprapozițiile cuantice permit qubiților să existe nu doar în starea „unu” sau în starea „zero”, ci de-a lungul unui continuum între aceste stări, ceea ce înseamnă că mai multe informații pot fi păstrate folosind qubiți. Între timp, entanglementul cuantic se referă la un fenomen în care pot fi generate perechi de qubit și dacă un qubit este modificat, celălalt qubit este modificat, de asemenea, într-un mod previzibil. Aceste proprietăți cuantice pot fi folosite pentru a reprezenta și structura date complexe în moduri mai eficiente.

Cum funcționează computerele cuantice

„Suprapozițiile” cuantice își iau numele de la faptul că pot fi în mai multe poziții simultan. În timp ce biții pot fi în doar două poziții, qubiții pot exista în mai multe stări simultan.

Datorită în parte existenței suprapozițiilor cuantice, un computer cuantic este capabil să calculeze multe rezultate potențiale diferite în același timp. Odată efectuate calculele, se măsoară qubiții, ceea ce creează un rezultat final prin prăbușirea stării cuantice la 0 sau la 1, ceea ce înseamnă că rezultatul poate fi apoi interpretat de computerele tradiționale.

Cercetătorii și inginerii de calcul cuantic pot modifica poziția în care se află qubiții folosind microunde sau lasere de precizie.

Inginerii de computere pot profita de întanglementarea cuantică pentru a îmbunătăți dramatic puterea de procesare a computerelor. Entanglementul cuantic se referă la faptul că doi qubiți pot fi legați împreună în așa fel încât schimbarea unuia dintre qubiți îl modifică pe celălalt qubit într-un mod sigur. Nu este pe deplin înțeles de ce qubiții pot stabili o astfel de relație sau cum funcționează exact acest fenomen, dar oamenii de știință îl înțeleg suficient de bine pentru a putea profita de el pentru calculatoarele cuantice. Din cauza întanglementării cuantice, adăugarea de qubiți suplimentari la o mașină cuantică nu doar dublează puterea de procesare a unui computer, ci poate scala puterea de procesare în mod exponențial.

Dacă toate acestea ni s-au părut puțin prea abstracte, putem descrie cât de utile sunt suprapozițiile imaginând un labirint. Pentru ca un computer normal să încerce să rezolve un labirint, trebuie să încerce fiecare cale a labirintului până când găsește o rută de succes. Cu toate acestea, un computer cuantic ar putea explora în esență toate căile diferite simultan, deoarece nu este legat de nicio stare dată.

Toate acestea înseamnă că proprietățile întanglementării și suprapozițiilor fac computerele cuantice utile, deoarece pot face față incertitudinii, sunt capabile să exploreze mai multe stări și rezultate posibile. Calculatoarele cuantice vor ajuta oamenii de știință și inginerii să modeleze și să înțeleagă mai bine situațiile care au mai multe fațete, cu multe variabile.

Pentru ce sunt folosite calculatoarele cuantice?

Acum că avem o intuiție mai bună a modului în care funcționează computerele cuantice, haideți să explorăm posibilul cazuri de utilizare pentru calculatoarele cuantice.

Am făcut deja aluzie la faptul că computerele cuantice pot fi folosite pentru a efectua calcule tradiționale într-un ritm mult mai rapid. Cu toate acestea, tehnologia calculatoarelor cuantice poate fi folosită pentru a realiza lucruri care nici măcar nu pot fi posibile, sau sunt extrem de impracticabile, cu computerele tradiționale.

Una dintre cele mai promițătoare și interesante aplicații ale calculatoarelor cuantice este în domeniul inteligenței artificiale. Calculatoarele cuantice au puterea de a îmbunătăți modelele create de rețelele neuronale, precum și software-ul care le suportă. Google își folosește în prezent computerele cuantice pentru să asiste la crearea de vehicule cu conducere autonomă.

Calculatoarele cuantice au, de asemenea, un rol de jucat în analiza interacțiuni și reacții chimice. Chiar și cele mai avansate computere normale pot modela doar reacții între molecule relativ simple, pe care le realizează prin simularea proprietăților moleculelor în cauză. Cu toate acestea, computerele cuantice le permit cercetătorilor să creeze modele care au proprietățile cuantice exacte ca și moleculele pe care le cercetează. Modelarea mai rapidă și mai precisă a moleculelor ar ajuta la crearea de noi medicamente terapeutice și de noi materiale pentru utilizarea în crearea tehnologiei energetice, cum ar fi panourile solare mai eficiente.

De asemenea, pot fi folosite computere cuantice pentru a prezice mai bine vremea. Vremea este confluența multor evenimente și formulele folosite pentru a prezice tiparele vremii sunt complicate, conținând multe variabile. Poate dura foarte mult timp pentru a efectua toate calculele necesare pentru a prezice vremea, timp în care condițiile meteo în sine pot evolua. Din fericire, ecuațiile folosite pentru a prezice vremea au o natură ondulatorie pe care un computer cuantic o poate exploata. Calculatoarele cuantice pot ajuta cercetătorii să construiască modele climatice mai precise, care sunt necesare într-o lume în care clima se schimbă.

Calculatoarele și algoritmii cuantici pot fi, de asemenea, utilizați pentru a asigura confidențialitatea datelor oamenilor. Criptografie cuantică folosește principiul incertitudinii cuantice, în care orice încercare de a măsura un obiect ajunge să facă modificări aceluiași obiect. Încercările de a intercepta comunicațiile ar influența comunicarea rezultată și ar arăta dovezi de falsificare.

Viitorul calculului cuantic

Cele mai multe dintre utilizările computerelor cuantice vor fi limitate la mediul academic și la întreprinderi. Este puțin probabil ca consumatorii/publicul larg să obțină smartphone-uri cuantice, cel puțin nu în curând. Acest lucru se datorează faptului că necesită echipamente specializate pentru a opera un computer cuantic. Calculatoarele cuantice sunt foarte sensibile la perturbări, deoarece chiar și cele mai mici schimbări din mediul înconjurător pot face ca qubiții să își schimbe poziția și să iasă din starea de suprapunere. Aceasta se numește decoerență și este unul dintre motivele pentru care progresele în computerele cuantice par să vină atât de lent în comparație cu computerele obișnuite. Calculatoarele cuantice trebuie de obicei să funcționeze în condiții de temperaturi extrem de scăzute, izolate de alte echipamente electrice.

Chiar și cu toate măsurile de precauție, zgomotul reușește totuși să creeze erori în calcule, iar cercetătorii caută modalități de a face qubiții mai fiabili. Pentru a obține supremația cuantică, în cazul în care un computer cuantic eclipsează complet puterea unui supercomputer actual, qubiții trebuie legați împreună. Un computer suprem cuantic cu adevărat ar putea necesita mii de qubiți, dar cele mai bune computere cuantice de astăzi pot de obicei, se ocupă doar de aproximativ 50 de qubiți. Cercetătorii fac în mod constant drumuri spre crearea de qubiți mai stabili și mai fiabili. Experții în domeniul calculatoarelor cuantice prevăd că dispozitivele cuantice puternice și fiabile poate fi aici într-un deceniu.