Kaj so kvantni računalniki?

Kvantni računalniki imajo potencial za dramatično povečanje raznolikosti in natančnosti izračunov, odpiranje novih aplikacij za računalnike in izboljšanje naših modelov fizikalnih pojavov. Medtem ko so kvantni računalniki deležni vse večje medijske pokritosti, mnogi še vedno niso prepričani, kako se kvantni računalniki razlikujejo od navadnih računalnikov. Oglejmo si, kako kvantni računalniki delujejo, nekatere njihove aplikacije in prihodnjo prihodnost.

Kaj je kvantni računalnik?

Preden lahko smiselno preučimo, kako kvantni računalniki deluje, moramo najprej definirati kvantni računalniki. Kratka definicija kvantnega računalnika je naslednja: računalnik, ki temelji na kvantni mehaniki in je sposoben izvajati določene kompleksne izračune z veliko večjo učinkovitostjo kot tradicionalni računalniki. To je kratka definicija kvantnih računalnikov, vendar si bomo želeli vzeti nekaj časa, da bomo resnično razumeli, kaj ločuje kvantne računalnike od tradicionalnih računalnikov.

Običajni računalniki kodirajo informacije z binarnim sistemom: vsak bit podatkov predstavljajo kot ena ali nič. Serije enic in ničel so povezane skupaj, da predstavljajo zapletene dele informacij, kot so besedilo, slike in zvok. Vendar pa je v teh binarnih sistemih mogoče podatke shraniti samo kot enice in ničle, kar pomeni, da obstaja trda omejitev glede tega, kako so podatki predstavljeni in interpretirani, in da ko postajajo podatki bolj zapleteni, morajo nujno postajati vse daljši nizi enic in ničle.

Razlog, zakaj so kvantni računalniki sposobni učinkoviteje shranjevati in interpretirati podatke, je ta, da za predstavitev podatkov ne uporabljajo bitov, temveč uporabljajo "qubits”. Kubiti so subatomski delci, kot so fotoni in elektroni. Qubiti imajo nekaj zanimivih lastnosti, zaradi katerih so uporabni za nove metode računanja. Qubiti imajo dve lastnosti, ki ju lahko računalniški inženirji izkoristijo: superpozicije in prepletanje.

Kvantne superpozicije omogočajo kubitom, da obstajajo ne samo v stanju "ena" ali "ničelnem" stanju, ampak vzdolž kontinuuma med tema stanjima, kar pomeni, da je z uporabo kubitov mogoče hraniti več informacij. Medtem se kvantna prepletenost nanaša na pojav, kjer je mogoče ustvariti pare kubitov in če se en kubit spremeni, se na predvidljiv način spremeni tudi drugi kubit. Te kvantne lastnosti je mogoče uporabiti za predstavitev in strukturiranje kompleksnih podatkov na učinkovitejše načine.

Kako delujejo kvantni računalniki

Kvantne "superpozicije" so dobile ime po dejstvu, da so lahko v več kot enem položaju hkrati. Medtem ko so bitovi lahko v samo dveh položajih, lahko kubiti obstajajo v več stanjih hkrati.

Delno zahvaljujoč obstoju kvantnih superpozicij je kvantni računalnik sposoben izračunati veliko različnih možnih izidov hkrati. Ko so izračuni opravljeni, se izmerijo kubiti, kar ustvari končni rezultat s kolapsom kvantnega stanja na 0 ali 1, kar pomeni, da lahko rezultat interpretirajo tradicionalni računalniki.

Raziskovalci in inženirji kvantnega računalništva lahko spremenijo položaj, v katerem so kubiti, z uporabo mikrovalov ali natančnih laserjev.

Računalniški inženirji lahko izkoristijo kvantno prepletenost za dramatično izboljšanje procesorske moči računalnikov. Kvantna prepletenost se nanaša na dejstvo, da je mogoče dva kubita povezati skupaj na tak način, da sprememba enega od kubitov zanesljivo spremeni drugega kubita. Ni popolnoma razumljeno, zakaj lahko kubiti vzpostavijo takšno razmerje ali kako točno ta pojav deluje, vendar ga znanstveniki dovolj dobro razumejo, da bi ga lahko izkoristili za kvantne računalnike. Zaradi kvantne prepletenosti dodajanje dodatnih kubitov kvantnemu stroju ne le podvoji procesorsko moč računalnika, ampak lahko eksponentno poveča procesorsko moč.

Če se je vse skupaj zdelo nekoliko preveč abstraktno, lahko opišemo, kako uporabne so superpozicije, tako da si predstavljamo labirint. Da bi običajen računalnik poskušal rešiti labirint, mora poskusiti vsako pot labirinta, dokler ne najde uspešne poti. Vendar bi lahko kvantni računalnik v bistvu raziskal vse različne poti hkrati, saj ni vezan na nobeno dano stanje.

Vse to pomeni, da so zaradi lastnosti prepletenosti in superpozicij kvantni računalniki uporabni, ker se lahko spopadajo z negotovostjo, sposobni so raziskati več možnih stanj in rezultatov. Kvantni računalniki bodo znanstvenikom in inženirjem pomagali pri boljšem modeliranju in razumevanju situacij, ki so večplastne in imajo veliko spremenljivk.

Za kaj se uporabljajo kvantni računalniki?

Zdaj, ko imamo boljšo intuicijo o tem, kako delujejo kvantni računalniki, raziščimo možno primeri uporabe kvantnih računalnikov.

Omenili smo že dejstvo, da je mogoče kvantne računalnike uporabiti za izvajanje tradicionalnih izračunov veliko hitreje. Vendar pa je kvantno računalniško tehnologijo mogoče uporabiti za doseganje stvari, ki s tradicionalnimi računalniki morda niti niso možne ali so zelo nepraktične.

Ena najbolj obetavnih in zanimivih aplikacij kvantnih računalnikov je na področju umetne inteligence. Kvantni računalniki imajo moč izboljšati modele, ki jih ustvarijo nevronske mreže, pa tudi programsko opremo, ki jih podpira. Google trenutno uporablja svoje kvantne računalnike za pomoč pri ustvarjanju samovozečih vozil.

Kvantni računalniki imajo tudi vlogo pri analizi kemične interakcije in reakcije. Tudi najnaprednejši običajni računalniki lahko modelirajo le reakcije med razmeroma preprostimi molekulami, kar dosežejo s simulacijo lastnosti zadevnih molekul. Kvantni računalniki pa raziskovalcem omogočajo ustvarjanje modelov, ki imajo natančne kvantne lastnosti kot molekule, ki jih raziskujejo. Hitrejše in natančnejše modeliranje molekul bi pomagalo pri ustvarjanju novih terapevtskih zdravil in novih materialov za uporabo pri ustvarjanju energetske tehnologije, kot so učinkovitejši sončni paneli.

Uporabljajo se lahko tudi kvantni računalniki za boljšo napoved vremena. Vreme je sotočje številnih dogodkov in formule, ki se uporabljajo za napovedovanje vremenskih vzorcev, so zapletene in vsebujejo veliko spremenljivk. Izvedba vseh izračunov, potrebnih za napovedovanje vremena, lahko traja zelo dolgo, med tem pa se lahko spreminjajo tudi vremenske razmere. Na srečo imajo enačbe, ki se uporabljajo za napovedovanje vremena, valovno naravo, ki jo lahko izkoristi kvantni računalnik. Kvantni računalniki lahko pomagajo raziskovalcem zgraditi natančnejše podnebne modele, ki so potrebni v svetu, kjer se podnebje spreminja.

Kvantne računalnike in algoritme je mogoče uporabiti tudi za pomoč pri zagotavljanju zasebnosti podatkov ljudi. Kvantna kriptografija uporablja načelo kvantne negotovosti, kjer se vsak poskus merjenja predmeta konča s spreminjanjem tega predmeta. Poskusi prestrezanja komunikacij bi vplivali na nastalo komunikacijo in pokazali dokaze poseganja.

Prihodnost kvantnega računalništva

Večina uporab kvantnih računalnikov bo omejena na akademike in podjetja. Malo verjetno je, da bodo potrošniki/širša javnost dobili kvantne pametne telefone, vsaj ne v kratkem. To je zato, ker za delovanje kvantnega računalnika potrebuje specializirano opremo. Kvantni računalniki so zelo občutljivi na motnje, saj lahko tudi najmanjše spremembe v okoliškem okolju povzročijo, da kubiti premaknejo položaj in izpadejo iz stanja superpozicije. To se imenuje dekoherenca in je eden od razlogov, zakaj se zdi, da napredek kvantnih računalnikov poteka tako počasi v primerjavi z navadnimi računalniki. Kvantni računalniki morajo običajno delovati v pogojih ekstremno nizkih temperatur, izolirani od druge električne opreme.

Kljub vsem previdnostnim ukrepom hrup še vedno ustvarja napake v izračunih in raziskovalci iščejo načine, kako narediti kubite bolj zanesljive. Da bi dosegli kvantno nadvlado, kjer kvantni računalnik popolnoma zasenči moč sedanjega superračunalnika, je treba kubite povezati skupaj. Resnično vrhunski kvantni računalnik bi lahko zahteval na tisoče kubitov, vendar najboljši kvantni računalniki danes lahko običajno obravnavajo le približno 50 kubitov. Raziskovalci si nenehno prizadevajo za ustvarjanje bolj stabilnih in zanesljivih kubitov. Strokovnjaki s področja kvantnih računalnikov napovedujejo zmogljive in zanesljive kvantne naprave morda tukaj v desetletju.