Шта су квантни рачунари?

Квантни рачунари имају потенцијал да драматично повећају разноликост и тачност прорачуна, отварајући нове апликације за рачунаре и побољшавајући наше моделе физичког феномена. Ипак, док квантни рачунари имају све већу медијску покривеност, многи још увек нису сигурни у чему се квантни рачунари разликују од обичних рачунара. Хајде да испитамо како функционишу квантни рачунари, неке од њихових апликација и њихову будућу будућност.

Шта је квантни рачунар?

Пре него што можемо смислено испитати како квантни рачунари радити, прво треба да дефинишемо квантни рачунари. Кратка дефиниција квантног рачунара је следећа: рачунар, заснован на квантној механици, који је у стању да изврши одређена сложена прорачуна са много већом ефикасношћу од традиционалних рачунара. То је кратка дефиниција квантних рачунара, али желимо да одвојимо мало времена да заиста схватимо шта разликује квантне рачунаре од традиционалних рачунара.

Обични рачунари кодирају информације бинарним системом: представљајући сваки бит података као јединицу или нулу. Низови јединица и нула су повезани заједно да представљају сложене делове информација попут текста, слика и звука. Ипак, у овим бинарним системима, информације се увек могу чувати само као јединице и нуле, што значи да постоји тешко ограничење на који начин се подаци представљају и тумаче и да како подаци постају сложенији, они нужно морају да постану све дужи и дужи низ јединица и зероес.

Разлог зашто су квантни рачунари у стању да ефикасније складиште и тумаче податке је тај што не користе битове за представљање података, већ користе „кубитс”. Кубити су субатомске честице попут фотона и електрона. Кубити имају неколико занимљивих својстава која их чине корисним за нове методе израчунавања. Кубити имају два својства која компјутерски инжењери могу да искористе: суперпозиције и преплитања.

Квантне суперпозиције дозвољавају кубитима да постоје не само у "један" или "нултом" стању, већ дуж континуума између ових стања, што значи да се више информација може задржати помоћу кубита. У међувремену, квантна запетљаност се односи на феномен где се могу генерисати парови кубита и ако се један кубит промени, други кубит се такође мења, на предвидљив начин. Ова квантна својства се могу користити за представљање и структурирање сложених података на ефикасније начине.

Како функционишу квантни рачунари

Квантне „суперпозиције“ добиле су име по чињеници да могу бити у више од једне позиције истовремено. Док битови могу бити на само две позиције, кубити могу постојати у више стања одједном.

Делимично захваљујући постојању квантних суперпозиција, квантни рачунар је способан да израчуна много различитих потенцијалних исхода у исто време. Када се прорачуни заврше, кубити се мере, што ствара коначни резултат кроз колапс квантног стања на 0 или 1, што значи да се резултат може тумачити традиционалним рачунарима.

Истраживачи и инжењери квантног рачунарства могу да промене позицију у којој се кубити налазе користећи микроталасне пећнице или прецизне ласере.

Компјутерски инжењери могу да искористе предност квантне испреплетености да драматично побољшају процесорску снагу рачунара. Квантна запетљаност се односи на чињеницу да два кубита могу бити повезана заједно на такав начин да промена једног од кубита мења други кубит на поуздан начин. Није потпуно разумљиво зашто кубити могу успоставити такав однос или како овај феномен тачно функционише, али научници га разумеју довољно добро да га потенцијално искористе за квантне рачунаре. Због квантне испреплетености, додавање додатних кубита квантној машини не само да удвостручује процесорску снагу рачунара, већ може експоненцијално скалирати процесорску снагу.

Ако је све ово изгледало превише апстрактно, можемо описати колико су суперпозиције корисне замишљањем лавиринта. Да би нормалан рачунар покушао да реши лавиринт, мора да испроба сваку путању лавиринта док не пронађе успешну руту. Међутим, квантни рачунар би у суштини могао да истражује све различите путеве одједном, пошто није везан ни за једно стање.

Све ово значи да својства запетљаности и суперпозиције чине квантне рачунаре корисним јер могу да се носе са неизвесношћу, способни су да истражују више могућих стања и резултата. Квантни рачунари ће помоћи научницима и инжењерима да боље моделирају и разумеју ситуације које су вишеструке, са много варијабли.

За шта се користе квантни рачунари?

Сада када имамо бољу интуицију о томе како квантни рачунари функционишу, хајде да истражимо могуће случајеви коришћења квантних рачунара.

Већ смо алудирали на чињеницу да се квантни рачунари могу користити за обављање традиционалних прорачуна много бржим темпом. Међутим, квантна компјутерска технологија може да се користи за постизање ствари које можда нису ни могуће, или су веома непрактичне, са традиционалним рачунарима.

Једна од најперспективнијих и најинтересантнијих примена квантних рачунара је у области вештачке интелигенције. Квантни рачунари имају моћ да побољшају моделе које креирају неуронске мреже, као и софтвер који их подржава. Гоогле тренутно користи своје квантне рачунаре за помоћи у стварању самовозећих возила.

Квантни рачунари такође имају улогу у анализи хемијске интеракције и реакције. Чак и најнапреднији нормални рачунари могу само да моделирају реакције између релативно једноставних молекула, што постижу симулацијом својстава дотичних молекула. Квантни рачунари, међутим, омогућавају истраживачима да креирају моделе који имају тачна квантна својства као молекули које истражују. Брже, прецизније моделирање молекула би помогло у стварању нових терапеутских лекова и нових материјала за употребу у стварању енергетске технологије, као што су ефикаснији соларни панели.

Могу се користити и квантни рачунари да се боље предвиди време. Време је спој многих догађаја, а формуле које се користе за предвиђање временских образаца су компликоване и садрже много варијабли. Може потрајати изузетно дуго да се изврше сви прорачуни потребни за предвиђање времена, током којег се сами временски услови могу развијати. На срећу, једначине које се користе за предвиђање времена имају таласну природу коју квантни рачунар може да искористи. Квантни рачунари могу помоћи истраживачима да изграде прецизније климатске моделе, који су неопходни у свету у коме се клима мења.

Квантни рачунари и алгоритми се такође могу користити да би се осигурала приватност података људи. Квантна криптографија користи принцип квантне несигурности, где се сваки покушај мерења објекта завршава мењањем тог објекта. Покушаји пресретања комуникација утицали би на резултирајућу комуникацију и показали доказе о неовлаштеном приступу.

Будућност квантног рачунарства

Већина употребе квантних рачунара биће ограничена на академике и компаније. Мало је вероватно да ће потрошачи/шира јавност добити квантне паметне телефоне, барем не у скорије време. То је зато што је потребна специјализована опрема за рад квантног рачунара. Квантни рачунари су веома осетљиви на сметње, јер чак и најситније промене у окружењу могу да доведу до промене положаја кубита и испадања из стања суперпозиције. Ово се зове декохеренција, и то је један од разлога зашто се чини да напредак у квантним рачунарима долази тако споро у поређењу са обичним рачунарима. Квантни рачунари обично морају да раде у условима екстремно ниских температура, изоловани од друге електричне опреме.

Чак и уз све мере предострожности, бука и даље успева да створи грешке у прорачунима, а истраживачи траже начине да учине кубити поузданијим. Да би се постигла квантна надмоћ, где квантни рачунар у потпуности помрачује снагу тренутног суперкомпјутера, кубити морају бити повезани заједно. Заиста квантни врхунски рачунар могао би да захтева хиљаде кубита, али најбољи квантни рачунари данашњице могу обично се бави само око 50 кубита. Истраживачи се стално крећу ка стварању стабилнијих и поузданијих кубита. Стручњаци из области квантних рачунара предвиђају да ће моћни и поуздани квантни уређаји може бити овде у року од једне деценије.