Kuidas kvantarvutus võib maailma muuta

Kvantfüüsika on meie elu juba oluliselt mõjutanud. Laseri ja transistori leiutised on tegelikult kvantteooria tagajärg - ja kuna mõlemad need komponendid on kõigi tänapäevaste elektroonikaseadmete põhielement, mille tunnistajaks on põhimõtteliselt „kvantmehaanika tegevus ”.

Seda öeldes on kvantitööstus nüüd otsustanud arvutusmaailma murranguliseks muuta, kuna tegeliku jõu rakendamiseks kvantvaldkonnas tehakse olulisi jõupingutusi. Kvantarvutus võiks leida rakendusi erinevates sektorites nagu turvalisus, tervishoid, energeetika ja isegi meelelahutustööstus.

Kvant vs. Klassikalised arvutid

Kvantteooria ajalugu ulatub üle sajandi. Praegune kvantne sumin on aga tingitud hiljutistest uuringutulemustest, mis viitavad ebakindlusele ja kvantosakeste loomupärane omadus võib olla võimas relv kvandi realiseerimiseks potentsiaal.

Nagu teooria väidab, on näiliselt võimatu teada üksikute kvantosakeste (s.o. elektronide või footonite) omadusi. Mõelge klassikalise GPS-i näitele, kus see saab teie jaoks täpselt ennustada teie liikumise kiirust, asukohta ja suunda, kui jõuate soovitud sihtkohta.

Kuid kvant-GPS ei suuda täpselt kindlaks määrata kõiki ülaltoodud omadusi kvantosakeste jaoks, kuna kvantfüüsika seadused ei võimalda teil seda teha. See tekitab kvantmaailmas tõenäosuskeele, mitte klassikalise kindluskeele.

Sel juhul tähendab tõenäosuskeel tõenäosuste omistamist kvandi erinevatele omadustele osakesed nagu kiirus, asend ja liikumissuund, mida on näiliselt raske öelda kindlus. See kvantosakeste tõenäosuslikkus loob võimaluse, mis võimaldab igal ja kõigel toimuda igal ajahetkel.

Arvutamist silmas pidades on bbinaarsetel 0-del ja 1-del, mis on esindatud kvittidena (kvantbitid), omadus olla 1 või 0 igal ajahetkel.

Ülaltoodud kujutis jätab suhu mõru maitse, kuna klassikalistes masinates on 0 ja 1 seotud lülitite ja vooluringidega, mis lülituvad sisse ja välja erinevatel hetkedel. Seega ei tunduks nende täpse oleku (st sisse või välja) teadmata arvutamise kontekstis mõistlik.

Reaalses mõttes võib see põhjustada arvutusvigu. Infotöötlus kvantmaailmas tugineb aga kvantmääramatuse mõistele - kus 0 ja 1 „superpositsioon” pole viga, vaid hoopis funktsioon. See võimaldab kiiremat andmetöötlust ja hõlbustab kiiremat suhtlust.

Loe rohkem: Kuidas töötavad optilised kvantarvutid

Kvantarvutuste tipus

Kvantteooria tõenäosusliku omaduse tagajärg on see, et kvantinformatsiooni täpne kopeerimine on näiliselt võimatu. Turvalisuse seisukohast on see märkimisväärne, kuna küberkurjategijad, kes kavatsevad sõnumite krüptimiseks ja saatmiseks kvantvõtmeid kopeerida, ebaõnnestuksid, isegi kui nad saaksid juurdepääsu kvantarvutitele.

Siinkohal on oluline rõhutada, et selline tippklassi krüptimine (st keerukas meetod salajaste andmete või võtmete teisendamiseks kood, mis välistab volitamata juurdepääsu) tuleneb füüsikaseadustest, mitte tänapäeval kasutatavatest matemaatiliselt skriptitud algoritmidest. Matemaatilisi krüpteeringuid saab lõhkeda võimsate arvutite abil, kuid kvantkrüptimise krakkimine nõuab füüsika põhiseaduste ümberkirjutamist.

Kuna kvantkrüptimine erineb praegustest krüptimistehnikast, erinevad sarnaselt kvantarvutid klassikalistest väga fundamentaalsel tasemel. Mõelgem auto ja härjakäru analoogiale. Siin täidab auto teatud füüsikaseadusi, mis viivad teid kolleegiga võrreldes kiiresti soovitud sihtkohta. Sama filosoofia kehtib kvantarvuti ja klassikalise arvuti kohta.

Kvantarvuti kasutab kvantfüüsika tõenäosuslikku olemust arvutuste teostamiseks ja andmete ainulaadseks töötlemiseks. See suudab arvutusülesandeid täita palju kiiremas tempos ja teeb ka hüppe traditsiooniliselt võimatutesse mõistetesse nagu kvanttelortatsioon. See andmeedastusviis võib sillutada teed tuleviku internetile, st kvantinternetile.

Milleks võiks kvantarvutit täna kasutada?

Kvantarvutid võivad olla kasulikud teadus- ja arendusorganisatsioonidele, valitsusasutustele ja akadeemilistele ringkondadele institutsioonid, kuna need võivad aidata keeruliste probleemide lahendamisel, mis praegustele arvutitele on keeruline tegelema.

Üks märkimisväärne rakendus võib olla ravimite väljatöötamine, kus see võib sujuvalt simuleerida ja analüüsida kemikaale ja molekule, kui molekulid toimivad kvantfüüsika seaduste järgi arvutid. Edasi võiks olla võimalik kvantkeemia efektiivne simulatsioon, kuna kiireimad superarvutid ei suuda täna eesmärki saavutada.

Samuti suudaksid kvantarvutid lahendada keerukaid optimeerimisprobleeme ja aidata sortimata andmete kiiret otsimist. Sellega seoses on palju rakendusi, alates dünaamiliselt näivate kliima-, tervise- või finantsandmete sorteerimisest kuni logistika või liiklusvoo optimeerimiseni.

Kvantarvutid tunnevad hästi ära ka andmete mustrid, näiteks masinõppeprobleemides. Lisaks võivad kvantarvutid mängida olulist rolli tuleviku ennustamiseks mõeldud mudelite väljatöötamisel, näiteks ilmaennustustes.

Kvantit tulevikuks valmistumine

Kuna võitlus kvanttuleviku pärast on keskmes, siis investorid ja valitsusasutused toidavad miljardeid dollareid kvant-teadus- ja arendustegevuses. Satelliidipõhist kvantvõtme jaotust kasutav ülemaailmne sidevõrk on juba rakendatud, mis määrab edasise arengu tee.

Sellised ettevõtted nagu Google, Amazon, Microsoft, IBM ja teised teevad suuri investeeringuid kvantarvutusressursside, st riist- ja tarkvara arendamisse.

Vastavalt Kosmosaastal ehitas Hiina teadlaste rühm kvantarvuti, mis viis aastal keeruka arvutuse lõpule veidi üle 60 minuti, mis oleks klassikalise arvuti jaoks võtnud vähemalt 8 aastat täielik.

See on kahe viimase aasta jooksul toimunud kvantarvutusarengute tipphetk. Arvatakse, et teadusringkonnad on lõpuks saavutanud tabamatu „kvanteelise“ - kus asub kvantarvutus suudab lahendada kõige keerukama probleemi, mille saavutamiseks võib klassikaline arvutus võtta sõna otseses mõttes ebapraktilise aja.

Kvant-verstaposti saavutas Google esmakordselt 2019. aastal kus nad kasutasid arvutuste tegemiseks voolu kasutavaid kubitit. Hiljem, 2020. aastal, kasutas Hiina meeskond protsessi kiirendamiseks footonkviteid. Nüüd on 2021. aastal teine ​​Hiina meeskond (Jian-Wei Pani juhtimisel Shanghai Hiina teaduse ja tehnika ülikoolis) taas Google'ist üle.

Sisse eeltrükiserveris ArXiv avaldatud uurimistöö, avaldas kaastöötajate uurimisrühm oma kvanteelise tulemused, kus nad kasutasid ülijuhtivaid kvartte Zuchongzhi-nimelisel kvantprotsessoril, mis koosneb 66 kvibist. Meeskond demonstreeris, et Zuchongzhi suutis arvutite probleemi testimiseks arvutiprobleemi lahendamiseks manipuleerida 56 quitiga.

Ebakindluse omaksvõtmine

Kvanttehnoloogia maailmas on viimase viie aasta kiire areng olnud üsna põnev. Vastavalt Quantum Dailyeeldatakse, et kvanttööstusel on 2030. aasta lõpuks hinnatud mitme miljardi dollariga. Kuigi enne sellist ulatuslikku kasutuselevõttu on ületamiseks mitmeid praktilisi väljakutseid, näib tulevik siiski helge.

Õnneks heidab kvantteooria valgust „ettearvamatuse“ helgemale poolele. Teooria kohaselt saab kaks kubiti üksteisega lukustada tõenäosusega, et iga kviit jääb püsima määramata individuaalselt, kuid on ühikuna vaadates teisega sünkroonis - vihjates, kas mõlemad on 0 või 1.

Seda individuaalset ettearvamatust ja kombineeritud kindlust nimetatakse “takerdumiseks” - käepäraseks tööriistaks enamiku kvantarvutusalgoritmide jaoks tänapäeval. Seega saavad organisatsioonid ebakindlusega ettevaatlikult ümber käies saada kvanttuleviku omaksvõtmise vormi.

Nanoarvutamine: kas arvutid võivad tõesti olla mikroskoopilised?

Arvutid muutuvad väiksemaks, kuid kas need on kunagi nii väikesed, et on palja silmaga nähtamatud?

Loe edasi

Autori kohta

Laienda, et lugeda kogu lugu