Kako lahko kvantno računalništvo spremeni svet

Kvantna fizika je že močno vplivala na naše življenje. Izumi laserja in tranzistorja so v resnici posledica kvantne teorije - in ker sta obe komponenti osnovni gradnik vsake elektronske naprave danes, čemur ste priča, je v bistvu, "kvantna mehanika v ukrepanje «.

Ob tem je kvantna industrija zdaj pripravljena narediti revolucijo v računalniškem svetu, saj se veliko trudi izkoristiti resnično moč iz kvantne sfere. Kvantno računalništvo bi lahko našlo uporabo v različnih sektorjih, kot so varnost, zdravstvo, energetika in celo zabavna industrija.

Quantum vs. Klasični računalniki

Zgodovina kvantne teorije sega več kot stoletje. Vendar pa je trenutni kvantni zvok posledica nedavnih ugotovitev raziskav, ki kažejo na negotovost lastnost kvantnih delcev, lahko služi kot močno orožje za uresničitev kvanta potencial.

Kot navaja teorija, je na videz nemogoče poznati vsako lastnost posameznih kvantnih delcev (tj. Elektronov ali fotonov). Oglejmo si primer klasičnega GPS-ja, kjer lahko natančno napove hitrost, lokacijo in smer vašega gibanja, medtem ko pridete do želenega cilja.

Vendar pa kvantni GPS ne more natančno določiti vseh zgornjih lastnosti kvantnega delca, saj vam zakoni kvantne fizike tega ne omogočajo. To povzroča verjetnostni jezik v kvantnem svetu in ne klasični jezik gotovosti.

V tem primeru verjetnostni jezik pomeni dodeljevanje verjetnosti različnim lastnostim kvanta delci, kot so hitrost, položaj in smer gibanja, s katerimi je na videz težko navesti gotovost. Ta verjetnostna narava kvantnih delcev ustvarja možnost, ki omogoča, da se vse in vse zgodi v katerem koli trenutku.

Glede na računalništvo imajo binarni 0 in 1, predstavljeni kot kubiti (kvantni bit), lastnost, da so v vsakem trenutku enaki 1 ali 0.

Zgornja predstavitev pušča grenak okus v ustih, saj so klasični stroji 0 in 1 povezani s stikali in vezji, ki se vklopijo in izklopijo v različnih trenutkih. Zato nepoznavanje njihovega natančnega stanja (tj. Vklop ali izklop) v računalniškem kontekstu ne bi bilo smiselno.

V resničnem smislu lahko povzroči napake pri izračunu. Vendar se obdelava informacij v kvantnem svetu opira na koncept kvantne negotovosti - pri čemer "superpozicija" 0 in 1 ni napaka, temveč funkcija. Omogoča hitrejšo obdelavo podatkov in olajša hitrejšo komunikacijo.

Preberi več: Kako delujejo optični kvantni računalniki

Na vrhuncu kvantnega računalništva

Posledica verjetnostne lastnosti kvantne teorije je, da je natančno kopiranje kvantnih informacij na videz nemogoče. Z vidika varnosti je to pomembno, saj kiber kriminalci, ki nameravajo kopirati kvantne ključe za šifriranje in pošiljanje sporočil, sčasoma ne bi uspeli, tudi če dobijo dostop do kvantnih računalnikov.

Tu je pomembno poudariti, da je tako visokokakovostno šifriranje (tj. Dovršena metoda za pretvorbo tajnih podatkov ali ključev v koda, ki preprečuje nepooblaščen dostop) je rezultat fizikalnih zakonov in ne danes uporabljenih matematičnih skriptnih algoritmov. Matematična šifriranja je mogoče razbiti s pomočjo močnih računalnikov, vendar pa kvantno šifriranje zahteva prepis temeljnih zakonov fizike.

Ker se kvantno šifriranje razlikuje od trenutnih tehnik šifriranja, se podobno kvantni računalniki razlikujejo od klasičnih na zelo temeljni ravni. Razmislite o analogiji avtomobila in volovskega vozička. Tu avtomobil spoštuje določene fizikalne zakone, ki vas hitro pripeljejo do želenega cilja v primerjavi s kolegom. Ista filozofija velja za kvantni in klasični računalnik.

Kvantni računalnik izkorišča verjetnostno naravo kvantne fizike za izvajanje izračunov in obdelavo podatkov na edinstven način. Računalniške naloge lahko opravi veliko hitreje in skoči tudi v tradicionalno nemogoče koncepte, kot je kvantna teleportacija. Ta oblika prenosa podatkov bi lahko utrla pot prihodnosti interneta, tj. Kvantnemu internetu.

Kaj bi lahko danes uporabili kvantni računalnik?

Kvantni računalniki bi bili lahko uporabni za raziskovalne in razvojne organizacije, državne organe in akademske organe institucijam, saj bi lahko pomagali pri reševanju zapletenih problemov, ki jih trenutni računalniki izzivajo ukvarjati z.

Ena pomembnih aplikacij bi lahko bila pri razvoju zdravil, pri čemer bi lahko nemoteno simulirala in analiziramo kemikalije in molekule, saj molekule delujejo po enakih zakonih kvantne fizike kot kvant računalniki. Nadalje bi bila mogoča učinkovita simulacija kvantne kemije, saj najhitrejši superračunalniki danes ne dosežejo cilja.

Tudi kvantni računalniki lahko rešujejo zapletene optimizacijske probleme in pomagajo pri hitrem iskanju nerazvrščenih podatkov. V zvezi s tem obstajajo številne aplikacije, od razvrščanja na videz dinamičnih podnebnih, zdravstvenih ali finančnih podatkov do optimizacije logistike ali pretoka prometa.

Kvantni računalniki dobro poznajo tudi vzorce v podatkih, na primer pri težavah s strojnim učenjem. Poleg tega bi lahko kvantni računalniki imeli ključno vlogo pri razvoju modelov za napovedovanje prihodnosti, na primer pri napovedovanju vremena.

Priprava za kvantno prihodnost

Ko tekma za kvantno prihodnost zavzema osrednje mesto, vlagatelji in vladni organi spodbujajo milijarde dolarjev kvantnih raziskav in razvoja. Globalno komunikacijsko omrežje, ki uporablja satelitsko distribucijo kvantnih ključev, je že vzpostavljeno in določa pot za nadaljnji razvoj.

Podjetja, kot so Google, Amazon, Microsoft, IBM in druga, veliko vlagajo v razvoj kvantnih računalniških virov, tj. Strojne in programske opreme.

Po navedbah Kozmos, skupina raziskovalcev na Kitajskem je zgradila kvantni računalnik, ki je leta 2008 zaključil zapleten izračun nekaj več kot 60 minut, kar bi trajalo vsaj 8 let ali več, da bi klasični računalnik popolna.

To je vrhunec razvoja kvantnega računalništva, ki se je zgodil v zadnjih dveh letih. Menijo, da je znanstvena skupnost končno dosegla izmuzljivo "kvantno prednost" - tam, kjer je kvantno računalništvo v položaju, da reši najsodobnejši problem, za katerega bi klasično računalništvo lahko dobesedno vzelo nepraktičen čas.

Kvantni mejnik je Google prvič dosegel leta 2019 kjer so za izračune uporabljali kubite, ki so uporabljali tok. Kasneje leta 2020 je kitajska ekipa uporabila fotonske kubite za pospešitev postopka. Zdaj je leta 2021 še ena kitajska ekipa (ki jo je vodil Jian-Wei Pan na Univerzi za znanost in tehnologijo na Kitajskem v Šanghaju) znova presegla Google.

V raziskovalna naloga, objavljena na strežniku pred tiskom ArXiv, sodelujoča raziskovalna skupina je razkrila svoje ugotovitve o kvantni prednosti, pri kateri so uporabili superprevodne kubite na kvantnem procesorju z imenom Zuchongzhi, ki je sestavljen iz 66 kubitov. Skupina je dokazala, da je Zuchongzhi lahko manipuliral s 56 kubiti za reševanje računalniškega problema, katerega cilj je bil preizkusiti moč računalnikov.

Sprejemanje negotovosti

Hiter razvoj v svetu kvantnih tehnologij v zadnjih petih letih je bil zelo razburljiv. Po navedbah Quantum Daily, naj bi kvantna industrija do konca leta 2030 ocenila več milijard dolarjev. Pred tako obsežno uvedbo je treba premagati različne praktične izzive, vendar se zdi prihodnost svetla.

Na srečo kvantna teorija osvetljuje svetlejšo plat "nepredvidljivosti". Kot pravi teorija, je mogoče dva kubita zakleniti drug z drugim z verjetnostjo, da vsak kubit ostane nedoločeno posamično, vendar je sinhronizirano z drugim, če ga obravnavamo kot enoto - kar pomeni, da sta oba 0 ali 1.

Ta individualna nepredvidljivost in skupna gotovost se imenuje "zapletanje" - priročno orodje za večino algoritmov kvantnega računanja danes. Tako lahko organizacije s previdnim ravnanjem z negotovostjo dobijo obliko, da sprejmejo kvantno prihodnost.

Nanoračunalništvo: Ali so računalniki res lahko mikroskopski?

Računalniki se zmanjšujejo, a bodo kdaj tako majhni, da jih ne bomo videli s prostim očesom?

Preberite Naprej

O avtorju

Razširi na Branje celotne zgodbe