Zasada działania i zakres komputera kwantowego

Informatyka pomaga nam robić to, czego nie chcemy lub nie możemy zrobić, głównie z powodu złożoności, z powodu prawdopodobieństwa mimowolnych błędów i ze względu na czas. Na przykład podniesienie liczby do 128-tego stopnia w umyśle.

Cel i wykorzystanie komputera kwantowego.

Co to jest komputer kwantowy?

Najpotężniejszy komputer kwantowy (QC) jest - lub raczej byłby - zupełnie innym mechanizmem, innym niż wszystko, co kiedykolwiek stworzył człowiek. Najpotężniejsze serwery wyglądają dziś jak niewielka część tego, co ostatecznie może zrobić pełnoprawny komputer kwantowy.

Mówiąc prościej, celem badań w dziedzinie komputerów kwantowych jest odkrycie środków przyspieszających wykonywanie instrukcji długofalowych. Błędem byłoby twierdzenie, że CC uruchamia programy szybciej niż komputer PC lub serwer x86. „Program” QC to zupełnie inna kolejność kodowania niż kiedykolwiek w przypadku procesora binarnego. Po narodzinach komputerów przeprowadzono skomplikowane obliczenia fizyczne, które w latach czterdziestych pomogły Stanom Zjednoczonym w stworzeniu bomby atomowej. Po wynalezieniu tranzystora wymiary tych systemów zostały znacznie zmniejszone. Potem pojawił się pomysł równoległych procesorów pracujących jednocześnie nad zadaniami.

Obliczenia kwantowe to tylko kolejny krok. Istnieje wiele problemów, których współczesne komputery potrzebują dużo czasu, aby rozwiązać, na przykład, rozwiązanie liniowego układu równań, optymalizacja parametrów wektorów wsparcia, znalezienie najkrótszej ścieżki przez dowolną sekcję lub przeszukiwanie listy nieustrukturyzowanej. Są to teraz dość abstrakcyjne problemy, ale jeśli wiesz trochę o algorytmach lub programowaniu, możesz zobaczyć, jak przydatne może to być. Na przykład procesory graficzne (GPU) zostały wynalezione wyłącznie w celu renderowania trójkątów, a następnie łączenia ich w świat dwu- lub trójwymiarowy. A teraz Nvidia jest firmą wartą miliardy dolarów. Czy są jakieś technologie obliczeń kwantowych lub niektóre z ich historycznych pochodnych, które ludzie obecnie dobrze wykorzystują? Innymi słowy, co właściwie robi kwant i komu bezpośrednio służy?

Do czego służy komputer kwantowy?

Nawigacja To jedno z głównych zastosowań komputerów kwantowych. System GPS nie może pracować w dowolnym miejscu na świecie, zwłaszcza pod wodą. QC wymaga, aby atomy były przechłodzone i zawieszone w stanie, który czyni je szczególnie wrażliwymi. Próbując to wykorzystać, konkurencyjne zespoły naukowców dążą do opracowania pewnego rodzaju akcelerometru kwantowego, który może dostarczyć bardzo dokładnych danych o ruchu. Najważniejszy wkład w rozwój przemysłu sprawia, że ​​francuskie laboratorium fotoniki i nanonauki. Żywym tego przykładem jest próba stworzenia komponentu hybrydowego, który łączy akcelerometr z klasycznym, a następnie wykorzystuje filtr górnoprzepustowy do odejmowania klasycznych danych z danych kwantowych. Rezultat, jeśli zostanie wdrożony, będzie niezwykle dokładnym kompasem, który wyeliminuje przemieszczenie i dryf współczynnika skali, zwykle związanego z komponentami żyroskopowymi.

Sejsmologia. Tę samą ekstremalną czułość można wykorzystać do wykrywania obecności osadów ropy naftowej i gazu, a także potencjalnej aktywności sejsmicznej w miejscach, w których konwencjonalne czujniki nie zostały jeszcze wykorzystane. W lipcu 2017 r. QuantIC zademonstrował, w jaki sposób grawimetr kwantowy wykrywa obecność głęboko ukrytych obiektów, mierząc oscylacje w polu grawitacyjnym. Jeśli takie urządzenie stanie się nie tylko praktyczne, ale także przenośne, zespół uważa, że ​​może on stać się nieoceniony w systemie wczesnego ostrzegania do przewidywania zdarzeń sejsmicznych i tsunami. Farmaceutyki. Na pierwszym planie są badania w walce z chorobami takimi jak choroba Alzheimera i stwardnienie rozsiane; naukowcy wykorzystują oprogramowanie symulujące zachowanie sztucznych przeciwciał na poziomie molekularnym.

Fizyka To właśnie jest przyczyną istnienia tego pojęcia. Podczas przemówienia w Caltech w 1981 r. Profesor Richard Feynman, ojciec elektrodynamiki kwantowej (QED), zasugerował, że jedynym sposobem zbudowania udanej symulacji świata fizycznego na poziomie kwantowym jest maszyna, która przestrzega praw fizyki kwantowej i mechaniki. To właśnie podczas tego przemówienia profesor Feynman wyjaśnił, a reszta świata zdała sobie sprawę, że komputer nie wystarczy, aby wygenerować tabelę prawdopodobieństwa i rzucić kostką. Ponadto, aby uzyskać wyniki, których sami fizycy nie nazwaliby apokryfami, potrzebny byłby mechanizm, który zachowywałby się w tym samym duchu, co zachowanie, które zamierzał naśladować.

Uczenie maszynowe. Główną teorią zwolenników jest to, że takie systemy można dostosować do „badania” wzorców stanu w ogromnych falach równoległych, a nie w kolejnych skanach. Zwykła matematyka może opisywać zbiór prawdopodobnych wyników w postaci wektorów w przestrzeni o dzikiej konfiguracji. Odszyfrowywanie Oto wreszcie przełom, który rzucił pierwsze jasne światło na takie obliczenia. Co sprawia, że ​​kody szyfrowania są tak złożone, nawet w przypadku nowoczesnych klasycznych komputerów, to fakt, że opierają się one na bardzo dużej liczbie czynników, które wymagają nadmiernej ilości czasu na odgadnięcie metodą dopasowania. Działająca kontrola jakości musi izolować i identyfikować takie czynniki w ciągu kilku minut, co sprawia, że ​​system kodowania RSA jest skutecznie przestarzały.

Szyfrowanie Koncepcja ta, zwana kwantową dystrybucją kluczy (QKD), daje teoretyczną nadzieję, że typy kluczy publicznych i prywatnych, których używamy dzisiaj do szyfrowania wiadomości, można zastąpić kluczami, które podlegają efektom splątania. Teoretycznie każda osoba trzecia, która złamała klucz i próbowała odczytać wiadomość, natychmiast zniszczyłaby wiadomość dla wszystkich. Oczywiście może to wystarczyć. Jednak teoria QKD opiera się na ogromnym założeniu, które jeszcze nie zostało przetestowane w świecie rzeczywistym: że wartości uzyskane za pomocą splątanych kubitów same są splątane i podlegają efektom, gdziekolwiek się znajdują.

Jaka jest różnica między komputerem kwantowym a zwykłym?

Klasyczny komputer wykonuje obliczenia przy użyciu bitów 0 („wyłączony”) i 1 („włączony”). Wykorzystuje tranzystory do przetwarzania informacji w postaci sekwencji zer i tak zwanych języków binarnych komputera. Więcej tranzystorów, więcej opcji przetwarzania - to główna różnica. QC wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej. Podobnie jak klasyczny komputer, który używa zer i jedynek. Stany te mogą być osiągnięte w cząstkach z powodu ich wewnętrznego momentu pędu, zwanego spinem. Dwa stany 0 i 1 mogą być reprezentowane w tylnych cząstkach. Na przykład obrót zgodnie z ruchem wskazówek zegara oznacza 1, a ruch przeciwny do ruchu wskazówek zegara oznacza 0. Zaletą używania QC jest to, że cząstka może znajdować się w kilku stanach jednocześnie. Zjawisko to nazywane jest superpozycją. Ze względu na to zjawisko, QC może jednocześnie osiągnąć stan 0 i 1. Zatem w klasycznym komputerze, informacja jest wyrażona w postaci liczby 0 lub 1. QC używa wyjść, które są opisane jako 0 i 1 w tym samym czasie, co daje większą moc obliczeniową.

Jak działa komputer kwantowy

Obliczenia kwantowe to obliczenia z wykorzystaniem zjawisk mechaniki kwantowej, takich jak superpozycja i splątanie. QC to urządzenie, które wykonuje obliczenia kwantowe i składa się z mikroprocesorów. Taki komputer jest zupełnie inny niż binarne cyfrowe komputery elektroniczne oparte na tranzystorach i kondensatorach. Podczas gdy konwencjonalne obliczenia cyfrowe wymagają, aby dane były zakodowane w postaci cyfr binarnych (bitów), z których każdy jest zawsze w jednym z dwóch określonych stanów (0 lub 1), obliczenia kwantowe wykorzystują bity lub kubity, które mogą być w superpozycji. Urządzenie kwantowej maszyny Turinga jest teoretycznym modelem takiego komputera i znane jest również jako uniwersalna QC. Obszar obliczeń kwantowych rozpoczął się od prac Paula Benioffa i Jurija Manina w 1980 r., Richarda Feynmana w 1982 r. I Davida Deutscha w 1985 r.

Zasada działania komputera kwantowego

Od 2018 r. Zasada działania komputerów kwantowych jest wciąż w powijakach, ale przeprowadzono eksperymenty, w których kwantowe operacje obliczeniowe przeprowadzono z bardzo małą liczbą bitów kwantowych. Trwają zarówno badania praktyczne, jak i teoretyczne, a wiele rządów krajowych i agencji wojskowych finansuje badania nad komputerami kwantowymi w dodatkowych wysiłkach na rzecz opracowania komputerów kwantowych do celów cywilnych, biznesowych, handlowych, środowiskowych i bezpieczeństwa narodowego, takich jak kryptoanaliza. Wielkoskalowe komputery kwantowe teoretycznie mogłyby pracować nad rozwiązywaniem pewnych problemów znacznie szybciej niż jakiekolwiek klasyczne komputery, które wykorzystują nawet najlepsze dotychczasowe algorytmy, takie jak faktoryzacja liczb całkowitych przy użyciu algorytmu Shore (który jest algorytmem kwantowym) i modelowanie zestawu kwantowego ciał systemowych.

Istnieją działania kwantowe, takie jak algorytm Simona, które działają szybciej niż jakikolwiek możliwy probabilistyczny algorytm klasyczny. Klasyczny komputer może w zasadzie (z zasobami wykładniczymi) modelować algorytm kwantowy, ponieważ obliczenia kwantowe nie naruszają tezy Kościoła-Turinga. Z drugiej strony komputery kwantowe mogą skutecznie rozwiązywać problemy, które nie są praktycznie możliwe na klasycznych komputerach.