Apie kvantinius kompiuterius girdime jau bent keletą metų. Bet kas tai? Kam skirtas kvantinis kompiuteris? Šiandien viskas apie tai paprastais žodžiais.
Kvantinė kompiuteris yra išradimas, į kurį daugelis tyrinėtojų deda dideles viltis, tikėdamiesi, kad jis turės teigiamos įtakos mokslo raidai. Tačiau suprasti, kaip veikia kvantinė fizika, labai sunku. Kai kurie fizikai net abejoja, ar dabartinius „kvantinius kompiuterius“ reikėtų taip vadinti. Didžiausia kvantinio skaičiavimo naudojimo kliūtis yra didelis klaidų skaičius, kurioms įtakos turi net ir mažiausi kvantinių mašinų aplinkos pokyčiai. Iki šiol mums dar nepavyko visiškai patenkinamai išnaudoti kvantinių bitų potencialo. Šiandien pabandysime išsiaiškinti, kuo ypatingi šie kvantiniai bitai?
Ar egzistuoja kvantiniai kompiuteriai?
Bet kurio tikro mokslininko esmė – nepasitikėti ir nuolat tikrintis. Šiuos žodžius prisiminiau dar būdamas studentas. Ir ne kartą įsitikino šios frazės teisingumu. Tai taip pat taikoma „kvantiniams kompiuteriams“. Kodėl pacitavau šių kompiuterių pavadinimus? Išsiaiškinkime.
Kvantiniai kompiuteriai yra labai sudėtinga tema, tačiau pasistengsiu ją padaryti kuo paprasčiau ir pakalbėsiu apie juos prieinamu būdu. Net ir šiandien mokslininkai, fizikai ir inžinieriai gali diskutuoti apie iš pažiūros paprastą klausimą, ar kur nors pasaulyje egzistuoja veikiantis kvantinis kompiuteris. „Bet kaip galų gale tokios kompanijos kaip IBM giriasi kvantiniais kompiuteriais!“ – gali pasakyti kažkas. Ir jis bus teisus. Lieka atviras klausimas, ar IBM tikrai sukūrė kvantinį kompiuterį, ar tiesiog pavadino savo įrenginį „kvantiniu kompiuteriu“.
Kai vienas iš mano draugų paprašo paprastais žodžiais paaiškinti, kuo kvantiniai kompiuteriai skiriasi nuo mums įprastų kompiuterių, dažniausiai naudoju paprastą palyginimą. Jei mūsų klasikiniai kompiuteriai (pvz., PC, nešiojamieji kompiuteriai kad išmanieji telefonai) yra žvakės, tada kvantiniai kompiuteriai yra elektros lemputės. Abiejų paskirtis ta pati – kaitrinėms lempoms ir žvakėms tai yra šviesos sklidimas, o kompiuteriams – skaičiavimams. Tačiau abiem atvejais tikslas pasiekiamas visiškai skirtingai ir rezultatas skiriasi. Paprasčiau tariant, kvantinis kompiuteris nėra tik patobulinta šiuolaikinių kompiuterių versija, kaip ir lemputė nėra tik didesnė žvakė. Negalite sukurti lemputės gamindami vis geresnes žvakes. Lemputė kitokia technologija, paremtas gilesniu moksliniu supratimu. Be to, kvantinis kompiuteris yra naujo tipo įrenginys, pagrįstas kvantine fizika, ir kaip elektros lemputė pakeitė visuomenę, kvantiniai kompiuteriai gali turėti įtakos daugeliui mūsų gyvenimo aspektų, įskaitant saugumo poreikius, sveikatos priežiūrą ir net internetą.
Taigi, jei pasiliksime prie kompiuterių palyginimo su lemputėmis, tai „kvantinis Joseph Swan“ (pirmosios funkcinės kaitrinės lemputės kūrėjas) dar nepasirodė, o kol kas mokslas bando, paprastais žodžiais tariant, padaryti. "kažkas raudono ir karšto" patikrinus, kiek jis šviečia. Žinome kai kuriuos teorinius kvantinių kompiuterių veikimo pagrindus, tačiau jų plėtrai yra didžiulės kliūtys, kurios vis dar laukia, kol bus išspręstos.
Mokslinių tyrimų centrai ir įmonės visame pasaulyje atlieka tolesnius bandymus ir tyrimus, o kvantinės fizikos ekspertai sutinka, kad visiškai veikiančių kvantinių mašinų, kurias galėtume panaudoti siekdami tikslų, kurių šiuo metu neįmanoma pasiekti, sukūrimas akivaizdžiai praeis dešimtimis. metų.
Manau, ir daugelis mokslininkų man pritars, kad šiuo metu kvantiniais kompiuteriais vadinamos mašinos visiškai nevertos tokio pavadinimo. Jiems trūksta gebėjimo atlikti skaičiavimus ar spręsti problemas, kurių negalime išspręsti įprastu, klasikiniu būdu.
Dar nesame pasiekę tokio savo technologinio išsivystymo laipsnio, kad galėtume sukurti kvantinę mašiną, kuri išspręstų problemas, kurios šiuo metu neprieinamos klasikiniams kompiuteriams. Žinoma, Google ar IBM kalba apie vienus ar kitus atliktus skaičiavimus, kuriuos būtų sunku atlikti klasikiniu būdu, tačiau šiuo metu jie neįtikina.
Taip pat skaitykite: Kinija taip pat nori tyrinėti kosmosą. Taigi kaip jiems sekasi?
Kas yra kvantas?
Kas vis dėlto yra „kvantas“? Tai nėra fizinis objektas. Terminas „kvantas“ fizikoje vartojamas apibūdinti mažiausią įmanomą kažko dalį. Taigi jūs galite turėti „jėgos kvantą“, „laiko kvantą“ arba „dalelių kvantą“. Eidami šiuo keliu pasieksime tokius terminus kaip „kvantinė fizika“ ir „kvantinė mechanika“, tai yra mokslo šakų, nagrinėjančių mažiausią įmanomą sąveiką ar sistemas – atomų ir net atskirų kvarkų lygmeniu.
Ir dabar mes pasiekėme kubitą (kvantinį bitą), tai yra „mažiausią ir nedalomą kvantinės informacijos vienetą“. Tuo pačiu mes taip pat prieiname prie pirmojo punkto, kuriame pasakojama apie panašumus ir skirtumus, kaip klasikiniai kompiuteriai (naudojantys bitus) ir kvantiniai kompiuteriai (naudojantys kubitus) atlieka skaičiavimus.
Klasikiniuose kompiuteriuose kiekviena informacijos dalis saugoma kaip vienetų ir nulių seka. Tokią informaciją suvokia ir interpretuoja kompiuteris, konsolė, išmanusis telefonas, išmanusis laikrodis kad išmanusis televizorius, panašiai kaip su šia informacija atliekamos operacijos. Nesvarbu, ar žiūrime atostogų nuotraukas, kalbamės su draugais, žaidžiame naujausius žaidimus ar atliekame pažangius kriptografinius skaičiavimus, viskas vyksta dvejetainėje sistemoje, kurioje yra 0 arba 1 ir nieko daugiau. Tiesą sakant, tai labiau panašu į klasikinį „taip“ arba „ne“.
Kokia ši sistema neefektyvi, bus matyti pasiekus jos ribas. Ir nesvarbu, ar išmaniuosiuose telefonuose pritrūksta vietos dar vienai asmenukei, ar mokslininkai bando sukurti matematinius pandemijos vystymosi modelius, problema ta, kad nulių ir vienetų yra per daug, resursų jiems saugoti ir galia jų apskaičiuoti nėra.
Qubit išsprendžia šią problemą. Šioje informacijoje naudojamos kvantinės fizikos savybės, leidžiančios jai išlikti vadinamojoje superpozicijoje. Kubitas gali turėti bet kokią reikšmę nuo 0 iki 1. Jis turi viso spektro savybes ir gali turėti tokias reikšmes kaip 15 procentų nulis ir 85 procentai vienas. Teoriškai tai leidžia sutaupyti daug daugiau informacijos arba pagreitinti skaičiavimus. Tačiau kartu iškyla daug problemų, kurias sunku suvaldyti ir net suprasti.
Kita kvantinių kompiuterių savybė, leidžianti papildomai keisti skaičiavimo galią, yra kvantinio susipynimo naudojimas. Tai būsena, kai du kubitai yra sujungti vienas su kitu, ir kiekvieną kartą, kai stebime vieną iš jų, kitas bus lygiai tokios pačios būsenos. Įsipainiojimas leidžia sugrupuoti kubitus į dar efektyvesnius informacijos įrašymo ir apdorojimo vienetus.
Taip pat skaitykite: Kas yra biologiniai įsilaužėliai ir kodėl jie savo noru čipsuoja?
Kvantinė įranga
Kvantinį kompiuterį sudaro trys pagrindinės dalys: sritis, skirta kubitams saugoti, signalų perdavimo į kubitus metodas ir klasikinis kompiuteris, skirtas programai paleisti ir instrukcijoms siųsti.
Kvantinė medžiaga, sudaranti kubitus, yra subtili ir itin jautri aplinkos poveikiui. Taikant kai kuriuos kubitų saugojimo metodus, vienetas, kuriame yra kubitai, palaikoma absoliučiam nuliui artimoje temperatūroje, kad būtų maksimaliai padidintas jų nuoseklumas. Kiti kubitų saugojimo tipai naudoja vakuuminę kamerą, kad sumažintų vibraciją ir stabilizuotų kubitus.
Yra įvairių būdų, kaip perduoti signalus į kubitus, pavyzdžiui, mikrobangų krosnelės, lazeriai ir elektros įtampa.
Norint nustatyti normalų kvantinių kompiuterių veikimą, būtina išspręsti daugybę problemų. Pagrindinė kvantinių kompiuterių problema yra klaidų taisymas, o mastelio keitimas (pridedant daugiau kubitų) dar labiau padidina jų dažnį. Dėl šių apribojimų kvantinis asmeninis kompiuteris ant jūsų stalo vis dar yra tolima ateitis, tačiau artimiausiu metu gali atsirasti komercinių kvantinių kompiuterių. Pakalbėkime apie tai išsamiau.
Kvantinių kompiuterių problemos
Tačiau kvantiniai kompiuteriai turi vieną didžiulę problemą. Tai reiškia, kad mokslininkai turi didžiulę jų naudojimo problemą, nes dėl ypatingų savybių kubitams reikia pakankamai ramios aplinkos, kad jie galėtų tiksliai nuskaityti bet kokius duomenis iš jų. Kiekvienas, net ir menkiausias pažeidimas leis tiksliai perskaityti informaciją.
Kalbant apie klasikinius kompiuterius, panaši problema praeityje taip pat vaidino svarbų vaidmenį, tačiau šiandien ji tokia nereikšminga, kad dažnai pamirštama net akademiniame moksle. Mes kalbame apie klaidų procentą. Tai indikatorius, nustatantis, kokia informacijos bitų ar kubitų dalis gali būti sugadinta. Tai gali atsitikti, pavyzdžiui, viršįtampio ar kitų trikdžių metu.
Klasikiniams įrenginiams klaidos tikimybė yra maždaug viena 1017 šiek tiek Kvantinių kompiuterių atveju tai vis dar yra vienas iš kelių šimtų. Ir tai yra situacijoje, kai kvantiniai kompiuteriai dirba labiausiai izoliuotomis sąlygomis ir esant -272 laipsnių Celsijaus temperatūrai, ty šiek tiek aukštesnei nei absoliutus nulis. Bet kokie temperatūros svyravimai, elektromagnetinio lauko pokyčiai ir net judėjimas sugriauna visą skaičiavimą.
Kita problema – kvantinių būsenų „nestabilumas“. Kiekvieną kartą, kai matuojame ar norime sutrikdyti kvantinę būseną, ji grįžta į vieną iš dviejų padėčių – nulį ir vieną. Tokiu atveju kvantinė būsena suirs. Šis procesas vadinamas kvantine dekoherence.
Pagalvokite apie tai taip: kvantinis kompiuteris yra įgudęs matematikas, atliekantis sudėtingus skaičiavimus, o jo rezultatai yra nuo 0 iki 1 mln. Mes, savo ruožtu, esame vaikas, kuris tik supranta, kad kažko gali būti per daug arba per mažai. Kai matematikas gali gauti skirtingus rezultatus, pvz., 356 670,23 arba 1 846 662, pagal mūsų supratimą apie pasaulį kiekvienas iš šių rezultatų būtų klasifikuojamas kaip keli (0) arba daug (1), nenustačius konkretaus skirtumo tarp jų. Tai yra kvantinė dekoherence. Vienintelis būdas teisingai apskaičiuoti – garantuoti matematikos darbą jam dar nebaigus.
Taip pat skaitykite: Ką Marse veiks atkaklumas ir išradingumas?
Kam naudosime kvantinius kompiuterius?
Šiandien kyla klausimas, kam gali būti naudojami kvantiniai kompiuteriai, kaip ir prieš 20 metų, kam išmanusis telefonas. Žinoma, jau yra tam tikrų planų ir prielaidų, tačiau įdomiausios kubitų panaudojimo kryptys greičiausiai paaiškės, kai kvantiniai kompiuteriai išplis.
Kriptografija yra viena iš populiariausių sričių, kurioje dažniausiai naudojama kvantinė kompiuterija. Reikalas tas, kad tai bus labai saugaus informacijos perdavimo būdas, o saugumas grindžiamas ne skaičiavimo procesų sudėtingumu, o fizikos dėsniais, kurie suteiks pasitikėjimo, kad tam tikri dalykai tiesiog neįmanomi. Ir šiuo metu bus neįmanoma klausytis, šnipinėti, įsilaužti.
Saugumą šiuo atveju garantuoja pačios fizinės kubitų savybės, kurios, kaip jau paaiškinau anksčiau, nustoja rodyti superpozicijos ypatybes vos tik jas pastebėjus. Taigi bet koks bandymas perimti ar net nukopijuoti užkoduotą pranešimą jį tiesiog sunaikins.
Kvantiniai kompiuteriai taip pat gali leisti mums geriau suprasti natūralius procesus. Superpozicijos „chaosas“ daug geriau atspindi, pavyzdžiui, DNR mutacijas, taigi ir ligų vystymąsi bei evoliuciją. Kvantinė kompiuterija jau šiandien naudojama kuriant naujus vaistus.
Galbūt prasminga kalbėti apie kvantinių kompiuterių naudojimą duomenų teleportacijai. Taip, būtent duomenų, o galbūt ir asmens, teleportacija. Informaciją galėsime teleportuoti iš vienos vietos į kitą jos fiziškai neperkeldami. Tai skamba kaip fantazija, bet įmanoma, nes šis kvantinių dalelių sklandumas gali įsipainioti laike ir erdvėje, todėl vienos dalelės pasikeitimas gali paveikti kitą, o tai sukuria kanalą teleportacijai. Tai jau buvo įrodyta laboratorijose ir gali būti ateities kvantinio interneto dalis. Kol kas tokio tinklo neturime, bet kai kurie mokslininkai jau dirba su šiomis galimybėmis, imituodami kvantinį tinklą kvantiniame kompiuteryje. Jie jau sukūrė ir įdiegė įdomius naujus protokolus, tokius kaip teleportacija tarp tinklo vartotojų ir efektyvus duomenų perdavimas, netgi saugus balsavimas.
Taip pat reikėtų pasakyti, kad kvantiniai kompiuteriai turėtų būti naudojami įvairioms situacijoms imituoti ir problemų sprendimui rasti, įskaitant vaistus ir vakcinas. Pavyzdžiui, pandemijų, tokių kaip koronavirusas, metu, kai reikia greičiau skaičiuoti ir apskaičiuoti galimybes. Čia galite pasinaudoti kvantinio modeliavimo galimybe, kurios negalima atlikti klasikiniame kompiuteryje. Atsiradus naujai ligai, gydymo procesas trunka apie 15 metų ir gali kainuoti iki 2,6 mlrd. Sergant kai kuriomis ligomis, būtina filtruoti per milijonus molekulių, kad būtų galima nustatyti tik šimtus perspektyvių asmenų, kurie gali tapti donorais. Tada bandymo metu maždaug 99% molekulių nukrenta dėl, be kita ko, klaidingo elgesio numatymo ir mėginių ėmimo apribojimų. Čia kvantiniai kompiuteriai išryškėtų.
Ir tai vis dar tik keletas nuostabių idėjų, ką galima pasiekti naudojant kvantinę fiziką. Šiuo metu mums pavyksta tam tikru mastu sutramdyti jos kaprizingą charakterį, tačiau visi pokyčiai vis dar yra pradiniame lygyje. Iki tikro kvantinio kompiuterio sukūrimo ir masinio jo pritaikymo dar gana toli, tačiau pažanga nestovi vietoje. Todėl galbūt po kokių dešimties metų skaitysite šį straipsnį kvantinio kompiuterio pagalba ir nuolaidžiai šypsositės.
Taip pat skaitykite:
Çoch sağ olun, muellimin bize modernūs atminties įrenginiai