Oleme kvantarvutitest kuulnud vähemalt paar aastat. Aga mis see on? Milleks on kvantarvuti? Täna on see kõik lihtsate sõnadega.
Kvant arvuti on leiutis, millele paljud teadlased panevad suuri lootusi, eeldades, et sellel on positiivne mõju teaduse arengule. Kvantfüüsika toimimise mõistmine on aga väga raske. Mõned füüsikud isegi kahtlevad, kas praeguseid "kvantarvuteid" tuleks nii nimetada. Suurimaks takistuseks kvantarvutuse kasutamisel on suur vigade hulk, mida mõjutavad ka kõige väiksemad muutused kvantmasinate keskkonnas. Siiani pole meil veel õnnestunud kvantbittide potentsiaali täielikult rahuldavalt ära kasutada. Täna püüame välja selgitada, mis on nende kvantbittide eripära?
Kas kvantarvutid on olemas?
Iga tõelise teadlase olemus on mitte usaldada ja kogu aeg kontrollida. Just need sõnad jäid mulle meelde, kui olin veel üliõpilane. Ja mitu korda veendus ta selle fraasi õigsuses. See kehtib ka "kvantarvutite" kohta. Miks ma nende arvutite nimesid tsiteerisin? Uurime välja.
Kvantarvutid on väga keeruline teema, kuid ma püüan selle võimalikult lihtsaks teha ja rääkida neist ligipääsetaval viisil. Isegi tänapäeval saavad teadlased, füüsikud ja insenerid vaielda näiliselt lihtsa küsimuse üle, kas töötav kvantarvuti on kusagil maailmas olemas. "Aga kuidas sellised ettevõtted nagu IBM kvantarvutitega hooplevad!" - võib keegi öelda. Ja tal on õigus. Jääb lahtiseks küsimus, kas IBM on tõesti loonud kvantarvuti või nimetanud selle seadme lihtsalt "kvantarvutiks".
Kui üks mu sõber palub mul lihtsate sõnadega selgitada, mille poolest erinevad kvantarvutid meile harjumuspärastest arvutitest, kasutan tavaliselt lihtsat võrdlust. Kui meie klassikalised arvutid (nt arvuti, sülearvutid ja nutitelefonid) on küünlad, siis kvantarvutid on elektripirnid. Mõlema otstarve on sama – hõõglampide ja küünalde puhul on see valguse kiirgamine, arvutitel aga arvutuste tegemiseks. Kuid mõlemal juhul saavutatakse eesmärk täiesti erinevalt ja tulemus on erinev. Lihtsamalt öeldes ei ole kvantarvuti lihtsalt tänapäevaste arvutite täiustatud versioon, nagu ka elektripirn pole lihtsalt suurem küünal. Küünlaid aina paremaks tehes ei saa lambipirni luua. Lambipirn on erinev tehnoloogia, mis põhineb sügavamal teaduslikul arusaamal. Samuti on kvantarvuti uut tüüpi seade, mis põhineb kvantfüüsikal ja nii nagu elektripirn muutis ühiskonda, võivad kvantarvutid mõjutada paljusid meie elu aspekte, sealhulgas turvavajadusi, tervishoidu ja isegi Internetti.
Seega, kui jääda elektripirnidega arvutite võrdlemise juurde, siis "kvant Joseph Swan" (esimese funktsionaalse hõõglambi looja) pole veel ilmunud ja siiani üritab teadus lihtsate sõnadega teha. "midagi punast ja kuuma" kontrollides, kui palju see helendab. Teame mõningaid kvantarvutite töö teoreetilisi aluseid, kuid nende arengul on tohutuid takistusi, mis alles ootavad lahendamist.
Teaduskeskused ja ettevõtted üle maailma viivad läbi täiendavaid katsetusi ja uuringuid ning kvantfüüsika valdkonna eksperdid on ühel meelel, et täielikult töötavate kvantmasinate loomine, mida saaksime kasutada praeguses etapis võimatute eesmärkide saavutamiseks, läheb ilmselgelt kümnete kaupa üle. aastatest.
Usun ja paljud teadlased nõustuvad minuga, et praegu kvantarvutiteks nimetatud masinad ei vääri üldse sellist nime. Neil puudub oskus teha arvutusi või lahendada probleeme, mida me ei suuda lahendada tavalisel, klassikalisel viisil.
Me ei ole veel jõudnud oma tehnoloogilises arengus nii kaugele, et suudaksime luua kvantmasina, mis lahendaks probleeme, mis praegu klassikalistele arvutitele kättesaamatud on. Muidugi räägivad Google või IBM mingitest või muudest tehtud arvutustest, mida klassikalises võtmes oleks raske teha, aga hetkel need ei veena.
Loe ka: Hiina on ka innukalt kosmose avastamist. Kuidas neil siis läheb?
Mis on kvant?
Mis üldse on "kvant"? See ei ole füüsiline objekt. Mõistet "kvant" kasutatakse füüsikas millegi väikseima võimaliku osa kirjeldamiseks. Seega võib teil olla "jõukvant", "ajakvant" või "osakeste kvant". Seda teed minnes jõuame selliste terminiteni nagu "kvantfüüsika" ja "kvantmehaanika", ehk siis teadusharudeni, mis tegelevad võimalikult väikese vastasmõju või süsteemiga – aatomite ja isegi üksikute kvarkide tasandil.
Ja nüüd oleme jõudnud kubiidini (kvantbitini), see tähendab "kvantinformatsiooni väikseima ja jagamatu ühikuni". Samal ajal jõuame ka esimese punktini, mis räägib meile sarnasustest ja erinevustest selles, kuidas klassikalised arvutid (kasutades bitte) ja kvantarvutid (kasutades kubitte) arvutusi teevad.
Klassikalistes arvutites salvestatakse iga teabetükk ühtede ja nullide jadana. Sellist teavet tajub ja tõlgendab arvuti, konsool, nutitelefon, nutikell ja tark telekas, mis sarnaneb selle teabega tehtavate toimingutega. Ükskõik, kas vaatame puhkusefotosid, vestleme sõpradega, mängime uusimat mängu või teeme täiustatud krüptoarvutusi, kõik toimub binaarsüsteemis, kus on 0-d või 1-d ja mitte midagi muud. Tegelikult on see pigem klassikaline jah või ei.
Kui ebatõhus see süsteem on, on näha, kui jõuame selle piiridesse. Ja olenemata sellest, kas meil saab nutitelefonides järjekordse selfie jaoks ruum otsa või teadlased püüavad luua matemaatilisi mudeleid pandeemia arengu kohta, on probleem selles, et nulle ja ühtesid on liiga palju ning ressursse nende salvestamiseks ja jõudu. arvutada neid pole saadaval.
Qubit lahendab selle probleemi. See teave kasutab kvantfüüsika omadusi, mis võimaldavad sellel jääda nn superpositsioonile. Kubit võib võtta mis tahes väärtuse vahemikus 0 kuni 1. Sellel on kogu spektri omadused ja väärtused, näiteks 15 protsenti nullist ja 85 protsenti üks. Teoreetiliselt võimaldab see salvestada palju rohkem teavet või kiirendada arvutusi. Kuid samal ajal tekib palju probleeme, mida on raske kontrollida ja isegi mõista.
Teine kvantarvutite omadus, mis võimaldab arvutusvõimsust täiendavalt skaleerida, on kvantpõimumise kasutamine. See on olek, kus kaks kubitti on omavahel ühendatud ja iga kord, kui me üht neist vaatleme, on teine täpselt samas olekus. Põimumine võimaldab kubitid rühmitada teabe salvestamiseks ja töötlemiseks veelgi tõhusamateks üksusteks.
Loe ka: Kes on biohäkkerid ja miks nad end vabatahtlikult kiibivad?
Kvantseadmed
Kvantarvuti koosneb kolmest põhiosast: ala kubittide salvestamiseks, meetod signaalide kubittidele edastamiseks ning klassikaline arvuti programmi käitamiseks ja juhiste saatmiseks.
Kvantmaterjal, millest kubitid koosneb, on õrn ja äärmiselt tundlik keskkonnamõjude suhtes. Mõne kubitisalvestusmeetodi puhul hoitakse kubiteid sisaldavat seadet absoluutse nulli lähedasel temperatuuril, et maksimeerida nende sidusust. Muud tüüpi kubitisalvestused kasutavad vibratsiooni minimeerimiseks ja kubitite stabiliseerimiseks vaakumkambrit.
Signaalide kubittidesse edastamiseks on erinevaid meetodeid, nagu mikrolained, laserid ja elektripinge.
Kvantarvutite normaalse töö tagamiseks on vaja lahendada palju probleeme. Kvantarvutite peamine probleem on vigade parandamine ja skaleerimine (kubittide lisamine) suurendab nende sagedust veelgi. Nende piirangute tõttu on teie laual olev kvantpersonaalarvuti veel kauge tulevik, kuid kaubanduslikud kvantarvutid võivad saada saadavale lähitulevikus. Räägime sellest üksikasjalikumalt.
Kvantarvutite probleemid
Kvantarvutitel on aga üks suur probleem. See tähendab, et teadlastel on nende kasutamisega tohutu probleem, sest tänu oma erilistele omadustele vajavad kubiidid piisavalt rahulikku keskkonda, et neilt mis tahes andmeid täpselt lugeda. Iga, isegi väikseim rikkumine muudab teabe täpse lugemise võimatuks.
Klassikaliste arvutite puhul mängis sarnane probleem ka varem olulist rolli, kuid tänapäeval on see nii tühine, et isegi akadeemilises teaduses jäetakse see sageli tähelepanuta. Me räägime veamäärast. See on indikaator, mis määrab, milline osa teabe bittidest või kubitidest võib olla rikutud. See võib juhtuda näiteks ülepinge või muude häirete korral.
Klassikaliste seadmete puhul on vea tõenäosus ligikaudu üks kuni 1017 natuke Kvantarvutite puhul on see ikkagi üks mitmesajast. Ja seda olukorras, kus kvantarvutid töötavad kõige isoleeritumates tingimustes ja temperatuuril -272 kraadi Celsiuse järgi, s.t veidi üle absoluutse nulli. Kõik temperatuurikõikumised, muutused elektromagnetväljas ja isegi liikumine hävitavad kogu arvutuse.
Teine probleem on kvantolekute "ebastabiilsus". Iga kord, kui mõõdame või tahame kvantseisundit häirida, naaseb see ühte kahest positsioonist, nullist ja ühest. Sel juhul kvantseisund laguneb. Seda protsessi nimetatakse kvantdekoherentsiks.
Mõelge sellele nii: kvantarvuti on vilunud matemaatik, kes teeb keerukaid arvutusi ja selle tulemused jäävad 0–1 miljoni vahele. Meie oleme omakorda laps, kes mõistab vaid seda, et midagi võib olla liiga palju või liiga vähe. Kui matemaatikul võivad olla erinevad tulemused, näiteks 356 670,23 või 1 846 662, klassifitseeritakse kõik need tulemused vastavalt meie arusaamale maailmast vähesteks (0) või paljudeks (1), määratlemata nende kahe vahel konkreetset erinevust. See on kvantdekoherents. Ainus viis korrektseks arvutuseks on garanteerida matemaatikatöö enne selle valmimist.
Loe ka: Mida teevad sihikindlus ja leidlikkus Marsil?
Milleks me kvantarvuteid kasutama hakkame?
Tänapäeval tekib küsimus, milleks saab kasutada kvantarvuteid, nagu 20 aastat tagasi, milleks nutitelefoni. Mingid plaanid ja oletused on muidugi juba olemas, kuid kõige huvitavamad kubittide kasutamise suunad selguvad ilmselt siis, kui kvantarvutid laiemalt levivad.
Krüptograafia on üks populaarsemaid valdkondi, kus kvantarvutust kõige sagedamini kasutatakse. Asi on selles, et see on meetod teabe edastamiseks väga turvalisel viisil ja turvalisus ei põhine arvutusprotsesside keerukusel, vaid füüsikaseadustel, mis annavad kindlustunde, et teatud asjad on lihtsalt võimatud. Ja praegu on võimatu kuulata, luurata, häkkida.
Turvalisuse tagavad sel juhul kubitite füüsilised omadused, mis, nagu ma varem selgitasin, lakkavad näitamast superpositsiooni tunnuseid kohe pärast nende jälgimist. Seega hävitab kõik katsed kodeeritud sõnumit pealt kuulata või isegi kopeerida.
Kvantarvutid võivad samuti võimaldada meil paremini mõista looduslikke protsesse. Superpositsiooni "kaos" peegeldab palju paremini seda, kuidas näiteks DNA mutatsioonid ja seega ka haiguste ja evolutsiooni arengud. Kvantarvutit kasutatakse juba täna uute ravimite loomiseks.
Võib-olla on mõtet rääkida kvantarvutite kasutamisest andmete teleporteerimiseks. Jah, just andmete ja võib-olla ka inimese teleporteerimine. Saame teavet ühest kohast teise teleportida ilma seda füüsiliselt edastamata. See kõlab fantaasiana, kuid see on võimalik, sest see kvantosakeste voolavus võib ajas ja ruumis takerduda, nii et ühe osakese muutus võib mõjutada teist ja see loob kanali teleporteerumiseks. Seda on juba laborites demonstreeritud ja see võib olla osa tuleviku kvantinternetist. Meil pole veel sellist võrku, kuid mõned teadlased juba tegelevad nende võimalustega, simuleerides kvantvõrku kvantarvutis. Nad on juba välja töötanud ja juurutanud huvitavaid uusi protokolle, nagu võrgukasutajatevaheline teleportatsioon ja tõhus andmeedastus ning isegi turvaline hääletamine.
Olgu ka öeldud, et kvantarvuteid tuleks kasutada erinevate olukordade simuleerimiseks ja probleemidele lahenduste leidmiseks, sealhulgas ravimitele ja vaktsiinidele. Näiteks pandeemiate ajal nagu koroonaviirus, kui on vaja kiiremat arvutamist ja valikute arvutamist. Siin saab kasutada kvantmodelleerimise võimalust, mida klassikalises arvutis teostada ei saa. Kui ilmneb uus haigus, võtab ravi leidmine umbes 15 aastat ja võib maksta kuni 2,6 miljardit dollarit. Mõne haiguse puhul on vaja filtreerida läbi miljonite molekulide, et tuvastada vaid sadu paljutõotavaid inimesi, kellest saavad tõenäoliselt doonorid. Seejärel kukub testimise käigus välja ligikaudu 99% molekulidest muu hulgas käitumise vale prognoosimise ja proovivõtupiirangute tõttu. Siin tõuseksid esiplaanile kvantarvutid.
Ja need on endiselt vaid mõned suurepärased ideed selle kohta, mida on võimalik kvantfüüsika abil saavutada. Praegu õnnestub meil tema kapriisset tegelast mingil määral taltsutada, kuid kõik arengud on alles algtasemel. Tõelise kvantarvuti loomine ja selle massrakendus on veel üsna kaugel, kuid areng ei seisa paigal. Seetõttu loete võib-olla umbes kümne aasta pärast seda artiklit kvantarvuti abil ja naeratate alandlikult.
Loe ka:
Çoch sağ olun, muellimin bize kaasaegsed mäluseadmed