Какво е квантово изчисление? Следващата ера на изчислителната еволюция, обяснена

Когато за първи път се натъкнете на термина „квантов компютър“, може да го приемете като някаква далечна научна фантастика, а не като сериозна актуална новина.

Но с нарастващата честота на изричане на фразата е разбираемо да се чудите какво точно представляват квантовите компютри и също толкова разбираемо е да не знаете къде да се потопите. Ето накратко какво представляват квантовите компютри, защо има толкова много шум около тях и какво могат да означават за вас.

Какво е квантово изчисление и как работи?

Всички изчисления разчитат на битове, най-малката единица информация, която е кодирана като състояние „включено“ или „изключено“, по-често наричано 1 или 0, в някаква физическа среда или друга.

През повечето време битът приема физическата форма на електрически сигнал, преминаващ през веригите в дънната платка на компютъра. Чрез свързване на няколко бита заедно можем да представим по-сложни и полезни неща като текст, музика и др.

Двете ключови разлики между квантовите битове и „класическите“ битове (от компютрите, които използваме днес) са физическата форма, която битовете приемат и, съответно, естеството на данните, кодирани в тях. Електрическите битове на класически компютър могат да съществуват само в едно състояние в даден момент, или 1, или 0.

Квантови битове (или „кубити“) са направени от субатомни частици, а именно отделни фотони или електрони. Тъй като тези субатомни частици отговарят повече на правилата на квантовата механика, отколкото на класическата механика, те проявяват странните свойства на квантовите частици. Най-забележителното от тези свойства за компютърните учени е суперпозицията. Това е идеята, че една частица може да съществува в множество състояния едновременно, поне докато това състояние не бъде измерено и не се срине в едно състояние. Използвайки това свойство на суперпозиция, компютърните учени могат накарайте кубитите да кодират 1 и 0 едновременно.

Другата квантова механична странност, която кара квантовите компютри да работят, е заплитането, свързването на две квантови частици или, в този случай, два кубита. Когато двете частици са заплетени, промяната в състоянието на една частица ще промени състоянието на нейния партньор в предвидим начин, който е полезен, когато дойде време да получите квантов компютър, който да изчисли отговора на проблема ти го храниш.

Кубитите на квантовия компютър започват в своето хибридно състояние 1 и 0, тъй като компютърът първоначално започва да се справя с проблем. Когато решението бъде намерено, кубитите в суперпозиция се свиват до правилната ориентация на стабилни 1 и 0 за връщане на решението.

Каква е ползата от квантовите изчисления?

Освен факта, че те са далеч извън обсега на всички, освен на най-елитните изследователски екипи (и вероятно ще останат така за известно време), повечето от нас нямат голяма полза от квантовите компютри. Те не предлагат реално предимство пред класическите компютри за видовете задачи, които изпълняваме през повечето време.

Въпреки това, дори и най-страхотните класически суперкомпютри имат трудности при разрешаването на определени проблеми поради присъщата им изчислителна сложност. Това е така, защото някои изчисления могат да бъдат постигнати само чрез груба сила, като се гадае, докато се намери отговорът. В крайна сметка те имат толкова много възможни решения, че ще отнеме хиляди години, докато всички суперкомпютри в света заедно намерят правилното.

Свойството на суперпозиция, демонстрирано от кубитите, може да позволи на суперкомпютрите рязко да намалят това време за отгатване. Трудоемките изчисления на метода проба-грешка на класическия компютър могат да направят само едно предположение наведнъж, докато двойното състояние 1-и-0 на кюбитите на квантовия компютър му позволява да прави множество предположения едновременно време.

И така, какви проблеми изискват цялото това времеемко изчисление на догадки? Един пример е симулирането на атомни структури, особено когато те взаимодействат химически с тези на други атоми. С квантов компютър, захранващ атомното моделиране, изследователите в науката за материалите могат да създадат нови съединения за използване в инженерството и производството. Квантовите компютри са много подходящи за симулиране на подобни сложни системи като икономически пазарни сили, астрофизична динамика или модели на генетична мутация в организмите, за да назовем само няколко.

Сред всички тези като цяло безобидни приложения на тази нововъзникваща технология обаче има и някои употреби на квантовите компютри, които пораждат сериозни опасения. Най-често цитираната вреда е потенциалът на квантовите компютри разбийте някои от най-силните алгоритми за криптиране, които се използват в момента.

В ръцете на агресивен противник от чуждестранно правителство, квантовите компютри биха могли да компрометират широка ивица на иначе защитен интернет трафик, оставяйки чувствителните комуникации податливи на широко разпространение наблюдение. В момента се работи за усъвършенстване на шифри за криптиране въз основа на изчисления, които все още са трудни дори и квантовите компютри, но не всички те са готови за праймтайм или широко възприети в момента.

Възможни ли са изобщо квантовите изчисления?

Преди малко повече от десетилетие действителното производство на квантови компютри едва беше в начален етап. Започвайки през 2010-те години обаче, развитието на функциониращи прототипи на квантови компютри започна. Редица компании сглобиха работещи квантови компютри преди няколко години, като IBM стигна дотам, че позволи на изследователи и любители да изпълняват свои собствени програми върху него чрез облака.

Въпреки напредъка, който компании като IBM несъмнено са направили за изграждане на функциониращи прототипи, квантовите компютри са все още в начален стадий. В момента квантовите компютри, които изследователските екипи са конструирали досега, изискват много режийни разходи за извършване на корекция на грешки. За всеки кубит, който действително извършва изчисление, има няколко десетки, чиято работа е да компенсират грешката на единия. Съвкупността от всички тези кубити прави това, което се нарича „логически кубит“.

Накратко, индустриалните и академичните титани са накарали квантовите компютри да работят, но го правят много неефективно.

Кой има квантов компютър?

Жестоката конкуренция между изследователите на квантовите компютри все още бушува, между големи и малки играчи. Сред тези, които имат работещи квантови компютри, са традиционно доминиращите технологични компании, които може да се очаква: IBM, Intel, Microsoft и Google.

Колкото и взискателно и скъпо начинание да е създаването на квантов компютър, има изненадващ брой по-малки компании и дори стартиращи компании, които се справят с предизвикателството.

Сравнително слабият D-Wave Systems стимулира много напредък в областта и доказа, че не е извън спора, като отговори на важното съобщение на Google с новина за a огромна сделка с Националните лаборатории на Лос Аламос. Все пак, по-малки конкуренти като Rigetti Computing също са в надпреварата утвърждавайки се като иноватори в квантовите изчисления.

В зависимост от това кого попитате, ще получите различен фаворит за „най-мощния“ квантов компютър. Google със сигурност направи своя случай наскоро със своя постигане на квантово надмощие, показател, който самият Google повече или по-малко е измислил. Квантовото превъзходство е точката, в която квантовият компютър е в състояние за първи път да надмине класическия компютър при някои изчисления. Прототипът на Google Sycamore оборудван с 54 кюбита, успя да преодолее тази бариера, като премине през проблем за малко три минути и половина, които биха отнели на най-мощния класически суперкомпютър 10 000 години, за да работи през.

За да не бъде надминат, D-Wave се хвали, че устройствата, които скоро ще доставя на Лос Аламос, тежат по 5000 кубита на парче, въпреки че трябва да се отбележи, че качеството на кюбитите на D-Wave е било поставяно под въпрос и преди. IBM не е направила същия фурор като Google и D-Wave през последните няколко години, но те все още не трябва да се броят, особено като се има предвид техният път запис на бавни и стабилни постижения.

Казано просто, надпреварата за най-мощния квантов компютър в света е толкова широка, колкото е била.

Ще замени ли квантовите компютри традиционните компютри?

Краткият отговор на това е „не наистина“, поне в близко бъдеще. Квантовите компютри изискват огромно количество оборудване и фино настроени среди, за да работят. Водещата архитектура изисква охлаждане само до градуси над абсолютната нула, което означава, че те не са практични за обикновените потребители.

Но както доказа експлозията на облачните изчисления, не е необходимо да притежавате специализиран компютър, за да впрегнете неговите възможности. Както бе споменато по-горе, IBM вече предлага на дръзките технофили възможността да изпълняват програми на малка част от своите Кубитите на Q System One. След време IBM и нейните конкуренти вероятно ще продават изчислително време на по-стабилни квантови компютри за тези, които се интересуват да ги прилагат към иначе неразгадаеми проблеми.

Но ако не проучвате видовете изключително трудни проблеми, които квантовите компютри целят да решат, вероятно няма да взаимодействате много с тях. Всъщност квантовите компютри в някои случаи са по-лоши в задачите, за които използваме компютри всеки ден, просто защото квантовите компютри са толкова хиперспециализирани. Освен ако не сте академик, управляващ вида моделиране, където квантовите изчисления процъфтяват, вероятно никога няма да се сдобиете с такъв и никога няма да имате нужда.

Препоръки на редакторите

• Какво е GDDR7? Всичко, което трябва да знаете за VRAM от следващо поколение
• Intel смята, че вашият следващ CPU се нуждае от AI процесор - ето защо
• Surface Pro 10: ето какво да очаквате от следващото поколение
• ChatGPT току-що се включи в интернет. Какво се случва след това?
• Добър ли е Mac Mini M2 на Apple? Ето какво казват рецензиите