Mis on kvantarvuti? Arvutusliku evolutsiooni järgmine ajastu, selgitatud

Kui komistate esimest korda termini "kvantarvuti" otsa, võite pidada seda pigem kaugeks ulmekontseptsiooniks kui tõsiseks ajakohaseks uudiseks.

Kuid kuna seda fraasi levitatakse üha sagedamini, on arusaadav mõelda, mis täpselt on kvantarvutid, ja sama arusaadav, kui tekib kahtlus, kuhu sukelduda. Siin on ülevaade sellest, mis on kvantarvutid, miks on nende ümber nii palju kõmu ja mida need võivad teie jaoks tähendada.

Mis on kvantarvutus ja kuidas see töötab?

Kogu andmetöötlus tugineb bittidele, väikseimale teabeühikule, mis on kodeeritud "sees" või "väljas" olekuna, mida sagedamini nimetatakse 1-ks või 0-ks, mõnes füüsilises või teises kandjas.

Enamasti on natukene füüsiline vorm elektrilise signaalina, mis liigub üle arvuti emaplaadi ahelate. Kui ühendame mitu bitti kokku, saame esitada keerukamaid ja kasulikke asju, nagu tekst, muusika ja palju muud.

Kaks peamist erinevust kvantbittide ja "klassikaliste" bittide vahel (mida praegu kasutame arvutites) on bittide füüsiline vorm ja vastavalt nendesse kodeeritud andmete olemus. Klassikalise arvuti elektrilised bitid võivad korraga eksisteerida ainult ühes olekus, kas 1 või 0.

Kvantbitid (või "kubitid") on valmistatud subatomilistest osakestest, nimelt üksikud footonid või elektronid. Kuna need subatomaarsed osakesed vastavad rohkem kvantmehaanika reeglitele kui klassikalisele mehaanikale, on neil kvantosakeste veidrad omadused. Nendest omadustest kõige silmatorkavam arvutiteadlaste jaoks on superpositsioon. See on idee, et osake võib eksisteerida korraga mitmes olekus, vähemalt seni, kuni seda olekut mõõdetakse ja see variseb ühte olekusse. Seda superpositsiooni omadust ära kasutades saavad arvutiteadlased seda teha pane qubitid kodeerima 1 ja 0 korraga.

Teine kvantmehaaniline veidrus, mis paneb kvantarvuteid tiksuma, on takerdumine, kahe kvantosakese või antud juhul kahe kubiidi ühendamine. Kui kaks osakest on põimunud, muudab ühe osakese oleku muutus tema partneri olekut etteaimatav viis, mis tuleb kasuks, kui on aeg hankida kvantarvuti probleemile vastuse arvutamiseks sa toidad seda.

Kvantarvuti kubitid käivituvad hübriidseisundis 1 ja 0, kuna arvuti hakkab esialgu probleemist läbi jooksma. Lahenduse leidmisel kukuvad superpositsioonis olevad kubitid stabiilsete 1-de ja 0-de õigesse orientatsiooni lahenduse tagastamiseks.

Mis kasu on kvantarvutusest?

Peale selle, et need on kaugel kõigist, välja arvatud kõige eliitsematest uurimisrühmadest (ja jäävad tõenäoliselt mõneks ajaks selliseks), pole enamikul meist kvantarvutitest palju kasu. Need ei paku tavaliste arvutitega võrreldes tegelikku eelist selliste ülesannete puhul, mida me enamiku ajast teeme.

Kuid isegi kõige kohutavamatel klassikalistel superarvutitel on nende loomupärase arvutusliku keerukuse tõttu teatud probleeme raske lahendada. Seda seetõttu, et mõningaid arvutusi saab teha ainult toore jõuga, enne vastuse leidmiseni oletades. Nende tulemuseks on nii palju võimalikke lahendusi, et kõik maailma superarvutid võtaks kokku tuhandeid aastaid, et leida õige.

Kubittide superpositsiooniomadus võimaldab superarvutitel seda oletusaega järsult lühendada. Klassikalise andmetöötluse töömahukad katse-eksituse arvutused võivad teha ainult ühe oletuse korraga, samas kui kvantarvuti kubitite topeltolek 1 ja 0 võimaldab sellel teha mitu oletust samal ajal aega.

Niisiis, millised probleemid nõuavad kogu seda aeganõudvat oletusarvutust? Üks näide on aatomistruktuuride simuleerimine, eriti kui need interakteeruvad keemiliselt teiste aatomitega. Aatomite modelleerimisel töötava kvantarvutiga saavad materjaliteaduse teadlased luua uusi ühendeid, mida kasutatakse inseneritöös ja tootmises. Kvantarvutid sobivad hästi sarnaste keeruliste süsteemide, nagu majanduslikud turujõud, astrofüüsikaline dünaamika või organismide geneetilised mutatsioonimustrid, simuleerimiseks, kui nimetada vaid mõnda.

Selle areneva tehnoloogia kõigi nende üldiselt ebasoodsate rakenduste seas on siiski ka mõned kvantarvutite kasutusviisid, mis tekitavad tõsist muret. Kõige sagedamini mainitud kahju on kvantarvutite potentsiaal murda mõned praegu kasutatavad tugevamad krüpteerimisalgoritmid.

Agressiivse välisriigi valitsuse vastase käes võivad kvantarvutid ohustada suurt hulka muul viisil turvalise Interneti-liikluse tõttu, jättes tundliku suhtluse vastuvõtlikuks laialdasele levikule järelevalve. Praegu tehakse tööd krüpteerimisšifrite väljatöötamiseks, tuginedes arvutustele, mis on endiselt rasked isegi kvantarvutid, kuid need ei ole kõik parimal ajal valmis ega praegu laialdaselt kasutusele võetud.

Kas kvantarvutamine on üldse võimalik?

Veidi üle kümne aasta tagasi oli kvantarvutite tegelik tootmine vaevu algusjärgus. 2010. aastatest algas aga toimivate kvantarvutite prototüüpide arendamine. Mitmed ettevõtted on paar aastat tagasi kokku pannud toimivaid kvantarvuteid, kusjuures IBM on jõudnud nii kaugele, et võimaldab teadlastel ja harrastajatel käivitada sellel pilve kaudu oma programme.

Vaatamata edusammudele, mida sellised ettevõtted nagu IBM on toimivate prototüüpide ehitamisel kahtlemata teinud, on kvantarvutid endiselt lapsekingades. Praegu nõuavad uurimisrühmade seni ehitatud kvantarvutid vigade parandamiseks palju üldkulusid. Iga reaalselt arvutust sooritava kubiti kohta on mitukümmend, kelle ülesanne on kompenseerida tehtud viga. Kõigi nende kubiidide kogum moodustab nn loogilise kubiidi.

Lühidalt öeldes on tööstus- ja akadeemilised titaanid kvantarvutid tööle pannud, kuid teevad seda väga ebaefektiivselt.

Kellel on kvantarvuti?

Kvantarvutiteadlaste vahel käib endiselt äge konkurents, nii suurte kui ka väikeste tegijate vahel. Nende hulgas, kellel on töötavad kvantarvutid, on traditsiooniliselt domineerivad tehnoloogiaettevõtted, mida võiks oodata: IBM, Intel, Microsoft ja Google.

Nii nõudlik ja kulukas ettevõtmine kui kvantarvuti loomine on, on üllatavalt palju väiksemaid ettevõtteid ja isegi idufirmasid, kes on väljakutsele vastu astumas.

Suhteliselt lahja D-Wave Systems on aidanud selles valdkonnas palju edusamme teha ja tõestas, et see pole vaidlusest väljas, vastates Google'i olulisele teatele uudisega a suur tehing Los Alamos National Labsiga. Siiski kandideerivad ka väiksemad konkurendid, nagu Rigetti Computing kehtestades end kvantarvutite uuendajatena.

Sõltuvalt sellest, kellelt te küsite, saate "kõige võimsama" kvantarvuti jaoks teistsuguse esinumbri. Google avaldas hiljuti oma seisukohta kvantülemvõimu saavutamine, mõõdik, mille Google enam-vähem ise välja töötas. Kvantide ülemvõim on punkt, kus kvantarvuti suudab esmalt mõnel arvutusel ületada klassikalist arvutit. Google'i Sycamore prototüüp 54 kubiidiga varustatud suutis selle barjääri murda, tõmbudes läbi probleemist veidi allapoole kolm ja pool minutit, mis kuluks võimsaimal klassikalisel superarvutil 10 000 aastat. läbi.

D-Wave uhkustab sellega, et seadmed, mida ta peagi Los Alamosele tarnivad, kaaluvad 5000 kubitti tükk, kuigi tuleb märkida, et D-Wave'i kubittide kvaliteet on varem kahtluse alla seatud. IBM pole viimase paari aasta jooksul teinud samasugust muljet kui Google ja D-Wave, kuid ka neid ei tohiks veel arvesse võtta, eriti arvestades nende lugu aeglaste ja püsivate saavutuste rekord.

Lihtsamalt öeldes on võidujooks maailma võimsaima kvantarvuti nimel sama avatud kui kunagi varem.

Kas kvantarvutus asendab traditsioonilise andmetöötluse?

Lühike vastus sellele on "mitte tegelikult", vähemalt lähitulevikus. Kvantarvutid vajavad töötamiseks tohutul hulgal seadmeid ja peenhäälestatud keskkondi. Juhtiv arhitektuur nõuab jahutamist vaid kraadini üle absoluutse nulli, mis tähendab, et need pole tavatarbijate jaoks peaaegu otstarbekad.

Kuid nagu pilvandmetöötluse plahvatuslik kasv on tõestanud, ei pea te selle võimaluste kasutamiseks spetsiaalset arvutit omama. Nagu eespool mainitud, pakub IBM juba julgetele tehnofiilidele võimalust käivitada programme oma väikesel alamhulgal. Q System One'i kubitid. Aja jooksul müüvad IBM ja tema konkurendid tõenäoliselt arvutusaega tugevamates kvantarvutites neile, kes on huvitatud nende rakendamisest muidu arusaamatute probleemide lahendamisel.

Kuid kui te ei uuri selliseid erakordselt keerulisi probleeme, mida kvantarvutid soovivad lahendada, siis tõenäoliselt ei suhtle te nendega palju. Tegelikult on kvantarvutid mõnel juhul halvemad selliste ülesannete osas, mille jaoks me arvuteid iga päev kasutame, puhtalt seetõttu, et kvantarvutid on nii hüperspetsialiseerunud. Kui te pole just akadeemik, kes juhib sellist modelleerimist, kus kvantandmetöötlus õitseb, ei saa te tõenäoliselt kunagi oma kätesse ega peagi seda tegema.

Toimetajate soovitused

• Mis on GDDR7? Kõik, mida pead teadma järgmise põlvkonna VRAM-i kohta
• Intel arvab, et teie järgmine protsessor vajab AI-protsessorit – siin on põhjus
• Surface Pro 10: järgmine on see, mida järgmiselt põlvkonnalt oodata
• ChatGPT ühendas end just Internetti. Mis järgmisena juhtub?
• Kas Apple'i Mac Mini M2 on hea? Siin on, mida arvustused ütlevad