क्वांटम कंप्यूटिंग क्या है? कम्प्यूटेशनल विकास का अगला युग, समझाया गया

जब आप पहली बार "क्वांटम कंप्यूटर" शब्द से टकराते हैं, तो आप इसे एक गंभीर वर्तमान समाचार के बजाय कुछ दूर-दराज की विज्ञान कथा अवधारणा के रूप में पेश कर सकते हैं।

लेकिन इस वाक्यांश को बढ़ती आवृत्ति के साथ चारों ओर उछाले जाने के साथ, यह आश्चर्य करना समझ में आता है कि वास्तव में क्वांटम कंप्यूटर क्या हैं, और यह भी समझ में आता है कि कहां गोता लगाना है। यहां बताया गया है कि क्वांटम कंप्यूटर क्या हैं, उनके चारों ओर इतनी चर्चा क्यों है, और आपके लिए उनका क्या मतलब हो सकता है।

क्वांटम कंप्यूटिंग क्या है और यह कैसे काम करती है?

सभी कंप्यूटिंग बिट्स पर निर्भर करती है, सूचना की सबसे छोटी इकाई जिसे किसी भौतिक माध्यम या किसी अन्य में "ऑन" स्थिति या "ऑफ" स्थिति के रूप में एन्कोड किया जाता है, जिसे आमतौर पर 1 या 0 के रूप में जाना जाता है।

अधिकांश समय, एक बिट कंप्यूटर के मदरबोर्ड में सर्किट पर यात्रा करने वाले विद्युत सिग्नल का भौतिक रूप लेता है। कई बिट्स को एक साथ जोड़कर, हम टेक्स्ट, संगीत और बहुत कुछ जैसी अधिक जटिल और उपयोगी चीजों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं।

क्वांटम बिट्स और "क्लासिकल" बिट्स (आज हम जिन कंप्यूटरों का उपयोग करते हैं) के बीच दो प्रमुख अंतर बिट्स का भौतिक रूप है और, तदनुसार, उनमें एन्कोड किए गए डेटा की प्रकृति है। एक शास्त्रीय कंप्यूटर के विद्युत बिट्स एक समय में केवल एक ही स्थिति में मौजूद हो सकते हैं, या तो 1 या 0।

क्वांटम बिट्स (या "क्विबिट्स") उपपरमाण्विक कणों से बने होते हैं, अर्थात् व्यक्तिगत फोटॉन या इलेक्ट्रॉन। क्योंकि ये उपपरमाण्विक कण शास्त्रीय यांत्रिकी की तुलना में क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अधिक अनुरूप होते हैं, वे क्वांटम कणों के विचित्र गुणों को प्रदर्शित करते हैं। कंप्यूटर वैज्ञानिकों के लिए इन गुणों में सबसे प्रमुख गुण सुपरपोज़िशन है। यह विचार है कि एक कण एक साथ कई अवस्थाओं में मौजूद रह सकता है, कम से कम तब तक जब तक कि उस अवस्था को मापा न जाए और एक ही अवस्था में ढह न जाए। इस सुपरपोज़िशन संपत्ति का उपयोग करके, कंप्यूटर वैज्ञानिक ऐसा कर सकते हैं क्वैबिट को एक ही समय में 1 और 0 को एनकोड करें.

अन्य क्वांटम मैकेनिकल विचित्रता जो क्वांटम कंप्यूटरों को प्रभावित करती है, वह है उलझाव, दो क्वांटम कणों का जुड़ना या, इस मामले में, दो क्वैबिट। जब दो कण आपस में उलझते हैं, तो एक कण की स्थिति में परिवर्तन उसके साथी की स्थिति को बदल देगा पूर्वानुमानित तरीका, जो तब काम आता है जब समस्या के उत्तर की गणना करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर प्राप्त करने का समय आता है तुम इसे खिलाओ.

क्वांटम कंप्यूटर की क्वैबिट अपनी 1-और-0 हाइब्रिड स्थिति में शुरू होती है क्योंकि कंप्यूटर शुरू में किसी समस्या से जूझना शुरू कर देता है। जब समाधान मिल जाता है, तो समाधान वापस करने के लिए सुपरपोज़िशन में क्वैबिट स्थिर 1s और 0s के सही अभिविन्यास में ढह जाते हैं।

क्वांटम कंप्यूटिंग का क्या लाभ है?

इस तथ्य के अलावा कि वे सबसे विशिष्ट अनुसंधान टीमों को छोड़कर सभी की पहुंच से बहुत दूर हैं (और संभवतः कुछ समय तक इसी तरह रहेंगे), हममें से अधिकांश के पास क्वांटम कंप्यूटर का अधिक उपयोग नहीं है। वे उन कार्यों के लिए शास्त्रीय कंप्यूटरों की तुलना में कोई वास्तविक लाभ प्रदान नहीं करते हैं जिन्हें हम अधिकांश समय करते हैं।

हालाँकि, यहां तक ​​कि सबसे दुर्जेय शास्त्रीय सुपर कंप्यूटरों को भी उनकी अंतर्निहित कम्प्यूटेशनल जटिलता के कारण कुछ समस्याओं को हल करने में कठिनाई होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कुछ गणनाएँ केवल पाशविक बल से ही प्राप्त की जा सकती हैं, उत्तर मिलने तक अनुमान लगाते रहते हैं। वे इतने सारे संभावित समाधानों के साथ समाप्त होते हैं कि दुनिया के सभी सुपर कंप्यूटरों को मिलकर सही समाधान खोजने में हजारों साल लग जाएंगे।

क्वैब द्वारा प्रदर्शित सुपरपोज़िशन संपत्ति सुपर कंप्यूटर को इस अनुमान लगाने के समय को तेजी से कम करने की अनुमति दे सकती है। शास्त्रीय कंप्यूटिंग की श्रमसाध्य परीक्षण-और-त्रुटि संगणनाएँ एक समय में केवल एक ही अनुमान लगा सकती हैं, जबकि क्वांटम कंप्यूटर की क्वैबिट की दोहरी 1-और-0 स्थिति इसे एक ही समय में कई अनुमान लगाने की सुविधा देती है समय।

तो, किस प्रकार की समस्याओं के लिए इस समय लेने वाली अनुमान गणना की आवश्यकता होती है? एक उदाहरण परमाणु संरचनाओं का अनुकरण करना है, खासकर जब वे अन्य परमाणुओं के साथ रासायनिक रूप से बातचीत करते हैं। परमाणु मॉडलिंग को शक्ति देने वाले क्वांटम कंप्यूटर के साथ, सामग्री विज्ञान के शोधकर्ता इंजीनियरिंग और विनिर्माण में उपयोग के लिए नए यौगिक बना सकते हैं। क्वांटम कंप्यूटर आर्थिक बाजार की ताकतों, खगोलभौतिकीय गतिशीलता, या जीवों में आनुवंशिक उत्परिवर्तन पैटर्न जैसी समान जटिल प्रणालियों का अनुकरण करने के लिए उपयुक्त हैं, जैसे कि कुछ ही नाम।

हालाँकि, इस उभरती हुई तकनीक के आम तौर पर अप्रभावी अनुप्रयोगों के बीच, क्वांटम कंप्यूटर के कुछ उपयोग भी हैं जो गंभीर चिंताएँ पैदा करते हैं। अब तक सबसे अधिक उद्धृत नुकसान क्वांटम कंप्यूटरों की क्षमता है वर्तमान में उपयोग में आने वाले कुछ सबसे मजबूत एन्क्रिप्शन एल्गोरिदम को तोड़ें.

एक आक्रामक विदेशी सरकार विरोधी के हाथों में, क्वांटम कंप्यूटर व्यापक स्तर पर समझौता कर सकते हैं अन्यथा सुरक्षित इंटरनेट ट्रैफ़िक, जिससे संवेदनशील संचार व्यापक रूप से फैलने के लिए अतिसंवेदनशील हो जाता है निगरानी। वर्तमान में गणनाओं के आधार पर परिपक्व एन्क्रिप्शन सिफर पर काम किया जा रहा है जो अभी भी कठिन हैं क्वांटम कंप्यूटर भी ऐसा कर सकते हैं, लेकिन वे सभी प्राइम-टाइम के लिए तैयार नहीं हैं, या वर्तमान में व्यापक रूप से अपनाए नहीं गए हैं।

क्या क्वांटम कंप्यूटिंग भी संभव है?

लगभग एक दशक पहले, क्वांटम कंप्यूटर का वास्तविक निर्माण बमुश्किल अपने प्रारंभिक चरण में था। हालाँकि, 2010 के दशक में कामकाजी प्रोटोटाइप क्वांटम कंप्यूटर का विकास शुरू हुआ। कुछ साल पहले कई कंपनियों ने काम करने वाले क्वांटम कंप्यूटरों को असेंबल किया है, आईबीएम शोधकर्ताओं और शौकीनों को अनुमति देने के लिए इतनी आगे बढ़ गई है क्लाउड के माध्यम से इस पर अपने स्वयं के प्रोग्राम चलाएं.

आईबीएम जैसी कंपनियों ने निस्संदेह कामकाजी प्रोटोटाइप बनाने में जो प्रगति की है, उसके बावजूद क्वांटम कंप्यूटर अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में हैं। वर्तमान में, अनुसंधान टीमों ने अब तक जो क्वांटम कंप्यूटर बनाए हैं, उन्हें त्रुटि सुधार निष्पादित करने के लिए बहुत अधिक ओवरहेड की आवश्यकता होती है। वास्तव में गणना करने वाले प्रत्येक क्वबिट के लिए, कई दर्जन ऐसे होते हैं जिनका काम किसी की गलती की भरपाई करना होता है। इन सभी क्वबिट का योग एक "तार्किक क्वबिट" कहलाता है।

संक्षेप में कहें तो, उद्योग और शैक्षणिक दिग्गजों को काम करने के लिए क्वांटम कंप्यूटर मिल गए हैं, लेकिन वे ऐसा बहुत ही अकुशलता से करते हैं।

क्वांटम कंप्यूटर किसके पास है?

क्वांटम कंप्यूटर शोधकर्ताओं के बीच, बड़े और छोटे खिलाड़ियों के बीच भयंकर प्रतिस्पर्धा अभी भी जारी है। जिन लोगों के पास काम करने वाले क्वांटम कंप्यूटर हैं उनमें पारंपरिक रूप से प्रमुख तकनीकी कंपनियां हैं जिनकी कोई उम्मीद कर सकता है: आईबीएम, इंटेल, माइक्रोसॉफ्ट और गूगल।

क्वांटम कंप्यूटर बनाना जितना कठिन और महंगा उद्यम है, आश्चर्यजनक संख्या में छोटी कंपनियां और यहां तक ​​​​कि स्टार्टअप भी हैं जो चुनौती के लिए आगे बढ़ रहे हैं।

तुलनात्मक रूप से दुबला डी-वेव सिस्टम्स ने क्षेत्र में कई प्रगति को प्रेरित किया है और एक समाचार के साथ Google की महत्वपूर्ण घोषणा का उत्तर देकर यह साबित कर दिया कि यह विवाद से बाहर नहीं है लॉस अलामोस नेशनल लैब्स के साथ बड़ा सौदा. फिर भी, रिगेटी कंप्यूटिंग जैसे छोटे प्रतिस्पर्धी भी दौड़ में हैं खुद को क्वांटम कंप्यूटिंग इनोवेटर्स के रूप में स्थापित करना.

आप किससे पूछते हैं इसके आधार पर, आपको "सबसे शक्तिशाली" क्वांटम कंप्यूटर के लिए एक अलग दावेदार मिलेगा। Google ने निश्चित रूप से हाल ही में अपना पक्ष रखा है क्वांटम सर्वोच्चता की उपलब्धि, एक मीट्रिक जिसे स्वयं Google ने कमोबेश तैयार किया है। क्वांटम सर्वोच्चता वह बिंदु है जिस पर क्वांटम कंप्यूटर पहली बार कुछ गणनाओं में शास्त्रीय कंप्यूटर से बेहतर प्रदर्शन करने में सक्षम होता है। Google का Sycamore प्रोटोटाइप 54 क्यूबिट्स से सुसज्जित यह एक समस्या के ठीक नीचे ज़िप करके उस बाधा को तोड़ने में सक्षम था साढ़े तीन मिनट में सबसे शक्तिशाली शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर को मंथन करने में 10,000 साल लगेंगे के माध्यम से।

आगे नहीं बढ़ने के लिए, डी-वेव का दावा है कि वह जल्द ही लॉस अलामोस को जिन उपकरणों की आपूर्ति करेगा, उनका वजन 5000 क्यूबिट होगा, हालांकि यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि डी-वेव के क्वैबिट की गुणवत्ता पर पहले भी सवाल उठाए जा चुके हैं. पिछले कुछ वर्षों में IBM ने Google और D-Wave जैसी धूम नहीं मचाई है, लेकिन उन्हें अभी भी गिनना नहीं चाहिए, खासकर उनके ट्रैक को देखते हुए धीमी और स्थिर उपलब्धियों का रिकॉर्ड.

सीधे शब्दों में कहें तो, दुनिया के सबसे शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर की दौड़ उतनी ही खुली है जितनी पहले थी।

क्या क्वांटम कंप्यूटिंग पारंपरिक कंप्यूटिंग की जगह लेगी?

इसका संक्षिप्त उत्तर "वास्तव में नहीं" है, कम से कम निकट भविष्य के लिए। क्वांटम कंप्यूटरों को संचालित करने के लिए भारी मात्रा में उपकरणों और बारीक ट्यून किए गए वातावरण की आवश्यकता होती है। अग्रणी वास्तुकला को पूर्ण शून्य से मात्र कुछ डिग्री ऊपर तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि वे आम उपभोक्ताओं के लिए व्यावहारिक नहीं हैं।

लेकिन जैसा कि क्लाउड कंप्यूटिंग के विस्फोट ने साबित कर दिया है, आपको इसकी क्षमताओं का उपयोग करने के लिए एक विशेष कंप्यूटर रखने की आवश्यकता नहीं है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, आईबीएम पहले से ही साहसी टेक्नोफाइल्स को अपने एक छोटे उपसमूह पर कार्यक्रम चलाने का मौका दे रहा है क्यू सिस्टम वन की क्वैबिट्स. समय के साथ, आईबीएम और उसके प्रतिस्पर्धी संभवतः उन लोगों के लिए अधिक मजबूत क्वांटम कंप्यूटरों पर गणना समय बेचेंगे जो उन्हें अन्यथा गूढ़ समस्याओं पर लागू करने में रुचि रखते हैं।

लेकिन अगर आप उन असाधारण पेचीदा समस्याओं पर शोध नहीं कर रहे हैं जिन्हें क्वांटम कंप्यूटर हल करना चाहते हैं, तो आप शायद उनके साथ ज्यादा बातचीत नहीं कर पाएंगे। वास्तव में, क्वांटम कंप्यूटर कुछ मामलों में उन कार्यों में बदतर हैं जिनके लिए हम हर दिन कंप्यूटर का उपयोग करते हैं, पूरी तरह से क्योंकि क्वांटम कंप्यूटर अत्यधिक विशिष्ट हैं। जब तक आप उस तरह की मॉडलिंग चलाने वाले अकादमिक नहीं हैं, जहां क्वांटम कंप्यूटिंग फलती-फूलती है, तब तक संभवत: आपको कभी भी इसमें हाथ नहीं लगेगा, और इसकी कभी जरूरत भी नहीं पड़ेगी।

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