Što je kvantno računalstvo? Objašnjenje sljedeće ere računalne evolucije

Kada prvi put naiđete na pojam "kvantno računalo", mogli biste ga odbaciti kao neki dalekosežni koncept znanstvene fantastike, a ne kao ozbiljnu aktualnu vijest.

Ali s obzirom da se fraza sve češće ponavlja, razumljivo je pitati se što su točno kvantna računala, a jednako je razumljivo biti u nedoumici gdje zaroniti. Ovdje je sažetak o tome što su kvantna računala, zašto se oko njih toliko šuška i što bi vam mogla značiti.

Što je kvantno računalstvo i kako funkcionira?

Sva računalstva oslanjaju se na bitove, najmanju informacijsku jedinicu koja je kodirana kao "uključeno" stanje ili "isključeno" stanje, što se češće naziva 1 ili 0, u nekom fizičkom mediju.

Većinu vremena bit ima fizički oblik električnog signala koji putuje preko krugova na matičnoj ploči računala. Spajajući više bitova zajedno, možemo predstaviti složenije i korisnije stvari poput teksta, glazbe i više.

Dvije ključne razlike između kvantnih bitova i "klasičnih" bitova (od računala koja danas koristimo) su fizički oblik koji bitovi imaju i, sukladno tome, priroda podataka kodiranih u njima. Električni bitovi klasičnog računala mogu postojati samo u jednom stanju odjednom, bilo 1 ili 0.

Kvantni bitovi (ili "qubiti") izgrađeni su od subatomskih čestica, naime pojedinačni fotoni ili elektroni. Budući da su te subatomske čestice više usklađene s pravilima kvantne mehanike nego klasične mehanike, one pokazuju bizarna svojstva kvantnih čestica. Najistaknutije od ovih svojstava za računalne znanstvenike je superpozicija. To je ideja da čestica može postojati u više stanja istovremeno, barem dok se to stanje ne izmjeri i ne kolabira u jedno stanje. Koristeći ovo svojstvo superpozicije, računalni znanstvenici mogu učiniti da kubiti kodiraju 1 i 0 u isto vrijeme.

Druga kvantnomehanička mana koja pokreće kvantna računala je isprepletenost, povezivanje dviju kvantnih čestica ili, u ovom slučaju, dva qubita. Kada su dvije čestice isprepletene, promjena stanja jedne čestice promijenit će stanje njezinog partnera u predvidljiv način, koji dobro dođe kada dođe vrijeme da kvantno računalo izračuna odgovor na problem ti ga hraniš.

Qubitovi kvantnog računala počinju u svom hibridnom stanju 1-i-0 dok računalo u početku počinje rješavati problem. Kada se pronađe rješenje, kubiti u superpoziciji kolabiraju u ispravnu orijentaciju stabilnih 1 i 0 za vraćanje rješenja.

Koja je korist od kvantnog računalstva?

Osim činjenice da su daleko izvan dosega svih osim najelitnijih istraživačkih timova (i vjerojatno će tako ostati još neko vrijeme), većina nas nema previše koristi od kvantnih računala. Ne nude nikakvu stvarnu prednost u odnosu na klasična računala za vrste zadataka koje obavljamo većinu vremena.

Međutim, čak i najmoćnija klasična superračunala teško rješavaju određene probleme zbog svoje inherentne računalne složenosti. To je zato što se neki izračuni mogu postići samo grubom silom, pogađanjem dok se odgovor ne pronađe. Završe s toliko mogućih rješenja da bi trebale tisuće godina da sva svjetska superračunala zajedno pronađu pravo.

Svojstvo superpozicije koje pokazuju kubiti može omogućiti superračunalima da naglo skrate ovo vrijeme nagađanja. Mukotrpna izračunavanja metoda pokušaja i pogrešaka klasičnog računalstva mogu dati samo jedno pogađanje u isto vrijeme, dok dvostruko stanje 1-i-0 qubitova kvantnog računala omogućuje višestruko pogađanje u isto vrijeme vrijeme.

Dakle, koji problemi zahtijevaju sve ovo dugotrajno izračunavanje nagađanja? Jedan primjer je simulacija atomskih struktura, posebno kada one kemijski stupaju u interakciju s strukturama drugih atoma. S kvantnim računalom koje pokreće atomsko modeliranje, istraživači u znanosti o materijalima mogli bi stvoriti nove spojeve za upotrebu u inženjerstvu i proizvodnji. Kvantna računala dobro su prikladna za simulaciju sličnih zamršenih sustava poput ekonomskih tržišnih sila, astrofizičke dinamike ili obrazaca genetskih mutacija u organizmima, da spomenemo samo neke.

Međutim, usred svih ovih općenito bezopasnih primjena ove tehnologije u nastajanju, postoje i neke upotrebe kvantnih računala koje izazivaju ozbiljnu zabrinutost. Daleko najčešće navedena šteta je potencijal kvantnih računala razbiti neke od najjačih algoritama šifriranja koji se trenutno koriste.

U rukama agresivnog protivnika strane vlade, kvantna računala mogla bi ugroziti širok pojas inače sigurnog internetskog prometa, ostavljajući osjetljivu komunikaciju podložnom širokom širenju nadziranje. Trenutačno se radi na sazrijevanju šifri za šifriranje temeljenih na izračunima koji su još uvijek teški čak i za kvantna računala, ali nisu sva spremna za premijeru ili trenutno široko prihvaćena.

Je li kvantno računalstvo uopće moguće?

Prije nešto više od deset godina, stvarna izrada kvantnih računala bila je jedva u početnoj fazi. Međutim, počevši od 2010-ih, razvoj funkcionalnih prototipova kvantnih računala uzeo je maha. Brojne su tvrtke prije nekoliko godina sastavile funkcionalna kvantna računala, a IBM je otišao toliko daleko da je omogućio istraživačima i hobistima pokrenuti vlastite programe na njemu putem oblaka.

Unatoč pomacima koje su tvrtke poput IBM-a nedvojbeno napravile u izradi funkcionalnih prototipova, kvantna računala su još uvijek u povojima. Trenutačno, kvantna računala koja su istraživački timovi dosad konstruirali zahtijevaju puno režijskih troškova za izvršavanje ispravljanja pogrešaka. Za svaki qubit koji zapravo izvodi izračun, postoji nekoliko desetaka čiji je posao kompenzirati nečiju pogrešku. Zbir svih ovih kubita čini ono što se naziva "logički kubit".

Ukratko, industrijski i akademski titani natjerali su kvantna računala na rad, ali to rade vrlo neučinkovito.

Tko ima kvantno računalo?

Još uvijek bjesni žestoko natjecanje između istraživača kvantnih računala, između velikih i malih igrača. Među onima koji imaju kvantna računala koja rade su tradicionalno dominantne tehnološke tvrtke koje bi se očekivalo: IBM, Intel, Microsoft i Google.

Koliko god zahtjevan i skup pothvat bio stvaranje kvantnog računala, postoji iznenađujući broj manjih tvrtki, pa čak i startupa koji su spremni odgovoriti izazovu.

Usporedno mršav D-Wave Systems je potaknuo mnoge napretke na ovom polju i dokazao da nije izvan rasprave odgovarajući na značajnu Googleovu objavu viješću o a ogroman posao s Los Alamos National Labs. Ipak, manji konkurenti poput Rigetti Computinga također su u igri etablirajući se kao inovatori kvantnog računalstva.

Ovisno o tome koga pitate, dobit ćete različitog predvodnika za "najmoćnije" kvantno računalo. Google je nedavno dao svoje postizanje kvantne nadmoći, mjerni podatak koji je sam Google više-manje osmislio. Kvantna nadmoć je točka u kojoj je kvantno računalo prvi put u stanju nadmašiti klasično računalo u nekom proračunu. Googleov prototip Sycamore opremljen s 54 qubita uspio je probiti tu barijeru prošavši kroz problem za nešto manje od tri i pol minute za koje bi najmoćnijem klasičnom superračunalu trebalo 10 000 godina da počne raditi kroz.

Da ne duljimo, D-Wave se hvali da su uređaji koje će uskoro isporučivati ​​Los Alamosu teški 5000 kubita po komadu, iako treba napomenuti da kvaliteta D-Waveovih qubita je i prije dovedena u pitanje. IBM nije napravio istu vrstu senzacije kao Google i D-Wave u posljednjih nekoliko godina, ali ni njih još ne treba računati, posebno s obzirom na njihovu stazu zapis sporih i stabilnih postignuća.

Jednostavno rečeno, utrka za najmoćnije kvantno računalo na svijetu otvorena je kao što je ikada bila.

Hoće li kvantno računalstvo zamijeniti tradicionalno računalstvo?

Kratak odgovor na ovo je "ne baš", barem u bliskoj budućnosti. Kvantna računala zahtijevaju ogromnu količinu opreme i fino podešena okruženja za rad. Vodeća arhitektura zahtijeva hlađenje na samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule, što znači da nisu ni blizu praktični za obične potrošače.

Ali kao što je eksplozija računalstva u oblaku dokazala, ne morate posjedovati specijalizirano računalo da biste iskoristili njegove mogućnosti. Kao što je gore spomenuto, IBM već nudi odvažnim tehnofilima priliku za pokretanje programa na malom podskupu svojih Qubiti Q System One. S vremenom će IBM i njegovi konkurenti vjerojatno prodavati računalno vrijeme na robusnijim kvantnim računalima onima koji su zainteresirani za njihovu primjenu na inače nedokučive probleme.

Ali ako ne istražujete vrste iznimno škakljivih problema koje kvantna računala namjeravaju riješiti, vjerojatno nećete puno komunicirati s njima. Zapravo, kvantna računala su u nekim slučajevima lošija u vrsti zadataka za koje svakodnevno koristimo računala, samo zato što su kvantna računala toliko hiperspecijalizirana. Osim ako niste akademik koji se bavi onom vrstom modeliranja u kojoj kvantno računalstvo napreduje, vjerojatno ga nikada nećete dobiti u ruke, niti ćete morati.

Preporuke urednika

• Što je GDDR7? Sve što trebate znati o VRAM-u sljedeće generacije
• Intel smatra da vaš sljedeći CPU treba AI procesor - evo zašto
• Surface Pro 10: evo što možete očekivati ​​od sljedeće generacije
• ChatGPT se upravo uključio u internet. Što je slijedeće?
• Je li Appleov Mac Mini M2 dobar? Evo što recenzije kažu