Mi az a kvantumszámítás? A számítástechnikai evolúció következő korszaka, magyarázat

Amikor először botlik bele a „kvantumszámítógép” kifejezésbe, előfordulhat, hogy valami távoli sci-fi koncepciónak adják ki, nem pedig komoly aktuális hírnek.

De mivel ezt a kifejezést egyre gyakrabban szórják szét, érthető, hogy azon töprengünk, hogy pontosan mik is azok a kvantumszámítógépek, és érthető, hogy tanácstalanok vagyunk, hogy hova merüljünk el. Íme, mik azok a kvantumszámítógépek, miért van körülöttük olyan nagy a felhajtás, és mit jelenthetnek az Ön számára.

Mi a kvantumszámítás, és hogyan működik?

Minden számítástechnika bitekre támaszkodik, az információ azon legkisebb egységére, amely „be” vagy „kikapcsolt” állapotként van kódolva, amelyet gyakrabban 1-nek vagy 0-nak neveznek, valamilyen fizikai vagy másik közegben.

Legtöbbször egy bit fizikai formát ölt, amely a számítógép alaplapján lévő áramkörökön keresztül halad. Több bit összefűzésével összetettebb és hasznosabb dolgokat is ábrázolhatunk, például szöveget, zenét és egyebeket.

A két alapvető különbség a kvantumbitek és a „klasszikus” bitek között (a ma használt számítógépektől) a bitek fizikai formája, és ennek megfelelően a bennük kódolt adatok természete. Egy klasszikus számítógép elektromos bitjei egyszerre csak egy állapotban létezhetnek, 1 vagy 0.

Kvantumbitek (vagy „qubitek”) szubatomi részecskékből állnak, nevezetesen egyedi fotonok vagy elektronok. Mivel ezek a szubatomi részecskék jobban megfelelnek a kvantummechanika szabályainak, mint a klasszikus mechanikának, a kvantumrészecskék bizarr tulajdonságait mutatják. Az informatikusok számára ezek közül a tulajdonságok közül a legszembetűnőbb a szuperpozíció. Ez az az elképzelés, hogy egy részecske egyszerre több állapotban is létezhet, legalábbis addig, amíg ezt az állapotot meg nem mérik és egyetlen állapotba nem omlik. Ennek a szuperpozíciós tulajdonságnak a kihasználásával az informatikusok megtehetik a qubitek egyszerre kódolják az 1-et és a 0-t.

A másik kvantummechanikai furcsaság, amely a kvantumszámítógépeket ketyegésre készteti, az összefonódás, két kvantumrészecske vagy jelen esetben két qubit összekapcsolása. Amikor a két részecske összegabalyodik, az egyik részecske állapotváltozása megváltoztatja partnerének állapotát. kiszámítható módszer, ami jól jön, ha eljön az ideje, hogy kvantumszámítógépet kapjunk a probléma megoldásának kiszámításához eteted.

A kvantumszámítógép qubitjei 1 és 0 hibrid állapotukból indulnak ki, amikor a számítógép kezdetben elkezd áttörni egy problémán. A megoldás megtalálásakor a szuperpozícióban lévő qubitek összeesnek a stabil 1-ek és 0-k helyes orientációjába a megoldás visszaadásához.

Mi az előnye a kvantumszámításnak?

Eltekintve attól a ténytől, hogy a legelitebb kutatócsoportok kivételével messze túlmutatnak (és valószínűleg egy ideig így is maradnak), a legtöbbünknek nincs sok haszna a kvantumszámítógépeknek. Nem kínálnak valódi előnyt a klasszikus számítógépekkel szemben az általunk legtöbbször elvégzett feladatokhoz.

Azonban még a legfélelmetesebb klasszikus szuperszámítógépek is nehezen tudnak megoldani bizonyos problémákat a számítási bonyolultságuk miatt. Egyes számításokat ugyanis csak nyers erővel lehet elérni, addig találgatva, amíg meg nem születik a válasz. Annyi lehetséges megoldást kínálnak, hogy több ezer évbe telne, mire a világ összes szuperszámítógépe együttesen megtalálja a megfelelőt.

A qubitek szuperpozíciós tulajdonsága lehetővé teszi a szuperszámítógépek számára, hogy jelentősen lerövidítsék ezt a találgatási időt. A klasszikus számítástechnika fáradságos próba és hiba számításai egyszerre csak egy tippet tudnak adni, míg a kvantumszámítógép qubitjeinek kettős 1-es és 0-s állapota lehetővé teszi, hogy egyszerre több kitalálást végezzen idő.

Tehát milyen problémákra van szükség ennyi időigényes találgatásra? Az egyik példa az atomi szerkezetek szimulálása, különösen akkor, ha azok kémiai kölcsönhatásba lépnek más atomokkal. Az atommodellezést működtető kvantumszámítógép segítségével az anyagtudomány kutatói új vegyületeket hozhatnak létre a mérnöki és gyártási célokra. A kvantumszámítógépek kiválóan alkalmasak olyan bonyolult rendszerek szimulálására, mint a gazdasági piaci erők, az asztrofizikai dinamika vagy az organizmusok genetikai mutációs mintái, hogy csak néhányat említsünk.

Ennek a feltörekvő technológiának az összes ilyen, általában nem ártalmas alkalmazásai között azonban vannak olyan kvantumszámítógépek, amelyek komoly aggályokat vetnek fel. Messze a leggyakrabban említett kár a kvantumszámítógépek által okozott kár feltöri a jelenleg használt legerősebb titkosítási algoritmusokat.

Egy agresszív külföldi kormányellenfél kezében a kvantumszámítógépek széles kört veszélyeztethetnek. az egyébként biztonságos internetes forgalomból, így az érzékeny kommunikáció érzékeny a széles körben elterjedésre felügyelet. Jelenleg is folyik a munka a titkosítási rejtjelek kidolgozásán, még mindig nehéz számítások alapján még a kvantumszámítógépek is megtehetik, de még nem mindegyik áll készen a főműsoridőre, vagy jelenleg nem alkalmazzák széles körben.

Egyáltalán lehetséges a kvantumszámítás?

Valamivel több mint egy évtizeddel ezelőtt a kvantumszámítógépek tényleges gyártása még alig volt kezdeti szakaszában. A 2010-es évektől azonban beindult a működőképes kvantumszámítógépek prototípusainak fejlesztése. Néhány évvel ezelőtt számos cég szerelt össze működő kvantumszámítógépeket, az IBM pedig odáig ment, hogy lehetővé tegye a kutatóknak és a hobbiknak saját programjaikat futtatják rajta a felhőn keresztül.

Annak ellenére, hogy az IBM-hez hasonló vállalatok kétségtelenül megtettek a működő prototípusok megalkotása érdekében, a kvantumszámítógépek még mindig gyerekcipőben járnak. Jelenleg a kutatócsoportok által eddig épített kvantumszámítógépek sok többletköltséget igényelnek a hibajavítás végrehajtásához. Minden olyan qubitre, amely ténylegesen számítást végez, több tucat van, amelynek az a feladata, hogy kompenzálja a hibáját. Mindezen qubitek összessége az úgynevezett „logikai qubit”-et alkotja.

Röviden, az ipari és tudományos titánok kvantumszámítógépeket működtettek, de ezt nagyon nem hatékonyan teszik.

Kinek van kvantumszámítógépe?

A kvantumszámítógép-kutatók között továbbra is kiélezett verseny dúl, nagy és kis szereplők között egyaránt. A működő kvantumszámítógépekkel rendelkezők között vannak a hagyományosan domináns technológiai cégek, amelyekre számítani lehet: az IBM, az Intel, a Microsoft és a Google.

Bármilyen igényes és költséges is egy kvantumszámítógép létrehozása, meglepően sok kisebb vállalat, sőt startup is vállalkozik a kihívásra.

A viszonylag sovány A D-Wave Systems számos előrelépést ösztönzött ezen a területen és bebizonyította, hogy nem kizárt a vitából azzal, hogy a Google fontos bejelentésére a következő hírekkel válaszolt hatalmas üzlet a Los Alamos National Labs-szal. Ennek ellenére kisebb versenytársak, mint például a Rigetti Computing is versenyben vannak a kvantumszámítástechnika újítóivá válnak.

Attól függően, hogy kit kérdezel, más élenjárót kapsz a „legerősebb” kvantumszámítógéphez. A Google minden bizonnyal a közelmúltban tette meg a dolgát a kvantumfölény elérése, egy olyan mérőszám, amelyet többé-kevésbé maga a Google dolgozott ki. A kvantumfölény az a pont, ahol a kvantumszámítógép először képes felülmúlni a klasszikus számítógépet bizonyos számításoknál. A Google Sycamore prototípusa Az 54 qubittel felszerelve képes volt áttörni ezt a korlátot egy kis alatti problémán keresztül három és fél perc, ami a leghatalmasabb klasszikus szuperszámítógépnek 10 000 évbe telne keresztül.

Nem kell lehagyni, a D-Wave azzal büszkélkedhet, hogy a hamarosan Los Alamosba szállított eszközök darabonként 5000 qubitet nyomnak, bár meg kell jegyezni, hogy a D-Wave qubitjeinek minősége már korábban is megkérdőjeleződött. Az IBM az elmúlt néhány évben nem keltett olyan feltűnést, mint a Google és a D-Wave, de még nem is érdemes velük számolni, különösen a nyomvonalukat tekintve. lassú és egyenletes teljesítmények rekordja.

Leegyszerűsítve, a verseny a világ legerősebb kvantumszámítógépéért olyan tág határok között tart, mint valaha.

A kvantumszámítás felváltja a hagyományos számítástechnikát?

A rövid válasz erre az, hogy „nem igazán”, legalábbis a közeljövőben. A kvantumszámítógépek működéséhez hatalmas mennyiségű berendezésre és finoman hangolt környezetre van szükség. A vezető architektúra csupán az abszolút nulla fok feletti hűtést igényel, ami azt jelenti, hogy a hétköznapi fogyasztók számára közel sem praktikusak.

De amint azt a felhőalapú számítástechnika robbanásszerű terjedése bebizonyította, nincs szükség speciális számítógépre, hogy kihasználhassa a képességeit. Ahogy fentebb említettük, az IBM már most is lehetőséget kínál a merész technofiloknak, hogy programjait egy kis részhalmazán futtassák. Q A System One qubitjei. Idővel az IBM és versenytársai valószínűleg robusztusabb kvantumszámítógépeken adják majd el a számítási időt azok számára, akik szeretnék ezeket egyébként kifürkészhetetlen problémákra alkalmazni.

De ha nem kutatja azokat a kivételesen trükkös problémákat, amelyeket a kvantumszámítógépek meg akarnak oldani, akkor valószínűleg nem fog sokat foglalkozni velük. Valójában a kvantumszámítógépek bizonyos esetekben rosszabbak azokban a feladatokban, amelyekre mindennap használjuk a számítógépeket, pusztán azért, mert a kvantumszámítógépek annyira hiperspecializáltak. Hacsak nem akadémikus, aki azt a fajta modellezést irányítja, ahol virágzik a kvantumszámítás, akkor valószínűleg soha nem fog a kezedbe venni, és soha nem is lesz rá szükséged.

Szerkesztői ajánlások

• Mi az a GDDR7? Minden, amit a következő generációs VRAM-ról tudni kell
• Az Intel úgy gondolja, hogy a következő CPU-nak mesterséges intelligencia processzorra van szüksége – itt van az ok
• Surface Pro 10: Íme, mire számíthatunk a következő generációtól
• A ChatGPT most csatlakozott az internethez. Mi történik ezután?
• Az Apple Mac Mini M2 jó? Íme, amit a vélemények mondanak