Kas yra kvantinė kompiuterija? Kita skaičiavimo evoliucijos era, paaiškinta

Kai pirmą kartą sutinkate terminą „kvantinis kompiuteris“, galite jį pavadinti kokia nors toli besidriekiančia mokslinės fantastikos koncepcija, o ne rimta dabartinėmis naujienomis.

Tačiau, kai ši frazė skleidžiama vis dažniau, suprantama, kas tiksliai yra kvantiniai kompiuteriai, ir taip pat suprantama, kad nežinote, kur pasinerti. Čia pateikiama informacija apie tai, kas yra kvantiniai kompiuteriai, kodėl aplink juos tiek daug triukšmo ir ką jie gali reikšti jums.

Kas yra kvantinė kompiuterija ir kaip ji veikia?

Visas skaičiavimas remiasi bitais, mažiausiu informacijos vienetu, kuris yra užkoduotas kaip „įjungta“ arba „išjungta“ būsena, dažniau vadinama 1 arba 0, tam tikroje fizinėje ar kitoje laikmenoje.

Dažniausiai šiek tiek įgauna fizinę elektrinio signalo, keliaujančio per kompiuterio pagrindinės plokštės grandines, formą. Sujungdami kelis bitus, galime pateikti sudėtingesnius ir naudingesnius dalykus, pvz., tekstą, muziką ir kt.

Du pagrindiniai skirtumai tarp kvantinių bitų ir „klasikinių“ bitų (nuo šiandien naudojamų kompiuterių) yra fizinė bitų forma ir atitinkamai juose užkoduotų duomenų pobūdis. Klasikinio kompiuterio elektriniai bitai vienu metu gali egzistuoti tik vienoje būsenoje, 1 arba 0.

Kvantiniai bitai (arba „kubitai“) yra sudaryti iš subatominių dalelių, būtent atskiri fotonai arba elektronai. Kadangi šios subatominės dalelės labiau atitinka kvantinės mechanikos, o ne klasikinės mechanikos taisykles, jos pasižymi keistomis kvantinių dalelių savybėmis. Ryškiausia iš šių savybių kompiuterių mokslininkams yra superpozicija. Tai yra idėja, kad dalelė gali egzistuoti keliose būsenose vienu metu, bent jau tol, kol ši būsena bus išmatuota ir sugrius į vieną būseną. Išnaudodami šią superpozicijos savybę, kompiuterių mokslininkai gali priversti kubitus užkoduoti 1 ir 0 tuo pačiu metu.

Kitas kvantinės mechaninės keistenybės, dėl kurių kvantiniai kompiuteriai suveikia, yra susipainiojimas, dviejų kvantinių dalelių arba šiuo atveju dviejų kubitų susiejimas. Kai dvi dalelės susipainioja, vienos dalelės būsenos pasikeitimas pakeis jos partnerio būseną. nuspėjamas būdas, kuris praverčia, kai ateina laikas gauti kvantinį kompiuterį, kuris apskaičiuotų problemos atsakymą tu jį maitini.

Kvantinio kompiuterio kubitai prasideda hibridinėje būsenoje 1 ir 0, kai kompiuteris iš pradžių pradeda krizenti dėl problemos. Kai randamas sprendimas, superpozicijoje esantys kubitai susitraukia į teisingą stabilių 1 ir 0 orientaciją, kad būtų grąžintas sprendimas.

Kuo naudingas kvantinis skaičiavimas?

Neskaitant to, kad jie toli nepasiekiami visoms, išskyrus elitines mokslinių tyrimų grupes (ir greičiausiai tokiais išliks kurį laiką), dauguma iš mūsų neturi daug naudos iš kvantinių kompiuterių. Jie nesuteikia jokio realaus pranašumo prieš klasikinius kompiuterius atliekant užduotis, kurias atliekame dažniausiai.

Tačiau net ir didžiausiems klasikiniams superkompiuteriams sunku išspręsti tam tikras problemas dėl jiems būdingo skaičiavimo sudėtingumo. Taip yra todėl, kad kai kuriuos skaičiavimus galima atlikti tik naudojant žiaurią jėgą, spėliojant, kol bus rastas atsakymas. Jie baigia tiek daug galimų sprendimų, kad prireiktų tūkstančių metų, kol visi pasaulio superkompiuteriai kartu suras tinkamą.

Superpozicijos savybė, kurią rodo kubitai, gali leisti superkompiuteriams smarkiai sutrumpinti šį spėjimo laiką. Klasikinio skaičiavimo sudėtingi bandymų ir klaidų skaičiavimai vienu metu gali pateikti tik vieną spėjimą, o dviguba kvantinio kompiuterio kubitų būsena 1 ir 0 leidžia atlikti kelis spėjimus vienu metu laikas.

Taigi, kokioms problemoms spręsti reikia viso šio daug laiko reikalaujančio spėlionių skaičiavimo? Vienas iš pavyzdžių yra atominių struktūrų modeliavimas, ypač kai jos chemiškai sąveikauja su kitų atomų struktūromis. Naudodami kvantinį kompiuterį, maitinantį atominį modeliavimą, medžiagų mokslo tyrinėtojai galėtų sukurti naujus junginius, skirtus naudoti inžinerijoje ir gamyboje. Kvantiniai kompiuteriai puikiai tinka panašioms sudėtingoms sistemoms, pavyzdžiui, ekonominėms rinkos jėgoms, astrofizinei dinamikai ar organizmų genetinių mutacijų modeliams, modeliuoti, kad būtų galima paminėti tik keletą.

Tačiau tarp visų šių paprastai nekenksmingų šios naujos technologijos taikymo būdų yra ir kai kurių kvantinių kompiuterių naudojimo būdų, kurie kelia rimtą susirūpinimą. Iki šiol dažniausiai minima žala yra kvantinių kompiuterių galimybė sulaužyti kai kuriuos stipriausius šiuo metu naudojamus šifravimo algoritmus.

Agresyvaus užsienio vyriausybės priešininko rankose kvantiniai kompiuteriai gali sukompromituoti daugybę kitu atveju saugaus interneto srauto, todėl jautrūs ryšiai gali būti plačiai paplitę stebėjimas. Šiuo metu dirbama siekiant subręsti šifravimo šifrus, pagrįstus vis dar sunkiais skaičiavimais net kvantiniams kompiuteriams, bet ne visi jie yra paruošti darbui geriausiu laiku arba šiuo metu plačiai naudojami.

Ar kvantinis kompiuteris išvis įmanomas?

Šiek tiek daugiau nei prieš dešimtmetį tikrasis kvantinių kompiuterių gamyba buvo vos tik pradiniame etape. Tačiau nuo 2010-ųjų prasidėjo veikiančių kvantinių kompiuterių prototipų kūrimas. Kai kurios įmonės prieš kelerius metus surinko veikiančius kvantinius kompiuterius, o IBM nuėjo taip toli, kad tyrėjams ir mėgėjams paleisti jame savo programas per debesį.

Nepaisant to, kad tokios kompanijos kaip IBM neabejotinai žengė žingsnius kurdamos veikiančius prototipus, kvantiniai kompiuteriai vis dar tik pradeda kurtis. Šiuo metu kvantiniams kompiuteriams, kuriuos iki šiol sukūrė tyrimų grupės, reikia daug pridėtinių išlaidų, kad būtų galima ištaisyti klaidas. Kiekvienam kubitui, kuris iš tikrųjų atlieka skaičiavimą, yra kelios dešimtys, kurių užduotis yra kompensuoti klaidą. Visų šių kubitų visuma sudaro tai, kas vadinama „loginiu kubitu“.

Trumpai tariant, pramonės ir akademiniai titanai pradėjo veikti kvantinius kompiuterius, tačiau jie tai daro labai neefektyviai.

Kas turi kvantinį kompiuterį?

Arši konkurencija tarp kvantinių kompiuterių tyrinėtojų vis dar siautėja, tarp didelių ir mažų žaidėjų. Tarp tų, kurie turi veikiančius kvantinius kompiuterius, yra tradiciškai dominuojančios technologijų įmonės, kurių galima tikėtis: IBM, Intel, Microsoft ir Google.

Kad ir koks sudėtingas ir brangus būtų kvantinio kompiuterio kūrimas, yra stebėtinai daug mažesnių įmonių ir net pradedančiųjų įmonių, kurios susiduria su iššūkiu.

Palyginti liesas D-Wave Systems paskatino daug pažangos šioje srityje ir įrodė, kad tai nėra ginčytina, atsakydama į svarbų „Google“ pranešimą naujienomis apie a didžiulis sandoris su Los Alamos National Labs. Vis dėlto mažesni konkurentai, tokie kaip „Rigetti Computing“, taip pat pretenduoja įsitvirtina kaip kvantinių skaičiavimų novatoriai.

Priklausomai nuo to, ko paprašysite, gausite kitokį „galingiausio“ kvantinio kompiuterio lyderį. „Google“ neseniai pareiškė savo nuomonę kvantinės viršenybės pasiekimasmetriką, kurią daugiau ar mažiau sukūrė pati „Google“. Kvantinė viršenybė yra taškas, kai kvantinis kompiuteris pirmą kartą gali pralenkti klasikinį kompiuterį atliekant tam tikrus skaičiavimus. „Google“ Sycamore prototipas aprūpintas 54 kubitais, sugebėjo įveikti tą barjerą, pašalindamas problemą, esančią šiek tiek žemiau tris su puse minutės, kad galingiausiam klasikiniam superkompiuteriui prireiktų 10 000 metų per.

D-Wave gali pasigirti tuo, kad įrenginiai, kuriuos ji netrukus tieks Los Alamosui, sveria 5000 kubitų, nors reikia pažymėti, kad D-Wave kubitų kokybė buvo suabejota anksčiau. IBM per pastaruosius porą metų nepadarė tokio pat populiarumo kaip „Google“ ir „D-Wave“, tačiau jų taip pat dar nereikėtų skaičiuoti, ypač turint omenyje jų kelią. lėtų ir pastovių pasiekimų rekordas.

Paprasčiau tariant, lenktynės dėl galingiausio pasaulyje kvantinio kompiuterio yra atviros, kaip ir anksčiau.

Ar kvantinė kompiuterija pakeis tradicinį skaičiavimą?

Trumpas atsakymas į tai yra „ne tikrai“, bent jau artimiausioje ateityje. Kvantiniams kompiuteriams veikti reikalinga didžiulė įranga ir tiksliai suderinta aplinka. Pirmaujanti architektūra reikalauja aušinimo tik iki laipsnių virš absoliutaus nulio, o tai reiškia, kad paprastiems vartotojams jos beveik nėra praktiškos.

Tačiau, kaip įrodė debesų kompiuterijos sprogimas, jums nereikia turėti specializuoto kompiuterio, kad galėtumėte panaudoti jo galimybes. Kaip minėta pirmiau, IBM jau siūlo drąsiems technofilams galimybę paleisti programas nedideliame savo pogrupyje. Q „System One“ kubitai. Laikui bėgant IBM ir jos konkurentai greičiausiai parduos skaičiavimo laiką patikimesniuose kvantiniuose kompiuteriuose tiems, kurie domisi jų pritaikymu sprendžiant kitaip nesuprantamas problemas.

Bet jei netyrinėjate išskirtinai sudėtingų problemų, kurias siekia išspręsti kvantiniai kompiuteriai, tikriausiai su jomis mažai bendrausite. Tiesą sakant, kvantiniai kompiuteriai kai kuriais atvejais blogiau atlieka užduotis, kurioms mes naudojame kompiuterius kiekvieną dieną, vien dėl to, kad kvantiniai kompiuteriai yra labai specializuoti. Nebent esate akademikas, vadovaujantis modeliavimui, kuriame klesti kvantinis kompiuteris, greičiausiai niekada jo nepasieksite ir to niekada nereikės.

Redaktorių rekomendacijos

• Kas yra GDDR7? Viskas, ką reikia žinoti apie naujos kartos VRAM
• „Intel“ mano, kad jūsų kitam procesoriui reikia AI procesoriaus – štai kodėl
• „Surface Pro 10“: štai ko tikėtis iš naujos kartos
• „ChatGPT“ ką tik prisijungė prie interneto. Kas bus toliau?
• Ar Apple Mac Mini M2 yra geras? Štai ką sako atsiliepimai