Kas ir kvantu skaitļošana? Nākamais skaitļošanas evolūcijas laikmets, paskaidrots

Pirmo reizi saskaroties ar terminu “kvantu dators”, jūs to varētu uzskatīt par tālu zinātniskās fantastikas koncepciju, nevis nopietnu aktuālu ziņu.

Taču, tā kā šī frāze tiek izplatīta arvien biežāk, ir saprotams jautājums, kas tieši ir kvantu datori, un tikpat saprotams ir neskaidrības par to, kur ienirt. Tālāk ir sniegta informācija par to, kas ir kvantu datori, kāpēc ap tiem ir tik daudz trokšņu un ko tie varētu jums nozīmēt.

Kas ir kvantu skaitļošana un kā tā darbojas?

Visa skaitļošana balstās uz bitiem, mazāko informācijas vienību, kas ir kodēta kā “ieslēgts” vai “izslēgts” stāvoklis, ko biežāk dēvē par 1 vai 0, kādā fiziskā vai citā datu nesējā.

Lielāko daļu laika mazliet izpaužas kā elektrisks signāls, kas pārvietojas pa datora mātesplates ķēdēm. Savienojot vairākus bitus kopā, mēs varam attēlot sarežģītākas un noderīgākas lietas, piemēram, tekstu, mūziku un daudz ko citu.

Divas galvenās atšķirības starp kvantu bitiem un “klasiskajiem” bitiem (no datoriem, kurus mēs izmantojam šodien) ir bitu fiziskais veids un attiecīgi tajos kodēto datu raksturs. Klasiskā datora elektriskie biti vienlaikus var pastāvēt tikai vienā stāvoklī, vai nu 1, vai 0.

Kvantu biti (vai "kubiti") ir izgatavoti no subatomiskām daļiņām, proti, atsevišķi fotoni vai elektroni. Tā kā šīs subatomiskās daļiņas vairāk atbilst kvantu mehānikas noteikumiem nekā klasiskajai mehānikai, tām piemīt dīvainas kvantu daļiņu īpašības. Visizteiktākā no šīm īpašībām datorzinātniekiem ir superpozīcija. Šī ir ideja, ka daļiņa var pastāvēt vairākos stāvokļos vienlaikus, vismaz līdz brīdim, kad šis stāvoklis tiek izmērīts un sabrūk vienā stāvoklī. Izmantojot šo superpozīcijas īpašību, datorzinātnieki var likt kubitiem kodēt 1 un 0 vienlaikus.

Otra kvantu mehāniskā dīvainība, kas liek kvantu datoriem atzīmēties, ir sapīšanās, divu kvantu daļiņu vai, šajā gadījumā, divu kubitu savienojums. Kad abas daļiņas ir sapinušās, vienas daļiņas stāvokļa izmaiņas mainīs tās partnera stāvokli. paredzams veids, kas noder, kad pienācis laiks iegūt kvantu datoru, lai aprēķinātu atbildi uz problēmu tu to baro.

Kvantu datora kubiti sākas 1 un 0 hibrīdstāvoklī, kad dators sākotnēji sāk kraukšķināt problēmas dēļ. Kad risinājums tiek atrasts, superpozīcijas kubiti sabrūk līdz pareizai stabilo 1s un 0s orientācijai risinājuma atgriešanai.

Kāds ir kvantu skaitļošanas ieguvums?

Neatkarīgi no tā, ka tie ir tālu aizsniedzami visām, izņemot elitārākās pētnieku komandas (un, iespējams, kādu laiku tā arī paliks), vairumam no mums kvantu datori nav īpaši noderīgi. Tie nepiedāvā nekādas reālas priekšrocības salīdzinājumā ar klasiskajiem datoriem tiem uzdevumiem, kurus mēs veicam lielāko daļu laika.

Tomēr pat visbriesmīgākajiem klasiskajiem superdatoriem ir grūti atrisināt noteiktas problēmas tiem raksturīgās skaitļošanas sarežģītības dēļ. Tas ir tāpēc, ka dažus aprēķinus var veikt tikai ar brutālu spēku, minot, līdz tiek atrasta atbilde. Tie galu galā piedāvā tik daudz iespējamo risinājumu, ka visiem pasaules superdatoriem būtu vajadzīgi tūkstošiem gadu, lai atrastu pareizo.

Superpozīcijas īpašība, ko demonstrē kubiti, var ļaut superdatoriem krasi samazināt šo minēšanas laiku. Klasiskās skaitļošanas darbietilpīgie izmēģinājumu un kļūdu aprēķini var sniegt tikai vienu minējumu vienlaikus, savukārt kvantu datora kubitu dubultais stāvoklis 1 un 0 ļauj veikt vairākus minējumus vienlaikus laiks.

Tātad, kāda veida problēmām ir nepieciešami visi šie laikietilpīgie minējumu aprēķini? Viens piemērs ir atomu struktūru modelēšana, īpaši, ja tās ķīmiski mijiedarbojas ar citu atomu struktūrām. Izmantojot kvantu datoru, kas darbina atomu modelēšanu, materiālu zinātnes pētnieki varētu radīt jaunus savienojumus izmantošanai inženierzinātnēs un ražošanā. Kvantu datori ir labi piemēroti, lai modelētu līdzīgas sarežģītas sistēmas, piemēram, ekonomiskos tirgus spēkus, astrofizikālo dinamiku vai organismu ģenētisko mutāciju modeļus, lai nosauktu tikai dažus.

Tomēr starp visiem šiem šīs jaunās tehnoloģijas nekaitīgajiem lietojumiem ir arī daži kvantu datoru lietojumi, kas rada nopietnas bažas. Līdz šim visbiežāk minētais kaitējums ir kvantu datoru potenciāls izjaukt dažus no spēcīgākajiem pašlaik izmantotajiem šifrēšanas algoritmiem.

Agresīvas ārvalstu valdības pretinieka rokās kvantu datori var apdraudēt plašu jomu no citādi drošas interneta trafika, atstājot sensitīvus sakarus jutīgus pret plašu izplatību uzraudzība. Pašlaik tiek veikts darbs, lai izstrādātu šifrēšanas šifrus, pamatojoties uz aprēķiniem, kas joprojām ir grūti pat kvantu datoriem, bet tie ne visi ir gatavi vispiemērotākajā laikā vai pašlaik ir plaši pieņemti.

Vai kvantu skaitļošana vispār ir iespējama?

Pirms nedaudz vairāk nekā desmit gadiem kvantu datoru faktiskā izgatavošana tik tikko bija sākuma stadijā. Tomēr, sākot ar 2010. gadiem, sāka darboties funkcionējošu kvantu datoru prototipu izstrāde. Vairāki uzņēmumi jau pirms dažiem gadiem ir montējuši funkcionējošus kvantu datorus, un IBM ir gājusi tik tālu, lai pētnieki un hobiji varētu palaist tajā savas programmas, izmantojot mākoni.

Neskatoties uz soļiem, ko tādi uzņēmumi kā IBM, bez šaubām, ir veikuši, lai izveidotu funkcionējošus prototipus, kvantu datori joprojām ir sākuma stadijā. Pašlaik kvantu datoriem, ko pētnieku grupas līdz šim ir izveidojušas, kļūdu labošanai ir vajadzīgas lielas pieskaitāmās izmaksas. Katram kubitam, kas faktiski veic aprēķinu, ir vairāki desmiti, kuru uzdevums ir kompensēt pieļauto kļūdu. Visu šo kubitu kopums veido tā saukto “loģisko kubitu”.

Īsāk sakot, nozares un akadēmiskie titāni ir iedarbinājuši kvantu datorus, taču viņi to dara ļoti neefektīvi.

Kam ir kvantu dators?

Joprojām plosās sīva konkurence starp kvantu datoru pētniekiem, gan starp lieliem, gan maziem spēlētājiem. Starp tiem, kuriem ir strādājoši kvantu datori, ir tradicionāli dominējošie tehnoloģiju uzņēmumi, ko varētu sagaidīt: IBM, Intel, Microsoft un Google.

Lai arī cik prasīgs un dārgs ir kvantu datora izveide, ir pārsteidzoši daudz mazāku uzņēmumu un pat jaunuzņēmumu, kas saskaras ar izaicinājumu.

Salīdzinoši liesās D-Wave Systems ir veicinājis daudzus sasniegumus šajā jomā un pierādīja, ka tas nav izslēgts, atbildot uz Google nozīmīgo paziņojumu ar ziņām par a milzīgs darījums ar Los Alamos National Labs. Tomēr pretendē arī mazāki konkurenti, piemēram, Rigetti Computing kļūstot par kvantu skaitļošanas novatoriem.

Atkarībā no tā, kam jautāsiet, jūs iegūsit citu “jaudīgākā” kvantu datora līderi. Google, protams, nesen izteica savu viedokli ar savu kvantu pārākuma sasniegšanametrika, ko vairāk vai mazāk ir izstrādājis pats Google. Kvantu pārākums ir punkts, kurā kvantu dators dažos aprēķinos vispirms spēj pārspēt klasisko datoru. Google Sycamore prototips aprīkots ar 54 kubitiem, spēja pārvarēt šo barjeru, pārvarot problēmu trīsarpus minūtes, lai visspēcīgākajam klasiskajam superdatoram būtu nepieciešami 10 000 gadu cauri.

Lai nebūtu pārspīlēts, D-Wave lepojas, ka ierīces, kuras tas drīz piegādās Losalamosai, sver 5000 kubitu gabalā, lai gan jāatzīmē, ka D-Wave kubitu kvalitāte jau iepriekš tika apšaubīta. IBM pēdējos pāris gados nav veicis tādus panākumus kā Google un D-Wave, taču arī tos vēl nevajadzētu ņemt vērā, jo īpaši ņemot vērā to darbību. lēnu un stabilu sasniegumu ieraksts.

Vienkārši sakot, sacensība par pasaulē jaudīgāko kvantu datoru ir tik plaši atvērta kā jebkad agrāk.

Vai kvantu skaitļošana aizstās tradicionālo skaitļošanu?

Īsā atbilde uz to ir "ne īsti", vismaz tuvākajā nākotnē. Lai kvantu datori darbotos, ir nepieciešams milzīgs aprīkojuma apjoms un precīzi pielāgota vide. Vadošajai arhitektūrai ir nepieciešama dzesēšana tikai līdz grādiem virs absolūtās nulles, kas nozīmē, ka parastiem patērētājiem tie ne tuvu nav praktiski.

Taču, kā ir pierādījies mākoņdatošanas eksplozija, jums nav nepieciešams specializēts dators, lai izmantotu tā iespējas. Kā minēts iepriekš, IBM jau tagad piedāvā drosmīgajiem tehnofiliem iespēju palaist programmas nelielā tā apakškopā. Q Sistēmas One kubiti. Laika gaitā IBM un tā konkurenti, visticamāk, pārdos skaitļošanas laiku izturīgākos kvantu datoros tiem, kas vēlas tos izmantot citādi neizprotamām problēmām.

Bet, ja jūs nepētāt ārkārtīgi sarežģītas problēmas, kuras cenšas atrisināt kvantu datori, jūs, iespējams, ar tām nedarbosities daudz. Faktiski kvantu datori dažos gadījumos ir sliktāki tādu uzdevumu veikšanā, kuriem mēs katru dienu izmantojam datorus, tikai tāpēc, ka kvantu datori ir tik ļoti specializēti. Ja vien jūs neesat akadēmiķis, kas nodarbojas ar modelēšanu, kurā kvantu skaitļošana plaukst, jūs, visticamāk, nekad to neiegūsit un arī tas nekad nebūs vajadzīgs.

Redaktoru ieteikumi

• Kas ir GDDR7? Viss, kas jums jāzina par nākamās paaudzes VRAM
• Intel uzskata, ka jūsu nākamajam CPU ir nepieciešams AI procesors — lūk, kāpēc
• Surface Pro 10: lūk, ko sagaidīt no nākamās paaudzes
• ChatGPT tikko pievienojās internetam. Kas notiek tālāk?
• Vai Apple Mac Mini M2 ir labs? Lūk, ko saka atsauksmes