Co to jest przetwarzanie kwantowe? Wyjaśnienie następnej ery ewolucji obliczeniowej

Kiedy po raz pierwszy natkniesz się na termin „komputer kwantowy”, możesz uznać go za odległą koncepcję science fiction, a nie poważny, aktualny temat.

Jednak w miarę jak to sformułowanie pojawia się coraz częściej, zrozumiałe jest zastanawianie się, czym dokładnie są komputery kwantowe, i równie zrozumiałe jest to, że nie wiadomo, gdzie się w to zagłębić. Oto podsumowanie tego, czym są komputery kwantowe, dlaczego wokół nich jest tyle szumu i co mogą dla Ciebie oznaczać.

Co to jest przetwarzanie kwantowe i jak działa?

Wszelkie obliczenia opierają się na bitach, najmniejszej jednostce informacji zakodowanej jako stan „włączony” lub „wyłączony”, częściej określany jako 1 lub 0, na tym czy innym nośniku fizycznym.

W większości przypadków bit przyjmuje fizyczną postać sygnału elektrycznego przesyłanego przez obwody na płycie głównej komputera. Łącząc ze sobą wiele bitów, możemy reprezentować bardziej złożone i przydatne rzeczy, takie jak tekst, muzyka i inne.

Dwie kluczowe różnice między bitami kwantowymi a bitami „klasycznymi” (z komputerów, których używamy dzisiaj) to fizyczna forma, jaką przyjmują bity, i odpowiednio charakter zakodowanych w nich danych. Bity elektryczne klasycznego komputera mogą istnieć tylko w jednym stanie na raz, 1 lub 0.

Bity kwantowe (lub „kubity”) zbudowane są z cząstek subatomowych, a mianowicie pojedyncze fotony lub elektrony. Ponieważ te cząstki subatomowe bardziej odpowiadają zasadom mechaniki kwantowej niż mechaniki klasycznej, wykazują dziwaczne właściwości cząstek kwantowych. Najbardziej istotną z tych właściwości dla informatyków jest superpozycja. Jest to idea mówiąca, że ​​cząstka może istnieć w wielu stanach jednocześnie, przynajmniej do czasu, aż ten stan zostanie zmierzony i zapadnie się w jeden stan. Wykorzystując tę ​​właściwość superpozycji, informatycy mogą to zrobić spraw, aby kubity kodowały jednocześnie 1 i 0.

Innym dziwactwem mechaniki kwantowej, które sprawia, że ​​komputery kwantowe działają, jest splątanie, czyli połączenie dwóch cząstek kwantowych lub, w tym przypadku, dwóch kubitów. Kiedy dwie cząstki są splątane, zmiana stanu jednej cząstki spowoduje zmianę stanu jej partnera w a przewidywalny sposób, który przydaje się, gdy przychodzi czas na komputer kwantowy w celu obliczenia odpowiedzi na problem karmisz to.

Kubity komputera kwantowego zaczynają od stanu hybrydowego 1 i 0, gdy komputer początkowo zaczyna rozwiązywać problem. Po znalezieniu rozwiązania kubity w superpozycji zapadają się do właściwej orientacji stabilnych jedynek i zer, aby zwrócić rozwiązanie.

Jakie są korzyści z obliczeń kwantowych?

Pomijając fakt, że są one daleko poza zasięgiem wszystkich, z wyjątkiem najbardziej elitarnych zespołów badawczych (i prawdopodobnie tak pozostanie przez jakiś czas), większość z nas nie ma większego zastosowania w komputerach kwantowych. Nie oferują żadnej realnej przewagi nad klasycznymi komputerami w przypadku zadań, które wykonujemy przez większość czasu.

Jednak nawet najpotężniejszym klasycznym superkomputerom trudno jest rozwiązać pewne problemy ze względu na ich wrodzoną złożoność obliczeniową. Dzieje się tak, ponieważ niektórych obliczeń można dokonać jedynie brutalną siłą, zgadując, aż do znalezienia odpowiedzi. Dysponują tak wieloma możliwymi rozwiązaniami, że znalezienie tego właściwego zajęłoby tysiące lat wszystkim superkomputerom na świecie.

Właściwość superpozycji wykazywana przez kubity może pozwolić superkomputerom na gwałtowne skrócenie czasu zgadywania. Żmudne obliczenia metodą prób i błędów stosowane w klasycznych komputerach pozwalają tylko na jedno zgadnięcie na raz, podczas gdy podwójny stan 1 i 0 kubitów komputera kwantowego pozwala mu na wielokrotne zgadywanie w tym samym czasie czas.

Jakiego rodzaju problemy wymagają więc wszystkich czasochłonnych obliczeń opartych na domysłach? Jednym z przykładów jest symulacja struktur atomowych, zwłaszcza gdy wchodzą one w interakcję chemiczną z strukturami innych atomów. Dzięki komputerowi kwantowemu umożliwiającemu modelowanie atomowe badacze zajmujący się materiałoznawstwem mogliby stworzyć nowe związki do zastosowania w inżynierii i produkcji. Komputery kwantowe doskonale nadają się do symulowania podobnie skomplikowanych systemów, takich jak siły rynkowe, dynamika astrofizyczna czy wzorce mutacji genetycznych w organizmach, żeby wymienić tylko kilka.

Jednak wśród wszystkich ogólnie nieszkodliwych zastosowań tej powstającej technologii istnieją również pewne zastosowania komputerów kwantowych, które budzą poważne obawy. Zdecydowanie najczęściej wymienianą szkodą jest potencjał komputerów kwantowych złamać niektóre z najsilniejszych obecnie używanych algorytmów szyfrowania.

W rękach agresywnego przeciwnika zagranicznego rządu komputery kwantowe mogą zagrozić szerokiemu obszarowi skądinąd bezpiecznego ruchu internetowego, przez co poufna komunikacja staje się podatna na powszechne rozpowszechnianie nadzór. Obecnie trwają prace nad udoskonaleniem szyfrów szyfrujących w oparciu o wciąż trudne obliczenia nawet dla komputerów kwantowych, ale nie wszystkie są obecnie gotowe do użytku lub powszechnie stosowane.

Czy obliczenia kwantowe są w ogóle możliwe?

Nieco ponad dziesięć lat temu faktyczna produkcja komputerów kwantowych znajdowała się dopiero w początkowej fazie. Jednak począwszy od 2010 roku rozpoczął się rozwój działających prototypów komputerów kwantowych. Kilka lat temu wiele firm złożyło działające komputery kwantowe, a IBM posunął się nawet do umożliwienia badaczom i hobbystom uruchamiać na nim własne programy poprzez chmurę.

Pomimo postępów, jakie niewątpliwie poczyniły firmy takie jak IBM w budowaniu działających prototypów, komputery kwantowe są wciąż w powijakach. Obecnie komputery kwantowe skonstruowane do tej pory przez zespoły badawcze wymagają dużego nakładu pracy w celu wykonania korekcji błędów. Na każdy kubit, który faktycznie wykonuje obliczenia, przypada kilkadziesiąt, których zadaniem jest zrekompensowanie błędu tego jednego. Suma wszystkich tych kubitów tworzy tak zwany „kubit logiczny”.

Krótko mówiąc, tytani przemysłowi i akademiccy uruchomili komputery kwantowe, ale robią to bardzo nieefektywnie.

Kto ma komputer kwantowy?

Nadal szaleje zacięta konkurencja pomiędzy badaczami komputerów kwantowych, zarówno pomiędzy dużymi, jak i małymi graczami. Wśród tych, którzy mają działające komputery kwantowe, znajdują się tradycyjnie dominujące firmy technologiczne, których można się spodziewać: IBM, Intel, Microsoft i Google.

Choć stworzenie komputera kwantowego jest przedsięwzięciem wymagającym i kosztownym, istnieje zaskakująca liczba mniejszych firm, a nawet start-upów, które podejmują to wyzwanie.

Stosunkowo chudy Firma D-Wave Systems przyczyniła się do wielu postępów w tej dziedzinie i udowodnił, że nie jest wykluczony, odpowiadając na doniosłe ogłoszenie Google, przekazując wiadomość o: ogromny kontrakt z Los Alamos National Labs. Mimo to w wyścigu po nią uczestniczą także mniejsi konkurenci, tacy jak Rigetti Computing ugruntowali swoją pozycję innowatorów w dziedzinie obliczeń kwantowych.

W zależności od tego, kogo spytasz, otrzymasz innego faworyta w kategorii „najpotężniejszy” komputer kwantowy. Google z pewnością niedawno przedstawił swoje argumenty osiągnięcie supremacji kwantowej, wskaźnik, który sam Google w mniejszym lub większym stopniu wymyślił. Supremacja kwantowa to punkt, w którym komputer kwantowy jest w stanie po raz pierwszy w niektórych obliczeniach przewyższyć komputer klasyczny. Prototyp Google Sycamore wyposażony w 54 kubity, był w stanie przełamać tę barierę, błyskawicznie rozwiązując problem trzy i pół minuty, której rozkręcenie najpotężniejszemu klasycznemu superkomputerowi zajęłoby 10 000 lat Poprzez.

Nie dając się prześcignąć, D-Wave chwali się, że urządzenia, które wkrótce dostarczy do Los Alamos, ważą po 5000 kubitów sztuka, choć trzeba zaznaczyć, że jakość kubitów D-Wave była już wcześniej kwestionowana. IBM nie zrobił takiego szumu jak Google i D-Wave w ciągu ostatnich kilku lat, ale ich też nie należy jeszcze liczyć, zwłaszcza biorąc pod uwagę ich ścieżkę rekord powolnych i stałych osiągnięć.

Mówiąc prościej, wyścig o najpotężniejszy komputer kwantowy na świecie jest tak otwarty jak nigdy dotąd.

Czy obliczenia kwantowe zastąpią tradycyjne obliczenia?

Krótka odpowiedź na to pytanie brzmi „niezbyt”, przynajmniej w najbliższej przyszłości. Komputery kwantowe wymagają do działania ogromnej ilości sprzętu i precyzyjnie dostrojonych środowisk. Wiodąca architektura wymaga chłodzenia do zaledwie stopni powyżej zera absolutnego, co oznacza, że ​​zwykli konsumenci nie są w stanie tego osiągnąć.

Ale jak udowodniła eksplozja przetwarzania w chmurze, nie trzeba posiadać specjalistycznego komputera, aby wykorzystać jego możliwości. Jak wspomniano powyżej, IBM już oferuje odważnym technofilom szansę uruchamiania programów na niewielkiej części swoich komputerów Kubity Q System One. Z czasem IBM i jego konkurenci prawdopodobnie będą sprzedawać czas obliczeniowy na solidniejszych komputerach kwantowych osobom zainteresowanym zastosowaniem go do rozwiązywania problemów, które w innym przypadku byłyby nieodgadnione.

Jeśli jednak nie badasz wyjątkowo trudnych problemów, które komputery kwantowe mają rozwiązać, prawdopodobnie nie będziesz z nimi zbyt często wchodzić w interakcję. W rzeczywistości komputery kwantowe w niektórych przypadkach radzą sobie gorzej z zadaniami, do których używamy komputerów na co dzień, wyłącznie dlatego, że komputery kwantowe są tak bardzo wyspecjalizowane. Jeśli nie jesteś pracownikiem naukowym zajmującym się modelowaniem, w którym kwitnie obliczenie kwantowe, prawdopodobnie nigdy nie dostaniesz go w swoje ręce i nigdy nie będziesz musiał.

Zalecenia redaktorów

• Co to jest GDDR7? Wszystko, co musisz wiedzieć o pamięci VRAM nowej generacji
• Firma Intel uważa, że ​​Twój następny procesor wymaga procesora AI — oto dlaczego
• Surface Pro 10: oto, czego można się spodziewać po nowej generacji
• ChatGPT właśnie podłączył się do Internetu. Co się potem dzieje?
• Czy Mac Mini M2 firmy Apple jest dobry? Oto, co mówią recenzje