Ce este calculul cuantic? Următoarea era a evoluției computaționale, explicată

Când dai prima dată peste termenul „calculator cuantic”, l-ai putea trece mai degrabă drept un concept științifico-fantastic îndepărtat, decât ca o știre actuală serioasă.

Dar, având în vedere că expresia este aruncată cu o frecvență din ce în ce mai mare, este de înțeles să ne întrebăm exact ce sunt computerele cuantice și la fel de înțeles să nu știm unde să te scufundi. Iată o rezumat despre ce sunt computerele cuantice, de ce există atât de mult zumzet în jurul lor și ce ar putea însemna pentru tine.

Ce este calculul cuantic și cum funcționează?

Toate calculele se bazează pe biți, cea mai mică unitate de informație care este codificată ca stare „pornit” sau stare „oprit”, denumită mai frecvent 1 sau 0, într-un mediu fizic sau altul.

De cele mai multe ori, un pic ia forma fizică a unui semnal electric care călătorește peste circuitele din placa de bază a computerului. Prin legarea mai multor biți împreună, putem reprezenta lucruri mai complexe și mai utile, cum ar fi text, muzică și multe altele.

Cele două diferențe cheie dintre biții cuantici și biții „clasici” (de la computerele pe care le folosim astăzi) sunt forma fizică pe care o iau biții și, în mod corespunzător, natura datelor codificate în ei. Biții electrici ai unui computer clasic pot exista doar într-o singură stare la un moment dat, fie 1, fie 0.

Biți cuantici (sau „qubiți”) sunt formate din particule subatomice, și anume fotoni sau electroni individuali. Deoarece aceste particule subatomice se conformează mai mult regulilor mecanicii cuantice decât mecanicii clasice, ele prezintă proprietățile bizare ale particulelor cuantice. Cea mai importantă dintre aceste proprietăți pentru informaticieni este suprapunerea. Aceasta este ideea că o particulă poate exista în mai multe stări simultan, cel puțin până când acea stare este măsurată și se prăbușește într-o singură stare. Valorificând această proprietate de suprapunere, informaticienii pot faceți qubiții să codifice un 1 și un 0 în același timp.

Cealaltă ciudățenie mecanică cuantică care face ca computerele cuantice să funcționeze este întanglementul, o legătură a două particule cuantice sau, în acest caz, a doi qubiți. Când cele două particule sunt încurcate, schimbarea stării unei particule va modifica starea partenerului său într-un mod previzibil, care este util atunci când vine timpul să obțineți un computer cuantic pentru a calcula răspunsul la problemă il hranesti.

Qubiții unui computer cuantic încep în starea lor hibridă 1 și 0, deoarece computerul începe inițial să treacă printr-o problemă. Când se găsește soluția, qubiții în suprapunere se prăbușesc la orientarea corectă a lui 1 și 0 stabil pentru returnarea soluției.

Care este beneficiul calculului cuantic?

În afară de faptul că sunt mult dincolo de accesul tuturor, cu excepția celor mai elite echipe de cercetare (și probabil că vor rămâne așa pentru o vreme), cei mai mulți dintre noi nu au prea mult folos computerele cuantice. Ele nu oferă niciun avantaj real față de computerele clasice pentru tipurile de sarcini pe care le facem de cele mai multe ori.

Cu toate acestea, chiar și cele mai formidabile supercalculatoare clasice le este greu să rezolve anumite probleme din cauza complexității lor computaționale inerente. Acest lucru se datorează faptului că unele calcule pot fi realizate numai prin forță brută, ghicind până când se găsește răspunsul. S-au sfârșit cu atât de multe soluții posibile încât ar dura mii de ani pentru ca toate supercalculatoarele din lume să găsească cea corectă.

Proprietatea de suprapunere prezentată de qubiți poate permite supercalculatoarelor să reducă brusc acest timp de estimare. Calculele laborioase de încercare și eroare ale calculului clasic pot face doar o ghicire la un moment dat, în timp ce starea duală 1 și 0 a qubiților unui computer cuantic îi permite să facă mai multe presupuneri în același timp timp.

Deci, ce fel de probleme necesită toate aceste calcule de presupuneri care consumă mult timp? Un exemplu este simularea structurilor atomice, mai ales atunci când interacționează chimic cu cele ale altor atomi. Cu un computer cuantic care alimentează modelarea atomică, cercetătorii din știința materialelor ar putea crea noi compuși pentru utilizare în inginerie și producție. Calculatoarele cuantice sunt potrivite pentru a simula sisteme similare complicate, cum ar fi forțele economice ale pieței, dinamica astrofizică sau modelele de mutații genetice în organisme, pentru a numi doar câteva.

În mijlocul tuturor acestor aplicații în general inofensive ale acestei tehnologii emergente, există, de asemenea, unele utilizări ale computerelor cuantice care ridică îngrijorări serioase. De departe, cel mai des citat rău este potențialul computerelor cuantice sparge unii dintre cei mai puternici algoritmi de criptare utilizați în prezent.

În mâinile unui adversar agresiv al guvernului străin, computerele cuantice ar putea compromite o mare parte a traficului de internet altfel sigur, lăsând comunicațiile sensibile susceptibile să fie răspândite supraveghere. În prezent, se lucrează la maturizarea cifrurilor de criptare pe baza unor calcule care sunt încă dificile chiar și pentru computerele cuantice de făcut, dar nu sunt toate pregătite pentru prime-time sau adoptate pe scară largă în prezent.

Este posibilă calculul cuantic?

Cu puțin peste un deceniu în urmă, fabricarea efectivă a computerelor cuantice abia se afla în stadiile sale incipiente. Începând cu anii 2010, însă, dezvoltarea prototipurilor de computere cuantice funcționale a luat amploare. Un număr de companii au asamblat calculatoare cuantice funcționale în urmă cu câțiva ani, IBM mergând atât de departe încât să permită cercetătorilor și pasionaților să rulează propriile programe pe el prin cloud.

În ciuda progreselor pe care companii precum IBM le-au făcut, fără îndoială, pentru a construi prototipuri funcționale, calculatoarele cuantice sunt încă la început. În prezent, calculatoarele cuantice pe care echipele de cercetare le-au construit până acum necesită multă suprasarcină pentru executarea corectării erorilor. Pentru fiecare qubit care efectuează de fapt un calcul, există câteva zeci a căror sarcină este să compenseze greșeala unuia. Agregatul tuturor acestor qubiți formează ceea ce se numește un „qubit logic”.

Pe scurt, titanii din industrie și academicieni au făcut ca computerele cuantice să funcționeze, dar o fac foarte ineficient.

Cine are un computer cuantic?

Concurența acerbă între cercetătorii de calculatoare cuantice încă face furori, între jucători mari și mici deopotrivă. Printre cei care au computere cuantice funcționale se numără companiile tehnologice dominante în mod tradițional la care te-ai aștepta: IBM, Intel, Microsoft și Google.

Oricât de exigentă și costisitoare este o afacere pe cât este de a crea un computer cuantic, există un număr surprinzător de companii mai mici și chiar startup-uri care se ridică la față provocării.

Cel relativ slab D-Wave Systems a stimulat multe progrese în domeniu și a demonstrat că nu a fost în afara disputei, răspunzând anunțului important al Google cu știri despre a afacere uriașă cu laboratoarele naționale Los Alamos. Totuși, concurenți mai mici, precum Rigetti Computing, sunt și ei în cursă stabilindu-se ca inovatori în calculul cuantic.

În funcție de cine întrebi, vei obține un lider diferit pentru „cel mai puternic” computer cuantic. Google cu siguranță și-a făcut cazul recent cu acesta atingerea supremației cuantice, o valoare pe care Google a conceput-o mai mult sau mai puțin. Supremația cuantică este punctul în care un computer cuantic este mai întâi capabil să depășească un computer clasic la un anumit calcul. Prototipul Sycamore de la Google echipat cu 54 de qubiți a reușit să depășească această barieră trecând printr-o problemă în puțin sub trei minute și jumătate care ar dura cel mai puternic supercomputer clasic 10.000 de ani pentru a fi agitat prin.

Pentru a nu fi mai prejos, D-Wave se laudă că dispozitivele pe care le va furniza în curând către Los Alamos cântăresc 5000 de qubiți fiecare, deși trebuie menționat că calitatea qubiților lui D-Wave a fost pusă sub semnul întrebării înainte. IBM nu a făcut același tip de explozie ca Google și D-Wave în ultimii câțiva ani, dar nici ele nu ar trebui să fie numărate încă, mai ales având în vedere traseul lor. record de realizări lente și constante.

Pe scurt, cursa pentru cel mai puternic computer cuantic din lume este la fel de deschisă ca niciodată.

Calcularea cuantică va înlocui calculul tradițional?

Răspunsul scurt la aceasta este „nu chiar”, cel puțin pentru viitorul apropiat. Calculatoarele cuantice necesită un volum imens de echipamente și medii fin reglate pentru a funcționa. Arhitectura de vârf necesită răcire la doar grade peste zero absolut, ceea ce înseamnă că acestea nu sunt nici pe departe practice pentru consumatorii obișnuiți să le dețină vreodată.

Dar, după cum s-a dovedit explozia cloud computing, nu trebuie să dețineți un computer specializat pentru a-și valorifica capacitățile. După cum am menționat mai sus, IBM oferă deja tehnofililor îndrăzneți șansa de a rula programe pe un mic subset al său. Qubiții Q System One. În timp, IBM și concurenții săi vor vinde probabil timpul de calcul pe computere cuantice mai robuste pentru cei interesați să le aplice la probleme altfel insondabile.

Dar dacă nu cercetați tipurile de probleme excepțional de complicate pe care computerele cuantice își propun să le rezolve, probabil că nu veți interacționa prea mult cu ele. De fapt, calculatoarele cuantice sunt în unele cazuri mai proaste în ceea ce privește sarcinile pentru care folosim computerele în fiecare zi, pur și simplu pentru că computerele cuantice sunt atât de hiperspecializate. Cu excepția cazului în care sunteți un academic care rulează genul de modelare în care computerul cuantic prosperă, probabil că nu veți pune niciodată mâna pe unul și nu va fi niciodată nevoie.

Recomandările editorilor

• Ce este GDDR7? Tot ce trebuie să știți despre VRAM de nouă generație
• Intel crede că următorul tău procesor are nevoie de un procesor AI - iată de ce
• Surface Pro 10: iată la ce să vă așteptați de la următoarea generație
• ChatGPT tocmai sa conectat la internet. Ce se întâmplă mai departe?
• Mac Mini M2 de la Apple este bun? Iată ce spun recenziile