Čo je kvantová výpočtová technika? Ďalšia éra výpočtovej evolúcie, vysvetlené

Keď prvýkrát narazíte na pojem „kvantový počítač“, môžete ho považovať za nejaký ďalekosiahly koncept sci-fi a nie za serióznu aktuálnu novinku.

Ale keď sa táto fráza omieľa čoraz častejšie, je pochopiteľné klásť si otázku, čo presne kvantové počítače sú, a rovnako pochopiteľné, že neviete, kam sa ponoriť. Tu je zhrnutie toho, čo sú kvantové počítače, prečo je okolo nich toľko hluku a čo pre vás môžu znamenať.

Čo je kvantové počítanie a ako funguje?

Všetky výpočty sa spoliehajú na bity, najmenšiu jednotku informácie, ktorá je zakódovaná ako stav „zapnutý“ alebo „vypnutý“, bežne označovaný ako 1 alebo 0, na nejakom fyzickom médiu alebo inom.

Väčšinu času má bit fyzickú formu elektrického signálu prechádzajúceho obvodmi na základnej doske počítača. Spojením viacerých bitov dohromady môžeme reprezentovať zložitejšie a užitočnejšie veci, ako je text, hudba a ďalšie.

Dva kľúčové rozdiely medzi kvantovými bitmi a „klasickými“ bitmi (z počítačov, ktoré dnes používame) sú fyzická forma bitov, a teda povaha údajov v nich zakódovaných. Elektrické bity klasického počítača môžu súčasne existovať iba v jednom stave, buď 1 alebo 0.

Kvantové bity (alebo „qubity“) sú vyrobené zo subatomárnych častíckonkrétne jednotlivé fotóny alebo elektróny. Pretože tieto subatomárne častice viac zodpovedajú pravidlám kvantovej mechaniky ako klasickej mechaniky, vykazujú bizarné vlastnosti kvantových častíc. Najvýraznejšou z týchto vlastností pre informatikov je superpozícia. Toto je myšlienka, že častica môže existovať vo viacerých stavoch súčasne, aspoň kým sa tento stav nezmeria a nezrúti sa do jedného stavu. Využitím tejto superpozičnej vlastnosti môžu počítačoví vedci aby qubity kódovali 1 a 0 súčasne.

Ďalším kvantovým mechanickým vtipom, ktorý spôsobuje, že kvantové počítače tikajú, je zapletenie, spojenie dvoch kvantových častíc alebo v tomto prípade dvoch qubitov. Keď sú dve častice zapletené, zmena stavu jednej častice zmení stav jej partnera v a predvídateľným spôsobom, ktorý sa hodí, keď príde čas získať kvantový počítač na výpočet odpovede na problém kŕmiš to.

Qubity kvantového počítača začínajú v hybridnom stave 1 a 0, keď počítač na začiatku rieši problém. Keď sa nájde riešenie, qubity v superpozícii sa zrútia do správnej orientácie stabilných 1s a 0s na vrátenie riešenia.

Aké sú výhody kvantových počítačov?

Okrem skutočnosti, že sú ďaleko mimo dosahu všetkých, okrem tých najvýznamnejších výskumných tímov (a pravdepodobne to tak ešte nejaký čas zostanú), väčšina z nás kvantové počítače príliš nevyužíva. Neposkytujú žiadnu skutočnú výhodu oproti klasickým počítačom pre druhy úloh, ktoré robíme väčšinu času.

Avšak aj tie najimpozantnejšie klasické superpočítače majú problém vyriešiť určité problémy kvôli ich prirodzenej výpočtovej zložitosti. Niektoré výpočty sa totiž dajú dosiahnuť len hrubou silou, hádaním, kým sa nenájde odpoveď. Skončia s toľkými možnými riešeniami, že by trvalo tisíce rokov, kým by všetky superpočítače na svete našli to správne.

Vlastnosť superpozície vykazovaná qubitmi môže superpočítačom dovoliť, aby tento čas hádania prudko skrátili. Namáhavé výpočty metódou pokus-omyl pri klasickej výpočtovej technike dokážu vždy len jeden odhadnúť, zatiaľ čo duálny stav 1 a 0 qubitov kvantového počítača umožňuje robiť viacero odhadov súčasne čas.

Aké druhy problémov si teda vyžadujú všetky tieto časovo náročné odhady? Jedným z príkladov je simulácia atómových štruktúr, najmä keď chemicky interagujú so štruktúrami iných atómov. S kvantovým počítačom poháňajúcim atómové modelovanie by výskumníci v oblasti materiálovej vedy mohli vytvoriť nové zlúčeniny na použitie v strojárstve a výrobe. Kvantové počítače sú vhodné na simuláciu podobne zložitých systémov, ako sú ekonomické trhové sily, astrofyzikálna dynamika alebo vzory genetických mutácií v organizmoch, aby sme vymenovali aspoň niektoré.

Medzi všetkými týmito všeobecne neškodnými aplikáciami tejto vznikajúcej technológie však existujú aj niektoré použitia kvantových počítačov, ktoré vyvolávajú vážne obavy. Zďaleka najčastejšie uvádzanou škodou je potenciál kvantových počítačov prelomiť niektoré z najsilnejších šifrovacích algoritmov, ktoré sa v súčasnosti používajú.

V rukách agresívneho protivníka zahraničnej vlády by kvantové počítače mohli ohroziť široký záber inak zabezpečenej internetovej prevádzky, takže citlivá komunikácia môže byť rozšírená dozor. V súčasnosti sa pracuje na vyspelých šifrovacích šifrách založených na výpočtoch, ktoré sú stále ťažké dokonca aj kvantové počítače, ale nie všetky sú pripravené na hlavný vysielací čas alebo v súčasnosti široko používané.

Je kvantové počítanie vôbec možné?

Pred niečo vyše desiatimi rokmi bola skutočná výroba kvantových počítačov sotva v počiatočnom štádiu. Počnúc rokom 2010 sa však rozbehol vývoj funkčných prototypov kvantových počítačov. Niekoľko spoločností pred niekoľkými rokmi zostavilo fungujúce kvantové počítače, pričom IBM zašla tak ďaleko, že umožnila výskumníkom a nadšencom spúšťať na ňom vlastné programy cez cloud.

Napriek pokrokom, ktoré spoločnosti ako IBM nepochybne urobili pri budovaní funkčných prototypov, sú kvantové počítače stále v plienkach. V súčasnosti kvantové počítače, ktoré výskumné tímy doteraz skonštruovali, vyžadujú veľa režijných nákladov na vykonanie opravy chýb. Na každý qubit, ktorý skutočne vykonáva výpočet, existuje niekoľko desiatok, ktorých úlohou je kompenzovať chybu jedného. Súhrn všetkých týchto qubitov vytvára to, čo sa nazýva „logický qubit“.

Stručne povedané, priemysel a akademickí titáni dostali kvantové počítače do práce, ale robia to veľmi neefektívne.

Kto má kvantový počítač?

Stále zúri tvrdá konkurencia medzi výskumníkmi v oblasti kvantových počítačov, medzi veľkými aj malými hráčmi. Medzi tými, ktorí majú funkčné kvantové počítače, sú tradične dominantné technologické spoločnosti, ktoré by sa dali očakávať: IBM, Intel, Microsoft a Google.

Akokoľvek náročný a nákladný podnik je vytvorenie kvantového počítača, existuje prekvapivý počet menších spoločností a dokonca aj startupov, ktoré túto výzvu zvládajú.

Pomerne štíhle Spoločnosť D-Wave Systems podnietila mnohé pokroky v tejto oblasti a dokázal, že to nie je sporné tým, že na dôležité oznámenie spoločnosti Google odpovedal správou o a obrovský obchod s Los Alamos National Labs. Napriek tomu sú v hre aj menší konkurenti ako Rigetti Computing etablovať sa ako inovátori kvantovej výpočtovej techniky.

V závislosti od toho, koho sa spýtate, získate iného lídra pre „najvýkonnejší“ kvantový počítač. Spoločnosť Google sa nedávno určite vyjadrila dosiahnutie kvantovej nadvlády, metriku, ktorú viac-menej vymyslel sám Google. Kvantová nadradenosť je bod, v ktorom je kvantový počítač prvýkrát schopný prekonať klasický počítač pri niektorých výpočtoch. Prototyp Sycamore od Googlu vybavený 54 qubitmi dokázal prelomiť túto bariéru tým, že prekonal problém tesne pod tri a pol minúty, čo by najmocnejšiemu klasickému superpočítaču trvalo 10 000 rokov, kým by sa rozbehol cez.

Aby toho nebolo málo, D-Wave sa chváli, že zariadenia, ktoré čoskoro dodá do Los Alamos, vážia 5000 qubitov za kus, aj keď treba poznamenať, že kvalita qubitov D-Wave bola spochybnená už predtým. IBM za posledných pár rokov neurobila rovnaký druh rozruchu ako Google a D-Wave, no ani tie by sa ešte nemali počítať, najmä vzhľadom na ich skladbu. záznam pomalých a stabilných úspechov.

Zjednodušene povedané, preteky o najvýkonnejší kvantový počítač na svete sú rovnako otvorené ako kedykoľvek predtým.

Nahradí kvantová výpočtová technika tradičné výpočtové techniky?

Krátka odpoveď na to znie „v skutočnosti nie“, aspoň pre blízku budúcnosť. Kvantové počítače vyžadujú na svoju prevádzku obrovský objem vybavenia a jemne vyladené prostredia. Popredná architektúra vyžaduje chladenie len o niekoľko stupňov nad absolútnu nulu, čo znamená, že nie sú ani zďaleka praktické, aby ich mohli mať bežní spotrebitelia.

Ako však dokázala explózia cloud computingu, na využitie jeho možností nepotrebujete vlastniť špecializovaný počítač. Ako už bolo spomenuté vyššie, IBM už ponúka odvážnym technofilom možnosť spúšťať programy na svojej malej podskupine Qubits Q System One. IBM a jej konkurenti budú pravdepodobne časom predávať výpočtový čas na robustnejších kvantových počítačoch pre tých, ktorí majú záujem ich použiť na inak nevyspytateľné problémy.

Ak však neskúmate druhy výnimočne zložitých problémov, ktoré sa snažia vyriešiť kvantové počítače, pravdepodobne s nimi nebudete príliš komunikovať. V skutočnosti sú kvantové počítače v niektorých prípadoch horšie v úlohách, na ktoré používame počítače každý deň, čisto preto, že kvantové počítače sú tak hyperšpecializované. Pokiaľ nie ste akademik, ktorý prevádzkuje modelovanie, v ktorom sa darí kvantovým výpočtovým technikám, pravdepodobne ho nikdy nedostanete a ani nebudete potrebovať.

Odporúčania redaktorov

• Čo je GDDR7? Všetko, čo potrebujete vedieť o novej generácii VRAM
• Intel si myslí, že váš ďalší procesor potrebuje procesor AI – tu je dôvod
• Surface Pro 10: tu je to, čo môžete očakávať od ďalšej generácie
• ChatGPT sa práve pripojil k internetu. Čo bude ďalej?
• Je Mac Mini M2 od Apple dobrý? Tu je to, čo hovoria recenzie