Kaj je kvantno računalništvo? Naslednja doba računalniške evolucije, razloženo

Ko prvič naletite na izraz »kvantni računalnik«, ga boste morda predstavili kot nek razširjen znanstvenofantastični koncept in ne kot resno aktualno novico.

Toda glede na to, da se besedna zveza vse pogosteje ponavlja, je razumljivo, da se sprašujemo, kaj točno so kvantni računalniki, in prav tako razumljivo, da smo v zadregi, kam se potopiti. Tukaj je povzetek o tem, kaj so kvantni računalniki, zakaj je okoli njih toliko hrupa in kaj bi lahko pomenili za vas.

Kaj je kvantno računalništvo in kako deluje?

Vse računalništvo temelji na bitih, najmanjših enotah informacij, ki so kodirane kot "vklopljeno" ali "izklopljeno" stanje, pogosteje imenovano 1 ali 0, v nekem fizičnem mediju.

Večino časa ima bit fizično obliko električnega signala, ki potuje po tokokrogih na matični plošči računalnika. Z nizanjem več bitov lahko predstavljamo bolj zapletene in uporabne stvari, kot so besedilo, glasba in drugo.

Dve ključni razliki med kvantnimi biti in »klasičnimi« biti (iz računalnikov, ki jih uporabljamo danes) sta fizična oblika, ki jo imajo biti, in temu primerno narava podatkov, kodiranih v njih. Električni deli klasičnega računalnika lahko obstajajo samo v enem stanju naenkrat, bodisi 1 bodisi 0.

Kvantni biti (ali "kubiti") so sestavljeni iz subatomskih delcev, in sicer posamezne fotone ali elektrone. Ker so ti subatomski delci bolj v skladu s pravili kvantne mehanike kot klasične mehanike, kažejo bizarne lastnosti kvantnih delcev. Najpomembnejša od teh lastnosti za računalničarje je superpozicija. To je zamisel, da lahko delec obstaja v več stanjih hkrati, vsaj dokler to stanje ni izmerjeno in se ne zruši v eno samo stanje. Z izkoriščanjem te lastnosti superpozicije lahko računalniški znanstveniki naj kubiti kodirajo 1 in 0 hkrati.

Druga kvantnomehanska posebnost, zaradi katere kvantni računalniki delujejo, je zapletenost, povezava dveh kvantnih delcev ali v tem primeru dveh kubitov. Ko sta dva delca zapletena, bo sprememba stanja enega delca spremenila stanje njegovega partnerja v predvidljiv način, ki pride prav, ko pride čas, da dobite kvantni računalnik za izračun odgovora na problem ga hraniš.

Kubiti kvantnega računalnika se začnejo v svojem hibridnem stanju 1 in 0, ko se računalnik na začetku začne ukvarjati s težavo. Ko je rešitev najdena, se kubiti v superpoziciji zrušijo v pravilno orientacijo stabilnih 1 in 0 za vrnitev rešitve.

Kakšne so prednosti kvantnega računalništva?

Poleg dejstva, da so daleč izven dosega vseh, razen najelitnejših raziskovalnih skupin (in bo verjetno še nekaj časa tako), večina od nas nima veliko koristi od kvantnih računalnikov. Ne nudijo nobene prave prednosti pred klasičnimi računalniki za vrste nalog, ki jih opravljamo večino časa.

Vendar pa imajo tudi najmočnejši klasični superračunalniki težave pri reševanju določenih težav zaradi svoje inherentne računske kompleksnosti. To je zato, ker je nekatere izračune mogoče doseči le s surovo silo, z ugibanjem, dokler se ne najde odgovor. Na koncu imajo toliko možnih rešitev, da bi trajalo tisoče let, da bi vsi svetovni superračunalniki skupaj našli pravo.

Lastnost superpozicije, ki jo kažejo kubiti, lahko superračunalnikom omogoči, da hitro skrajšajo ta čas ugibanja. Naporni izračuni s poskusi in napakami klasičnega računalništva lahko naenkrat ugibajo le eno, medtem ko dvojno stanje 1 in 0 kubitov kvantnega računalnika omogoča več ugibanj hkrati čas.

Kakšne težave torej zahtevajo vse to zamudno ugibanje? Eden od primerov je simulacija atomskih struktur, zlasti kadar te kemično medsebojno delujejo s strukturami drugih atomov. S kvantnim računalnikom, ki poganja atomsko modeliranje, bi raziskovalci v znanosti o materialih lahko ustvarili nove spojine za uporabo v inženirstvu in proizvodnji. Kvantni računalniki so zelo primerni za simulacijo podobno zapletenih sistemov, kot so gospodarske tržne sile, astrofizikalna dinamika ali vzorci genetskih mutacij v organizmih, če omenimo le nekatere.

Med vsemi temi na splošno neškodljivimi aplikacijami te nastajajoče tehnologije pa obstajajo tudi nekatere uporabe kvantnih računalnikov, ki vzbujajo resne pomisleke. Daleč najpogosteje navedena škoda je potencial kvantnih računalnikov zlomite nekatere najmočnejše šifrirne algoritme, ki so trenutno v uporabi.

V rokah agresivnega tujega vladnega nasprotnika bi lahko kvantni računalniki ogrozili širok pas sicer varnega internetnega prometa, zaradi česar so občutljive komunikacije dovzetne za široko razširjenost nadzor. Trenutno poteka delo za dozorevanje šifrirnih šifer na podlagi izračunov, ki so še vedno težki celo za kvantne računalnike, vendar še niso vsi pripravljeni za najboljšo uporabo ali trenutno splošno sprejeti.

Ali je kvantno računalništvo sploh mogoče?

Pred nekaj več kot desetletjem je bila dejanska izdelava kvantnih računalnikov komaj v začetnih fazah. Od leta 2010 pa se je začel razvijati delujoči prototip kvantnih računalnikov. Številna podjetja so že pred nekaj leti sestavila delujoče kvantne računalnike, pri čemer je IBM šel tako daleč, da je raziskovalcem in ljubiteljem omogočil poganjajo lastne programe na njem prek oblaka.

Kljub korakom, ki so jih podjetja, kot je IBM, nedvomno naredila pri izdelavi delujočih prototipov, so kvantni računalniki še vedno v povojih. Trenutno zahtevajo kvantni računalniki, ki so jih do sedaj izdelale raziskovalne skupine, veliko režijskih stroškov za izvajanje popravljanja napak. Za vsak qubit, ki dejansko izvede izračun, obstaja več ducatov, katerih naloga je nadomestiti napako enega. Skupek vseh teh kubitov tvori tako imenovani "logični kubit".

Skratka, industrijski in akademski titani so kvantne računalnike spodbudili k delu, vendar to počnejo zelo neučinkovito.

Kdo ima kvantni računalnik?

Huda konkurenca med kvantnimi računalniškimi raziskovalci še vedno divja, med velikimi in malimi igralci. Med tistimi, ki imajo delujoče kvantne računalnike, so tradicionalno prevladujoča tehnološka podjetja, ki bi jih pričakovali: IBM, Intel, Microsoft in Google.

Tako zahteven in drag podvig, kot je izdelava kvantnega računalnika, je presenetljivo veliko manjših podjetij in celo startupov, ki so kos izzivu.

Sorazmerno vitko D-Wave Systems je spodbudil številne napredke na tem področju in dokazal, da ni izven spora, tako da je na Googlovo pomembno objavo odgovoril z novico o a velik posel z Los Alamos National Labs. Kljub temu so v igri tudi manjši konkurenti, kot je Rigetti Computing uveljavili kot inovatorji kvantnega računalništva.

Odvisno od tega, koga vprašate, boste dobili drugačnega voditelja za "najmočnejši" kvantni računalnik. Google je pred kratkim zagotovo dokazal svoje doseganje kvantne nadmoči, meritev, ki jo je bolj ali manj sam razvil Google. Kvantna premoč je točka, na kateri je kvantni računalnik prvič sposoben prekašati klasični računalnik pri določenem izračunu. Googlov prototip Sycamore opremljen s 54 kubiti je uspelo prebiti to oviro tako, da se je rešil težave v manj kot tri minute in pol, za katere bi najmočnejši klasični superračunalnik potreboval 10.000 let, da deluje skozi.

Da ne bi zamudili, se D-Wave ponaša, da naprave, ki jih bo kmalu dobavil Los Alamosu, tehtajo 5000 kubitov na kos, čeprav je treba opozoriti, da kakovost kubitov D-Wave je bila že prej postavljena pod vprašaj. IBM v zadnjih nekaj letih ni naredil takšnega odmeva kot Google in D-Wave, vendar ju še ne bi smeli šteti, še posebej glede na njuno pot zapis počasnih in vztrajnih dosežkov.

Preprosto povedano, tekma za najzmogljivejši kvantni računalnik na svetu je tako odprta kot kdaj koli prej.

Bo kvantno računalništvo nadomestilo tradicionalno računalništvo?

Kratek odgovor na to je "v resnici ne", vsaj za bližnjo prihodnost. Kvantni računalniki za delovanje potrebujejo ogromno opreme in natančno nastavljena okolja. Vodilna arhitektura zahteva hlajenje le na stopinje nad absolutno ničlo, kar pomeni, da niso niti približno praktični za običajne potrošnike.

Toda kot je dokazala eksplozija računalništva v oblaku, vam ni treba imeti specializiranega računalnika, da bi izkoristili njegove zmogljivosti. Kot že omenjeno, IBM drznim tehnofilom že ponuja možnost izvajanja programov na majhni podmnožici svojih Qubiti Q System One. Sčasoma bodo IBM in njegovi konkurenti verjetno prodajali računalniški čas na robustnejših kvantnih računalnikih za tiste, ki jih zanima uporaba pri sicer nedoumljivih težavah.

Toda če ne raziskujete vrst izjemno zapletenih problemov, ki jih nameravajo rešiti kvantni računalniki, verjetno ne boste veliko sodelovali z njimi. Pravzaprav so kvantni računalniki v nekaterih primerih slabši pri vrstah nalog, za katere računalnike uporabljamo vsak dan, zgolj zato, ker so kvantni računalniki tako hiperspecializirani. Razen če ste akademik, ki vodi vrsto modeliranja, kjer kvantno računalništvo uspeva, ga verjetno nikoli ne boste dobili v roke in vam nikoli ne bo treba.

Priporočila urednikov

• Kaj je GDDR7? Vse, kar morate vedeti o VRAM naslednje generacije
• Intel meni, da vaš naslednji CPE potrebuje procesor AI - evo zakaj
• Surface Pro 10: tukaj je, kaj lahko pričakujete od naslednje generacije
• ChatGPT se je pravkar priključil na internet. Kaj se zgodi potem?
• Je Applov Mac Mini M2 dober? Evo, kaj pravijo ocene