Koncepcja i zasada pracy komputera kwantowego

Temat komputera kwantowego stał się ostatnio bardzo popularny, a mówienie o przełomie w technologii nie ustępuje, ale nie tak dawno temu sukces badań w dziedzinie obliczeń kwantowych był czymś z wielu fikcji. Nowe warunki włamały się do strumienia informacji i teraz nie mniej niż sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe. Chociaż badania zostały przeprowadzone przez nie pierwszą dekadę, było to szczególnie owocne pod względem rozwoju, a bogate wydarzenia miało miejsce w zeszłym roku, kiedy IBM pokazał światu pierwszy komercyjny komputer kwantowy, a Google ogłosił osiągnięcie przewagi kwantowej.

Rewolucyjne odkrycia we współczesnej fizyce, które zapewniły nową rundę rozwoju technologii obliczeniowych, mogą bez przesady zmieniać świat i przynieść ludzkości ogromne korzyści z właściwym użyciem. Jeśli jesteś zainteresowany tym tematem i chcesz zrozumieć, czym są komputery kwantowe, według zasady one działają i dlaczego w ogóle są potrzebne, to w tym materiale będziemy o tym jak najwyraźniej, bez zagłębiania się w badanie kwantów mechanika i struktura świata kwantowego.

Co to jest komputer kwantowy

Dzisiaj jest już wątpliwości, czy istnieje komputer kwantowy, nie ma. Jeśli do niedawna był to tylko owoc fantazji naukowców, teraz stał się całkowicie namacalnym przedmiotem i widzimy, jak wygląda praktyczna wdrożenie systemu.

Jeśli mówisz prosto, czym jest komputer kwantowy, to jest to środek technologii komputerowej, która wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej w swojej pracy. Maszyna wykonuje określone zadania bardziej wydajnie niż prosty komputer, który przechowuje dane w bitach.

KK wykorzystuje algorytmy kwantowe, które wykorzystują takie efekty, jak superpozycja i pomieszanie kwantowe. Do obliczeń stosuje się kostki (cząstki kwantowe), zdolne do przebywania w dwóch warunkach jednocześnie. To znaczy, jeśli bit zaakceptuje jedną z dwóch możliwych wartości- 0 lub 1, wówczas sześcian jest jednocześnie 0, jak i 1, co pozwala KC przetwarzać dane i wykonywać zadania matematyczne tysiące razy szybciej niż zwykle. Nie musi uporządkować kombinacji, tak jak to robi, w tym superkomputer, system kwantowy. Odpowiedź oblicza się na podstawie błyskawicy. Te możliwości otwierają sposób na rozwiązywanie problemów, które są dziś niemożliwe lub wymagają dużych kosztów czasowych.

Historia tworzenia komputerów nowej generacji sięga FAR w 1981 roku, kiedy po raz pierwszy rozmawiali o zastosowaniu systemów kwantowych do obliczeń. Potem wciąż było to dalekie od fizycznej wdrożenia, pierwszy algorytm roboczy dla KK pojawił się dopiero w 1994. Przez dziesięciolecia próbki eksperymentalne były tworzone przez grupy naukowców z różnych krajów, ale IBM i Google osiągnęły największe sukcesy w tej dziedzinie.

Wyścig wiodących firm jest w pełnym rozkwicie. W czerwcu 2020 r. Honeywell otrzymał wiadomość, że najpotężniejszy komputer kwantowy został stworzony na dziś. Firma twierdzi, że utworzone urządzenie jest dwa razy więcej niż IBM i Google Quantum Systems, w ciągu kilku minut zadań rozwiązywania, dla których zwykłe komputery potrzebowałyby tysiącleci. Rozwój Honeywell jest imponujący z rekordowym wskaźnikiem wydajności 64 objętości kwantowych. Rdzeniem systemu jest stalowa kula wielkości koszykówki, ochłodzona za pomocą ciekłego helu do temperatury -262,7 ° C. Zawiera pułapki jonów utworzonych z atomów, zatrzymują ruch pod wpływem niskich temperatur i są kontrolowane przez impulsy laserowe.

Dlaczego potrzebujesz komputera kwantowego

Szybkie przetwarzanie dużych tablic danych za pomocą nowych technologii może pomóc w rozwiązaniu wielu problemów i wpłynąć na różne obszary. Na przykład KC w ciągu zaledwie kilku sekund poradzi sobie z rozkładem liczb składających się z dużej liczby znaków, dla prostych czynników (sam proces nie jest skomplikowany, ale wymaga dużych kosztów czasowych, w tym miejscu opiera się nowoczesna kryptografia) , a także rozwiąż szereg podobnych problemów. Ponadto technologia jest również odpowiednia do modelowania trudnych sytuacji, w tym obliczania fizycznych właściwości elementów na poziomie molekularnym.

Główne obszary zastosowania komputerów kwantowych:

• globalna optymalizacja;
• Modelowanie cząsteczek DNA;
• tworzenie nowych materiałów;
• tworzenie narkotyków;
• poprawa uczenia maszynowego;
• Zadania kryptografii i szyfrowania (w tym algorytmy szyfrowania hakowania i uzyskiwanie dostępu do wszelkich informacji).

Na tym etapie komputery kwantowe wyróżniają się złożonością produkcji i niestabilności pracy, więc do tej pory można opracować tylko systemy o wysokiej wydajności, uwięzione na pojedynczy algorytm i zaprojektowane do bardzo wąskiego kręgu zadań.

Jaka jest różnica między komputerem kwantowym z regularnego

Przez 30 lat od koncepcji „obliczeń kwantowych” rozwój naukowy pozwolił systemom obliczeniom tego typu stać się rzeczywistością, choć niedostępne dla zwykłego użytkownika. Komputery kwantowe oparte są na unikalnym zachowaniu, które zasadniczo różnią się od pracy standardowych, znanych maszyn dla nas i są opisane przez mechanikę kwantową.

Urządzenia są w stanie rozwiązywać problemy matematyczne w ciągu kilku sekund, których rozwiązanie na zwykłym komputerze byłoby tęskniące. Według Google maszyna kwantowa Sycamore przez ponad trzy minuty zakończyła obliczenia, w których standardowy superkomputer miałby 10 000 lat - nazywa się to głośnym terminem „wyższością kwantową”.

Zwykły komputer, z którym każda współczesna osoba jest znana, a także smartfon, tablet lub laptop, informacje w bitach akceptujących wartość 0 lub 1, i możesz przedstawić dowolne informacje, czy to tekst, czy obraz, być przedmiotami i elementami i jednostki. Podstawowa różnica i przewaga komputera kwantowego w używanym jednostce operacyjnej, zwanej kostką (lub bit kwantowy). COBIT może być w stanie niepewności, innymi słowy, jednocześnie w różnych stanach, analogicznie z kotem Schrödingera (zjawisko superpozycji).

Komputer kwantowy jest wielokrotnie szybszy i potężniejszy niż zwykle, chociaż nie jest odpowiedni do większości codziennych zadań, ponieważ jego zasada działania będzie bardzo inna.

Jak wygląda komputer przyszłości

Zastanówmy się teraz bardziej szczegółowo, z czego składa się system wysokiego techu. Jak już dowiedzieliśmy się, minimalna jednostka informacji na zwykłym komputerze jest trochę, która wymaga wartości 1 lub 0 (włączona lub wyłączona), na komputerze kwantowym - są to kostki, które mogą przyjmować wszystkie wartości. Jednocześnie cząsteczki kwantowe zależą od pomiaru, co oznacza brak informacji o sześcianie do momentu jego pomiaru, proces pomiaru wpływa również na wartość bitu kwantowego, co może wydawać się dziwne, ale tak jest dokładnie tak.

Dzięki tej właściwości kostek (jednoczesny pobyt we wszystkich warunkach), dopóki cząstka nie została zmierzona, komputer natychmiast pokonuje prawdopodobne opcje rozwiązania z powodu dostępnego połączenia między kostkami. Tak więc decyzja jest znana, gdy tylko wprowadzono wstępne dane, to znaczy superpozycja określa równoległość obliczeń, która czasami przyspiesza funkcjonowanie algorytmów.

Urządzenie komputera kwantowego obejmuje:

• Zarządzanie komputerem;
• Generator impulsów wpływający na kostki;
• Rejestr stanu;
• PROCESOR;
• Urządzenie pomiarowe Cubet.

Aby pracować między atomami, zapewniane jest połączenie kwantowe, a im więcej powiązań tworzą kostki, tym mniej stabilność systemu będzie. W przypadku wyższości kwantowej nad standardowym komputerem będzie wymagał co najmniej 49 kostek, aw tym przypadku stabilność systemu jest już przedmiot. Po tworzeniu licznych zależności wszelkie wpływy zewnętrzne mogą na nie wpłynąć.

Ze względu na kruchość relacji KC, składających się z kilku głównych poziomów, obejmuje chłodzenie atomów do prawie bezwzględnego zera, co pozwala chronić przed procesami zewnętrznymi, z tego powodu urządzenie z ochroną procesora kwantowego zajmuje dużą objętość przestrzeni.

Zasada działania KK

Zwykle schemat pracy komputerów, laptopów, smartfonów lub tabletów za pomocą zasady cyfrowej opiera się na użyciu klasycznych algorytmów, które radykalnie różnią się od zasady działania komputera kwantowego. Tak więc zwykły komputer pokaże ten sam wynik, niezależnie od tego, ile razy uruchomić obliczenia, opcje są obliczane sekwencyjnie.

Komputer kwantowy wykorzystuje zupełnie inną - probabilistyczną zasadę działania. W pewnym sensie system zawiera już wszystkie możliwe rozwiązania. Wynik obliczeń jest najbardziej prawdopodobną odpowiedzią, a nie jednoznaczną, podczas gdy każde późniejsze uruchomienie algorytmu kwantowego, prawdopodobieństwo uzyskania poprawnej odpowiedzi rośnie, co oznacza, że ​​po 3-4 szybkim przebiegu możesz być pewien, że dotarliśmy do Na przykład właściwa decyzja klucza szyfrowania.

W systemach kwantowych, które wykorzystują kostki w swojej pracy, wraz ze wzrostem liczby cząstek, rośnie wykładniczo, a liczba wartości przetwarzanych jednocześnie.

Mówiąc o tym, jak działa komputer kwantowy, warto wspomnieć o połączeniu kostek. W obecności kilku kostek w układzie zmiana w jednym pociągnie również za zmianę w pozostałej części cząstek. Moc obliczeniowa osiąga się za pomocą obliczeń równoległych.

Pomimo wielomilionowych inwestycji, technologie kwantowe rozwijają się dość powoli. Wynika to z dużej liczby trudności, które naukowcy musieli napotkać w procesie badawczym, w tym potrzebę budowy sarkofagów o niskiej temperaturze z maksymalną izolacją kamery z procesorem od wszelkich możliwych wpływów zewnętrznych w celu zachowania właściwości kwantowych systemu systemowego systemu. Ponadto naukowcy mają zadanie rozwiązywania błędów, ponieważ procesy kwantowe i obliczenia mają charakter probabilistyczny i nie mogą być w stu procentach prawdziwe.

Konstrukcja stabilnych systemów jest również daleka od ideału, a przy wdrażaniu komputera kwantowego na poziomie fizycznym stosuje się kilka roztworów z różnymi technologiami. Tak więc tworzenie pełnego uniwersalnego komputera kwantowego jest wciąż w przyszłości, choć nie tak daleko, jak się wydawało pięć lat temu. Największe firmy, takie jak IBM, Google, Intel, Microsoft, są zaangażowane w swoje tworzenie, które włożyły wielki wkład w rozwój technologii, a także w niektórych stanach, dla których ten problem ma strategiczne znaczenie.