Ο υπολογιστικός υπολογιστής μας βοηθά να κάνουμε αυτό που δεν θέλουμε ή δεν μπορούμε να κάνουμε κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας, λόγω της πιθανότητας ακούσιων λαθών και λόγω του χρόνου. Για παράδειγμα, αυξάνοντας έναν αριθμό στον 128ο βαθμό στο μυαλό.

Ο σκοπός και η χρήση ενός κβαντικού υπολογιστή.

Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής;

Ο πιο ισχυρός κβαντικός υπολογιστής (QC) είναι - ή, μάλλον, θα ήταν - ένας εντελώς διαφορετικός μηχανισμός, διαφορετικός από ό, τι δημιουργήθηκε ποτέ από τον άνθρωπο. Οι πιο ισχυροί διακομιστές σήμερα μοιάζουν μόνο με ένα μικρό κομμάτι του τι μπορεί τελικά να κάνει ένας πλήρης κβαντικός υπολογιστής.

Με απλά λόγια, ο στόχος της έρευνας στον τομέα της κβαντικής πληροφορικής είναι να ανακαλύψει τα μέσα επιτάχυνσης της εκτέλεσης των εντολών μακριών κυμάτων. Θα ήταν λάθος να πούμε ότι το CC εκτελεί προγράμματα ταχύτερα από έναν υπολογιστή PC ή x86. Το "πρόγραμμα" για QC είναι μια εντελώς διαφορετική σειρά κωδικοποίησης από ό, τι υπήρχε ποτέ για έναν δυαδικό επεξεργαστή. Μετά τη γέννηση των υπολογιστών, πραγματοποιήθηκαν περίπλοκοι φυσικοί υπολογισμοί, οι οποίοι στη δεκαετία του 1940 βοήθησαν τις Ηνωμένες Πολιτείες να δημιουργήσουν μια ατομική βόμβα. Μετά την εφεύρεση του τρανζίστορ, οι διαστάσεις αυτών των συστημάτων μειώθηκαν σημαντικά. Τότε ήρθε η ιδέα των παράλληλων επεξεργαστών που εργάζονται ταυτόχρονα σε εργασίες.

Ο κβαντικός υπολογισμός είναι το επόμενο βήμα. Υπάρχουν πολλά προβλήματα που οι σύγχρονοι υπολογιστές χρειάζονται σημαντικό χρόνο για να λύσουν, για παράδειγμα, την επίλυση ενός γραμμικού συστήματος εξισώσεων, τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων για τους φορείς υποστήριξης, την εύρεση της μικρότερης διαδρομής μέσω μιας αυθαίρετης ενότητας ή την αναζήτηση στη μη δομημένη λίστα. Αυτά είναι αρκετά αφηρημένα προβλήματα τώρα, αλλά αν γνωρίζετε λίγα πράγματα σχετικά με τους αλγόριθμους ή τον προγραμματισμό, μπορείτε να δείτε πόσο χρήσιμο μπορεί να είναι αυτό. Για παράδειγμα, οι επεξεργαστές γραφικών (GPUs) εφευρέθηκαν με μοναδικό σκοπό την απόδοση τρίγωνων και στη συνέχεια τη συγχώνευσή τους σε έναν κόσμο δύο ή τριών διαστάσεων. Και τώρα η Nvidia είναι μια εταιρεία δισεκατομμυρίων δολαρίων. Υπάρχουν τεχνολογίες κβαντικής πληροφορικής ή μερικά από τα ιστορικά παράγωγά της, τα οποία οι άνθρωποι τώρα βρίσκουν καλή χρήση; Με άλλα λόγια, τι πραγματικά κάνει ένα κβαντικό και σε ποιον εξυπηρετεί άμεσα;

Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής;

Πλοήγηση Αυτή είναι μια από τις κύριες εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών. Το σύστημα GPS δεν μπορεί να λειτουργήσει οπουδήποτε στον πλανήτη, ειδικά κάτω από το νερό. Το QC απαιτεί τα άτομα να υπερψυχθούν και να ανασταλούν σε κατάσταση που τους καθιστά ιδιαίτερα ευαίσθητους. Σε μια προσπάθεια να επωφεληθούμε από αυτό, οι ανταγωνιστικές ομάδες επιστημόνων επιδιώκουν να αναπτύξουν ένα είδος κβαντικού επιταχυνσιόμετρου που μπορεί να παρέχει πολύ ακριβή δεδομένα κίνησης. Η σημαντικότερη συμβολή στην ανάπτυξη της βιομηχανίας κάνει το Γαλλικό Εργαστήριο Φωτονικής και Νανοεπιστήμης. Ένα ζωντανό παράδειγμα αυτού είναι μια προσπάθεια δημιουργίας ενός υβριδικού στοιχείου που συνδυάζει ένα επιταχυνσιόμετρο με ένα κλασικό και στη συνέχεια χρησιμοποιεί ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης για να αφαιρέσει κλασικά δεδομένα από κβαντικά δεδομένα. Το αποτέλεσμα, εάν εφαρμοστεί, θα είναι μια εξαιρετικά ακριβής πυξίδα που θα εξαλείψει την μετατόπιση και τη μετατόπιση του συντελεστή κλίμακας, που συνήθως σχετίζεται με γυροσκοπικά εξαρτήματα.

Σεισμολογία. Η ίδια ακραία ευαισθησία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση της παρουσίας κοιτασμάτων πετρελαίου και αερίου, καθώς και για πιθανή σεισμική δραστηριότητα σε μέρη όπου δεν έχουν χρησιμοποιηθεί ακόμα συμβατικοί αισθητήρες. Τον Ιούλιο του 2017, το QuantIC έδειξε πώς ένα κβαντικό βαρυτόμετρο ανιχνεύει την παρουσία κρυμμένων αντικειμένων με μέτρηση των ταλαντώσεων σε ένα πεδίο βαρύτητας. Αν μια τέτοια συσκευή δεν είναι μόνο πρακτική αλλά και φορητή, η ομάδα πιστεύει ότι μπορεί να γίνει ανεκτίμητη σε ένα σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για την πρόβλεψη σεισμικών συμβάντων και τσουνάμι. Φαρμακευτικά προϊόντα. Σε πρώτο πλάνο είναι η έρευνα για την καταπολέμηση ασθενειών όπως η νόσος του Alzheimer και η σκλήρυνση κατά πλάκας. οι επιστήμονες χρησιμοποιούν λογισμικό που προσομοιώνει τη συμπεριφορά τεχνητών αντισωμάτων σε μοριακό επίπεδο.

Φυσική Αυτός είναι ο λόγος για την ίδια την ύπαρξη της έννοιας. Κατά την ομιλία του το 1981 στο Caltech, ο καθηγητής Richard Feynman, πατέρας της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED), πρότεινε ότι ο μόνος τρόπος να οικοδομηθεί μια επιτυχημένη προσομοίωση του φυσικού κόσμου στο κβαντικό επίπεδο είναι μια μηχανή που υπακούει στους νόμους της κβαντικής φυσικής και της μηχανικής. Κατά τη διάρκεια αυτής της ομιλίας ο Καθηγητής Feynman εξήγησε και ο υπόλοιπος κόσμος συνειδητοποίησε ότι δεν θα ήταν αρκετό για έναν υπολογιστή να δημιουργήσει έναν πίνακα πιθανότητας και πώς να κυλήσει τα ζάρια. Επιπλέον, για να αποκτήσουν αποτελέσματα που οι ίδιοι οι φυσικοί δεν θα αποκαλούσαν αποκρυφικές, θα απαιτούσε έναν μηχανισμό που συμπεριφερόταν στο ίδιο πνεύμα με τη συμπεριφορά που σκόπευε να μιμηθεί.

Εκμάθηση μηχανών. Η βασική θεωρία των υποστηρικτών είναι ότι τέτοια συστήματα μπορούν να προσαρμοστούν για να «μελετήσουν» τα κρατικά σχέδια σε τεράστια παράλληλα κύματα και όχι σε διαδοχικές σαρώσεις. Τα συνηθισμένα μαθηματικά μπορούν να περιγράψουν ένα σύνολο πιθανών αποτελεσμάτων με τη μορφή φορέων σε ένα χώρο άγριας διαμόρφωσης. Αποκρυπτογράφηση Εδώ, τέλος, είναι η ανακάλυψη που έριξε το πρώτο λαμπρό φως σε τέτοιους υπολογισμούς. Αυτό που κάνει τους κώδικες κρυπτογράφησης τόσο περίπλοκους, ακόμη και για τους σύγχρονους κλασικούς υπολογιστές, είναι ότι βασίζονται σε εξαιρετικά μεγάλο αριθμό παραγόντων που απαιτούν υπερβολικό χρόνο για να μαντέψουν με τη μέθοδο αντιστοίχισης. Ένα QC εργασίας πρέπει να απομονώσει και να προσδιορίσει αυτούς τους παράγοντες σε λίγα λεπτά, γεγονός που καθιστά το σύστημα κωδικοποίησης RSA αποτελεσματικά παρωχημένο.

Κρυπτογράφηση Η ιδέα, που ονομάζεται κβαντική διανομή κλειδιών (QKD), δίνει μια θεωρητική ελπίδα ότι οι τύποι δημόσιων και ιδιωτικών κλειδιών που χρησιμοποιούμε σήμερα για την κρυπτογράφηση μηνυμάτων μπορούν να αντικατασταθούν από κλειδιά που υπόκεινται σε φαινόμενα εμπλοκής. Θεωρητικά, οποιοσδήποτε τρίτος που κατέρρευσε το κλειδί και προσπάθησε να διαβάσει το μήνυμα θα καταστρέψει αμέσως το μήνυμα για όλους. Φυσικά, αυτό μπορεί να είναι αρκετό. Αλλά η θεωρία QKD βασίζεται σε μια τεράστια υπόθεση που δεν έχει δοκιμαστεί ακόμα στον πραγματικό κόσμο: ότι οι τιμές που λαμβάνονται με τη βοήθεια των μπλεγμένων qubits είναι οι ίδιες εμπλεγμένες και υποκείμενες σε αποτελέσματα όπου κι αν πάνε.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός κβαντικού υπολογιστή και ενός συνηθισμένου υπολογιστή;

Ένας κλασικός υπολογιστής εκτελεί υπολογισμούς χρησιμοποιώντας bits που είναι 0 ("off") και 1 ("on"). Χρησιμοποιεί τρανζίστορ για να επεξεργάζεται πληροφορίες με τη μορφή ακολουθιών μηδενικών και λεγόμενων δυαδικών γλωσσών υπολογιστή. Περισσότερα τρανζίστορ, περισσότερες επιλογές επεξεργασίας - αυτή είναι η κύρια διαφορά. Το QC χρησιμοποιεί τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Ακριβώς όπως ένας κλασικός υπολογιστής που χρησιμοποιεί μηδενικά και αυτά. Αυτές οι καταστάσεις μπορούν να επιτευχθούν σε σωματίδια λόγω της εσωτερικής γωνιακής τους ορμής, που ονομάζεται σπιν. Δύο καταστάσεις 0 και 1 μπορούν να παρασταθούν στα πίσω σωματίδια. Για παράδειγμα, μια περιστροφή κατά τη φορά των δεικτών του ωρολογίου αντιπροσωπεύει το 1 και μια αριστερόστροφη φορά αντιπροσωπεύει το 0. Το πλεονέκτημα της χρήσης QC είναι ότι ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε διάφορες καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται υπέρθεση. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου, το QC μπορεί ταυτόχρονα να φτάσει στις καταστάσεις 0 και 1. Έτσι, σε έναν κλασικό υπολογιστή, οι πληροφορίες εκφράζονται με έναν αριθμό 0 ή 1. Το QC χρησιμοποιεί εξόδους που περιγράφονται ταυτόχρονα ως 0 και 1, πράγμα που δίνει μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ.

Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής

Ο κβαντικός υπολογισμός υπολογίζεται με χρήση κβαντικών μηχανικών φαινομένων όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή. Το QC είναι μια συσκευή που εκτελεί κβαντικό υπολογισμό και αποτελείται από μικροεπεξεργαστές. Ένας τέτοιος υπολογιστής είναι τελείως διαφορετικός από δυαδικούς ψηφιακούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές που βασίζονται σε τρανζίστορ και πυκνωτές. Ενώ οι συμβατικοί ψηφιακοί υπολογισμοί απαιτούν τα δεδομένα να κωδικοποιούνται σε δυαδικά ψηφία (bits), κάθε ένα από τα οποία είναι πάντοτε σε μία από δύο συγκεκριμένες καταστάσεις (0 ή 1), ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιεί bit ή qubits που μπορεί να είναι σε υπέρθεση. Η συσκευή της κβαντικής μηχανής Turing είναι ένα θεωρητικό μοντέλο ενός τέτοιου υπολογιστή και είναι επίσης γνωστό ως το καθολικό QC. Ο τομέας της κβαντικής πληροφορικής ξεκίνησε από τα έργα του Paul Benioff και του Yuri Manin το 1980, του Richard Feynman το 1982 και του David Deutsch το 1985.

Η αρχή του κβαντικού υπολογιστή

Από το 2018, η αρχή της λειτουργίας των κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται ακόμα στα σπάργανα, αλλά έχουν διεξαχθεί πειράματα στα οποία πραγματοποιήθηκαν κβαντικές υπολογιστικές λειτουργίες με πολύ μικρό αριθμό κβαντικών δυαδικών ψηφίων. Τόσο η πρακτική όσο και η θεωρητική έρευνα βρίσκονται σε εξέλιξη και πολλές εθνικές κυβερνήσεις και στρατιωτικές υπηρεσίες χρηματοδοτούν την έρευνα για τον κβαντικό υπολογισμό σε πρόσθετες προσπάθειες για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών για πολιτικούς, επιχειρηματικούς, εμπορικούς, περιβαλλοντικούς και εθνικούς στόχους ασφαλείας, όπως η κρυπτοανάλυση. Οι κβαντικοί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας θεωρητικά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν για να λύσουν ορισμένα προβλήματα πολύ ταχύτερα από τους κλασικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν ακόμα και τους καλύτερους αλγόριθμους μέχρι σήμερα, όπως τον παραγοντοποιητή ακέραιων αριθμών χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Shore (που είναι ένας κβαντικός αλγόριθμος) και μοντελοποιώντας το κβαντικό σύνολο των συστημάτων.

Υπάρχουν κβαντικές ενέργειες, όπως ο αλγόριθμος Simon, που τρέχουν γρηγορότερα από κάθε πιθανοτικό κλασσικό αλγόριθμο. Ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί καταρχήν (με εκθετικούς πόρους) να σχηματίσει έναν κβαντικό αλγόριθμο, δεδομένου ότι ο κβαντικός υπολογισμός δεν παραβιάζει την διατριβή της Εκκλησίας-Turing. Από την άλλη πλευρά, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί να είναι σε θέση να λύσουν αποτελεσματικά προβλήματα που δεν είναι πρακτικά δυνατά σε κλασσικούς υπολογιστές.