Kako bi kvantno računanje moglo promijeniti svijet

Kvantna fizika već je značajno utjecala na naš život. Izumi lasera i tranzistora zapravo su posljedica kvantne teorije - a budući da su obje ove komponente osnovni gradivni element svakog današnjeg elektroničkog uređaja, ono čemu svjedočite je u osnovi, “kvantna mehanika u akcijski".

Rekavši to, kvantna je industrija sada spremna napraviti revoluciju u računarskom svijetu jer se ulažu značajni napori kako bi se iskoristila istinska snaga iz kvantnog carstva. Kvantno računarstvo moglo bi pronaći primjene u različitim sektorima poput sigurnosti, zdravstva, energije, pa čak i industrije zabave.

Quantum vs. Klasična računala

Povijest kvantne teorije seže više od stoljeća. Međutim, trenutna kvantna buza posljedica je nedavnih nalaza istraživanja koja sugeriraju, nesigurnost, an svojstveno svojstvu kvantnih čestica, može poslužiti kao moćno oružje za ostvarenje kvanta potencijal.

Kao što teorija navodi, naizgled je nemoguće znati svako svojstvo pojedinih kvantnih čestica (tj. Elektrona ili fotona). Razmotrite primjer klasičnog GPS-a, gdje može precizno predvidjeti brzinu, mjesto i smjer vašeg kretanja dok stignete do željenog odredišta.

Međutim, kvantni GPS ne može precizno odrediti sva gore navedena svojstva kvantne čestice jer vam zakoni kvantne fizike to ne dopuštaju. To rađa vjerojatnosni jezik u kvantnom svijetu, a ne klasični jezik sigurnosti.

U ovom slučaju, vjerojatni jezik podrazumijeva dodjeljivanje vjerojatnosti različitim svojstvima kvanta čestice poput brzine, položaja i smjera kretanja s kojima se naizgled teško izjaviti sigurnost. Ova vjerojatnost kvantnih čestica otvara mogućnost koja omogućava da se sve i svašta dogodi u bilo kojem trenutku vremena.

U svjetlu računanja, binarni 0 i 1 predstavljeni kao kubiti (kvantni bitovi) posjeduju svojstvo da u bilo kojem trenutku budu 1 ili 0.

Gornji prikaz ostavlja gorak okus u ustima jer su u klasičnim strojevima 0 i 1 povezani s prekidačima i sklopovima koji se uključuju i isključuju u različitim trenucima. Stoga, nepoznavanje njihovog točnog stanja (tj. Uključivanje ili isključivanje) ne bi izgledalo razumno u računalnom kontekstu.

U stvarnom smislu, to bi moglo uzrokovati pogreške u izračunu. Međutim, obrada informacija u kvantnom svijetu oslanja se na koncept kvantne nesigurnosti - pri čemu "superpozicija" 0 i 1 nije bug, već značajka. Omogućuje bržu obradu podataka i olakšava bržu komunikaciju.

Čitaj više: Kako rade optička kvantna računala

Na vrhuncu kvantnog računarstva

Posljedica vjerojatnosnog svojstva kvantne teorije je da je naizgled nemoguće precizno kopiranje kvantnih informacija. Sa sigurnosnog stajališta, ovo je značajno jer sajber kriminalci koji namjeravaju kopirati kvantne ključeve za šifriranje i slanje poruka na kraju neće uspjeti, čak i ako dobiju pristup kvantnim računalima.

Ovdje je važno naglasiti da takva vrhunska enkripcija (tj. Sofisticirana metoda za pretvaranje tajnih podataka ili ključeva u kod koji sprečava neovlašteni pristup) rezultat je zakona fizike, a ne matematičkih skriptiranih algoritama koji se danas koriste. Matematičke enkripcije mogu se probiti uz pomoć moćnih računala, međutim, puknuće kvantne enkripcije zahtijeva prekrajanje temeljnih zakona fizike.

Kako se kvantna enkripcija razlikuje od trenutnih tehnika šifriranja, slično se kvantna računala razlikuju od klasičnih na vrlo temeljnoj razini. Razmotrimo analogiju automobila i volovskih kola. Ovdje se automobil pokorava određenim zakonima fizike koji vas brzo dovode do željenog odredišta u usporedbi s kolegom. Ista filozofija vrijedi za kvantno računalo i klasično računalo.

Kvantno računalo koristi vjerojatnost kvantne fizike za izvođenje izračuna i obradu podataka na jedinstven način. Računalne zadatke može obavljati mnogo bržim tempom, a također uskočiti u tradicionalno nemoguće koncepte poput kvantne teleportacije. Ovaj oblik prijenosa podataka mogao bi utrti put internetu budućnosti, tj. Kvantnom internetu.

Što se danas može koristiti kvantno računalo?

Kvantna računala mogla bi biti korisna istraživačkim i razvojnim organizacijama, državnim tijelima i akademicima institucije jer bi mogle pomoći u rješavanju složenih problema za koje su trenutna računala izazovna bave.

Jedna značajna primjena mogla bi biti u razvoju lijekova, pri čemu bi mogao neprimjetno simulirati i analizirati kemikalije i molekule kako molekule funkcioniraju na istim zakonima kvantne fizike kao i kvant računala. Nadalje, učinkovita simulacija kvantne kemije mogla bi biti moguća jer najbrža superračunala danas ne uspijevaju postići cilj.

Također, kvantna računala mogu riješiti složene probleme optimizacije i pomoći u brzom pretraživanju nerazvrstanih podataka. U tom pogledu postoje brojne primjene, od sortiranja naizgled dinamičnih klimatskih, zdravstvenih ili financijskih podataka, do optimizacije logistike ili protoka prometa.

Kvantna računala također su dobra u prepoznavanju obrazaca u podacima kao što su problemi strojnog učenja. Uz to, kvantna računala mogla bi igrati presudnu ulogu u razvoju modela za predviđanje budućnosti, poput prognoze vremena.

Priprema za kvantnu budućnost

Dok utrka za kvantnom budućnošću zauzima središnje mjesto, investitori i državna tijela donose milijarde dolara kvantnog istraživanja i razvoja. Globalna komunikacijska mreža koja koristi satelitsku distribuciju kvantnih ključeva već je implementirana, postavljajući put za daljnji razvoj.

Tvrtke poput Googlea, Amazona, Microsofta, IBM-a i drugih ulažu velika ulaganja u razvoj kvantnih računalnih resursa, tj. Hardvera i softvera.

Prema Kozmos, tim istraživača u Kini sagradio je kvantno računalo koje je dovršilo složeni proračun u nešto više od 60 minuta koje bi klasičnom računalu trebalo najmanje 8 godina ili više dovršen.

To je vrhunac razvoja kvantnog računanja koji su se dogodili u posljednje dvije godine. Vjeruje se da je znanstvena zajednica napokon postigla neuhvatljivu "kvantnu prednost" - tamo gdje je kvantno računanje u poziciji da riješi najsofisticiraniji problem kojemu bi klasično računanje moglo doslovno shvatiti nepraktično vrijeme.

Kvantnu prekretnicu Google je prvi put postigao 2019. godine gdje su koristili kubite koji su koristili struju za izvođenje proračuna. Kasnije 2020. godine, kineski tim koristio je fotonske kubite kako bi ubrzao proces. Sada je 2021. godine još jedan kineski tim (predvođen Jian-Wei Panom sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju Kine u Šangaju) ponovno nadmašio Google.

U istraživački rad objavljen na pretiskanom poslužitelju ArXiv, istraživački tim koji je dao svoj doprinos otkrio je svoja otkrića za kvantnu prednost gdje su koristili superprovodljive kubite na kvantnom procesoru nazvanom Zuchongzhi koji se sastoji od 66 kubita. Tim je pokazao da je Zuchongzhi uspio manipulirati 56 kubita kako bi riješio računski problem koji je imao za cilj testiranje snage računala.

Prihvaćajući neizvjesnost

Brzi razvoj u svijetu kvantnih tehnologija u posljednjih pet godina bio je prilično uzbudljiv. Prema Quantum Daily, očekuje se da će kvantna industrija procijeniti više milijardi dolara do kraja 2030. godine. Premda postoje brojni praktični izazovi koje treba prevladati prije tako velikog rasporeda, budućnost se ipak čini svijetlom.

Srećom, kvantna teorija baca svjetlost na svjetliju stranu "nepredvidljivosti". Kako teorija kaže, dva qubita mogu se zaključati jedan s drugim s vjerojatnošću da svaki qubit ostane neodređeno pojedinačno, ali je sinkronizirano s drugim kad se na njega gleda kao na jedinicu - što implicira da oboje jesu 0 ili 1.

Ova pojedinačna nepredvidivost i kombinirana sigurnost nazivaju se "zapletenost" - zgodan alat za većinu algoritama kvantnog računanja danas. Stoga, opreznim postupanjem s neizvjesnošću, organizacije mogu ući u formu da prihvate kvantnu budućnost.

Nanocomputing: Mogu li računala doista biti mikroskopska?

Računala se smanjuju, ali hoće li ikada biti toliko mala da su nevidljiva golim okom?

Pročitajte Dalje

O autoru

Proširite da biste pročitali cijelu priču