Fizyka kwantowa już znacząco wpłynęła na nasze życie. Wynalazki lasera i tranzystora są w rzeczywistości konsekwencją teorii kwantowej – a ponieważ oba te elementy są podstawowym budulcem każdego urządzenia elektronicznego w dzisiejszych czasach, czego jesteś świadkiem, to w zasadzie „mechanika kwantowa w akcja".
Powiedziawszy to, przemysł kwantowy ma teraz zamiar zrewolucjonizować świat informatyki, ponieważ podejmowane są znaczne wysiłki, aby wykorzystać prawdziwą moc z królestwa kwantowego.. Obliczenia kwantowe mogą znaleźć zastosowanie w różnych sektorach, takich jak bezpieczeństwo, opieka zdrowotna, energia, a nawet przemysł rozrywkowy.
Kwantowe kontra Komputery klasyczne
Historia teorii kwantowej sięga ponad wieku. Jednak obecny szum kwantowy wynika z niedawnych wyników badań, które sugerują niepewność i wrodzona właściwość cząstek kwantowych, może służyć jako potężna broń do realizacji kwantu potencjał.
Jak głosi teoria, pozornie niemożliwe jest poznanie każdej właściwości poszczególnych cząstek kwantowych (tj. elektronów lub fotonów). Rozważ przykład klasycznego GPS, w którym może precyzyjnie przewidzieć prędkość, lokalizację i kierunek Twojego ruchu, gdy dotrzesz do wybranego miejsca.
Jednak kwantowy GPS nie może precyzyjnie określić wszystkich powyższych właściwości cząstki kwantowej, ponieważ prawa fizyki kwantowej na to nie pozwalają. Daje to początek językowi probabilistycznemu w świecie kwantowym, a nie klasycznemu językowi pewności.
W tym przypadku język probabilistyczny implikuje przypisywanie prawdopodobieństw różnym własnościom kwantu cząstki, takie jak prędkość, położenie i kierunek ruchu, z którymi pozornie trudno jest określić pewność. Ta probabilistyczna natura cząstek kwantowych stwarza możliwość, że wszystko i wszystko może się zdarzyć w dowolnym momencie.
W świetle obliczeń binarne zera i jedynki reprezentowane jako kubity (bity kwantowe) mają właściwość bycia 1 lub 0 w dowolnym momencie.
Powyższa reprezentacja pozostawia gorzki posmak w ustach, ponieważ w klasycznych maszynach zera i jedynki są połączone z przełącznikami i obwodami włączającymi się i wyłączającymi w różnych momentach. Dlatego nieznajomość ich dokładnego stanu (tj. Włączenie lub wyłączenie) nie wydaje się sensowna w kontekście obliczeniowym.
W rzeczywistości może to spowodować błędy obliczeniowe. Jednak przetwarzanie informacji w świecie kwantowym opiera się na koncepcji niepewności kwantowej – gdzie „superpozycja” 0 i 1 nie jest błędem, ale cechą. Pozwala na szybsze przetwarzanie danych i ułatwia szybszą komunikację.
Czytaj więcej: Jak działają optyczne komputery kwantowe
Na zakręcie obliczeń kwantowych
Konsekwencją probabilistycznej własności teorii kwantowej jest to, że precyzyjne kopiowanie informacji kwantowej jest pozornie niemożliwe. Z punktu widzenia bezpieczeństwa jest to istotne, ponieważ cyberprzestępcy zamierzający skopiować klucze kwantowe w celu zaszyfrowania i wysyłania wiadomości ostatecznie nie powiodą się, nawet jeśli uzyskają dostęp do komputerów kwantowych.
Należy tutaj podkreślić, że tak zaawansowane szyfrowanie (tj. zaawansowana metoda konwersji tajnych danych lub kluczy na kod, który zapobiega nieautoryzowanemu dostępowi) jest wynikiem praw fizyki, a nie stosowanych obecnie algorytmów matematycznych. Szyfrowanie matematyczne można złamać za pomocą potężnych komputerów, jednak złamanie szyfrowania kwantowego wymaga przepisania podstawowych praw fizyki.
Ponieważ szyfrowanie kwantowe różni się od obecnych technik szyfrowania, podobnie komputery kwantowe różnią się od klasycznych na bardzo podstawowym poziomie. Rozważmy analogię samochodu i wozu wołowego. Tutaj samochód jest zgodny z pewnymi prawami fizyki, dzięki czemu dojedziesz do wybranego miejsca w krótkim czasie w porównaniu do swojego odpowiednika. Ta sama filozofia dotyczy komputera kwantowego i klasycznego.
Komputer kwantowy wykorzystuje probabilistyczną naturę fizyki kwantowej do wykonywania obliczeń i przetwarzania danych w wyjątkowy sposób. Może wykonywać zadania obliczeniowe w znacznie szybszym tempie, a także wykonać skok w tradycyjnie niemożliwych koncepcjach, takich jak teleportacja kwantowa. Ta forma transmisji danych może utorować drogę dla Internetu przyszłości, czyli Internetu kwantowego.
Do czego można dziś wykorzystać komputer kwantowy?
Komputery kwantowe mogą być przydatne dla organizacji badawczo-rozwojowych, organów rządowych i środowisk akademickich instytucje, ponieważ mogą pomóc w rozwiązywaniu złożonych problemów, z którymi współczesne komputery stanowią wyzwanie radzić sobie z.
Jednym ze znaczących zastosowań może być opracowywanie leków, w którym można bezproblemowo symulować i analizować chemikalia i cząsteczki, ponieważ cząsteczki działają na tych samych prawach fizyki kwantowej, co kwant komputery. Co więcej, skuteczna symulacja chemii kwantowej może być możliwa, ponieważ najszybsze superkomputery nie osiągają dziś celu.
Ponadto komputery kwantowe mogą rozwiązywać złożone problemy optymalizacyjne i pomagać w szybkim wyszukiwaniu nieposortowanych danych. Istnieje wiele zastosowań w tym zakresie, począwszy od sortowania pozornie dynamicznych danych klimatycznych, zdrowotnych czy finansowych, po optymalizację logistyki czy przepływu ruchu.
Komputery kwantowe są również dobre w rozpoznawaniu wzorców w danych, takich jak problemy z uczeniem maszynowym. Ponadto komputery kwantowe mogą odegrać kluczową rolę w opracowywaniu modeli do przewidywania przyszłości, takich jak prognozowanie pogody.
Przygotowanie do kwantowej przyszłości
Gdy wyścig o kwantową przyszłość zajmuje centralne miejsce, inwestorzy i organy rządowe napędzają miliardy dolarów na kwantowe badania i rozwój. Wdrożono już globalną sieć komunikacyjną wykorzystującą satelitarną dystrybucję kluczy kwantowych, wyznaczając drogę do dalszego rozwoju.
Firmy takie jak Google, Amazon, Microsoft, IBM i inne inwestują w rozwój zasobów obliczeniowych kwantowych, tj. sprzętu i oprogramowania.
Według Kosmos, zespół naukowców z Chin zbudował komputer kwantowy, który wykonał złożone obliczenia w nieco ponad 60 minut, które zajęłoby co najmniej 8 lat lub więcej, aby klasyczny komputer kompletny.
Jest to jeden z najważniejszych osiągnięć w dziedzinie obliczeń kwantowych, które miały miejsce w ciągu ostatnich dwóch lat. Uważa się, że społeczność naukowa w końcu osiągnęła nieuchwytną „przewagę kwantową” – gdzie obliczenia kwantowe są w stanie rozwiązać najbardziej wyrafinowany problem, którego zgłębienie w klasycznych komputerach może zająć dosłownie niepraktyczny czas.
Kamień milowy został po raz pierwszy osiągnięty przez Google w 2019 roku gdzie używali kubitów, które wykorzystywały prąd do wykonywania obliczeń. Później w 2020 roku chiński zespół wykorzystał kubity fotoniczne, aby przyspieszyć ten proces. Teraz, w 2021 r., inny chiński zespół (kierowany przez Jian-Wei Pan z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin w Szanghaju) ponownie wyprzedził Google.
W artykuł badawczy opublikowany na serwerze pre-print ArXiv, zespół badawczy wnoszący wkład ujawnił swoje odkrycia dotyczące przewagi kwantowej, w której wykorzystali kubity nadprzewodzące w procesorze kwantowym o nazwie Zuchongzhi, który składa się z 66 kubitów. Zespół wykazał, że Zuchongzhi był w stanie manipulować 56 kubitami, aby poradzić sobie z problemem obliczeniowym, którego celem było przetestowanie mocy komputerów.
Przyjmowanie niepewności
Szybki rozwój w świecie technologii kwantowych w ciągu ostatnich pięciu lat był dość ekscytujący. Według Quantum Dailyoczekuje się, że do końca 2030 r. branża kwantowa osiągnie wielomiliardową wycenę. Chociaż istnieje wiele praktycznych wyzwań do pokonania przed wdrożeniem na tak dużą skalę, jednak przyszłość wydaje się świetlana.
Na szczęście teoria kwantów rzuca światło na jaśniejszą stronę „nieprzewidywalności”. Zgodnie z teorią dwa kubity mogą być ze sobą zablokowane z prawdopodobieństwem, że każdy kubit pozostanie stay nieokreślone indywidualnie, ale jest zsynchronizowane z drugim, gdy patrzy się na niego jako na jednostkę – co oznacza, że obaj są 0 lub 1.
Ta indywidualna nieprzewidywalność i połączona pewność nazywa się „splątaniem” – poręcznym narzędziem dla większości dzisiejszych algorytmów obliczeń kwantowych. W związku z tym, ostrożne obchodzenie się z niepewnością, organizacje mogą przygotować się do przyjęcia kwantowej przyszłości.
Komputery stają się coraz mniejsze, ale czy kiedykolwiek będą tak małe, że będą niewidoczne gołym okiem?
Czytaj dalej
- Wyjaśnienie technologii
- Obliczenia kwantowe
Zapisz się do naszego newslettera
Dołącz do naszego newslettera, aby otrzymywać porady techniczne, recenzje, bezpłatne e-booki i ekskluzywne oferty!
Jeszcze jeden krok…!
Potwierdź swój adres e-mail w e-mailu, który właśnie do Ciebie wysłaliśmy.