Jak kvantové výpočty mohou změnit svět

Kvantová fyzika již významně ovlivnila naše životy. Vynález laseru a tranzistoru je ve skutečnosti důsledkem kvantové teorie - a protože obě tyto složky jsou základní stavební kámen každého dnešního elektronického zařízení, čeho jste svědky, je v podstatě: „kvantová mechanika akce".

Kvantový průmysl je nyní nastaven na revoluci ve výpočetním světě, jelikož se vyvíjí značné úsilí o využití skutečné síly z kvantové říše. Kvantová výpočetní technika by mohla najít uplatnění v různých odvětvích, jako je bezpečnost, zdravotnictví, energetika a dokonce i zábavní průmysl.

Kvantová vs. Klasické počítače

Historie kvantové teorie sahá více než sto let. Současný kvantový rozruch je však způsoben nedávnými výsledky výzkumu, které naznačují, nejistota, an inherentní vlastnost kvantových částic, může sloužit jako silná zbraň k realizaci kvanta potenciál.

Jak uvádí teorie, je zjevně nemožné znát každou vlastnost jednotlivých kvantových částic (tj. Elektronů nebo fotonů). Zvažte příklad klasického GPS, kde pro vás dokáže přesně předpovědět rychlost, polohu a směr vašeho pohybu, když se dostanete do požadovaného cíle.

Kvantová GPS však nemůže přesně určit všechny výše uvedené vlastnosti kvantové částice, protože zákony kvantové fyziky vám to neumožňují. To dává vzniknout pravděpodobnostnímu jazyku v kvantovém světě, spíše než klasickému jazyku jistoty.

V tomto případě pravděpodobnostní jazyk implikuje přiřazování pravděpodobností různým vlastnostem kvanta částice, jako je rychlost, poloha a směr pohybu, se kterými je zjevně obtížné říci jistota. Tato pravděpodobnostní povaha kvantových částic dává vzniknout možnosti, která umožňuje, aby se cokoli a všechno stalo v kterémkoli okamžiku.

Ve světle výpočtu mají binární 0 a 1 reprezentované jako qubity (kvantové bity) vlastnost být 1 nebo 0 v kterémkoli okamžiku.

Výše uvedená reprezentace zanechává v ústech hořkou chuť, protože u klasických strojů jsou číslice 0 a 1 spojeny se spínači a obvody, které se zapínají a vypínají v různých okamžicích. Neznám jejich přesný stav (tj. Zapnuto nebo vypnuto) by se tedy v počítačovém kontextu nezdalo rozumné.

Ve skutečném smyslu by to mohlo způsobit chyby ve výpočtu. Zpracování informací v kvantovém světě se však opírá o koncept kvantové nejistoty - kde „superpozice“ 0 a 1 není chyba, ale funkce. Umožňuje rychlejší zpracování dat a usnadňuje rychlejší komunikaci.

Přečtěte si více: Jak fungují optické kvantové počítače

Na vrcholu kvantové práce na počítači

Důsledkem pravděpodobnostní vlastnosti kvantové teorie je, že přesné kopírování kvantové informace je zdánlivě nemožné. Z hlediska zabezpečení je to významné, protože kyberzločinci, kteří mají v úmyslu kopírovat kvantové klíče k šifrování a odesílání zpráv, by nakonec selhali, i kdyby získali přístup ke kvantovým počítačům.

Je důležité zde zdůraznit, že takové špičkové šifrování (tj. Propracovaná metoda převodu tajných dat nebo klíčů na) kód, který brání neoprávněnému přístupu) je výsledkem fyzikálních zákonů a nikoli matematicky skriptovaných algoritmů používaných dnes. Matematické šifrování lze prolomit pomocí výkonných počítačů, avšak prolomení kvantového šifrování vyžaduje přepsání základních fyzikálních zákonů.

Jelikož se kvantové šifrování liší od současných šifrovacích technik, kvantové počítače se podobně liší od klasických na velmi základní úrovni. Zvažte analogii automobilu a volského vozu. Zde se auto řídí určitými fyzikálními zákony, které vás ve srovnání s protějškem dostanou do požadovaného cíle v rychlém čase. Stejná filozofie platí pro kvantový počítač i pro klasický počítač.

Kvantový počítač využívá pravděpodobnostní povahu kvantové fyziky k provádění výpočtů a zpracování dat jedinečným způsobem. Může provádět výpočetní úlohy mnohem rychlejším tempem a také skočit do tradičně nemožných konceptů, jako je kvantová teleportace. Tato forma přenosu dat by mohla připravit cestu pro internet budoucnosti, tj. Kvantový internet.

K čemu by se dnes mohl použít kvantový počítač?

Kvantové počítače by mohly být užitečné pro organizace výzkumu a vývoje, vládní úřady a akademické pracovníky instituce, protože by mohly pomoci při řešení složitých problémů, které současné počítače považují za náročné vypořádat se s.

Jedna významná aplikace by mohla být ve vývoji léků, kde by mohla bez problémů simulovat a analyzovat chemikálie a molekuly, protože molekuly fungují na stejných zákonech kvantové fyziky jako kvantové počítače. Dále by mohla být možná efektivní simulace kvantové chemie, protože nejrychlejší superpočítače dnes nedosahují tohoto cíle.

Kvantové počítače by také mohly vyřešit složité problémy s optimalizací a pomoci při rychlém vyhledávání netříděných dat. V tomto ohledu existuje řada aplikací, od třídění zdánlivě dynamických klimatických, zdravotních nebo finančních údajů až po optimalizaci logistiky nebo toku provozu.

Kvantové počítače jsou také dobré v rozpoznávání vzorců v datech, například v problémech se strojovým učením. Kvantové počítače by navíc mohly hrát klíčovou roli při vývoji modelů pro předpovídání budoucnosti, například při předpovědi počasí.

Příprava na kvantovou budoucnost

Jelikož se závod o kvantovou budoucnost dostává do centra pozornosti, investoři a vládní orgány podporují kvantový výzkum a vývoj miliardy dolarů. Globální komunikační síť využívající distribuci kvantových klíčů na bázi satelitů již byla implementována, což stanoví cestu pro další vývoj.

Společnosti jako Google, Amazon, Microsoft, IBM a další investují značné prostředky do rozvoje kvantových výpočetních zdrojů, tj. Hardwaru a softwaru.

Podle Kosmos, tým vědců v Číně postavil kvantový počítač, který v roce dokončil složitý výpočet něco málo přes 60 minut, což by klasickému počítači trvalo nejméně 8 let kompletní.

Jedná se o vrchol vývoje kvantové výpočetní techniky, ke kterému došlo za poslední dva roky. Předpokládá se, že vědecká komunita konečně dosáhla nepolapitelné „kvantové výhody“ - kde kvantové výpočty jsou v pozici k řešení nejsofistikovanějšího problému, který by klasickým výpočtům trvalo doslova nepraktický čas, než by se to dalo pochopit.

Kvantového milníku poprvé dosáhl Google v roce 2019 kde použili qubity, které k provádění výpočtů používaly proud. Později v roce 2020 čínský tým použil fotonické qubits k urychlení procesu. Nyní v roce 2021 další čínský tým (vedený Jian-Wei Panem na čínské univerzitě vědy a technologie v Šanghaji) opět překonal Google.

v výzkumná práce publikovaná na předtiskovém serveru ArXivpřispívající výzkumný tým odhalil svá zjištění týkající se kvantové výhody, při nichž použili supravodivé qubity na kvantovém procesoru s názvem Zuchongzhi, který se skládá ze 66 qubitů. Tým prokázal, že Zuchongzhi dokázal manipulovat 56 qubitů, aby zvládl výpočetní problém zaměřený na testování výkonu počítačů.

Přijetí nejistoty

Rychlý vývoj ve světě kvantových technologií za posledních pět let byl docela vzrušující. Podle Kvantové denně, očekává se, že kvantový průmysl bude mít do konce roku 2030 ocenění v řádu několika miliard dolarů. Před tak rozsáhlým nasazením je třeba překonat různé praktické výzvy, ale budoucnost se zdá být světlá.

Naštěstí kvantová teorie vrhá světlo na světlejší stránku „nepředvídatelnosti“. Podle teorie lze dva qubity navzájem uzamknout s pravděpodobností, že každý qubit zůstane neurčeno jednotlivě, ale je synchronizováno s druhým, když se na něj pohlíží jako na jednotku - z čehož vyplývá, že oba jsou 0 nebo 1.

Tato individuální nepředvídatelnost a kombinovaná jistota se nazývá „zapletení“ - praktický nástroj pro většinu dnešních kvantových výpočetních algoritmů. Opatrným zacházením s nejistotou se tedy organizace mohou dostat do formy, aby přijaly kvantovou budoucnost.

Nanočipování: Mohou být počítače skutečně mikroskopické?

Počítače se zmenšují, ale budou někdy tak malé, že budou neviditelné pouhým okem?

Přečtěte si další

O autorovi

Rozbalte a přečtěte si celý příběh