Слушаме за квантови компютри от поне няколко години. Но какво е това? За какво е квантовият компютър? Днес всичко е за това с прости думи.
Квантов компютър е изобретение, на което много изследователи възлагат големи надежди, очаквайки, че то ще има положително въздействие върху развитието на науката. Въпреки това разбирането как работи квантовата физика е много трудно. Някои физици дори се съмняват дали сегашните "квантови компютри" трябва да се наричат така. Най-голямата пречка при използването на квантовите изчисления е големият брой грешки, които се влияят дори от най-малките промени в средата на квантовите машини. Досега все още не сме успели да използваме напълно задоволително потенциала на квантовите битове. Днес ще се опитаме да разберем какво е специалното на тези много квантови битове?
Съществуват ли квантови компютри?
Същността на всеки истински учен е да не се доверява и да проверява през цялото време. Спомних си точно тези думи, когато бях още студент. И повече от веднъж се увери в правилността на тази фраза. Това важи и за "квантовите компютри". Защо цитирах имената на тези компютри? Нека разберем.
Квантовите компютри са много сложна тема, но ще се опитам да я направя възможно най-проста и да говоря за тях по достъпен начин. Дори днес учени, физици и инженери могат да обсъждат на пръв поглед простия въпрос дали някъде по света съществува работещ квантов компютър. „Но как все пак компании като IBM се хвалят с квантови компютри!“ – може да каже някой. И той ще бъде прав. Остава открит въпросът дали IBM наистина е създала квантов компютър или просто е нарекла устройството си „квантов компютър“.
Когато някой от моите приятели ме помоли да обясня с прости думи как квантовите компютри се различават от компютрите, с които сме свикнали, обикновено използвам просто сравнение. Ако нашите класически компютри (като напр PC, лаптопи че смартфон) са свещи, тогава квантовите компютри са електрически крушки. Целта и на двете е една и съща – за лампите с нажежаема жичка и свещите е излъчването на светлина, а за компютрите е за изчисления. И в двата случая обаче целта се постига по съвсем различен начин и резултатът е различен. Просто казано, квантовият компютър не е просто подобрена версия на съвременните компютри, точно както електрическата крушка не е просто по-голяма свещ. Не можете да създадете електрическа крушка, като правите свещи все по-добри. Електрическата крушка е различна технология, базирано на по-задълбочено научно разбиране. По същия начин квантовият компютър е нов тип устройство, базирано на квантовата физика, и точно както електрическата крушка промени обществото, квантовите компютри могат да повлияят на много аспекти от живота ни, включително нуждите от сигурност, здравеопазването и дори интернет.
Така че, ако се придържаме към сравнението на компютрите с електрическите крушки, тогава "квантовият Джоузеф Суон" (създателят на първата функционална крушка с нажежаема жичка) все още не се е появил и досега науката се опитва, с прости думи, да направи "нещо червено и горещо", като проверите колко свети. Знаем някои от теоретичните основи за това как работят квантовите компютри, но има огромни пречки пред тяхното развитие, които все още чакат да бъдат разрешени.
Изследователски центрове и компании по света провеждат допълнителни тестове и изследвания, а експертите в областта на квантовата физика са съгласни, че създаването на напълно функциониращи квантови машини, които можем да използваме за постигане на цели, които са невъзможни за постигане на този етап, очевидно ще премине десетки от години.
Вярвам и много учени ще се съгласят с мен, че машините, които в момента се наричат квантови компютри, изобщо не заслужават такова име. Липсва им способността да извършват изчисления или да решават проблеми, които ние не можем да разрешим по нормален, класически начин.
Все още не сме достигнали такава степен на технологично развитие, че да можем да създадем квантова машина, която да решава проблеми, които в момента са недостъпни за класическите компютри. Разбира се, Google или IBM говорят за едни или други извършени изчисления, които биха били трудни за изпълнение по класически начин, но за момента не са убедителни.
Прочетете също: Китай също има желание да изследва космоса. Е, как се справят?
Какво е квант?
Какво изобщо е "квант"? Това не е физически обект. Терминът "квант" се използва във физиката, за да опише най-малката възможна част от нещо. Така че можете да имате "квант на силата", "квант на времето" или "квант на частицата". Следвайки този път, ще стигнем до термини като "квантова физика" и "квантова механика", тоест клонове на науката, занимаващи се с възможно най-малките взаимодействия или системи - на ниво атоми и дори отделни кварки.
И сега стигнахме до кубита (квантовия бит), тоест „най-малката и неделима единица квантова информация“. В същото време стигаме и до първата точка, която ни разказва за приликите и разликите в това как класическите компютри (използващи битове) и квантовите компютри (използващи кубити) извършват изчисления.
В класическите компютри всяка част от информацията се съхранява като поредица от единици и нули. Такава информация се възприема и интерпретира от компютър, конзола, смартфон, умен часовник че умен телевизор, подобно на операциите, които се извършват върху тази информация. Независимо дали разглеждаме снимки от ваканция, чатим с приятели, играем най-новата игра или извършваме усъвършенствани криптографски изчисления, всичко се случва в двоична система, където има 0 или 1 и нищо друго. Всъщност това е по-скоро класическо да или не.
Колко неефективна е тази система се вижда, когато достигнем нейните граници. И независимо дали ни свършва мястото на смартфоните за още едно селфи или учените се опитват да създадат математически модели за развитието на пандемия, проблемът е, че има твърде много нули и единици, както и ресурсите за тяхното съхраняване и силата за изчислете ги не са налични.
Qubit решава този проблем. Тази част от информацията използва свойствата на квантовата физика, които й позволяват да остане в така наречената суперпозиция. Един кубит може да приеме всяка стойност между 0 и 1. Той има свойствата на целия спектър и може да има стойности като 15 процента нула и 85 процента едно. Теоретично това ви позволява да спестите много повече информация или да ускорите изчисленията. Но в същото време възникват много проблеми, които трудно се контролират и дори разбират.
Друга характеристика на квантовите компютри, която позволява допълнително мащабиране на изчислителната мощност, е използването на квантово заплитане. Това е състояние, при което два кубита са свързани един с друг и всеки път, когато наблюдаваме един от тях, другият ще бъде в абсолютно същото състояние. Заплитането позволява кубитите да бъдат групирани в още по-ефективни единици за записване и обработка на информация.
Прочетете също: Кои са биохакерите и защо доброволно си поставят чипове?
Квантово оборудване
Квантовият компютър се състои от три основни части: зона за съхранение на кубитите, метод за предаване на сигнали към кубитите и класически компютър за изпълнение на програма и изпращане на инструкции.
Квантовият материал, който изгражда кубитите, е деликатен и изключително чувствителен към влиянията на околната среда. За някои методи за съхранение на кубити единицата, която съдържа кубитите, се поддържа при температура, близка до абсолютната нула, за да се увеличи максимално тяхната кохерентност. Други видове съхранение на кубити използват вакуумна камера за минимизиране на вибрациите и стабилизиране на кубитите.
Има различни методи за предаване на сигнали към кубити, като микровълни, лазери и електрическо напрежение.
За да се установи нормалната работа на квантовите компютри, е необходимо да се решат много проблеми. Основен проблем с квантовите компютри е коригирането на грешки, а мащабирането (добавяне на повече кубити) допълнително увеличава тяхната честота. Поради тези ограничения квантовият персонален компютър на бюрото ви е все още далечно бъдеще, но комерсиалните квантови компютри може да станат достъпни в близко бъдеще. Нека поговорим за това по-подробно.
Проблеми на квантовите компютри
Квантовите компютри обаче имат един огромен проблем. Тоест, учените имат огромен проблем с използването им, тъй като, благодарение на техните специални свойства, кубитите се нуждаят от достатъчно спокойна среда, за да могат точно да четат всякакви данни от тях. Всяко, дори и най-малкото нарушение ще направи невъзможно точното разчитане на информацията.
В случая с класическите компютри подобен проблем също е играл важна роля в миналото, но днес е толкова незначителен, че често се пренебрегва дори в академичната наука. Говорим за процент грешки. Това е индикатор, който определя каква част от битове или кубити информация може да бъде повредена. Това може да се случи например при пренапрежение или други смущения.
За класическите устройства вероятността за грешка е приблизително едно към 1017 малко В случая с квантовите компютри това все още е един от няколкостотин. И това е в ситуация, в която квантовите компютри работят в най-изолирани условия и при температура от -272 градуса по Целзий, т.е. малко над абсолютната нула. Всякакви температурни колебания, промени в електромагнитното поле и дори движение разрушават цялото изчисление.
Друг проблем е "нестабилността" на квантовите състояния. Всеки път, когато измерваме или искаме да нарушим квантово състояние, то се връща в една от двете позиции, нула и едно. В този случай квантовото състояние ще се разпадне. Този процес се нарича квантова декохерентност.
Помислете за това по следния начин: квантовият компютър е опитен математик, който извършва сложни изчисления и неговите резултати са между 0 и 1 милион. Ние от своя страна сме дете, което само разбира, че нещо може да бъде твърде много или твърде малко. Всеки път, когато даден математик може да има различни резултати, като 356 670,23 или 1 846 662, според нашето разбиране за света всеки от тези резултати ще бъде класифициран като няколко (0) или много (1), без да се дефинира конкретна разлика между двата. Това е квантова декохерентност. Единственият начин да направите правилно изчисление е да гарантирате работата по математика, преди да е завършена.
Прочетете също: Какво ще правят Perseverance и Ingenuity на Марс?
За какво ще използваме квантовите компютри?
Днес възниква въпросът за какво могат да се използват квантовите компютри, както преди 20 години за какво може да се използва смартфонът. Разбира се, вече има някои планове и предположения, но най-интересните насоки за използване на кубити вероятно ще станат ясни, когато квантовите компютри станат широко разпространени.
Криптографията е една от най-популярните области, където квантовите изчисления се използват най-често. Работата е там, че това ще бъде метод за предаване на информация по много сигурен начин и сигурността не се основава на сложността на изчислителните процеси, а на законите на физиката, които ще дават увереност, че определени неща са просто невъзможни. И в този момент ще бъде невъзможно да слушате, шпионирате, хакнете.
Сигурността в този случай е гарантирана от самите физически свойства на кубитите, които, както обясних по-рано, престават да показват характеристики на суперпозиция веднага щом бъдат наблюдавани. Така че всеки опит за прихващане или дори копиране на кодираното съобщение просто ще го унищожи.
Квантовите компютри също могат да ни позволят да разберем по-добре естествените процеси. „Хаосът“ на суперпозицията много по-добре отразява начина, по който например мутациите в ДНК, а оттам и развитието на болестта и еволюцията. Квантовите изчисления вече се използват днес за създаване на нови лекарства.
Може би има смисъл да се говори за използването на квантови компютри за телепортиране на данни. Да, именно телепортирането на данни и евентуално на човек. Ще можем да телепортираме информация от място на място, без да я прехвърляме физически. Звучи като фантазия, но е възможно, защото тази плавност на квантовите частици може да се заплита във времето и пространството, така че промяната в една частица да засегне друга и това създава канал за телепортация. Това вече е демонстрирано в лаборатории и може да бъде част от квантовия интернет на бъдещето. Все още нямаме такава мрежа, но някои учени вече работят върху тези възможности, симулирайки квантова мрежа на квантов компютър. Те вече са разработили и внедрили интересни нови протоколи, като телепортация между мрежови потребители и ефективен трансфер на данни и дори сигурно гласуване.
Трябва също така да се каже, че квантовите компютри трябва да се използват за симулиране на различни ситуации и намиране на решения на проблеми, включително лекарства и ваксини. Например по време на пандемии като коронавируса, когато е необходимо по-бързо изчисляване и изчисляване на опциите. Тук можете да използвате възможността за квантово моделиране, което не може да се извърши на класически компютър. Когато се появи нова болест, процесът на намиране на лек отнема около 15 години и може да струва до 2,6 милиарда долара. При някои заболявания е необходимо да се филтрират милиони молекули, за да се идентифицират само стотици обещаващи индивиди, които е вероятно да станат донори. След това, по време на тестване, приблизително 99% от молекулите са изпуснати поради, наред с други неща, погрешно прогнозиране на поведението и ограничения за вземане на проби. Това е мястото, където квантовите компютри ще излязат на преден план.
И това все още са само няколко от прекрасните идеи за това какво може да се постигне с помощта на квантовата физика. В момента успяваме до известна степен да укротим нейния капризен характер, но всичко е все още на начално ниво. Създаването на истински квантов компютър и неговото масово приложение е все още доста далеч, но напредъкът не стои неподвижен. Затова може би след около десет години ще четете тази статия с помощта на квантов компютър и ще се усмихвате снизходително.
Прочетете също:
Çoch sağ olun, muellimin bize модерни устройства с памет