Olemme kuulleet kvanttitietokoneista ainakin muutaman vuoden ajan. Mutta mikä se on? Mihin kvanttitietokone on tarkoitettu? Nykyään kyse on kaikesta yksinkertaisin sanoin.
Kvantti tietokone on keksintö, jolta monet tutkijat odottavat suuria toiveita ja odottavat, että sillä on myönteinen vaikutus tieteen kehitykseen. Kvanttifysiikan toiminnan ymmärtäminen on kuitenkin erittäin vaikeaa. Jotkut fyysikot jopa epäilevät, pitäisikö nykyisiä "kvanttitietokoneita" kutsua sellaiseksi. Suurin este kvanttilaskennan käytössä on suuri määrä virheitä, joihin vaikuttavat pienimmätkin muutokset kvanttikoneiden ympäristössä. Toistaiseksi emme ole vielä onnistuneet hyödyntämään kvanttibittien potentiaalia täysin tyydyttävästi. Tänään yritämme selvittää, mitä erityistä näissä kvanttibitteissä on?
Onko kvanttitietokoneita olemassa?
Kenenkään todellisen tiedemiehen olemus ei ole luottaa ja tarkistaa koko ajan. Muistan nämä sanat, kun olin vielä opiskelija. Ja useammin kuin kerran hän varmisti tämän lauseen oikeellisuuden. Tämä koskee myös "kvanttitietokoneita". Miksi lainasin näiden tietokoneiden nimet? Otetaan selvää.
Kvanttitietokoneet ovat hyvin monimutkainen aihe, mutta yritän tehdä siitä mahdollisimman yksinkertaista ja puhua niistä helposti saavutetulla tavalla. Vielä nykyäänkin tiedemiehet, fyysikot ja insinöörit voivat kiistellä näennäisesti yksinkertaisesta kysymyksestä, onko toimivaa kvanttitietokonetta olemassa jossain päin maailmaa. "Mutta kuinka IBM:n kaltaiset yritykset kerskuvat kvanttitietokoneista!" - joku saattaa sanoa. Ja hän tulee olemaan oikeassa. On edelleen avoin kysymys, onko IBM todella luonut kvanttitietokoneen vai kutsunut sen laitetta yksinkertaisesti "kvanttitietokoneeksi".
Kun joku ystäväni pyytää minua selittämään yksinkertaisin sanoin, kuinka kvanttitietokoneet eroavat tietokoneista, joihin olemme tottuneet, käytän yleensä yksinkertaista vertailua. Jos klassiset tietokoneemme (esim PC, kannettavat tietokoneet että älypuhelimet) ovat kynttilöitä, sitten kvanttitietokoneet ovat hehkulamppuja. Molempien tarkoitus on sama – hehkulamppujen ja kynttilöiden osalta se on valon emissio ja tietokoneiden osalta laskelmia. Molemmissa tapauksissa tavoite saavutetaan kuitenkin täysin eri tavalla ja tulos on erilainen. Yksinkertaisesti sanottuna kvanttitietokone ei ole vain parannettu versio nykyaikaisista tietokoneista, aivan kuten hehkulamppu ei ole vain suurempi kynttilä. Et voi luoda hehkulamppua tekemällä kynttilöitä entistä paremmiksi. Lamppu on erilainen teknologiaa, joka perustuu syvempään tieteelliseen ymmärrykseen. Samoin kvanttitietokone on uudenlainen kvanttifysiikkaan perustuva laite, ja aivan kuten hehkulamppu muutti yhteiskuntaa, kvanttitietokoneet voivat vaikuttaa moniin elämämme osa-alueisiin, kuten turvallisuustarpeisiin, terveydenhuoltoon ja jopa Internetiin.
Joten jos pidämme kiinni tietokoneiden ja hehkulamppujen vertailusta, niin "kvantti Joseph Swan" (ensimmäisen toimivan hehkulampun luoja) ei ole vielä ilmestynyt, ja toistaiseksi tiede yrittää yksinkertaisin sanoin tehdä "jotain punaista ja kuumaa" tarkistamalla, kuinka paljon se hehkuu. Tiedämme osan kvanttitietokoneiden toiminnan teoreettisista perusteista, mutta niiden kehitykselle on valtavia esteitä, jotka odottavat edelleen ratkaisemista.
Tutkimuskeskukset ja yritykset ympäri maailmaa tekevät lisätestejä ja -tutkimuksia, ja kvanttifysiikan asiantuntijat ovat yhtä mieltä siitä, että täysin toimivien kvanttikoneiden luominen, joilla voimme saavuttaa tavoitteita, joita tässä vaiheessa on mahdotonta saavuttaa, menee selvästi ohi. vuosia.
Uskon, ja monet tiedemiehet ovat kanssani samaa mieltä, että koneet, joita nykyään kutsutaan kvanttitietokoneiksi, eivät ansaitse sellaista nimeä ollenkaan. Heiltä puuttuu kyky suorittaa laskelmia tai ratkaista ongelmia, joita emme pysty ratkaisemaan normaalilla, klassisella tavalla.
Emme ole vielä saavuttaneet teknologisessa kehityksessämme sitä tasoa, että pystyisimme luomaan kvanttikoneen, joka ratkaisisi ongelmia, joihin klassiset tietokoneet eivät tällä hetkellä pääse käsiksi. Tietysti Google tai IBM puhuvat joistakin tai muista suoritetuista laskelmista, joita olisi vaikea tehdä klassisella tavalla, mutta tällä hetkellä ne eivät ole vakuuttavia.
Lue myös: Kiina on myös innokas tutkimaan avaruutta. Joten miten he voivat?
Mikä on kvantti?
Mikä sitten on "kvantti"? Se ei ole fyysinen esine. Termiä "kvantti" käytetään fysiikassa kuvaamaan pienintä mahdollista murto-osaa jostakin. Joten sinulla voi olla "voimakvantti", "aikakvantti" tai "partikkelikvantti". Tätä polkua pitkin pääsemme sellaisiin termeihin kuin "kvanttifysiikka" ja "kvanttimekaniikka", eli pienimpiä mahdollisia vuorovaikutuksia tai järjestelmiä käsitteleviin tieteenaloihin - atomien ja jopa yksittäisten kvarkkien tasolla.
Ja nyt olemme saavuttaneet kubitin (kvanttibitin), eli "pienimmän ja jakamattoman kvanttiinformaation yksikön". Samalla tulemme myös ensimmäiseen kohtaan, joka kertoo meille yhtäläisyyksistä ja eroista siinä, kuinka klassiset tietokoneet (bittejä käyttävät) ja kvanttitietokoneet (käyttävät kubitteja) suorittavat laskelmia.
Klassisissa tietokoneissa jokainen tieto tallennetaan ykkösten ja nollien sarjana. Tietokone, konsoli, älypuhelin havaitsee ja tulkitsee tällaisen tiedon, älykello että älytelevisio, joka on samanlainen kuin näille tiedoille suoritettavat toiminnot. Katsommepa lomakuvia, juttelemme ystävien kanssa, pelaamme viimeisintä peliä tai suoritamme edistyneitä salauslaskelmia, kaikki tapahtuu binäärijärjestelmässä, jossa on 0:t tai 1:t eikä mitään muuta. Itse asiassa se on enemmän kuin klassinen kyllä tai ei.
Kuinka tehoton tämä järjestelmä on, voidaan nähdä, kun saavutamme sen rajat. Ja riippumatta siitä, loppuuko älypuhelimissamme tila uudelle selfielle tai yrittävätkö tutkijat luoda matemaattisia malleja pandemian kehittymisestä, ongelmana on se, että nollia ja ykkösiä on liian monta ja resurssit niiden tallentamiseen ja voimat laskea niitä ei ole saatavilla.
Qubit ratkaisee tämän ongelman. Tämä tieto käyttää kvanttifysiikan ominaisuuksia, jotka mahdollistavat sen pysymisen niin sanotussa superpositiossa. Kubitti voi saada minkä tahansa arvon välillä 0 ja 1. Sillä on koko spektrin ominaisuudet ja arvot kuten 15 prosenttia nolla ja 85 prosenttia yksi. Teoriassa tämän avulla voit säästää paljon enemmän tietoa tai nopeuttaa laskelmia. Mutta samaan aikaan syntyy monia ongelmia, joita on vaikea hallita ja jopa ymmärtää.
Toinen kvanttitietokoneiden ominaisuus, joka mahdollistaa laskentatehon lisäskaalauksen, on kvanttiketujen käyttö. Tämä on tila, jossa kaksi kubittia on kytketty toisiinsa, ja joka kerta kun tarkkailemme yhtä niistä, toinen on täsmälleen samassa tilassa. Kietoutuminen mahdollistaa kubittien ryhmittelyn entistä tehokkaammiksi yksiköiksi tietojen tallentamista ja käsittelyä varten.
Lue myös: Keitä ovat biohakkerit ja miksi he siruttavat itsensä vapaaehtoisesti?
Kvanttilaitteet
Kvanttitietokone koostuu kolmesta pääosasta: alue kubittien tallentamiseen, menetelmä signaalien lähettämiseksi kubiteille ja klassinen tietokone ohjelman suorittamiseen ja ohjeiden lähettämiseen.
Kvanttimateriaali, josta kubitit muodostuu, on herkkää ja erittäin herkkää ympäristön vaikutuksille. Joissakin kubittien tallennusmenetelmissä kubitit sisältävää yksikköä pidetään lämpötilassa, joka on lähellä absoluuttista nollaa niiden koherenssin maksimoimiseksi. Muun tyyppisissä kubittivarastoissa käytetään tyhjiökammiota tärinän minimoimiseksi ja kubittien vakauttamiseksi.
On olemassa erilaisia menetelmiä signaalien siirtämiseksi kubiteille, kuten mikroaaltoille, lasereille ja sähköjännitteelle.
Kvanttitietokoneiden normaalin toiminnan varmistamiseksi on tarpeen ratkaista monia ongelmia. Suurin ongelma kvanttitietokoneissa on virheenkorjaus, ja skaalaus (kubittien lisääminen) lisää niiden taajuutta entisestään. Näiden rajoitusten vuoksi kvanttihenkilökohtainen tietokone työpöydälläsi on vielä kaukana tulevaisuudesta, mutta kaupallisia kvanttitietokoneita saattaa tulla saataville lähitulevaisuudessa. Puhutaanpa tästä tarkemmin.
Kvanttitietokoneiden ongelmat
Kvanttitietokoneilla on kuitenkin yksi valtava ongelma. Toisin sanoen tutkijoilla on valtava ongelma niiden käytössä, koska kubitit tarvitsevat erityisominaisuuksiensa ansiosta riittävän rauhallisen ympäristön voidakseen lukea niistä tarkasti mitä tahansa dataa. Jokainen, pieninkin rikkomus tekee mahdottomaksi lukea tietoja tarkasti.
Klassisten tietokoneiden kohdalla samankaltaisella ongelmalla oli tärkeä rooli myös aiemmin, mutta nykyään se on niin merkityksetön, että se jää usein huomiotta jopa akateemisessa tieteessä. Puhumme virhetasosta. Se on indikaattori, joka määrittää, kuinka suuri osa bitteistä tai kubiteista tietoa voi vioittua. Tämä voi tapahtua esimerkiksi ylijännitteen tai muiden häiriöiden aikana.
Klassisissa laitteissa virhetodennäköisyys on suunnilleen yksi 1017 bitti Kvanttitietokoneiden tapauksessa tämä on edelleen yksi useista sadasta. Ja tämä on tilanteessa, jossa kvanttitietokoneet toimivat eristyneimmissä olosuhteissa ja -272 celsiusasteen lämpötilassa, eli hieman absoluuttisen nollan yläpuolella. Kaikki lämpötilan vaihtelut, muutokset sähkömagneettisessa kentässä ja jopa liike tuhoavat koko laskennan.
Toinen ongelma on kvanttitilojen "epävakaus". Joka kerta kun mittaamme tai haluamme häiritä kvanttitilaa, se palaa toiseen kahdesta paikasta, nolla ja yksi. Tässä tapauksessa kvanttitila heikkenee. Tätä prosessia kutsutaan kvanttidekoherenssiksi.
Ajattele asiaa näin: kvanttitietokone on taitava matemaatikko, joka suorittaa monimutkaisia laskelmia, ja sen tulokset ovat 0 ja 1 miljoonan välillä. Me puolestaan olemme lapsi, joka ymmärtää vain sen, että jotain voi olla liikaa tai liian vähän. Aina kun matemaatikolla saattaa olla erilaiset tulokset, kuten 356 670,23 tai 1 846 662, maailmakäsityksemme mukaan kukin näistä tuloksista luokiteltaisiin harvoiksi (0) tai useiksi (1), määrittelemättä erityistä eroa näiden kahden välillä. Tämä on kvanttidekoherenssia. Ainoa tapa tehdä oikea laskelma on taata matemaattinen työ ennen kuin se on valmis.
Lue myös: Mitä sinnikkyys ja kekseliäisyys tekevät Marsissa?
Mihin aiomme käyttää kvanttitietokoneita?
Nykyään herää kysymys, mihin kvanttitietokoneita voidaan käyttää, kuten 20 vuotta sitten, mihin älypuhelinta voidaan käyttää. Tietysti suunnitelmia ja oletuksia on jo olemassa, mutta mielenkiintoisimmat kubittien käytön suunnat selviävät todennäköisesti kvanttitietokoneiden yleistyessä.
Kryptografia on yksi suosituimmista aloista, joilla kvanttilaskentaa käytetään eniten. Asia on siinä, että se on menetelmä tiedon siirtämiseen erittäin turvallisella tavalla, ja turvallisuus ei perustu laskentaprosessien monimutkaisuuteen, vaan fysiikan lakeihin, jotka antavat varmuutta siitä, että tietyt asiat ovat yksinkertaisesti mahdottomia. Ja tällä hetkellä on mahdotonta kuunnella, vakoilla, hakkeroida.
Tässä tapauksessa turvallisuuden takaavat kubittien fysikaaliset ominaisuudet, jotka, kuten aiemmin selitin, lakkaavat näyttämästä superpositiopiirteitä heti kun ne havaitaan. Joten kaikki yritykset siepata tai jopa kopioida koodattu viesti yksinkertaisesti tuhoavat sen.
Kvanttitietokoneiden avulla voimme myös ymmärtää paremmin luonnollisia prosesseja. Superposition "kaaos" heijastaa paljon paremmin esimerkiksi DNA:n mutaatioita ja siten sairauksien ja evoluution kehittymistä. Kvanttilaskentaa käytetään jo nykyään uusien lääkkeiden luomiseen.
Ehkä on järkevää puhua kvanttitietokoneiden käytöstä tiedon teleportoimiseen. Kyllä, juuri tietojen ja mahdollisesti henkilön teleportointi. Pystymme teleporttamaan tiedot paikasta toiseen siirtämättä niitä fyysisesti. Se kuulostaa fantasialta, mutta se on mahdollista, koska tämä kvanttihiukkasten juoksevuus voi sotkeutua ajassa ja tilassa niin, että yhden hiukkasen muutos voi vaikuttaa toiseen, ja tämä luo kanavan teleportaatiolle. Tämä on jo osoitettu laboratorioissa, ja se voisi olla osa tulevaisuuden kvantti-internetiä. Meillä ei vielä ole tällaista verkkoa, mutta jotkut tutkijat työskentelevät jo näiden mahdollisuuksien parissa simuloiden kvanttiverkkoa kvanttitietokoneella. He ovat jo kehittäneet ja ottaneet käyttöön mielenkiintoisia uusia protokollia, kuten verkon käyttäjien välisen teleportaation ja tehokkaan tiedonsiirron ja jopa turvallisen äänestämisen.
On myös sanottava, että kvanttitietokoneilla tulisi simuloida erilaisia tilanteita ja löytää ratkaisuja ongelmiin, mukaan lukien lääkkeet ja rokotteet. Esimerkiksi koronaviruksen kaltaisten pandemioiden aikana, jolloin tarvitaan nopeampaa laskentaa ja vaihtoehtojen laskemista. Täällä voit hyödyntää kvanttimallinnuksen mahdollisuutta, jota ei voida suorittaa klassisella tietokoneella. Kun uusi sairaus ilmaantuu, parantumisen löytäminen kestää noin 15 vuotta ja voi maksaa jopa 2,6 miljardia dollaria. Joissakin sairauksissa on tarpeen suodattaa miljoonien molekyylien läpi, jotta voidaan tunnistaa vain satoja lupaavia yksilöitä, joista todennäköisesti tulee luovuttajia. Sitten testauksen aikana noin 99 % molekyyleistä putoaa muun muassa väärinkäytösten ja näytteenottorajoitusten vuoksi. Tässä kvanttitietokoneet tulisivat etualalle.
Ja nämä ovat edelleen vain muutamia upeita ideoita siitä, mitä voidaan saavuttaa kvanttifysiikan avulla. Tällä hetkellä onnistumme jossain määrin kesyttämään hänen oikukas luonteensa, mutta kaikki kehitys on vielä alkutasolla. Todellisen kvanttitietokoneen luominen ja sen massasovellus on vielä melko kaukana, mutta edistyminen ei pysähdy. Siksi ehkä noin kymmenen vuoden kuluttua luet tätä artikkelia kvanttitietokoneen avulla ja hymyilet alentuvasti.
Lue myös:
Çoch sağ olun, muellimin bize modernit muistilaitteet