Legalább néhány éve hallunk a kvantumszámítógépekről. De mi az? Mire való a kvantumszámítógép? Ma egyszerű szavakkal minden erről szól.
Kvantum számítógép egy olyan találmány, amelyhez sok kutató nagy reményeket fűz, arra számítva, hogy pozitív hatással lesz a tudomány fejlődésére. A kvantumfizika működését azonban nagyon nehéz megérteni. Egyes fizikusok még azt is kétségbe vonják, hogy a jelenlegi „kvantumszámítógépeket” így kell-e nevezni. A kvantumszámítás használatának legnagyobb akadálya a nagyszámú hiba, amelyet a kvantumgépek környezetének legkisebb változásai is befolyásolnak. Eddig még nem sikerült maradéktalanul kielégítően kiaknáznunk a kvantumbitekben rejlő lehetőségeket. Ma megpróbáljuk kideríteni, mi a különleges ezekben a kvantumbitekben?
Léteznek kvantumszámítógépek?
Egy igazi tudós lényege, hogy ne bízzon, és folyton ellenőrizze. Még diák koromban emlékeztem ezekre a szavakra. És nemegyszer megbizonyosodott ennek a kifejezésnek a helyességéről. Ez vonatkozik a „kvantumszámítógépekre” is. Miért idéztem ezeknek a számítógépeknek a nevét? Találjuk ki.
A kvantumszámítógépek nagyon összetett téma, de igyekszem a lehető legegyszerűbbé tenni, és hozzáférhető módon beszélni róluk. A tudósok, fizikusok és mérnökök még ma is vitathatják azt a látszólag egyszerű kérdést, hogy létezik-e működő kvantumszámítógép valahol a világon. "De végül is hogyan dicsekednek a kvantumszámítógépekkel az olyan cégek, mint az IBM!" - mondhatja valaki. És igaza lesz. Továbbra is nyitott kérdés, hogy az IBM valóban kvantumszámítógépet hozott-e létre, vagy egyszerűen csak „kvantumszámítógépnek” nevezte a készülékét.
Amikor az egyik barátom arra kér, magyarázzam el egyszerű szavakkal, miben különböznek a kvantumszámítógépek az általunk megszokott számítógépektől, általában egy egyszerű összehasonlítást alkalmazok. Ha klasszikus számítógépeink (pl PC, laptopok hogy okostelefonok) gyertyák, majd a kvantumszámítógépek izzók. Mindkettő célja ugyanaz – az izzólámpáknál és a gyertyáknál a fénykibocsátás, a számítógépeknél pedig a számításokra. A célt azonban mindkét esetben teljesen másként érik el, és más az eredmény is. Egyszerűen fogalmazva, a kvantumszámítógép nem csak a modern számítógépek továbbfejlesztett változata, ahogy a villanykörte sem csupán egy nagyobb gyertya. Izzót nem lehet úgy alkotni, hogy egyre jobb gyertyákat készítünk. A villanykörte más technológia, mélyebb tudományos megértés alapján. Hasonlóképpen, a kvantumszámítógép egy új típusú, kvantumfizikán alapuló eszköz, és ahogy a villanykörte megváltoztatta a társadalmat, a kvantumszámítógépek életünk számos területére hatással lehetnek, beleértve a biztonsági szükségleteket, az egészségügyet és még az internetet is.
Tehát, ha maradunk a számítógépek izzókkal való összehasonlításánál, akkor a "kvantum Joseph Swan" (az első működőképes izzólámpa megalkotója) még nem jelent meg, és eddig a tudomány egyszerű szavakkal próbálja elkészíteni. "valami piros és forró" ellenőrzésével, hogy mennyire világít. Ismerjük a kvantumszámítógépek működésének néhány elméleti alapját, de fejlesztésük előtt óriási akadályok állnak, amelyek még megoldásra várnak.
Kutatóközpontok és cégek világszerte további teszteket és kutatásokat végeznek, és a kvantumfizika szakértői egyetértenek abban, hogy a teljesen működő kvantumgépek létrehozása, amelyek segítségével olyan célokat érhetünk el, amelyeket ebben a szakaszban lehetetlen elérni, nyilvánvalóan túlteszi a tíz évet. évekből.
Úgy gondolom, és sok tudós egyetért velem, hogy a jelenleg kvantumszámítógépeknek nevezett gépek egyáltalán nem érdemelnek ilyen nevet. Hiányzik belőlük az a képesség, hogy olyan számításokat hajtsanak végre, vagy olyan problémákat oldjanak meg, amelyeket nem tudunk normális, klasszikus módon megoldani.
Technológiai fejlettségünknek még nem jutottunk el olyan fokára, hogy képesek legyünk olyan kvantumgépet létrehozni, amely megoldaná a klasszikus számítógépek számára jelenleg elérhetetlen problémákat. Természetesen a Google vagy az IBM beszél olyan vagy más elvégzett számításokról, amelyeket klasszikus módon nehéz lenne elvégezni, de jelenleg nem meggyőzőek.
Olvassa el még: Kína is szívesen fedezi fel az űrt. Szóval hogy állnak?
Mi az a kvantum?
Egyébként mi az a "kvantum"? Ez nem fizikai tárgy. A "kvantum" kifejezést a fizikában használják valaminek a lehető legkisebb töredékének leírására. Tehát lehet egy "erőkvantum", egy "időkvantum" vagy egy "részecskekvantum". Ezen az úton haladva eljutunk olyan kifejezésekhez, mint a "kvantumfizika" és a "kvantummechanika", vagyis a lehető legkisebb kölcsönhatásokkal vagy rendszerekkel foglalkozó tudományágakhoz - az atomok, sőt az egyes kvarkok szintjén is.
És most elérkeztünk a qubithez (kvantumbit), vagyis a „kvantuminformáció legkisebb és oszthatatlan egységéhez”. Ugyanakkor elérkezünk az első ponthoz is, amely a klasszikus (biteket használó) és a kvantumszámítógépek (kubitokat használó) számítási tevékenységének hasonlóságairól és különbségeiről szól.
A klasszikus számítógépekben minden információt egyesek és nullák sorozataként tárolnak. Az ilyen információkat számítógép, konzol, okostelefon észleli és értelmezi, okos óra hogy okos TV, hasonlóan az ezen információkon végrehajtott műveletekhez. Akár nyaralásról készült fotókat nézünk, akár barátaikkal csevegünk, a legújabb játékkal játszunk, vagy fejlett kriptográfiai számításokat végzünk, minden egy bináris rendszerben történik, ahol 0-k vagy 1-ek vannak, és semmi más. Valójában inkább egy klasszikus igen vagy nem.
Hogy mennyire nem hatékony ez a rendszer, akkor láthatjuk, ha elérjük a határait. És akár elfogy a hely az okostelefonunkon egy újabb szelfi elkészítéséhez, akár a tudósok próbálnak matematikai modelleket készíteni a világjárvány kialakulásáról, a probléma az, hogy túl sok a nulla és az egyes, valamint a tárolásukhoz szükséges erőforrások és az ahhoz szükséges erő. kiszámítani nem állnak rendelkezésre.
A Qubit megoldja ezt a problémát. Ez az információ a kvantumfizika olyan tulajdonságait használja fel, amelyek lehetővé teszik, hogy úgynevezett szuperpozícióban maradjon. A qubit bármilyen értéket felvehet 0 és 1 között. A teljes spektrum tulajdonságaival rendelkezik, és lehetnek értékei, például 15 százalék nulla és 85 százalék XNUMX. Elméletileg ez sokkal több információ megmentését vagy a számítások felgyorsítását teszi lehetővé. De ugyanakkor sok olyan probléma merül fel, amelyeket nehéz ellenőrizni, sőt megérteni.
A kvantumszámítógépek másik jellemzője, amely lehetővé teszi a számítási teljesítmény további skálázását, a kvantumösszefonódás alkalmazása. Ez egy olyan állapot, amikor két qubit kapcsolódik egymáshoz, és minden alkalommal, amikor az egyiket megfigyeljük, a másik pontosan ugyanabban az állapotban lesz. Az összefonódás lehetővé teszi a qubitek még hatékonyabb egységekre történő csoportosítását az információk rögzítéséhez és feldolgozásához.
Olvassa el még: Kik azok a biohackerek, és miért chipeltetik magukat önként?
Kvantum berendezés
A kvantumszámítógép három fő részből áll: egy terület a qubitek tárolására, egy módszer a jelek qubitekhez való továbbítására, valamint egy klasszikus számítógép a programok futtatására és az utasítások küldésére.
A qubiteket alkotó kvantumanyag kényes és rendkívül érzékeny a környezeti hatásokra. Egyes qubit tárolási módszereknél a qubiteket tartalmazó egységet az abszolút nullához közeli hőmérsékleten tartják, hogy maximalizálják koherenciájukat. Más típusú kubit tárolók vákuumkamrát használnak a vibráció minimalizálása és a kubitok stabilizálása érdekében.
Különféle módszerek léteznek a jelek qubitekre történő továbbítására, például mikrohullámú sütővel, lézerrel és elektromos feszültséggel.
A kvantumszámítógépek normális működésének megállapításához számos probléma megoldása szükséges. A kvantumszámítógépek egyik fő problémája a hibajavítás, és a méretezés (több qubit hozzáadása) tovább növeli a gyakoriságukat. E korlátozások miatt a kvantum személyi számítógép az asztalon még távoli jövő, de a közeljövőben elérhetővé válhatnak a kereskedelmi kvantumszámítógépek. Beszéljünk erről részletesebben.
A kvantumszámítógépek problémái
A kvantumszámítógépekkel azonban van egy hatalmas probléma. Vagyis használatukkal óriási gondot okoznak a tudósok, ugyanis speciális tulajdonságaiknak köszönhetően a qubiteknek kellően nyugodt környezetre van szükségük ahhoz, hogy bármilyen adatot pontosan le tudjanak olvasni belőlük. Minden, még a legkisebb szabálysértés is lehetetlenné teszi az információk pontos olvasását.
A klasszikus számítógépek esetében is fontos szerepet játszott korábban egy hasonló probléma, de ma már annyira jelentéktelen, hogy az akadémiai tudományban is gyakran figyelmen kívül hagyják. Hibaarányról beszélünk. Ez egy olyan mutató, amely meghatározza, hogy a bitek vagy qubitek milyen arányban sérülhetnek meg. Ez történhet például túlfeszültség vagy egyéb zavarok idején.
A klasszikus eszközök esetében a hiba valószínűsége hozzávetőlegesen egy: 1017 bit A kvantumszámítógépek esetében ez még mindig egy a több száz közül. És ez egy olyan helyzetben, amikor a kvantumszámítógépek a legelszigeteltebb körülmények között és -272 Celsius-fok hőmérsékleten, azaz valamivel az abszolút nulla felett működnek. Bármilyen hőmérséklet-ingadozás, az elektromágneses tér változása, sőt a mozgás is tönkreteszi a teljes számítást.
Egy másik probléma a kvantumállapotok "instabilitása". Valahányszor mérünk vagy meg akarunk zavarni egy kvantumállapotot, az visszatér a két pozíció egyikébe, a nulla és az egyes helyzetébe. Ebben az esetben a kvantumállapot lebomlik. Ezt a folyamatot kvantumdekoherenciának nevezik.
Gondoljunk csak bele: a kvantumszámítógép képzett matematikus, aki összetett számításokat végez, és az eredménye 0 és 1 millió között van. Mi viszont olyan gyerek vagyunk, aki csak azt érti meg, hogy valami lehet túl sok vagy túl kevés. Valahányszor egy matematikusnak eltérő eredményei lehetnek, például 356 670,23 vagy 1 846 662, a világról alkotott felfogásunk szerint mindegyik eredményt kevés (0) vagy sok (1) kategóriába sorolnák, anélkül, hogy konkrét különbséget határoznának meg a kettő között. Ez a kvantumdekoherencia. Az egyetlen módja annak, hogy helyesen számoljunk, ha garantáljuk a matematikai munkát annak befejezése előtt.
Olvassa el még: Mit fog tenni a kitartás és a találékonyság a Marson?
Mire használjuk a kvantumszámítógépeket?
Ma már felvetődik a kérdés, hogy mire használhatók a kvantumszámítógépek, akárcsak 20 évvel ezelőtt, mire használható az okostelefon. Természetesen vannak már tervek és feltételezések is, de a qubitek felhasználásának legérdekesebb irányai valószínűleg a kvantumszámítógépek elterjedésével derülnek ki.
A kriptográfia az egyik legnépszerűbb terület, ahol a kvantumszámítástechnikát leggyakrabban használják. A helyzet az, hogy ez egy nagyon biztonságos információtovábbítási módszer lesz, és a biztonság nem a számítási folyamatok összetettségén, hanem a fizika törvényein alapszik, amely bizonyosságot ad arról, hogy bizonyos dolgok egyszerűen lehetetlenek. És ebben a pillanatban lehetetlen lesz hallgatni, kémkedni, hackelni.
A biztonságot ebben az esetben a qubitek nagyon fizikai tulajdonságai garantálják, amelyek, mint azt korábban kifejtettem, amint megfigyelik, megszűnnek szuperpozíciós jellemzőket mutatni. Tehát minden kísérlet a kódolt üzenet elfogására vagy akár másolására egyszerűen megsemmisíti azt.
A kvantumszámítógépek lehetővé tehetik a természetes folyamatok jobb megértését is. A szuperpozíció "káosza" sokkal jobban tükrözi például a DNS mutációit, és ezáltal a betegségek és az evolúció kialakulását. A kvantumszámítástechnikát már ma is használják új gyógyszerek létrehozására.
Talán van értelme a kvantumszámítógépek adatteleportálásra való használatáról beszélni. Igen, pontosan az adatok, és esetleg egy személy teleportálása. Képesek leszünk információkat teleportálni egyik helyről a másikra anélkül, hogy azokat fizikailag továbbítanánk. Fantáziának hangzik, de lehetséges, mert a kvantumrészecskéknek ez a folyékonysága időben és térben összegabalyodhat, így az egyik részecske változása hatással lehet a másikra, és ez csatornát teremt a teleportációhoz. Ezt már bebizonyították laboratóriumokban, és a jövő kvantuminternetének része lehet. Még nincs ilyen hálózatunk, de egyes tudósok már dolgoznak ezeken a lehetőségeken, kvantumhálózatot szimulálva kvantumszámítógépen. Olyan érdekes új protokollokat fejlesztettek és valósítottak meg már, mint a hálózati felhasználók közötti teleportáció és a hatékony adatátvitel, sőt a biztonságos szavazás is.
Azt is el kell mondani, hogy a kvantumszámítógépeket különféle helyzetek szimulálására és problémák megoldására kell használni, beleértve a gyógyszereket és az oltásokat. Például olyan világjárványok idején, mint a koronavírus, amikor gyorsabb számításra és opciószámításra van szükség. Itt ki lehet használni a kvantummodellezés lehetőségét, ami klasszikus számítógépen nem végezhető el. Amikor egy új betegség megjelenik, a gyógymód megtalálásának folyamata körülbelül 15 évig tart, és akár 2,6 milliárd dollárba is kerülhet. Egyes betegségekben molekulák millióit kell átszűrni, hogy csak több száz ígéretes egyént azonosítsunk, akik valószínűleg donorok lesznek. Ezután a tesztelés során a molekulák megközelítőleg 99%-a kiesik többek között a viselkedés hibás előrejelzése és a mintavételi korlátok miatt. Itt kerülnének előtérbe a kvantumszámítógépek.
És ez még mindig csak néhány a csodálatos ötletekből, hogy mit lehet elérni a kvantumfizika segítségével. Jelenleg valamennyire sikerül megszelídítenünk szeszélyes karakterét, de minden fejlemény még a kezdeti szinten van. Egy igazi kvantumszámítógép megalkotása és tömeges alkalmazása még messze van, de a fejlődés nem áll meg. Ezért talán körülbelül tíz év múlva egy kvantumszámítógép segítségével fogja olvasni ezt a cikket, és leereszkedően mosolyog.
Olvassa el még:
Çoch sağ olun, muellimin bize modern memóriaeszközök