За квантните компјутери слушаме барем неколку години. Но, што е тоа? За што служи квантен компјутер? Денес се работи за тоа со едноставни зборови.
Квантна компјутер е изум за кој многу истражувачи полагаат големи надежи, очекувајќи дека ќе има позитивно влијание врз развојот на науката. Сепак, разбирањето како функционира квантната физика е многу тешко. Некои физичари дури се сомневаат дали сегашните „квантни компјутери“ треба да се нарекуваат така. Најголемата пречка во користењето на квантните пресметувања е големиот број на грешки на кои влијаат дури и најмалите промени во околината на квантните машини. Досега сè уште не сме успеале целосно задоволително да го искористиме потенцијалот на квантните битови. Денес ќе се обидеме да откриеме што е посебно во овие квантни битови?
Дали постојат квантни компјутери?
Суштината на секој вистински научник е да не веруваме и постојано да проверуваме. Се сетив на овие зборови уште кога бев студент. И повеќе од еднаш се увери во точноста на оваа фраза. Ова важи и за „квантните компјутери“. Зошто го цитирав името на овие компјутери? Ајде да дознаеме.
Квантните компјутери се многу сложена тема, но ќе се обидам да ја направам што е можно поедноставна и да зборувам за нив на достапен начин. Дури и денес, научниците, физичарите и инженерите можат да дебатираат за навидум едноставното прашање дали работен квантен компјутер постои некаде во светот. „Но, како, на крајот на краиштата, компаниите како IBM се фалат со квантните компјутери!“ - може да каже некој. И тој ќе биде во право. Останува отворено прашање дали IBM навистина создаде квантен компјутер или едноставно го нарече својот уред „квантен компјутер“.
Кога еден од моите пријатели ќе ме праша со едноставни зборови да објаснам како квантните компјутери се разликуваат од компјутерите на кои сме навикнати, јас обично користам едноставна споредба. Ако нашите класични компјутери (како на пр компјутер, лаптопи тоа паметни телефони) се свеќи, а потоа квантните компјутери се светилки. Целта на двете е иста – за лампи и свеќи, тоа е емисија на светлина, а за компјутери, тоа е за пресметки. Но, и во двата случаи целта се постигнува сосема поинаку, а резултатот е различен. Едноставно кажано, квантниот компјутер не е само подобрена верзија на современите компјутери, исто како што сијалицата не е само поголема свеќа. Не можете да создадете сијалица со тоа што ќе ги правите свеќите сè подобри и подобри. Сијалицата е различна технологија, врз основа на подлабоко научно разбирање. Исто така, квантниот компјутер е нов тип на уред заснован на квантната физика и како што сијалицата го промени општеството, квантните компјутери можат да влијаат на многу аспекти од нашите животи, вклучувајќи ги безбедносните потреби, здравствената заштита, па дури и Интернетот.
Значи, ако се задржиме на споредбата на компјутерите со светилки, тогаш „квантниот Џозеф Свон“ (креаторот на првата функционална сијалица со вжарено) се уште не се појавил, а досега науката се обидува, со едноставни зборови, да направи „нешто црвено и топло“ со проверка, колку свети. Знаеме некои од теоретските основи за тоа како функционираат квантните компјутери, но постојат огромни пречки за нивниот развој кои сè уште чекаат да се решат.
Истражувачките центри и компании ширум светот спроведуваат дополнителни тестови и истражувања, а експертите од областа на квантната физика се согласуваат дека создавањето на целосно функционални квантни машини кои можеме да ги користиме за да постигнеме цели што е невозможно да се постигнат во оваа фаза, очигледно ќе помине десетици на години.
Верувам, а многу научници ќе се сложат со мене, дека машините кои моментално се нарекуваат квантни компјутери воопшто не заслужуваат такво име. Ним им недостига способност да вршат пресметки или да решаваат проблеми што не можеме да ги решиме на нормален, класичен начин.
Сè уште не сме достигнале таков степен на нашиот технолошки развој што би можеле да создадеме квантна машина која ќе решава проблеми кои во моментов се недостапни за класичните компјутери. Се разбира, Google или IBM зборуваат за некои или други извршени пресметки кои би било тешко да се направат на класичен начин, но во моментов тие не се убедливи.
Прочитајте исто така: Кина исто така е желна да ја истражува вселената. Па, како им оди?
Што е квантум?
Што е сепак „квантум“? Тоа не е физички објект. Терминот „квант“ се користи во физиката за да се опише најмалиот можен дел од нешто. Значи, може да имате „квант на сила“, „временски квант“ или „квант на честички“. Следејќи го овој пат, ќе дојдеме до термини како „квантна физика“ и „квантна механика“, односно гранки на науката кои се занимаваат со најмали можни интеракции или системи - на ниво на атоми, па дури и на поединечни кваркови.
И сега стигнавме до кјубитот (квантен бит), односно „најмалата и неделива единица на квантни информации“. Во исто време, доаѓаме и до првата точка, која ни кажува за сличностите и разликите во тоа како класичните компјутери (со користење на битови) и квантните компјутери (со користење на кубити) вршат пресметки.
Во класичните компјутери, секоја информација се чува како низа од единици и нули. Ваквите информации ги перцепираат и толкуваат компјутер, конзола, паметен телефон, паметен часовник тоа паметен телевизор, слично на операциите што се вршат на оваа информација. Без разлика дали гледаме фотографии од одмор, разговараме со пријателите, ја играме најновата игра или вршиме напредни криптографски пресметки, сè се случува во бинарен систем каде што има 0 или 1 и ништо друго. Всушност, тоа е повеќе како класично да или не.
Колку е неефикасен овој систем може да се види кога ќе ги достигнеме неговите граници. И без разлика дали ни снемува простор на нашите паметни телефони за уште едно селфи или научниците се обидуваат да создадат математички модели за развој на пандемија, проблемот е што има премногу нули и единици, како и ресурсите за нивно складирање и моќта за пресметајте ги не се достапни.
Qubit го решава овој проблем. Оваа информација користи својства на квантната физика кои овозможуваат да остане во таканаречена суперпозиција. Кубитот може да земе која било вредност помеѓу 0 и 1. Ги има својствата на целиот спектар и може да има вредности како што се 15 проценти нула и 85 проценти еден. Теоретски, ова ви овозможува да зачувате многу повеќе информации или да ги забрзате пресметките. Но, во исто време, се појавуваат многу проблеми кои тешко се контролираат, па дури и се разбираат.
Друга карактеристика на квантните компјутери, која овозможува дополнително скалирање на компјутерската моќ, е употребата на квантно заплеткување. Ова е состојба во која два кубита се поврзани еден со друг, и секогаш кога ќе набљудуваме еден од нив, другиот ќе биде во потполно иста состојба. Заплеткувањето овозможува кјубитите да се групираат во уште поефикасни единици за снимање и обработка на информации.
Прочитајте исто така: Кои се биохакери и зошто доброволно се чипираат?
Квантна опрема
Квантен компјутер се состои од три главни дела: област за складирање на кјубитите, метод за пренос на сигнали до кјубитите и класичен компјутер за водење програма и испраќање инструкции.
Квантниот материјал што ги сочинува кјубитите е нежен и исклучително чувствителен на влијанија од околината. За некои методи за складирање кубити, единицата во која се сместени кубитите се чува на температура блиску до апсолутна нула за да се максимизира нивната кохерентност. Други типови на кубити за складирање користат вакуумска комора за да се минимизираат вибрациите и да се стабилизираат кјубитите.
Постојат различни методи за пренос на сигнали до кјубити, како што се микробранови, ласери и електричен напон.
За да се воспостави нормална работа на квантните компјутери, неопходно е да се решат многу проблеми. Главниот проблем со квантните компјутери е корекција на грешки, а скалирањето (додавањето повеќе кубити) дополнително ја зголемува нивната фреквенција. Поради овие ограничувања, квантен персонален компјутер на вашето биро сè уште е далечна иднина, но комерцијалните квантни компјутери може да станат достапни во блиска иднина. Ајде да разговараме за ова подетално.
Проблеми на квантните компјутери
Сепак, квантните компјутери имаат еден огромен проблем. Односно, научниците имаат огромен проблем со нивната употреба, бидејќи, благодарение на нивните посебни својства, на кјубитите им е потребна доволно мирна средина за да можат прецизно да читаат какви било податоци од нив. Секое, дури и најмало прекршување ќе го оневозможи точното читање на информациите.
Во случајот со класичните компјутери, сличен проблем исто така играше важна улога во минатото, но денес е толку незначителен што често се занемарува дури и во академската наука. Зборуваме за стапка на грешка. Тоа е индикатор кој одредува колкав дел од битови или кубити од информации може да бидат оштетени. Ова може да се случи, на пример, во време на пренапон или други пречки.
За класичните уреди, веројатноста за грешка е приближно еден до 1017 малку Во случајот со квантните компјутери, ова сè уште е еден од неколкуте стотици. И ова е во ситуација кога квантните компјутери работат во најизолирани услови и на температура од -272 Целзиусови степени, односно малку над апсолутната нула. Сите температурни флуктуации, промени во електромагнетното поле, па дури и движењето ја уништуваат целата пресметка.
Друг проблем е „нестабилноста“ на квантните состојби. Секој пат кога мериме или сакаме да ја нарушиме квантната состојба, таа се враќа на една од двете позиции, нула и една. Во овој случај, квантната состојба ќе се распадне. Овој процес се нарекува квантна декохеренција.
Размислете за тоа вака: квантен компјутер е вешт математичар кој врши сложени пресметки, а неговите резултати се помеѓу 0 и 1 милион. Ние, пак, сме дете кое само разбира дека нешто може да биде премногу или премалку. Секогаш кога математичарот може да има различни резултати, како што се 356 или 670,23, според нашето разбирање за светот, секој од овие резултати би бил класифициран како малку (1) или многу (846), без да се дефинира специфична разлика помеѓу двете. Ова е квантна декохеренција. Единствениот начин да се направи правилна пресметка е да се гарантира математичката работа пред да се заврши.
Прочитајте исто така: Што ќе направат упорноста и генијалноста на Марс?
За што ќе ги користиме квантните компјутери?
Денеска се поставува прашањето за што може да се користат квантните компјутери, исто како и пред 20 години, за што може да се користи паметниот телефон. Се разбира, веќе има некои планови и претпоставки, но најинтересните насоки за употреба на кјубитите веројатно ќе станат јасни кога квантните компјутери ќе станат широко распространети.
Криптографијата е едно од најпопуларните полиња каде најчесто се користи квантното пресметување. Работата е дека тоа ќе биде метод за пренос на информации на многу безбеден начин, а безбедноста не се заснова на сложеноста на пресметковните процеси, туку на законите на физиката, што ќе даде доверба дека некои работи се едноставно невозможни. И во овој момент ќе биде невозможно да се слуша, шпионира, хакира.
Безбедноста во овој случај е загарантирана со самите физички својства на кјубитите, кои, како што објаснив претходно, престануваат да покажуваат карактеристики на суперпозиција веднаш штом ќе се забележат. Така, секој обид за пресретнување или дури и копирање на кодираната порака едноставно ќе ја уништи.
Квантните компјутери исто така може да ни овозможат подобро да ги разбереме природните процеси. „Хаосот“ на суперпозиција многу подобро го отсликува начинот на, на пример, мутациите во ДНК, а со тоа и развојот на болеста и еволуцијата. Квантното пресметување веќе се користи денес за создавање на нови лекови.
Можеби има смисла да се зборува за употребата на квантни компјутери за телепортација на податоци. Да, токму телепортација на податоци, а можеби и на личност. Ќе можеме да телепортираме информации од место до место без физички да ги пренесуваме. Звучи како фантазија, но тоа е можно, бидејќи оваа флуидност на квантните честички може да се заплетка во времето и просторот, така што промената на една честичка може да влијае на друга, а тоа создава канал за телепортација. Ова е веќе докажано во лаборатории и може да биде дел од квантниот интернет на иднината. Сè уште немаме таква мрежа, но некои научници веќе работат на овие можности, симулирајќи квантна мрежа на квантен компјутер. Тие веќе развија и имплементираа интересни нови протоколи, како што се телепортација помеѓу корисниците на мрежата и ефикасен пренос на податоци, па дури и безбедно гласање.
Исто така, треба да се каже дека квантните компјутери треба да се користат за симулирање на различни ситуации и изнаоѓање решенија за проблемите, вклучително и лекови и вакцини. На пример, за време на пандемии како коронавирусот, кога е потребна побрза пресметка и пресметка на опциите. Овде можете да ја искористите можноста за квантно моделирање, кое не може да се изврши на класичен компјутер. Кога ќе се појави нова болест, процесот на изнаоѓање лек трае околу 15 години и може да чини до 2,6 милијарди долари. Кај некои болести, неопходно е да се филтрира низ милиони молекули за да се идентификуваат само стотици перспективни поединци кои најверојатно ќе станат донатори. Потоа, за време на тестирањето, приближно 99% од молекулите се исфрлаат поради, меѓу другото, погрешно предвидување на однесувањето и ограничувања за земање примероци. Тука би дошле до израз квантните компјутери.
И ова се уште само неколку од прекрасните идеи за тоа што може да се постигне со помош на квантната физика. Моментално успеваме донекаде да го скротиме нејзиниот каприциозен карактер, но сите случувања се уште се на почетно ниво. Создавањето на вистински квантен компјутер и неговата масовна примена се уште е доста далеку, но напредокот не застанува. Затоа, можеби за околу десет години ќе ја читате оваа статија со помош на квантен компјутер и ќе се смешкате снисходливо.
Прочитајте исто така:
Современи уреди за меморија