We horen al minstens een paar jaar over kwantumcomputers. Maar wat is het? Waar is een kwantumcomputer voor? Vandaag draait het allemaal om in eenvoudige bewoordingen.
Quantum computer is een uitvinding waar veel onderzoekers hoge verwachtingen van hebben, in de verwachting dat het een positief effect zal hebben op de ontwikkeling van de wetenschap. Het is echter erg moeilijk om te begrijpen hoe de kwantumfysica werkt. Sommige natuurkundigen betwijfelen zelfs of de huidige 'kwantumcomputers' zo moeten heten. Het grootste obstakel bij het gebruik van quantum computing is het grote aantal fouten dat wordt beïnvloed door zelfs de kleinste veranderingen in de omgeving van quantummachines. Tot nu toe zijn we er nog niet in geslaagd om het potentieel van kwantumbits volledig te benutten. Vandaag zullen we proberen uit te zoeken wat er zo speciaal is aan deze kwantumbits?
Bestaan er kwantumcomputers?
De essentie van elke echte wetenschapper is niet te vertrouwen en de hele tijd te controleren. Ik herinnerde me deze woorden toen ik nog student was. En meer dan eens vergewist hij zich van de juistheid van deze zin. Dit geldt ook voor "kwantumcomputers". Waarom heb ik de naam van deze computers aangehaald? Laten we het uitzoeken.
Quantumcomputers zijn een zeer complex onderwerp, maar ik zal proberen het zo eenvoudig mogelijk te maken en er op een toegankelijke manier over te praten. Zelfs vandaag de dag kunnen wetenschappers, natuurkundigen en ingenieurs discussiëren over de schijnbaar eenvoudige vraag of er ergens ter wereld een werkende kwantumcomputer bestaat. "Maar hoe kunnen bedrijven als IBM tenslotte opscheppen over kwantumcomputers!" - zou iemand kunnen zeggen. En hij zal gelijk krijgen. Het blijft een open vraag of IBM echt een kwantumcomputer heeft gemaakt of gewoon zijn apparaat een "kwantumcomputer" heeft genoemd.
Als een van mijn vrienden me vraagt om in eenvoudige bewoordingen uit te leggen hoe kwantumcomputers verschillen van de computers die we gewend zijn, gebruik ik meestal een simpele vergelijking. Als onze klassieke computers (zoals PC, laptops dat smartphones) kaarsen zijn, dan zijn kwantumcomputers gloeilampen. Het doel van beide is hetzelfde: voor gloeilampen en kaarsen is het de emissie van licht, en voor computers voor berekeningen. In beide gevallen wordt het doel echter totaal anders bereikt en is het resultaat anders. Simpel gezegd, een kwantumcomputer is niet alleen een verbeterde versie van moderne computers, net zoals een gloeilamp niet alleen een grotere kaars is. Je kunt geen gloeilamp maken door kaarsen steeds beter te maken. De gloeilamp is anders technologie, gebaseerd op dieper wetenschappelijk inzicht. Evenzo is een kwantumcomputer een nieuw type apparaat op basis van kwantumfysica, en net zoals de gloeilamp de samenleving heeft veranderd, kunnen kwantumcomputers veel aspecten van ons leven beïnvloeden, waaronder beveiligingsbehoeften, gezondheidszorg en zelfs internet.
Dus als we ons houden aan de vergelijking van computers met gloeilampen, dan is de "kwantum Joseph Swan" (de maker van de eerste functionele gloeilamp) nog niet verschenen, en tot nu toe probeert de wetenschap, in eenvoudige bewoordingen, "iets roods en heets" door te controleren hoeveel het gloeit. We kennen enkele van de theoretische grondslagen van hoe kwantumcomputers werken, maar er zijn enorme obstakels voor hun ontwikkeling die nog steeds wachten om te worden opgelost.
Onderzoekscentra en bedrijven over de hele wereld voeren verdere tests en onderzoek uit, en experts op het gebied van kwantumfysica zijn het erover eens dat het creëren van volledig functionerende kwantummachines die we kunnen gebruiken om doelen te bereiken die in dit stadium onmogelijk te bereiken zijn, uiteraard tientallen jaren zal duren. van jaren.
Ik geloof, en veel wetenschappers zullen het met me eens zijn, dat de machines die tegenwoordig kwantumcomputers worden genoemd, zo'n naam helemaal niet verdienen. Ze missen het vermogen om berekeningen uit te voeren of problemen op te lossen die we niet op een normale, klassieke manier kunnen oplossen.
We zijn nog niet zo ver van onze technologische ontwikkeling dat we een kwantummachine zouden kunnen maken die problemen zou oplossen die momenteel niet toegankelijk zijn voor klassieke computers. Natuurlijk hebben Google of IBM het over sommige of andere uitgevoerde berekeningen die op een klassieke manier moeilijk zouden zijn om uit te voeren, maar op dit moment zijn ze niet overtuigend.
Lees ook: China staat ook te popelen om de ruimte te verkennen. Dus hoe gaat het met ze?
Wat is een kwantum?
Wat is eigenlijk een "kwantum"? Het is geen fysiek object. De term "kwantum" wordt in de natuurkunde gebruikt om de kleinst mogelijke fractie van iets te beschrijven. Je kunt dus een "krachtkwantum", een "tijdkwantum" of een "deeltjeskwantum" hebben. Als we dit pad volgen, komen we uit op termen als "kwantumfysica" en "kwantummechanica", dat wil zeggen takken van wetenschap die zich bezighouden met de kleinst mogelijke interacties of systemen - op het niveau van atomen en zelfs individuele quarks.
En nu hebben we de qubit (kwantumbit) bereikt, dat wil zeggen, de 'kleinste en ondeelbare eenheid van kwantuminformatie'. Tegelijkertijd komen we ook bij het eerste punt, dat ons vertelt over de overeenkomsten en verschillen in hoe klassieke computers (met bits) en kwantumcomputers (met qubits) berekeningen uitvoeren.
In klassieke computers wordt elk stukje informatie opgeslagen als een reeks enen en nullen. Dergelijke informatie wordt waargenomen en geïnterpreteerd door een computer, console, smartphone, slimme horloge dat Smart TV, vergelijkbaar met de bewerkingen die op deze informatie worden uitgevoerd. Of we nu vakantiefoto's bekijken, met vrienden chatten, de nieuwste game spelen of geavanceerde cryptografische berekeningen uitvoeren, alles gebeurt in een binair systeem met nullen of enen en niets anders. In feite is het meer een klassiek ja of nee.
Hoe inefficiënt dit systeem is, blijkt wanneer we zijn grenzen bereiken. En of we nu geen ruimte meer hebben op onze smartphones voor nog een selfie of wetenschappers proberen wiskundige modellen te maken van de ontwikkeling van een pandemie, het probleem is dat er te veel nullen en enen zijn, en de middelen om ze op te slaan en de kracht om berekenen zijn niet beschikbaar.
Qubit lost dit probleem op. Dit stukje informatie maakt gebruik van eigenschappen van de kwantumfysica waardoor het in een zogenaamde superpositie kan blijven. Een qubit kan elke waarde tussen 0 en 1 aannemen. Het heeft de eigenschappen van het hele spectrum en kan waarden hebben zoals 15 procent nul en 85 procent één. In theorie kun je hierdoor veel meer informatie opslaan of berekeningen versnellen. Maar tegelijkertijd ontstaan er veel problemen die moeilijk te beheersen en zelfs te begrijpen zijn.
Een ander kenmerk van kwantumcomputers, dat extra schaling van rekenkracht mogelijk maakt, is het gebruik van kwantumverstrengeling. Dit is een toestand waarin twee qubits met elkaar zijn verbonden, en elke keer dat we een van hen waarnemen, bevindt de andere zich in precies dezelfde staat. Door verstrengeling kunnen qubits worden gegroepeerd in nog efficiëntere eenheden voor het opnemen en verwerken van informatie.
Lees ook: Wie zijn biohackers en waarom chippen ze zichzelf vrijwillig?
Kwantumapparatuur
Een kwantumcomputer bestaat uit drie hoofdonderdelen: een ruimte voor het opslaan van de qubits, een methode voor het verzenden van signalen naar de qubits en een klassieke computer voor het uitvoeren van een programma en het verzenden van instructies.
Het kwantummateriaal waaruit qubits bestaan is delicaat en extreem gevoelig voor omgevingsinvloeden. Voor sommige qubit-opslagmethoden wordt de eenheid waarin de qubits zijn ondergebracht op een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt gehouden om hun coherentie te maximaliseren. Andere soorten qubit-opslag gebruiken een vacuümkamer om trillingen te minimaliseren en de qubits te stabiliseren.
Er zijn verschillende methoden om signalen naar qubits te verzenden, zoals microgolven, lasers en elektrische spanning.
Om de normale werking van kwantumcomputers vast te stellen, is het noodzakelijk om veel problemen op te lossen. Een groot probleem met kwantumcomputers is foutcorrectie, en schaling (het toevoegen van meer qubits) verhoogt hun frequentie verder. Vanwege deze beperkingen is een kwantumcomputer op je bureau nog een verre toekomst, maar in de nabije toekomst kunnen commerciële kwantumcomputers beschikbaar komen. Laten we hier meer in detail over praten.
Problemen van kwantumcomputers
Kwantumcomputers hebben echter één groot probleem. Dat wil zeggen, wetenschappers hebben een enorm probleem met het gebruik ervan, omdat qubits dankzij hun speciale eigenschappen een voldoende rustige omgeving nodig hebben om alle gegevens ervan nauwkeurig te kunnen lezen. Elke, zelfs de kleinste overtreding maakt het onmogelijk om de informatie nauwkeurig te lezen.
In het geval van klassieke computers speelde een soortgelijk probleem in het verleden ook een belangrijke rol, maar tegenwoordig is het zo onbeduidend dat het zelfs in de academische wetenschap vaak over het hoofd wordt gezien. We hebben het over foutenpercentage. Het is een indicator die bepaalt welk deel van de bits of qubits aan informatie kan worden beschadigd. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren op het moment van overspanning of andere storingen.
Voor klassieke apparaten is de foutkans ongeveer één tot 1017 beetje In het geval van kwantumcomputers is dat nog steeds een van de honderden. En dit in een situatie waarin kwantumcomputers werken in de meest geïsoleerde omstandigheden en bij een temperatuur van -272 graden Celsius, dus iets boven het absolute nulpunt. Eventuele temperatuurschommelingen, veranderingen in het elektromagnetische veld en zelfs beweging vernietigen de hele berekening.
Een ander probleem is de "instabiliteit" van kwantumtoestanden. Elke keer dat we een kwantumtoestand meten of willen verstoren, keert deze terug naar een van de twee posities, nul en één. In dit geval zal de kwantumtoestand vervallen. Dit proces wordt kwantumdecoherentie genoemd.
Zie het zo: een kwantumcomputer is een ervaren wiskundige die complexe berekeningen uitvoert en de resultaten liggen tussen 0 en 1 miljoen. Wij zijn op onze beurt een kind dat alleen maar begrijpt dat iets te veel of te weinig kan zijn. Wanneer een wiskundige verschillende resultaten zou kunnen hebben, zoals 356 of 670,23, volgens ons begrip van de wereld, zou elk van deze resultaten worden geclassificeerd als weinig (1) of veel (846), zonder een specifiek verschil tussen de twee te definiëren. Dit is kwantumdecoherentie. De enige manier om een correcte berekening te maken is om het rekenwerk te garanderen voordat het klaar is.
Lees ook: Wat zullen doorzettingsvermogen en vindingrijkheid doen op Mars?
Waar gaan we kwantumcomputers voor gebruiken?
Tegenwoordig rijst de vraag waar quantumcomputers voor kunnen worden gebruikt, net als 20 jaar geleden, waarvoor een smartphone kan worden gebruikt. Natuurlijk zijn er al enkele plannen en aannames, maar de meest interessante richtingen voor het gebruik van qubits zullen waarschijnlijk duidelijk worden wanneer kwantumcomputers wijdverbreid raken.
Cryptografie is een van de meest populaire gebieden waar quantum computing het vaakst wordt gebruikt. Het punt is dat het een methode zal zijn om informatie op een zeer veilige manier te verzenden, en de beveiliging is niet gebaseerd op de complexiteit van computerprocessen, maar op de wetten van de fysica, die het vertrouwen zullen geven dat bepaalde dingen gewoon onmogelijk zijn. En op dit moment zal het onmogelijk zijn om te luisteren, spioneren, hacken.
De veiligheid wordt in dit geval gegarandeerd door de zeer fysieke eigenschappen van qubits, die, zoals ik eerder heb uitgelegd, geen superpositiekenmerken meer vertonen zodra ze worden waargenomen. Dus elke poging om het gecodeerde bericht te onderscheppen of zelfs te kopiëren, zal het gewoon vernietigen.
Quantumcomputers kunnen ons ook in staat stellen om natuurlijke processen beter te begrijpen. De "chaos" van superpositie weerspiegelt veel beter de manier waarop, bijvoorbeeld, mutaties in DNA, en dus de ontwikkeling van ziekte en evolutie. Quantum computing wordt tegenwoordig al gebruikt om nieuwe medicijnen te maken.
Misschien is het zinvol om te praten over het gebruik van kwantumcomputers voor datateleportatie. Ja, juist het teleporteren van gegevens, en mogelijk een persoon. We kunnen informatie van plaats naar plaats teleporteren zonder deze fysiek over te dragen. Het klinkt als fantasie, maar het is mogelijk, omdat deze vloeibaarheid van kwantumdeeltjes verstrikt kan raken in tijd en ruimte, zodat een verandering in het ene deeltje een ander deeltje kan beïnvloeden, en dit creëert een kanaal voor teleportatie. Dit is al aangetoond in laboratoria en zou onderdeel kunnen zijn van het kwantuminternet van de toekomst. We hebben nog niet zo'n netwerk, maar sommige wetenschappers werken al aan deze mogelijkheden door een kwantumnetwerk op een kwantumcomputer te simuleren. Ze hebben al interessante nieuwe protocollen ontwikkeld en geïmplementeerd, zoals teleportatie tussen netwerkgebruikers en efficiënte gegevensoverdracht, en zelfs veilig stemmen.
Er moet ook worden gezegd dat kwantumcomputers moeten worden gebruikt om verschillende situaties te simuleren en oplossingen te vinden voor problemen, waaronder medicijnen en vaccins. Bijvoorbeeld tijdens pandemieën zoals het coronavirus, wanneer snellere berekening en berekening van opties nodig is. Hier kun je gebruik maken van de mogelijkheid van kwantummodellering, die niet kan worden uitgevoerd op een klassieke computer. Wanneer een nieuwe ziekte de kop opsteekt, duurt het proces om een geneesmiddel te vinden ongeveer 15 jaar en kan het tot 2,6 miljard dollar kosten. Bij sommige ziekten is het nodig om door miljoenen moleculen te filteren om slechts honderden veelbelovende individuen te identificeren die waarschijnlijk donor zullen worden. Vervolgens valt tijdens het testen ongeveer 99% van de moleculen weg vanwege onder andere een verkeerde voorspelling van gedrag en bemonsteringsbeperkingen. Hier zouden kwantumcomputers op de voorgrond treden.
En dit zijn nog maar een paar van de prachtige ideeën over wat er met kwantumfysica kan worden bereikt. Momenteel slagen we er enigszins in om haar grillige karakter te temmen, maar alle ontwikkelingen bevinden zich nog op het beginniveau. De creatie van een echte kwantumcomputer en de massatoepassing ervan is nog ver weg, maar de vooruitgang staat niet stil. Daarom zul je over ongeveer tien jaar dit artikel misschien met behulp van een kwantumcomputer lezen en neerbuigend glimlachen.
Lees ook:
Met andere woorden, het is mogelijk om moderne geheugenapparaten te gebruiken