Vi har hørt om kvantedatamaskiner i minst noen år. Men hva er det? Hva er en kvantedatamaskin for? I dag handler det om det i enkle ord.
Kvante datamaskin er en oppfinnelse som mange forskere har store forhåpninger til, og forventer at den vil ha en positiv innvirkning på utviklingen av vitenskapen. Det er imidlertid svært vanskelig å forstå hvordan kvantefysikk fungerer. Noen fysikere tviler til og med på om de nåværende "kvantedatamaskinene" bør kalles det. Den største hindringen i bruken av kvanteberegning er det store antallet feil som påvirkes av selv de minste endringer i miljøet til kvantemaskiner. Så langt har vi ennå ikke klart å utnytte potensialet til kvantebiter på en tilfredsstillende måte. I dag skal vi prøve å finne ut hva som er spesielt med disse kvantebitene?
Finnes kvantedatamaskiner?
Essensen til enhver ekte vitenskapsmann er å ikke stole på og sjekke hele tiden. Jeg husket akkurat disse ordene da jeg fortsatt var student. Og mer enn en gang forsikret han seg om riktigheten av denne setningen. Dette gjelder også "kvantedatamaskiner". Hvorfor siterte jeg navnet på disse datamaskinene? La oss finne det ut.
Kvantedatamaskiner er et veldig komplekst tema, men jeg skal prøve å gjøre det så enkelt som mulig og snakke om dem på en tilgjengelig måte. Selv i dag kan forskere, fysikere og ingeniører diskutere det tilsynelatende enkle spørsmålet om en fungerende kvantedatamaskin eksisterer et sted i verden. «Men hvordan, tross alt, selskaper som IBM skryter av kvantedatamaskiner!» – kan noen si. Og han vil ha rett. Det er fortsatt et åpent spørsmål om IBM virkelig har laget en kvantedatamaskin eller bare kalt enheten en "kvantedatamaskin".
Når en av vennene mine ber meg forklare med enkle ord hvordan kvantedatamaskiner skiller seg fra datamaskinene vi er vant til, bruker jeg vanligvis en enkel sammenligning. Hvis våre klassiske datamaskiner (som f.eks PC, bærbare datamaskiner og smarttelefoner) er stearinlys, så er kvantedatamaskiner lyspærer. Hensikten med begge er den samme - for glødelamper og stearinlys er det utslipp av lys, og for datamaskiner er det for beregninger. Men i begge tilfeller oppnås målet helt forskjellig og resultatet er forskjellig. Enkelt sagt er en kvantedatamaskin ikke bare en forbedret versjon av moderne datamaskiner, akkurat som en lyspære ikke bare er et større stearinlys. Du kan ikke lage en lyspære ved å gjøre stearinlys bedre og bedre. Lyspæren er annerledes teknologi, basert på dypere vitenskapelig forståelse. På samme måte er en kvantedatamaskin en ny type enhet basert på kvantefysikk, og akkurat som lyspæren endret samfunnet, kan kvantedatamaskiner påvirke mange aspekter av livene våre, inkludert sikkerhetsbehov, helsetjenester og til og med Internett.
Så hvis vi holder oss til sammenligningen av datamaskiner med lyspærer, så har "quantum Joseph Swan" (skaperen av den første funksjonelle glødelampen) ennå ikke dukket opp, og så langt prøver vitenskapen, med enkle ord, å lage "noe rødt og varmt" ved å sjekke hvor mye det lyser. Vi kjenner noen av det teoretiske grunnlaget for hvordan kvantedatamaskiner fungerer, men det er store hindringer for utviklingen deres som fortsatt venter på å bli løst.
Forskningssentre og selskaper over hele verden gjennomfører ytterligere tester og forskning, og eksperter innen kvantefysikk er enige om at etableringen av fullt fungerende kvantemaskiner som vi kan bruke for å nå mål som er umulige å oppnå på dette stadiet, åpenbart vil passere flere titalls år.
Jeg tror, og mange forskere vil være enige med meg, at maskinene som i dag kalles kvantedatamaskiner ikke fortjener et slikt navn i det hele tatt. De mangler evnen til å utføre beregninger eller løse problemer som vi ikke kan løse på en normal, klassisk måte.
Vi har ennå ikke nådd en slik grad av vår teknologiske utvikling at vi ville være i stand til å lage en kvantemaskin som ville løse problemer som i dag er utilgjengelige for klassiske datamaskiner. Selvfølgelig snakker Google eller IBM om noen eller andre utførte beregninger som ville være vanskelige å gjøre på en klassisk måte, men for øyeblikket er de ikke overbevisende.
Les også: Kina er også ivrige etter å utforske verdensrommet. Så hvordan har de det?
Hva er et kvante?
Hva er et "kvante" egentlig? Det er ikke et fysisk objekt. Begrepet "kvante" brukes i fysikk for å beskrive den minste mulige brøkdelen av noe. Så du kan ha et "kraftkvante", et "tidskvante" eller et "partikkelkvante". Ved å følge denne veien vil vi komme frem til begreper som "kvantefysikk" og "kvantemekanikk", det vil si vitenskapsgrener som omhandler de minste mulige interaksjoner eller systemer - på nivå med atomer og til og med individuelle kvarker.
Og nå har vi nådd qubit (kvantebit), det vil si den «minste og udelelige enheten av kvanteinformasjon». Samtidig kommer vi også til det første punktet, som forteller oss om likhetene og forskjellene i hvordan klassiske datamaskiner (ved hjelp av bits) og kvantedatamaskiner (ved bruk av qubits) utfører beregninger.
I klassiske datamaskiner lagres hver del av informasjonen som en sekvens av enere og nuller. Slik informasjon oppfattes og tolkes av en datamaskin, konsoll, smarttelefon, smartklokke og smart-TV, lik operasjonene som utføres på denne informasjonen. Enten vi ser på feriebilder, chatter med venner, spiller det siste spillet eller utfører avanserte kryptografiske beregninger, skjer alt i et binært system hvor det er 0-er eller 1-ere og ingenting annet. Faktisk er det mer som et klassisk ja eller nei.
Hvor ineffektivt dette systemet er, kan vi se når vi når grensene. Og enten vi går tom for plass på smarttelefonene våre til enda en selfie eller forskere prøver å lage matematiske modeller for utviklingen av en pandemi, er problemet at det er for mange nuller og enere, og ressursene til å lagre dem og kraften til å beregne dem er ikke tilgjengelige.
Qubit løser dette problemet. Denne informasjonen bruker egenskaper ved kvantefysikk som gjør at den kan forbli i en såkalt superposisjon. En qubit kan ta hvilken som helst verdi mellom 0 og 1. Den har egenskapene til hele spekteret og kan ha verdier som 15 prosent null og 85 prosent én. Teoretisk sett lar dette deg lagre mye mer informasjon eller fremskynde beregninger. Men samtidig oppstår det mange problemer som er vanskelige å kontrollere og til og med forstå.
En annen funksjon ved kvantedatamaskiner, som tillater ytterligere skalering av datakraft, er bruken av kvanteforviklinger. Dette er en tilstand hvor to qubits er koblet til hverandre, og hver gang vi observerer en av dem, vil den andre være i nøyaktig samme tilstand. Entanglement gjør at qubits kan grupperes i enda mer effektive enheter for registrering og behandling av informasjon.
Les også: Hvem er biohackere og hvorfor chiper de seg selv frivillig?
Kvanteutstyr
En kvantedatamaskin består av tre hoveddeler: et område for lagring av qubitene, en metode for å overføre signaler til qubitene, og en klassisk datamaskin for å kjøre et program og sende instruksjoner.
Kvantematerialet som utgjør qubits er delikat og ekstremt følsomt for miljøpåvirkninger. For noen qubit-lagringsmetoder holdes enheten som rommer qubitene ved en temperatur nær absolutt null for å maksimere deres sammenheng. Andre typer qubit-lagring bruker et vakuumkammer for å minimere vibrasjoner og stabilisere qubitene.
Det finnes ulike metoder for å overføre signaler til qubits, for eksempel mikrobølger, lasere og elektrisk spenning.
For å etablere normal drift av kvantedatamaskiner, er det nødvendig å løse mange problemer. Et stort problem med kvantedatamaskiner er feilretting, og skalering (legge til flere qubits) øker frekvensen ytterligere. På grunn av disse begrensningene er en kvantepersonlig datamaskin på skrivebordet ditt fortsatt en fjern fremtid, men kommersielle kvantedatamaskiner kan bli tilgjengelig i nær fremtid. La oss snakke om dette mer detaljert.
Problemer med kvantedatamaskiner
Kvantedatamaskiner har imidlertid ett stort problem. Det vil si at forskere har et stort problem med bruken, fordi takket være deres spesielle egenskaper trenger qubits et tilstrekkelig rolig miljø for å kunne lese data fra dem nøyaktig. Hver, selv den minste brudd vil gjøre det umulig å lese informasjonen nøyaktig.
Når det gjelder klassiske datamaskiner, spilte et lignende problem også en viktig rolle tidligere, men i dag er det så ubetydelig at det ofte blir oversett selv i akademisk vitenskap. Vi snakker om feilprosent. Det er en indikator som bestemmer hvor stor andel av biter eller qubits med informasjon som kan bli ødelagt. Dette kan for eksempel skje ved overspenning eller andre forstyrrelser.
For klassiske enheter er feilsannsynligheten omtrent en til 1017 bit Når det gjelder kvantedatamaskiner er dette fortsatt en av flere hundre. Og dette er i en situasjon der kvantedatamaskiner fungerer under de mest isolerte forhold og ved en temperatur på -272 grader Celsius, det vil si litt over det absolutte nullpunktet. Eventuelle temperatursvingninger, endringer i det elektromagnetiske feltet og til og med bevegelse ødelegger hele beregningen.
Et annet problem er "ustabiliteten" til kvantetilstander. Hver gang vi måler eller ønsker å forstyrre en kvantetilstand, går den tilbake til én av to posisjoner, null og én. I dette tilfellet vil kvantetilstanden forfalle. Denne prosessen kalles kvantedekoherens.
Tenk på det på denne måten: en kvantedatamaskin er en dyktig matematiker som utfører komplekse beregninger, og resultatene er mellom 0 og 1 million. Vi er på sin side et barn som bare forstår at noe kan være for mye eller for lite. Når en matematiker kan ha forskjellige resultater, for eksempel 356 670,23 eller 1 846 662, i henhold til vår forståelse av verden vil hvert av disse resultatene bli klassifisert som få (0) eller mange (1), uten å definere en spesifikk forskjell mellom de to. Dette er kvantedekoherens. Den eneste måten å gjøre en korrekt beregning på er å garantere matematikkarbeidet før det er ferdig.
Les også: Hva vil utholdenhet og oppfinnsomhet gjøre på Mars?
Hva skal vi bruke kvantedatamaskiner til?
I dag oppstår spørsmålet om hva kvantedatamaskiner kan brukes til, akkurat som for 20 år siden, hva en smarttelefon kan brukes til. Selvfølgelig er det allerede noen planer og forutsetninger, men de mest interessante retningene for bruk av qubits vil trolig bli tydelige når kvantedatamaskiner blir utbredt.
Kryptografi er et av de mest populære feltene der kvanteberegning oftest brukes. Saken er at det vil være en metode for å overføre informasjon på en veldig sikker måte, og sikkerheten er ikke basert på kompleksiteten til databehandlingsprosesser, men på fysikkens lover, som vil gi tillit til at visse ting rett og slett er umulige. Og i dette øyeblikket vil det være umulig å lytte, spionere, hacke.
Sikkerhet i dette tilfellet er garantert av de fysiske egenskapene til qubits, som, som jeg forklarte tidligere, slutter å vise superposisjonstrekk så snart de blir observert. Så ethvert forsøk på å avskjære eller kopiere den kodede meldingen vil ganske enkelt ødelegge den.
Kvantedatamaskiner kan også tillate oss å bedre forstå naturlige prosesser. "Kaoset" av superposisjon gjenspeiler mye bedre måten, for eksempel, mutasjoner i DNA, og derfor utviklingen av sykdom og evolusjon. Kvantedatabehandling brukes allerede i dag for å lage nye medisiner.
Kanskje er det fornuftig å snakke om bruken av kvantedatamaskiner for datateleportering. Ja, nettopp teleportering av data, og muligens en person. Vi vil kunne teleportere informasjon fra sted til sted uten å fysisk overføre den. Det høres ut som fantasi, men det er mulig, fordi denne flyten av kvantepartikler kan bli viklet inn i tid og rom, slik at en endring i en partikkel kan påvirke en annen, og dette skaper en kanal for teleportering. Dette har allerede blitt demonstrert i laboratorier og kan være en del av fremtidens kvanteinternett. Vi har ikke et slikt nettverk ennå, men noen forskere jobber allerede med disse mulighetene, og simulerer et kvantenettverk på en kvantedatamaskin. De har allerede utviklet og implementert interessante nye protokoller, som teleportering mellom nettverksbrukere og effektiv dataoverføring, og til og med sikker stemmegivning.
Det skal også sies at kvantedatamaskiner skal brukes til å simulere ulike situasjoner og finne løsninger på problemer, inkludert medisiner og vaksiner. For eksempel under pandemier som koronaviruset, når raskere beregning og beregning av alternativer er nødvendig. Her kan du bruke muligheten for kvantemodellering, som ikke kan utføres på en klassisk datamaskin. Når en ny sykdom dukker opp, tar prosessen med å finne en kur omtrent 15 år og kan koste opptil 2,6 milliarder dollar. I noen sykdommer er det nødvendig å filtrere gjennom millioner av molekyler for å identifisere bare hundrevis av lovende individer som sannsynligvis vil bli donorer. Deretter, under testing, blir omtrent 99 % av molekylene droppet på grunn av blant annet feilprediksjon av atferd og prøvetakingsbegrensninger. Det er her kvantedatamaskiner vil komme i forgrunnen.
Og dette er fortsatt bare noen få av de fantastiske ideene om hva som kan oppnås ved hjelp av kvantefysikk. Foreløpig klarer vi til en viss grad å temme hennes lunefulle karakter, men all utvikling er fortsatt på startnivået. Opprettelsen av en ekte kvantedatamaskin og dens masseapplikasjon er fortsatt ganske langt unna, men fremgangen står ikke stille. Derfor vil du kanskje om omtrent ti år lese denne artikkelen ved hjelp av en kvantedatamaskin og smile nedlatende.
Les også:
Çoch sağ olun, muellimin biize moderne minneenheter