Am auzit de computere cuantice de cel puțin câțiva ani. Dar ce este? Pentru ce este un computer cuantic? Astăzi totul este despre asta în cuvinte simple.
Cuantic calculator este o invenție în care mulți cercetători își au mari speranțe, așteptându-se că va avea un impact pozitiv asupra dezvoltării științei. Cu toate acestea, înțelegerea modului în care funcționează fizica cuantică este foarte dificilă. Unii fizicieni se îndoiesc chiar dacă actualele „calculatoare cuantice” ar trebui să fie numite așa. Cel mai mare obstacol în utilizarea calculului cuantic este numărul mare de erori care sunt afectate chiar și de cele mai mici schimbări în mediul mașinilor cuantice. Până acum, nu am reușit încă să exploatăm pe deplin satisfăcător potențialul biților cuantici. Astăzi vom încerca să aflăm ce este special la acești biți cuantici?
Există computere cuantice?
Esența oricărui om de știință adevărat este să nu aibă încredere și să verifice tot timpul. Chiar mi-am amintit aceste cuvinte când eram încă student. Și nu o dată s-a asigurat de corectitudinea acestei fraze. Acest lucru este valabil și pentru „calculatoarele cuantice”. De ce am citat numele acestor computere? Să aflăm.
Calculatoarele cuantice sunt un subiect foarte complex, dar voi încerca să o fac cât mai simplu și să vorbesc despre ele într-un mod accesibil. Chiar și astăzi, oamenii de știință, fizicienii și inginerii pot dezbate întrebarea aparent simplă dacă există un computer cuantic funcțional undeva în lume. „Dar cum, până la urmă, companii precum IBM se laudă cu calculatoarele cuantice!” – poate spune cineva. Și va avea dreptate. Rămâne o întrebare deschisă dacă IBM a creat cu adevărat un computer cuantic sau pur și simplu și-a numit dispozitivul „calculator cuantic”.
Când unul dintre prietenii mei îmi cere să explic în cuvinte simple cum diferă computerele cuantice de computerele cu care suntem obișnuiți, de obicei folosesc o comparație simplă. Dacă computerele noastre clasice (cum ar fi PC, laptopuri că smartphone-uri) sunt lumânări, apoi computerele cuantice sunt becuri. Scopul ambelor este același - pentru lămpi cu incandescență și lumânări, este emisia de lumină, iar pentru computere, este pentru calcule. Cu toate acestea, în ambele cazuri scopul este atins complet diferit și rezultatul este diferit. Mai simplu spus, un computer cuantic nu este doar o versiune îmbunătățită a computerelor moderne, la fel cum un bec nu este doar o lumânare mai mare. Nu poți crea un bec făcând lumânări din ce în ce mai bune. Becul este diferit tehnologie, bazat pe o înțelegere științifică mai profundă. De asemenea, un computer cuantic este un nou tip de dispozitiv bazat pe fizica cuantică și, la fel cum becul a schimbat societatea, computerele cuantice pot afecta multe aspecte ale vieții noastre, inclusiv nevoile de securitate, asistența medicală și chiar internetul.
Deci, dacă rămânem la comparația computerelor cu becuri, atunci „cuantica Joseph Swan” (creatorul primului bec incandescent funcțional) nu a apărut încă, iar până acum știința încearcă, în cuvinte simple, să facă „ceva roșu și fierbinte” verificând cât de mult strălucește. Cunoaștem câteva dintre fundamentele teoretice ale modului în care funcționează computerele cuantice, dar există obstacole uriașe în calea dezvoltării lor care încă așteaptă să fie rezolvate.
Centrele de cercetare și companiile din întreaga lume efectuează noi teste și cercetări, iar experții din domeniul fizicii cuantice sunt de acord că crearea de mașini cuantice pe deplin funcționale pe care le putem folosi pentru a atinge obiective imposibil de atins în această etapă va trece, evident, de zeci. de ani.
Cred, și mulți oameni de știință vor fi de acord cu mine, că mașinile numite în prezent computere cuantice nu merită deloc un astfel de nume. Le lipsește capacitatea de a efectua calcule sau de a rezolva probleme pe care nu le putem rezolva într-un mod normal, clasic.
Nu am atins încă un asemenea grad de dezvoltare tehnologică încât să putem crea o mașină cuantică care să rezolve probleme care sunt în prezent inaccesibile computerelor clasice. Desigur, Google sau IBM vorbesc despre unele sau alte calcule efectuate care ar fi greu de făcut într-un mod clasic, dar momentan nu sunt convingătoare.
Citeste si: China este, de asemenea, dornică să exploreze spațiul. Deci, ce mai fac?
Ce este un cuantic?
Oricum, ce este un „cuantic”? Nu este un obiect fizic. Termenul „cuantic” este folosit în fizică pentru a descrie cea mai mică fracțiune posibilă a ceva. Deci, puteți avea un „cuantum de forță”, un „cuantum de timp” sau un „cuantum de particule”. Urmând acest drum, vom ajunge la termeni precum „fizica cuantică” și „mecanica cuantică”, adică ramuri ale științei care se ocupă de cele mai mici interacțiuni sau sisteme posibile – la nivelul atomilor și chiar al quarcilor individuali.
Și acum am ajuns la qubit (bit cuantic), adică „cea mai mică și indivizibilă unitate de informație cuantică”. În același timp, ajungem și la primul punct, care ne vorbește despre asemănările și diferențele în modul în care calculatoarele clasice (folosind biți) și computerele cuantice (folosind qubiți) efectuează calcule.
În calculatoarele clasice, fiecare informație este stocată ca o secvență de unu și zero. Astfel de informații sunt percepute și interpretate de un computer, consolă, smartphone, ceas inteligent că televizor inteligent, similar cu operațiunile care se efectuează asupra acestor informații. Fie că ne uităm la fotografii din vacanță, discutăm cu prietenii, jucăm cel mai recent joc sau efectuăm calcule criptografice avansate, totul se întâmplă într-un sistem binar în care există 0 sau 1 și nimic altceva. De fapt, este mai mult ca un clasic da sau nu.
Cât de ineficient este acest sistem se vede când îi atingem limitele. Și fie că rămânem fără spațiu pe smartphone-urile noastre pentru un alt selfie sau oamenii de știință încearcă să creeze modele matematice ale dezvoltării unei pandemii, problema este că există prea multe zerouri și unități și resursele pentru a le stoca și puterea de a le stoca. calculați-le nu sunt disponibile.
Qubit rezolvă această problemă. Această informație folosește proprietăți ale fizicii cuantice care îi permit să rămână într-o așa-numită suprapunere. Un qubit poate lua orice valoare între 0 și 1. Are proprietățile întregului spectru și poate avea valori precum 15% zero și 85% unu. Teoretic, acest lucru vă permite să salvați mult mai multe informații sau să accelerați calculele. Dar, în același timp, apar o mulțime de probleme greu de controlat și chiar de înțeles.
O altă caracteristică a calculatoarelor cuantice, care permite scalarea suplimentară a puterii de calcul, este utilizarea întanglementării cuantice. Aceasta este o stare în care doi qubiți sunt conectați unul la altul și de fiecare dată când observăm unul dintre ei, celălalt va fi exact în aceeași stare. Entanglement permite gruparea qubiților în unități și mai eficiente pentru înregistrarea și procesarea informațiilor.
Citeste si: Cine sunt biohackeri și de ce se cip voluntar?
Echipament cuantic
Un computer cuantic este format din trei părți principale: o zonă pentru stocarea qubiților, o metodă de transmitere a semnalelor către qubiți și un computer clasic pentru rularea unui program și trimiterea instrucțiunilor.
Materialul cuantic care formează qubiții este delicat și extrem de sensibil la influențele mediului. Pentru unele metode de stocare a qubiților, unitatea care găzduiește qubiții este menținută la o temperatură apropiată de zero absolut pentru a maximiza coerența acestora. Alte tipuri de stocare de qubiți folosesc o cameră de vid pentru a minimiza vibrațiile și pentru a stabiliza qubiții.
Există diferite metode de transmitere a semnalelor către qubiți, cum ar fi microunde, lasere și tensiune electrică.
Pentru a stabili funcționarea normală a calculatoarelor cuantice, este necesar să se rezolve multe probleme. O problemă majoră cu computerele cuantice este corectarea erorilor, iar scalarea (adăugarea mai multor qubiți) crește și mai mult frecvența acestora. Din cauza acestor limitări, un computer personal cuantic de pe biroul tău este încă un viitor îndepărtat, dar computerele cuantice comerciale pot deveni disponibile în viitorul apropiat. Să vorbim despre asta mai detaliat.
Probleme ale calculatoarelor cuantice
Cu toate acestea, computerele cuantice au o problemă uriașă. Adică, oamenii de știință au o problemă uriașă cu utilizarea lor, deoarece, datorită proprietăților lor speciale, qubiții au nevoie de un mediu suficient de calm pentru a putea citi cu precizie orice date de la ei. Fiecare, chiar și cea mai mică încălcare va face imposibilă citirea cu acuratețe a informațiilor.
În cazul calculatoarelor clasice, o problemă similară a jucat și în trecut un rol important, dar astăzi este atât de nesemnificativă încât este adesea trecută cu vederea chiar și în știința academică. Vorbim despre rata de eroare. Este un indicator care determină ce proporție de biți sau qubiți de informații poate fi coruptă. Acest lucru se poate întâmpla, de exemplu, în momentul supratensiunii sau a altor perturbări.
Pentru dispozitivele clasice, probabilitatea de eroare este de aproximativ unu to 1017 pic În cazul computerelor cuantice, acesta este încă unul dintre câteva sute. Și asta într-o situație în care computerele cuantice funcționează în cele mai izolate condiții și la o temperatură de -272 de grade Celsius, adică puțin peste zero absolut. Orice fluctuații de temperatură, modificări ale câmpului electromagnetic și chiar mișcare distrug întregul calcul.
O altă problemă este „instabilitatea” stărilor cuantice. De fiecare dată când măsurăm sau dorim să perturbăm o stare cuantică, aceasta revine la una din cele două poziții, zero și unu. În acest caz, starea cuantică va decădea. Acest proces se numește decoerență cuantică.
Gândiți-vă la asta astfel: un computer cuantic este un matematician priceput care efectuează calcule complexe, iar rezultatele sale sunt între 0 și 1 milion. Noi, la rândul nostru, suntem un copil care înțelege doar că ceva poate fi prea mult sau prea puțin. Ori de câte ori un matematician ar putea avea rezultate diferite, cum ar fi 356 sau 670,23, conform înțelegerii noastre despre lume, fiecare dintre aceste rezultate ar fi clasificat ca puține (1) sau multe (846), fără a defini o diferență specifică între cele două. Aceasta este decoerența cuantică. Singura modalitate de a face un calcul corect este garantarea lucrărilor de matematică înainte ca aceasta să fie terminată.
Citeste si: Ce vor face Perseverența și Ingeniozitatea pe Marte?
Pentru ce vom folosi computerele cuantice?
Astăzi, se pune întrebarea pentru ce pot fi folosite computerele cuantice, la fel ca acum 20 de ani, pentru ce poate fi folosit un smartphone. Desigur, există deja câteva planuri și ipoteze, dar cele mai interesante direcții de utilizare a qubiților vor deveni probabil clare atunci când computerele cuantice se vor răspândi.
Criptografia este unul dintre cele mai populare domenii în care calculul cuantic este cel mai des folosit. Chestia este că va fi o metodă de transmitere a informațiilor într-un mod foarte sigur, iar securitatea nu se bazează pe complexitatea proceselor de calcul, ci pe legile fizicii, care vor da încredere că anumite lucruri sunt pur și simplu imposibile. Și în acest moment va fi imposibil să asculți, să spioni, să spargi.
Securitatea în acest caz este garantată de proprietățile fizice ale qubiților, care, după cum am explicat mai devreme, încetează să mai arate caracteristici de suprapunere de îndată ce sunt observați. Deci orice încercare de a intercepta sau chiar copia mesajul codificat îl va distruge pur și simplu.
De asemenea, computerele cuantice ne pot permite să înțelegem mai bine procesele naturale. „Haosul” suprapunerii reflectă mult mai bine modul în care, de exemplu, mutațiile ADN-ului și, prin urmare, dezvoltarea bolii și evoluția. Calculul cuantic este deja folosit astăzi pentru a crea noi medicamente.
Poate că are sens să vorbim despre utilizarea computerelor cuantice pentru teleportarea datelor. Da, tocmai teleportarea datelor și, eventual, a unei persoane. Vom putea teleporta informații din loc în loc fără a le transfera fizic. Sună a fantezie, dar este posibil, deoarece această fluiditate a particulelor cuantice poate deveni încurcată în timp și spațiu, astfel încât o schimbare a unei particule poate afecta alta, iar acest lucru creează un canal pentru teleportare. Acest lucru a fost deja demonstrat în laboratoare și ar putea face parte din internetul cuantic al viitorului. Nu avem încă o astfel de rețea, dar unii oameni de știință lucrează deja la aceste posibilități, simulând o rețea cuantică pe un computer cuantic. Au dezvoltat și implementat deja noi protocoale interesante, cum ar fi teleportarea între utilizatorii rețelei și transferul eficient de date și chiar votul securizat.
De asemenea, trebuie spus că calculatoarele cuantice ar trebui folosite pentru a simula diverse situații și a găsi soluții la probleme, inclusiv medicamente și vaccinuri. De exemplu, în timpul unor pandemii precum coronavirusul, când este nevoie de un calcul și un calcul mai rapid al opțiunilor. Aici puteți folosi posibilitatea modelării cuantice, care nu poate fi efectuată pe un computer clasic. Când apare o nouă boală, procesul de găsire a unui remediu durează aproximativ 15 ani și poate costa până la 2,6 miliarde de dolari. În unele boli, este necesar să se filtreze prin milioane de molecule pentru a identifica doar sute de indivizi promițători care ar putea deveni donatori. Apoi, în timpul testării, aproximativ 99% din molecule sunt abandonate din cauza, printre altele, previziunii greșite a comportamentului și limitărilor de eșantionare. Aici ar veni în prim plan computerele cuantice.
Și acestea sunt încă doar câteva dintre ideile minunate despre ceea ce se poate realiza folosind fizica cuantică. În prezent, reușim într-o oarecare măsură să-i îmblânzim caracterul capricios, dar toate evoluțiile sunt încă la nivelul inițial. Crearea unui computer cuantic real și aplicarea sa în masă este încă destul de departe, dar progresul nu stă pe loc. Prin urmare, poate în aproximativ zece ani veți citi acest articol cu ajutorul unui computer cuantic și veți zâmbi condescendent.
Citeste si:
Çoch sağ olun, muellimin bize dispozitive de memorie moderne