O kvantnih računalnikih poslušamo že vsaj nekaj let. Toda kaj je to? Čemu je namenjen kvantni računalnik? Danes je vse o tem s preprostimi besedami.
Kvantna računalnik je izum, od katerega si veliko obetajo številni raziskovalci, ki pričakujejo, da bo pozitivno vplival na razvoj znanosti. Vendar pa je razumevanje delovanja kvantne fizike zelo težko. Nekateri fiziki celo dvomijo, ali naj se sedanji »kvantni računalniki« tako imenujejo. Največja ovira pri uporabi kvantnega računalništva je veliko število napak, na katere vplivajo že najmanjše spremembe v okolju kvantnih strojev. Doslej nam še ni uspelo povsem zadovoljivo izkoristiti potenciala kvantnih bitov. Danes bomo poskušali ugotoviti, kaj je posebnega na prav teh kvantnih bitih?
Ali kvantni računalniki obstajajo?
Bistvo vsakega pravega znanstvenika je, da ne zaupa in ves čas preverja. Prav teh besed sem se spomnil, ko sem bil še študent. In več kot enkrat se je prepričal o pravilnosti te fraze. To velja tudi za »kvantne računalnike«. Zakaj sem citiral imena teh računalnikov? Pa ugotovimo.
Kvantni računalniki so zelo kompleksna tema, vendar jo bom poskušal čim bolj poenostaviti in o njih spregovoriti na dostopen način. Še danes lahko znanstveniki, fiziki in inženirji razpravljajo o na videz preprostem vprašanju, ali nekje na svetu obstaja delujoč kvantni računalnik. "Ampak kako se navsezadnje podjetja, kot je IBM, hvalijo s kvantnimi računalniki!" - bo kdo rekel. In imel bo prav. Ostaja odprto vprašanje, ali je IBM res ustvaril kvantni računalnik ali je svojo napravo preprosto poimenoval "kvantni računalnik".
Ko me kdo od prijateljev prosi, naj s preprostimi besedami razložim, kako se kvantni računalniki razlikujejo od računalnikov, ki smo jih vajeni, običajno uporabim preprosto primerjavo. Če naši klasični računalniki (kot npr PC, prenosniki da pametni telefoni) so sveče, potem so kvantni računalniki žarnice. Namen obeh je enak – pri žarnicah in svečah je to oddajanje svetlobe, pri računalnikih pa izračuni. Vendar je v obeh primerih cilj dosežen popolnoma drugače in rezultat je drugačen. Preprosto povedano, kvantni računalnik ni le izboljšana različica sodobnih računalnikov, tako kot žarnica ni le večja sveča. Ne morete ustvariti žarnice tako, da delate sveče vedno boljše. Žarnica je drugačna tehnologija, ki temelji na globljem znanstvenem razumevanju. Podobno je kvantni računalnik nova vrsta naprave, ki temelji na kvantni fiziki, in tako kot je žarnica spremenila družbo, lahko kvantni računalniki vplivajo na številne vidike našega življenja, vključno z varnostnimi potrebami, zdravstvenim varstvom in celo internetom.
Torej, če ostanemo pri primerjavi računalnikov z žarnicami, potem se "kvantni Joseph Swan" (ustvarjalec prve funkcionalne žarnice z žarilno nitko) še ni pojavil, znanost pa poskuša, z enostavnimi besedami, narediti "nekaj rdečega in vročega" s preverjanjem, koliko sveti. Poznamo nekaj teoretičnih osnov delovanja kvantnih računalnikov, vendar obstajajo velike ovire za njihov razvoj, ki še vedno čakajo na rešitev.
Raziskovalni centri in podjetja po vsem svetu izvajajo nadaljnje teste in raziskave, strokovnjaki s področja kvantne fizike pa se strinjajo, da bo ustvarjanje popolnoma delujočih kvantnih strojev, s katerimi lahko dosežemo cilje, ki jih na tej stopnji ni mogoče doseči, očitno preseglo desetine. let.
Verjamem in mnogi znanstveniki se bodo strinjali z menoj, da si stroji, ki jih trenutno imenujemo kvantni računalniki, sploh ne zaslužijo takega imena. Nimajo sposobnosti računanja ali reševanja problemov, ki jih ne moremo rešiti na običajen, klasičen način.
Nismo še dosegli takšne stopnje tehnološke razvitosti, da bi lahko ustvarili kvantni stroj, ki bi reševal probleme, ki so klasičnim računalnikom trenutno nedostopni. Seveda Google ali IBM govorita o takšnih ali drugačnih izvedenih izračunih, ki bi jih bilo težko narediti na klasičen način, a trenutno niso prepričljivi.
Preberite tudi: Kitajska je tudi vneta raziskovanja vesolja. Torej, kako jim gre?
Kaj je kvantum?
Kaj sploh je "kvantum"? To ni fizični objekt. Izraz "kvant" se v fiziki uporablja za opis najmanjšega možnega delčka nečesa. Torej imate lahko "kvant sile", "kvant časa" ali "kvant delca". Po tej poti bomo prišli do izrazov, kot sta »kvantna fizika« in »kvantna mehanika«, torej veji znanosti, ki se ukvarjata z najmanjšimi možnimi interakcijami oziroma sistemi – na ravni atomov in celo posameznih kvarkov.
In zdaj smo prišli do kubita (kvantnega bita), to je »najmanjše in nedeljive enote kvantne informacije«. Obenem pa pridemo tudi do prve točke, ki nam pove o podobnostih in razlikah v tem, kako klasični računalniki (z uporabo bitov) in kvantni računalniki (z uporabo qubitov) izvajajo izračune.
V klasičnih računalnikih je vsaka informacija shranjena kot zaporedje enic in ničel. Takšne informacije zaznajo in interpretirajo računalnik, konzola, pametni telefon, pametna ura da pametni televizor, podobno kot operacije, ki se izvajajo s temi informacijami. Ne glede na to, ali gledamo fotografije s počitnic, klepetamo s prijatelji, igramo najnovejšo igro ali izvajamo napredne kriptografske izračune, se vse dogaja v binarnem sistemu, kjer so 0 ali 1 in nič drugega. Pravzaprav je bolj podobna klasičnemu da ali ne.
Kako neučinkovit je ta sistem, se vidi, ko dosežemo njegove meje. In ne glede na to, ali nam na pametnih telefonih zmanjka prostora za še en selfie ali znanstveniki poskušajo ustvariti matematične modele razvoja pandemije, je težava v tem, da je preveč ničel in enic ter sredstev za njihovo shranjevanje in moči za izračunati jih ni na voljo.
Qubit rešuje ta problem. Ta podatek uporablja lastnosti kvantne fizike, ki mu omogočajo, da ostane v tako imenovani superpoziciji. Qubit lahko sprejme katero koli vrednost med 0 in 1. Ima lastnosti celotnega spektra in ima lahko vrednosti, kot so 15 odstotkov nič in 85 odstotkov ena. Teoretično vam to omogoča, da shranite veliko več informacij ali pospešite izračune. Toda ob tem se pojavi kup težav, ki jih je težko nadzorovati in celo razumeti.
Druga lastnost kvantnih računalnikov, ki omogoča dodatno skaliranje računalniške moči, je uporaba kvantne prepletenosti. To je stanje, kjer sta dva kubita med seboj povezana in vsakič, ko enega od njiju opazujemo, bo drugi v popolnoma enakem stanju. Entanglement omogoča združevanje kubitov v še bolj učinkovite enote za snemanje in obdelavo informacij.
Preberite tudi: Kdo so biohekerji in zakaj se prostovoljno čipirajo?
Kvantna oprema
Kvantni računalnik je sestavljen iz treh glavnih delov: območja za shranjevanje kubitov, metode za prenos signalov do kubitov in klasičnega računalnika za izvajanje programa in pošiljanje navodil.
Kvantni material, ki sestavlja kubite, je občutljiv in izjemno občutljiv na vplive okolja. Pri nekaterih metodah shranjevanja kubitov se enota, v kateri so kubiti, hrani pri temperaturi blizu absolutne ničle, da se poveča njihova koherenca. Druge vrste shranjevanja kubitov uporabljajo vakuumsko komoro za zmanjšanje vibracij in stabilizacijo kubitov.
Obstajajo različne metode prenosa signalov do kubitov, kot so mikrovalovi, laserji in električna napetost.
Za vzpostavitev normalnega delovanja kvantnih računalnikov je treba rešiti številne probleme. Velika težava kvantnih računalnikov je popravljanje napak, skaliranje (dodajanje več kubitov) pa še poveča njihovo pogostost. Zaradi teh omejitev je kvantni osebni računalnik na vaši mizi še vedno oddaljena prihodnost, vendar bodo komercialni kvantni računalniki morda na voljo v bližnji prihodnosti. Pogovorimo se o tem podrobneje.
Problemi kvantnih računalnikov
Vendar pa imajo kvantni računalniki eno veliko težavo. To pomeni, da imajo znanstveniki velike težave z njihovo uporabo, saj kubiti zaradi svojih posebnih lastnosti potrebujejo dovolj mirno okolje, da lahko natančno preberejo vse podatke iz njih. Vsaka, tudi najmanjša kršitev bo onemogočila natančno branje informacij.
Tudi pri klasičnih računalnikih je podoben problem v preteklosti igral pomembno vlogo, danes pa je tako nepomemben, da je pogosto spregledan tudi v akademski znanosti. Govorimo o stopnji napak. Je indikator, ki določa, kolikšen delež bitov ali kubitov informacij se lahko pokvari. To se lahko zgodi na primer ob prenapetosti ali drugih motnjah.
Pri klasičnih napravah je verjetnost napake približno ena proti 1017 bit V primeru kvantnih računalnikov je to še vedno eden od več sto. In to v razmerah, ko kvantni računalniki delujejo v najbolj izoliranih pogojih in pri temperaturi -272 stopinj Celzija, torej malo nad absolutno ničlo. Kakršna koli temperaturna nihanja, spremembe v elektromagnetnem polju in celo gibanje porušijo celoten izračun.
Druga težava je "nestabilnost" kvantnih stanj. Vsakič, ko izmerimo ali želimo zmotiti kvantno stanje, se to vrne v enega od dveh položajev, nič in ena. V tem primeru bo kvantno stanje razpadlo. Ta proces se imenuje kvantna dekoherenca.
Pomislite na to takole: kvantni računalnik je spreten matematik, ki izvaja zapletene izračune, njegovi rezultati pa so med 0 in 1 milijonom. Mi pa smo otrok, ki le razume, da je nečesa lahko preveč ali premalo. Kadarkoli ima matematik drugačne rezultate, na primer 356 ali 670,23, bi bil glede na naše razumevanje sveta vsak od teh rezultatov razvrščen kot nekaj (1) ali veliko (846), ne da bi opredelili posebno razliko med obema. To je kvantna dekoherenca. Edini način za pravilen izračun je zagotoviti matematično delo, preden je končano.
Preberite tudi: Kaj bosta Vztrajnost in Iznajdljivost počela na Marsu?
Za kaj bomo uporabljali kvantne računalnike?
Danes se postavlja vprašanje, za kaj vse lahko uporabimo kvantne računalnike, tako kot pred 20 leti, za kaj pametni telefon. Nekaj načrtov in domnev seveda že obstaja, a najbolj zanimive smeri uporabe kubitov se bodo verjetno pokazale, ko bodo kvantni računalniki postali razširjeni.
Kriptografija je eno najbolj priljubljenih področij, kjer se najpogosteje uporablja kvantno računalništvo. Gre za to, da bo šlo za način prenosa informacij na zelo varen način, varnost pa ne bo temeljila na kompleksnosti računalniških procesov, temveč na zakonih fizike, ki bodo vlivali zaupanje, da so nekatere stvari enostavno nemogoče. In v tem trenutku bo nemogoče poslušati, vohuniti, vdirati.
Varnost v tem primeru zagotavljajo same fizične lastnosti kubitov, ki, kot sem že pojasnil, prenehajo kazati superpozicijske lastnosti takoj, ko jih opazimo. Tako bo vsak poskus prestrezanja ali celo kopiranja kodiranega sporočila to preprosto uničil.
Kvantni računalniki nam morda omogočajo tudi boljše razumevanje naravnih procesov. "Kaos" superpozicije veliko bolje odraža način, na primer mutacije v DNK, in s tem razvoj bolezni in evolucije. Kvantno računalništvo se že danes uporablja za ustvarjanje novih zdravil.
Morda je smiselno govoriti o uporabi kvantnih računalnikov za teleportacijo podatkov. Da, ravno teleportacija podatkov in morda osebe. Informacije bomo lahko teleportirali iz kraja v kraj, ne da bi jih fizično prenašali. Sliši se kot domišljija, vendar je možno, saj se ta fluidnost kvantnih delcev lahko zaplete v čas in prostor, tako da lahko sprememba enega delca vpliva na drugega, to pa ustvari kanal za teleportacijo. To so že dokazali v laboratorijih in bi lahko bilo del kvantnega interneta prihodnosti. Takšnega omrežja še nimamo, a nekateri znanstveniki že delajo na teh možnostih in simulirajo kvantno omrežje na kvantnem računalniku. Razvili in implementirali so že zanimive nove protokole, kot so teleportacija med uporabniki omrežja in učinkovit prenos podatkov ter celo varno glasovanje.
Povedati je treba tudi, da bi morali kvantne računalnike uporabljati za simulacijo različnih situacij in iskanje rešitev za težave, tudi zdravila in cepiva. Na primer med pandemijo, kot je koronavirus, ko je potreben hitrejši izračun in izračun možnosti. Tu lahko uporabite možnost kvantnega modeliranja, ki ga na klasičnem računalniku ni mogoče izvesti. Ko se pojavi nova bolezen, postopek iskanja zdravila traja približno 15 let in lahko stane do 2,6 milijarde dolarjev. Pri nekaterih boleznih je treba filtrirati skozi milijone molekul, da bi identificirali le stotine obetavnih posameznikov, ki bodo verjetno postali darovalci. Nato med testiranjem približno 99 % molekul izpade zaradi, med drugim, napačne napovedi obnašanja in omejitev vzorčenja. Tu bi kvantni računalniki prišli do izraza.
In to je še vedno le nekaj čudovitih zamisli o tem, kaj je mogoče doseči s kvantno fiziko. Trenutno uspemo do neke mere ukrotiti njen muhasti značaj, vendar je vse dogajanje še vedno na začetni ravni. Ustvarjanje pravega kvantnega računalnika in njegova množična uporaba sta še precej daleč, vendar napredek ne miruje. Zato boste morda čez kakih deset let ta članek brali s pomočjo kvantnega računalnika in se prizanesljivo smehljali.
Preberite tudi:
Çoch sağ olun, muellimin bize sodobne pomnilniške naprave