Digitale transformasie verander die wêreld vinniger as ooit tevore. Om te leer oor die sleutelkonsepte van die digitale era sal selfs meer krities raak met die naderende koms van nog 'n nuwe golf van tegnologie wat in staat is om bestaande modelle met verstommende spoed en krag te transformeer: kwantumrekenaar.
In hierdie artikel vergelyk ons die basiese konsepte van tradisionele rekenaars en kwantumrekenaars, en begin ook om die toepassing daarvan op verskillende gebiede te verken.
Wat is kwantum eienskappe?
Deur die geskiedenis heen het mense tegnologie ontwikkel namate hulle die werking van die natuur deur die wetenskap verstaan het. Tussen die 1900's en 1930's het die studie van sommige fisiese verskynsels wat nog nie goed verstaan is nie, aanleiding gegee tot 'n nuwe fisiese teorie: Kwantummeganika. Hierdie teorie beskryf en verduidelik die werking van die mikroskopiese wêreld, die natuurlike habitat van molekules, atome en elektrone.
Dit kon nie net hierdie verskynsels verklaar nie, maar dit het dit ook moontlik gemaak om te verstaan dat subatomiese werklikheid op 'n heeltemal teen-intuïtiewe, amper magiese manier werk, en dat gebeure in die mikroskopiese wêreld plaasvind wat nie in die makroskopiese wêreld.
Hierdie kwantum-eienskappe sluit in kwantumsuperposisie, kwantumverstrengeling en kwantumteleportasie.
- Kwantum superposisie beskryf hoe 'n deeltjie terselfdertyd in verskillende toestande kan wees.
- Kwantumverstrengeling beskryf hoe twee deeltjies na 'n "verstrengelde" toestand gebring kan word en daarna amper gelyktydig op dieselfde manier reageer, ten spyte van hul fisiese afstand. Met ander woorde, hulle kan so ver uitmekaar geplaas word as wat verlang word, en wanneer daar met een interaksie is, reageer die ander op dieselfde interaksie.
- Kwantumteleportasie gebruik kwantumverstrengeling om inligting van een plek in die ruimte na 'n ander te stuur sonder dat dit nodig is om deur die ruimte te reis.
Kwantumberekening is gebaseer op hierdie kwantumeienskappe van subatomiese aard.
In hierdie geval stel vandag se begrip van die mikroskopiese wêreld deur kwantummeganika ons in staat om tegnologieë uit te vind en te ontwerp wat in staat is om mense se lewens te verbeter. Daar is baie verskillende tegnologieë wat kwantumverskynsels gebruik, en sommige van hulle, soos lasers of magnetiese resonansiebeelding (MRI), bestaan al meer as 'n halfeeu.
Wat is kwantumberekening?
Om te verstaan hoe kwantumrekenaars werk, is dit nuttig om eers te verduidelik hoe die rekenaars wat ons elke dag gebruik, waarna in hierdie artikel as digitale of klassieke rekenaars verwys word, werk. Hierdie, soos alle ander elektroniese toestelle soos tablette of selfone, gebruik stukkies as hul fundamentele geheue-eenhede. Dit beteken dat programme en toepassings in bisse geënkodeer word, dit wil sê in 'n binêre taal van nulle en ene.
Elke keer as ons met enige van hierdie toestelle interaksie het, byvoorbeeld deur 'n sleutel op die sleutelbord te druk, word stringe nulle en ene binne die rekenaar geskep, vernietig en/of gewysig.
Die interessante vraag is, wat is hierdie nulle en ene fisies binne die rekenaar? Die nul- en een-toestande van die bisse stem ooreen met elektriese stroom wat vloei, al dan nie, deur mikroskopiese dele wat transistors genoem word, wat as skakelaars optree. Wanneer geen stroom vloei nie, is die transistor "af" en stem ooreen met 'n bietjie 0, en wanneer dit vloei, is dit "aan" en stem ooreen met 'n bietjie 1.
In 'n meer vereenvoudigde vorm is dit asof stukkies 0 en 1 met gate ooreenstem, sodat 'n leë gat 'n bietjie 0 is en 'n gat wat deur 'n elektron beset word, 'n bietjie 1 is. Noudat ons 'n idee het van hoe vandag se rekenaars werk , kom ons probeer verstaan hoe kwantumrekenaars werk.
Van stukkies tot qubits
Die fundamentele eenheid van inligting in kwantumberekening is die kwantumbis of kwantumbit. Qubits is per definisie twee-vlak kwantumstelsels wat, soos bisse, op die lae vlak kan wees, wat ooreenstem met 'n toestand van lae opwekking of energie gedefinieer as 0; of op die hoë vlak, wat ooreenstem met 'n toestand van hoër opwinding of gedefinieer as 1.
Maar, en hier lê die fundamentele verskil met klassieke rekenaars, kan qubits ook in enige van 'n oneindige aantal intermediêre toestande tussen 0 en 1 wees, soos 'n toestand wat half 0 en half 1 is, of driekwart van 0 en een kwart van 1. Hierdie verskynsel staan bekend as kwantumsuperposisie en is natuurlik in kwantumstelsels.
Kwantumalgoritmes: Eksponensieel kragtiger en doeltreffender rekenaars
Die doel van kwantumrekenaars is om voordeel te trek uit hierdie kwantumeienskappe van kwantumbits, as kwantumstelsels, om kwantumalgoritmes te kan uitvoer wat superposisie en verstrengeling gebruik om baie groter verwerkingskrag as klassiekes te bied.
Dit is belangrik om daarop te wys dat die werklike paradigmaskuif nie daaruit bestaan om dieselfde ding te doen as wat digitale of klassieke rekenaars - die huidige - doen nie, maar vinniger, soos baie artikels verkeerdelik beweer, maar eerder dat kwantumalgoritmes sekere bewerkings toelaat om te word. op 'n totaal ander manier uitgevoer; wat dikwels meer doeltreffend is - dit wil sê in baie minder tyd of met baie minder rekenaarhulpbronne -.
Kom ons kyk na 'n konkrete voorbeeld van wat dit impliseer. Kom ons stel ons voor dat ons in San Francisco is en ons wil weet wat die beste roete na New York is uit 'n miljoen opsies om daar te kom (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Om rekenaars te kan gebruik om die optimale roete te vind, moet ons XNUMX XNUMX XNUMX opsies digitaliseer, wat impliseer dat dit vertaal word in bistaal vir die klassieke rekenaar en in kwantumbits vir die kwantumrekenaar.
Terwyl 'n klassieke rekenaar deur al die paaie een vir een sal moet gaan totdat dit die verlangde een vind, maak 'n kwantumrekenaar voordeel uit 'n proses wat bekend staan as kwantumparallelisme wat hom toelaat om in wese alle paaie gelyktydig te oorweeg. Dit impliseer dat die kwantumrekenaar die optimale roete baie vinniger sal vind as die klassieke rekenaar, as gevolg van die optimalisering van gebruikte hulpbronne.
Om die verskille in berekeningskapasiteit te verstaan, kan ons met n qubits die ekwivalent doen aan wat moontlik sou wees met 2n stukkies. Daar word dikwels gesê dat met ongeveer 270 qubits jy kan meer basistoestande in 'n kwantumrekenaar hê – meer verskillende en gelyktydige stringe karakters – as die aantal atome in die heelal, wat na raming ongeveer 2 is80. Nog 'n voorbeeld is dat daar beraam word dat jy met 'n kwantumrekenaar van tussen 2000 en 2500 qubits feitlik al die kriptografie wat vandag gebruik word (bekend as publieke sleutel kriptografie) kan breek.
Wat kriptografie betref, is daar talle voordele verbonde aan die gebruik quantum computing. As twee stelsels suiwer verstrengel is, beteken dit dat hulle met mekaar gekorreleer is (maw wanneer een verander, verander die ander ook) en geen derde party deel hierdie korrelasie nie.
Neem weg
Ons is in 'n tyd van digitale transformasie waarin verskillende opkomende tegnologieë soos blokketting, kunsmatige intelligensie, hommeltuie, Internet van Dinge, virtuele realiteit, 5G, 3D-drukkers, robotte of outonome voertuie is toenemend teenwoordig in verskeie velde en sektore.
Hierdie tegnologieë, wat daarop gemik is om die kwaliteit van menslike lewe te verbeter deur ontwikkeling te versnel en sosiale impak te genereer, vorder tans parallel. Slegs selde sien ons maatskappye wat produkte ontwikkel wat kombinasies van twee of meer van hierdie tegnologieë ontgin, soos blokketting en IoT of hommeltuie en kunsmatige intelligensie.
Terwyl hulle bestem is om te konvergeer en dus eksponensieel groter impak te genereer, beteken die vroeë stadium van ontwikkeling waarin hulle is en die skaarste aan ontwikkelaars en mense met tegniese agtergronde dat konvergensies steeds 'n hangende taak is.
Vanweë hul ontwrigtende potensiaal word verwag dat kwantumtegnologieë nie net met al hierdie nuwe tegnologieë sal saamvloei nie, maar ook 'n breë invloed op feitlik almal sal hê. Kwantumrekenaarkunde sal die verifikasie, uitruil en veilige berging van data bedreig, met 'n groter impak op daardie tegnologieë waarin kriptografie 'n meer relevante rol speel, soos kuberveiligheid of blokketting.
Lewer Kommentaar