Лічбавая трансфармацыя змяняе свет хутчэй, чым калі-небудзь раней. Вывучэнне ключавых паняццяў лічбавай эпохі стане яшчэ больш важным з непазбежным з'яўленнем новай хвалі тэхналогій, здольных трансфармаваць існуючыя мадэлі з дзіўнай хуткасцю і магутнасцю: квантавыя вылічэнні.
У гэтым артыкуле мы параўноўваем асноўныя канцэпцыі традыцыйных і квантавых вылічэнняў, а таксама пачынаем даследаваць іх прымяненне ў розных галінах.
Што такое квантавыя ўласцівасці?
На працягу ўсёй гісторыі людзі развівалі тэхналогіі, дасягаючы разумення працы прыроды праз навуку. У перыяд з 1900-х па 1930-я гады вывучэнне некаторых фізічных з'яў, якія яшчэ не былі добра зразумелымі, прывяло да стварэння новай фізічнай тэорыі: квантавай механікі. Гэтая тэорыя апісвае і тлумачыць працу мікраскапічнага свету, натуральнага асяроддзя пражывання малекул, атамаў і электронаў.
Яно не толькі змагло растлумачыць гэтыя з'явы, але таксама дазволіла зразумець, што субатамная рэальнасць працуе зусім неінтуітыўна, амаль магічным спосабам, і што ў мікраскапічным свеце адбываюцца падзеі, якія не адбываюцца ў макраскапічным свеце.
Гэтыя квантавыя ўласцівасці ўключаюць квантавую суперпазіцыю, квантавую заблытанасць і квантавую тэлепартацыю.
- Квантавая суперпазіцыя апісвае, як часціца можа знаходзіцца ў розных станах адначасова.
- Квантавая заблытанасць апісвае, як дзве часціцы могуць быць даведзены да «заблытанага» стану і пасля гэтага адказаць амаль адначасова аднолькава, нягледзячы на іх фізічную адлегласць. Іншымі словамі, іх можна размясціць як заўгодна далёка адзін ад аднаго, і, узаемадзейнічаючы з адным, другі рэагуе на тое ж узаемадзеянне.
- квантавая тэлепартацыя выкарыстоўвае квантавую заблытанасць для адпраўкі інфармацыі з аднаго месца ў космасе ў іншае без неабходнасці падарожнічаць па космасе.
Квантавыя вылічэнні заснаваныя на гэтых квантавых уласцівасцях субатамнай прыроды.
У гэтым выпадку сучаснае разуменне мікраскапічнага свету праз квантавую механіку дазваляе нам вынаходзіць і распрацоўваць тэхналогіі, здольныя палепшыць жыццё людзей. Існуе мноства розных тэхналогій, якія выкарыстоўваюць квантавыя з'явы, і некаторыя з іх, такія як лазеры або магнітна-рэзанансная тамаграфія (МРТ), існуюць ужо больш за паўстагоддзя.
Што такое квантавыя вылічэнні?
Каб зразумець, як працуюць квантавыя кампутары, карысна спачатку растлумачыць, як працуюць кампутары, якімі мы карыстаемся кожны дзень і якія ў гэтым артыкуле называюцца лічбавымі або класічнымі. Гэтыя, як і ўсе іншыя электронныя прылады, такія як планшэты або мабільныя тэлефоны, выкарыстоўваюць біты ў якасці асноўных адзінак памяці. Гэта азначае, што праграмы і прыкладанні закадаваныя ў бітах, гэта значыць у двайковай мове нулёў і адзінак.
Кожны раз, калі мы ўзаемадзейнічаем з любой з гэтых прылад, напрыклад, націскаючы клавішу на клавіятуры, радкі нулёў і адзінак ствараюцца, знішчаюцца і/ці мадыфікуюцца ў камп'ютары.
Цікавае пытанне: што гэта за нулі і адзінкі фізічна ўнутры кампутара? Нулявы і адзінкавы станы бітаў адпавядаюць электрычнаму току, які цячэ ці не праходзіць праз мікраскапічныя дэталі, званыя транзістарамі, якія дзейнічаюць як перамыкачы. Калі ток не цячэ, транзістар «выключаны» і адпавядае біту 0, а калі ён цячэ, ён «уключаны» і адпавядае біту 1.
У больш спрошчанай форме біты 0 і 1 адпавядаюць дзіркам, так што пустая дзірка - гэта біт 0, а дзірка, занятая электронам, - біт 1. Цяпер, калі мы маем уяўленне аб тым, як працуюць сучасныя кампутары, давайце паспрабуем зразумець, як працуюць квантавыя кампутары.
Ад бітаў да кубітаў
Фундаментальнай адзінкай інфармацыі ў квантавых вылічэннях з'яўляецца квантавы біт або кубіт. Кубіты - гэта, па вызначэнні, двухузроўневыя квантавыя сістэмы, якія, як і біты, могуць знаходзіцца на нізкім узроўні, што адпавядае стану нізкага ўзбуджэння або энергіі, вызначанай як 0; або на высокім узроўні, які адпавядае стану больш высокага ўзбуджэння або вызначаецца як 1.
Аднак, і тут заключаецца фундаментальная розніца з класічнымі вылічэннямі, кубіты таксама могуць знаходзіцца ў любым з бясконцай колькасці прамежкавых станаў ад 0 да 1, такіх як стан, які складае палову 0 і палову 1, або тры чвэрці 0 і адну чвэрць 1. Гэта з'ява вядома як квантавая суперпазіцыя і з'яўляецца натуральным для квантавых сістэм.
Квантавыя алгарытмы: экспанентна больш магутныя і эфектыўныя вылічэнні
Мэта квантавых камп'ютараў - скарыстацца гэтымі квантавымі ўласцівасцямі кубітаў, як квантавых сістэм, каб мець магчымасць запускаць квантавыя алгарытмы, якія выкарыстоўваюць суперпазіцыю і заблытанасць, каб прапанаваць значна большую вылічальную магутнасць, чым класічныя.
Важна адзначыць, што сапраўдная змена парадыгмы заключаецца не ў тым, каб рабіць тое ж самае, што робяць лічбавыя або класічныя камп'ютэры - цяперашнія - але хутчэй, як памылкова сцвярджаюць многія артыкулы, а ў тым, што квантавыя алгарытмы дазваляюць выконваць пэўныя аперацыі зусім па-іншаму; гэта часта больш эфектыўна - гэта значыць, за значна меншы час або з выкарыстаннем значна меншых вылічальных рэсурсаў.
Давайце паглядзім на канкрэтным прыкладзе таго, што гэта азначае. Давайце ўявім, што мы знаходзімся ў Сан-Францыска і хочам ведаць, які з мільёна варыянтаў дабрацца туды лепшы маршрут у Нью-Ёрк (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Каб мець магчымасць выкарыстоўваць камп'ютары для пошуку аптымальнага маршруту, нам трэба алічбаваць XNUMX XNUMX XNUMX варыянтаў, што прадугледжвае іх пераклад у бітавыя мовы для класічнага кампутара і ў кубіты для квантавага кампутара.
У той час як класічнаму камп'ютэру трэба было б прайсці па ўсіх шляхах адзін за адным, пакуль ён не знойдзе патрэбны, квантавы камп'ютар выкарыстоўвае перавагі працэсу, вядомага як квантавы паралелізм, які дазваляе яму, па сутнасці, разглядаць усе шляхі адначасова. Гэта значыць, што квантавы кампутар знойдзе аптымальны маршрут нашмат хутчэй, чым класічны, за кошт аптымізацыі выкарыстоўваных рэсурсаў.
Каб зразумець адрозненні ў вылічальнай магутнасці, з n кубітаў мы можам зрабіць эквівалент таго, што было б магчыма з 2n біты. Часта кажуць, што прыкладна з 270 кубітаў вы маглі б мець больш базавых станаў у квантавым кампутары - больш розных і адначасовых радкоў сімвалаў - чым колькасць атамаў у Сусвеце, якое ацэньваецца прыкладна ў 280. Іншым прыкладам з'яўляецца тое, што паводле ацэнак, з дапамогай квантавага кампутара ад 2000 да 2500 кубітаў вы маглі б зламаць практычна ўсю крыптаграфію, якая выкарыстоўваецца сёння (вядомую як крыптаграфія з адкрытым ключом).
Што тычыцца крыптаграфіі, яе выкарыстанне мае мноства пераваг квантавыя вылічэнні. Калі дзве сістэмы цалкам заблытаныя, гэта азначае, што яны карэлююць адна з адной (г.зн., калі адна змяняецца, другая таксама змяняецца), і ніякая трэцяя асоба не падзяляе гэтую карэляцыю.
Навынос
Мы знаходзімся ў час лічбавай трансфармацыі, у якой розныя новыя тэхналогіі, такія як блокчэйн, штучны інтэлект, беспілотнікі, Інтэрнэт рэчаў, віртуальная рэальнасць, 5G, 3D-прынтары, робаты або аўтаномныя транспартныя сродкі усё часцей прысутнічаюць у розных галінах і сектарах.
Гэтыя тэхналогіі, прызначаныя для паляпшэння якасці жыцця чалавека шляхам паскарэння развіцця і стварэння сацыяльнага ўздзеяння, у цяперашні час прасоўваюцца паралельна. Рэдка мы бачым кампаніі, якія распрацоўваюць прадукты, якія выкарыстоўваюць камбінацыі дзвюх і больш з гэтых тэхналогій, такіх як блокчейн і IoT або беспілотнікі і штучны інтэлект.
Нягледзячы на тое, што ім наканавана збліжацца і, такім чынам, ствараць экспанентна большы ўплыў, ранняя стадыя развіцця, на якой яны знаходзяцца, і дэфіцыт распрацоўшчыкаў і людзей з тэхнічным вопытам азначаюць, што канвергенцыя ўсё яшчэ застаецца нявырашанай задачай.
З-за іх разбуральнага патэнцыялу чакаецца, што квантавыя тэхналогіі не толькі збліжаюцца з усімі гэтымі новымі тэхналогіямі, але і акажуць шырокі ўплыў практычна на ўсе з іх. Квантовыя вылічэнні будзе пагражаць аўтэнтыфікацыі, абмену і бяспечнаму захоўванню даных, аказваючы большы ўплыў на тыя тэхналогіі, у якіх крыптаграфія адыгрывае больш важную ролю, такія як кібербяспека або блокчейн.
Пакінуць каментар