Дигиталната трансформация променя света по-бързо от всякога. Изучаването на ключовите концепции на дигиталната ера ще стане още по-критично с предстоящото пристигане на друга нова вълна от технологии, способни да трансформират съществуващите модели с удивителна скорост и мощност: квантовите изчисления.
В тази статия ние сравняваме основните концепции на традиционните изчисления и квантовите изчисления, а също така започваме да изследваме тяхното приложение в различни области.
Какво представляват квантовите свойства?
През цялата история хората са развивали технологии, тъй като са разбрали работата на природата чрез науката. Между 1900-те и 1930-те години изучаването на някои физически явления, които все още не са били добре разбрани, поражда нова физическа теория: квантовата механика. Тази теория описва и обяснява функционирането на микроскопичния свят, естественото местообитание на молекули, атоми и електрони.
Той не само успя да обясни тези явления, но също така направи възможно да се разбере, че субатомната реалност работи по напълно противоинтуитивен, почти магически начин и че в микроскопичния свят се случват събития, които не се случват в макроскопичен свят.
Тези квантови свойства включват квантова суперпозиция, квантово заплитане и квантова телепортация.
- Квантова суперпозиция описва как една частица може да бъде в различни състояния по едно и също време.
- Квантово заплитане описва как две частици могат да бъдат доведени до „заплетено“ състояние и след това да реагират почти едновременно по същия начин, въпреки физическото им разстояние. С други думи, те могат да бъдат поставени на толкова разстояние, колкото желаете, и когато взаимодействат с единия, другият реагира на същото взаимодействие.
- Квантова телепортация използва квантово заплитане, за да изпраща информация от едно място в пространството на друго, без да е необходимо да пътува през космоса.
Квантовото изчисление се основава на тези квантови свойства от субатомна природа.
В този случай днешното разбиране на микроскопичния свят чрез квантовата механика ни позволява да изобретяваме и проектираме технологии, способни да подобрят живота на хората. Има много различни технологии, които използват квантови явления, а някои от тях, като лазери или магнитен резонанс (MRI), съществуват повече от половин век.
Какво е квантово изчисление?
За да разберем как работят квантовите компютри, е полезно първо да обясним как работят компютрите, които използваме всеки ден, наричани в тази статия цифрови или класически компютри. Те, както всички други електронни устройства като таблети или мобилни телефони, използват битове като основни единици на паметта. Това означава, че програмите и приложенията са кодирани в битове, т.е. в двоичен език от нули и единици.
Всеки път, когато взаимодействаме с някое от тези устройства, например чрез натискане на клавиш на клавиатурата, низовете от нули и единици се създават, унищожават и/или променят в компютъра.
Интересният въпрос е какви са тези нули и единици физически вътре в компютъра? Състоянията нула и единица на битовете съответстват на електрически ток, протичащ или не, през микроскопични части, наречени транзистори, които действат като превключватели. Когато не тече ток, транзисторът е „изключен“ и съответства на бит 0, а когато тече, той е „включен“ и съответства на бит 1.
В по-опростен вид, сякаш битове 0 и 1 съответстват на дупки, така че празната дупка е бит 0, а дупката, заета от електрон, е малко 1. Сега, когато имаме представа как работят днешните компютри , нека се опитаме да разберем как работят квантовите компютри.
От битове до кубити
Основната единица информация в квантовите изчисления е квантовият бит или кубит. Кубитите по дефиниция са двустепенни квантови системи, които, подобно на битовете, могат да бъдат на ниско ниво, което съответства на състояние на ниско възбуждане или енергия, дефинирана като 0; или на високо ниво, което съответства на състояние на по-високо възбуждане или дефинирано като 1.
Въпреки това, и тук се крие фундаменталната разлика с класическото изчисление, кубитите могат също да бъдат във всяко от безкраен брой междинни състояния между 0 и 1, като състояние, което е половината 0 и половината 1, или три четвърти от 0 и една четвърт от 1. Това явление е известно като квантова суперпозиция и е естествено в квантовите системи.
Квантови алгоритми: Експоненциално по-мощни и ефективни изчисления
Целта на квантовите компютри е да се възползват от тези квантови свойства на кубити, като квантови системи, за да могат да изпълняват квантови алгоритми, които използват суперпозиция и заплитане, за да предложат много по-голяма мощност на обработка от класическите.
Важно е да се отбележи, че истинската промяна на парадигмата не се състои в това да се прави същото нещо, което цифровите или класическите компютри – сегашните – правят, а по-бързо, както много статии погрешно твърдят, а по-скоро в това, че квантовите алгоритми позволяват определени операции да бъдат изпълнени по съвсем различен начин; това често е по-ефективно - тоест за много по-малко време или използва много по-малко изчислителни ресурси.
Нека да разгледаме конкретен пример какво означава това. Нека си представим, че се намираме в Сан Франциско и искаме да знаем кой е най-добрият маршрут до Ню Йорк от милион опции за достигане до там (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). За да можем да използваме компютрите за намиране на оптималния маршрут, трябва да дигитализираме XNUMX XNUMX XNUMX опции, което предполага превеждането им на битов език за класическия компютър и в кубити за квантовия компютър.
Докато класическият компютър ще трябва да премине през всички пътища един по един, докато намери желания, квантовият компютър се възползва от процес, известен като квантов паралелизъм, който му позволява по същество да разглежда всички пътища наведнъж. Това означава, че квантовият компютър ще намери оптималния маршрут много по-бързо от класическия компютър, поради оптимизирането на използваните ресурси.
За да разберем разликите в изчислителния капацитет, с n кубита можем да направим еквивалента на това, което би било възможно с 2n битове. Често се казва, че с около 270 кубити бихте могли да имате повече базови състояния в квантов компютър – повече различни и едновременни низове от знаци – отколкото броя на атомите във Вселената, който се оценява на около 280. Друг пример е, че се смята, че с квантов компютър между 2000 и 2500 кубита можете да разбиете практически цялата криптография, използвана днес (известна като криптография с публичен ключ).
Що се отнася до криптографията, има много предимства при използването квантови изчисления. Ако две системи са чисто заплетени, това означава, че те са свързани една с друга (т.е. когато едната се промени, другата също се променя) и никоя трета страна не споделя тази корелация.
За вкъщи
Намираме се във време на дигитална трансформация, в която различни нововъзникващи технологии като блокчейн, изкуствен интелект, дронове, интернет на нещата, виртуална реалност, 5G, 3D принтери, роботи или автономни превозни средства все повече присъстват в множество области и сектори.
Тези технологии, които имат за цел да подобрят качеството на човешкия живот чрез ускоряване на развитието и генериране на социално въздействие, в момента напредват паралелно. Много рядко виждаме компании, разработващи продукти, които използват комбинации от две или повече от тези технологии, като блокчейн и интернет на нещата или дронове и изкуствен интелект.
Въпреки че те са предназначени да се сближат и по този начин да генерират експоненциално по-голямо въздействие, ранният етап на развитие, в който се намират, и недостигът на разработчици и хора с технически опит означават, че конвергенциите все още са висяща задача.
Поради своя разрушителен потенциал, се очаква квантовите технологии не само да се сближат с всички тези нови технологии, но и да имат широко влияние върху почти всички от тях. Квантово изчисление ще застраши удостоверяването, обмена и сигурното съхранение на данни, като има по-голямо въздействие върху онези технологии, в които криптографията играе по-важна роля, като например киберсигурността или блокчейн.
Оставете коментар