Digitalna transformacija mijenja svijet brže nego ikada prije. Učenje o ključnim konceptima digitalnog doba postat će još važnije s neminovnim dolaskom još jednog novog talasa tehnologije sposobne da transformiše postojeće modele zadivljujućom brzinom i snagom: kvantnog računarstva.
U ovom članku upoređujemo osnovne koncepte tradicionalnog računarstva i kvantnog računarstva, a također počinjemo istraživati njihovu primjenu u različitim područjima.
Šta su kvantna svojstva?
Kroz istoriju, ljudi su razvijali tehnologiju jer su kroz nauku razumeli rad prirode. Između 1900-ih i 1930-ih, proučavanje nekih fizičkih pojava koje još nisu bile dobro shvaćene dovelo je do nove fizičke teorije: kvantne mehanike. Ova teorija opisuje i objašnjava rad mikroskopskog svijeta, prirodnog staništa molekula, atoma i elektrona.
Ne samo da je bilo u stanju da objasni ove fenomene, već je takođe omogućilo da se shvati da subatomska stvarnost funkcioniše na potpuno kontra-intuitivan, gotovo magičan način, i da se događaji dešavaju u mikroskopskom svetu koji se ne dešavaju u makroskopski svet.
Ova kvantna svojstva uključuju kvantnu superpoziciju, kvantnu zapetljanost i kvantnu teleportaciju.
- Kvantna superpozicija opisuje kako čestica može biti u različitim stanjima u isto vrijeme.
- Kvantna zapetljanost opisuje kako se dvije čestice mogu dovesti u „zapleteno“ stanje i, nakon toga, reagirati gotovo istovremeno na isti način, uprkos njihovoj fizičkoj udaljenosti. Drugim riječima, mogu se postaviti koliko god želite, a kada su u interakciji s jednim, drugi reagira na istu interakciju.
- Kvantna teleportacija koristi kvantnu isprepletenost za slanje informacija s jednog mjesta u svemiru na drugo bez potrebe za putovanjem kroz svemir.
Kvantno računanje se zasniva na ovim kvantnim svojstvima subatomske prirode.
U ovom slučaju, današnje razumijevanje mikroskopskog svijeta kroz kvantnu mehaniku omogućava nam da izmislimo i dizajniramo tehnologije sposobne da poboljšaju živote ljudi. Postoji mnogo različitih tehnologija koje koriste kvantne fenomene, a neke od njih, kao što su laseri ili magnetna rezonanca (MRI), postoje već više od pola stoljeća.
Šta je kvantno računarstvo?
Da bismo razumjeli kako kvantni računari rade, korisno je prvo objasniti kako funkcionišu računari koje svakodnevno koristimo, a koji se u ovom članku nazivaju digitalnim ili klasičnim računarima. Ovi, kao i svi drugi elektronski uređaji kao što su tableti ili mobilni telefoni, koriste bitove kao svoje osnovne jedinice memorije. To znači da su programi i aplikacije kodirani u bitovima, tj. u binarnom jeziku nula i jedinica.
Svaki put kada stupimo u interakciju s bilo kojim od ovih uređaja, na primjer pritiskom na tipku na tastaturi, nizovi nula i jedinica se kreiraju, uništavaju i/ili mijenjaju unutar računara.
Zanimljivo je pitanje, koje su to nule i jedinice fizički unutar kompjutera? Stanja nula i jedan bitova odgovaraju električnoj struji koja teče ili ne teče kroz mikroskopske dijelove zvane tranzistori, koji djeluju kao prekidači. Kada struja ne teče, tranzistor je "isključen" i odgovara bitu 0, a kada teče, "uključen" je i odgovara bitu 1.
U pojednostavljenom obliku, to je kao da bitovi 0 i 1 odgovaraju rupama, tako da je prazna rupa bit 0, a rupa koju zauzima elektron je bit 1. Sada kada imamo ideju o tome kako današnji kompjuteri rade , hajde da pokušamo da shvatimo kako funkcionišu kvantni računari.
Od bitova do kubita
Osnovna jedinica informacija u kvantnom računarstvu je kvantni bit ili kubit. Kubiti su, po definiciji, kvantni sistemi na dva nivoa koji, kao i bitovi, mogu biti na niskom nivou, što odgovara stanju niske pobude ili energije definisanoj kao 0; ili na visokom nivou, koji odgovara stanju veće ekscitacije ili je definisan kao 1.
Međutim, i tu leži temeljna razlika s klasičnim računarstvom, kubiti mogu biti u bilo kojem od beskonačnog broja međustanja između 0 i 1, kao što je stanje koje je pola 0 i pola 1, ili tri četvrtine 0 i jedna četvrtina od 1. Ovaj fenomen je poznat kao kvantna superpozicija i prirodan je u kvantnim sistemima.
Kvantni algoritmi: Eksponencijalno moćnije i efikasnije računarstvo
Svrha kvantnih računara je da iskoriste prednosti ovih kvantnih svojstava kubita, kao kvantnih sistema, kako bi mogli da pokreću kvantne algoritme koji koriste superpoziciju i preplitanje kako bi ponudili mnogo veću procesorsku snagu od klasičnih.
Važno je istaći da se prava promjena paradigme ne sastoji u tome da se radi isto što digitalni ili klasični računari – sadašnji – rade, već brže, kako mnogi članci pogrešno tvrde, već da kvantni algoritmi omogućavaju da se određene operacije izvrše. izvedena na potpuno drugačiji način; to je često efikasnije – to jest, za mnogo kraće vreme ili korišćenje mnogo manje računarskih resursa.
Pogledajmo konkretan primjer šta to implicira. Zamislimo da smo u San Francisku i želimo da znamo koja je najbolja ruta do Njujorka od milion opcija za dolazak tamo (N=1,000,000). Da bismo mogli koristiti kompjutere za pronalaženje optimalne rute, moramo digitalizirati 1,000,000 opcija, što podrazumijeva njihovo prevođenje u bitni jezik za klasično računalo i u kubite za kvantni kompjuter.
Dok bi klasični računar morao proći sve puteve jedan po jedan dok ne pronađe željeni, kvantni kompjuter koristi prednosti procesa poznatog kao kvantni paralelizam koji mu omogućava da, u suštini, razmotri sve puteve odjednom. To implicira da će kvantni kompjuter pronaći optimalnu rutu daleko brže od klasičnog računara, zbog optimizacije korištenih resursa.
Da bismo razumjeli razlike u računskom kapacitetu, sa n kubita možemo učiniti ekvivalent onome što bi bilo moguće sa 2n bitovi. Često se kaže da sa oko 270 kubita možete imati više osnovnih stanja u kvantnom kompjuteru – više različitih i istovremenih nizova znakova – od broja atoma u svemiru, za koji se procjenjuje da je oko 280. Drugi primjer je da se procjenjuje da biste s kvantnim kompjuterom od 2000 do 2500 kubita mogli razbiti praktički svu kriptografiju koja se danas koristi (poznatu kao kriptografija javnog ključa).
Što se kriptografije tiče, postoje brojne prednosti korištenja kvantno računanje. Ako su dva sistema čisto isprepletena, to znači da su međusobno povezani (tj. kada se jedan promijeni, drugi se također mijenja) i nijedna treća strana ne dijeli tu korelaciju.
Oduzmi
Nalazimo se u vremenu digitalne transformacije u kojoj se pojavljuju različite tehnologije kao što su blockchain, umjetna inteligencija, dronovi, internet stvari, virtualna stvarnost, 5G, 3D štampači, roboti ili autonomna vozila sve prisutnije u više oblasti i sektora.
Ove tehnologije, koje imaju za cilj da unaprede kvalitet ljudskog života ubrzavanjem razvoja i generisanjem društvenog uticaja, trenutno napreduju paralelno. Samo rijetko vidimo kompanije koje razvijaju proizvode koji iskorištavaju kombinacije dvije ili više ovih tehnologija, kao što su blockchain i IoT ili dronovi i umjetne inteligencije.
Iako im je suđeno da se konvergiraju i na taj način ostvare eksponencijalno veći uticaj, rana faza razvoja u kojoj se nalaze i nedostatak programera i ljudi sa tehničkim iskustvom znače da su konvergencije još uvijek zadatak na čekanju.
Zbog svog remetilačkog potencijala, očekuje se da kvantne tehnologije ne samo da konvergiraju sa svim ovim novim tehnologijama, već i da imaju širok utjecaj na gotovo sve njih. Kvantno računarstvo će ugroziti autentifikaciju, razmjenu i sigurno skladištenje podataka, što će imati veći utjecaj na one tehnologije u kojima kriptografija igra značajniju ulogu, kao što su cyber sigurnost ili blockchain.
Ostavite odgovor