Digitální transformace mění svět rychleji než kdykoli předtím. Poznání klíčových konceptů digitálního věku bude ještě kritičtější s blížícím se příchodem další nové vlny technologie schopné transformovat stávající modely s úžasnou rychlostí a výkonem: kvantové výpočty.
V tomto článku porovnáme základní koncepty tradičního počítání a kvantového počítání a také začneme zkoumat jejich použití v různých oblastech.
Jaké jsou kvantové vlastnosti?
V průběhu historie lidé vyvíjeli technologii, protože díky vědě pochopili fungování přírody. Mezi 1900. a 1930. léty dalo studium některých fyzikálních jevů, které ještě nebyly dobře pochopeny, vzniknout nové fyzikální teorii: kvantové mechanice. Tato teorie popisuje a vysvětluje fungování mikroskopického světa, přirozeného prostředí molekul, atomů a elektronů.
Nejen, že dokázala vysvětlit tyto jevy, ale také umožnila pochopit, že subatomární realita funguje zcela kontraintuitivně, téměř magicky a že v mikroskopickém světě se odehrávají události, které se v makroskopický svět.
Tyto kvantové vlastnosti zahrnují kvantovou superpozici, kvantové provázání a kvantovou teleportaci.
- Kvantová superpozice popisuje, jak se částice může nacházet v různých stavech současně.
- Kvantové zapletení popisuje, jak lze dvě částice uvést do „provázaného“ stavu a poté reagovat téměř současně stejným způsobem, navzdory jejich fyzické vzdálenosti. Jinými slovy, mohou být umístěny tak daleko od sebe, jak je požadováno, a když interagují s jedním, druhý reaguje na stejnou interakci.
- Kvantová teleportace využívá kvantové zapletení k odesílání informací z jednoho místa ve vesmíru do druhého bez nutnosti cestovat vesmírem.
Kvantové výpočty jsou založeny na těchto kvantových vlastnostech subatomární povahy.
V tomto případě nám dnešní chápání mikroskopického světa prostřednictvím kvantové mechaniky umožňuje vymýšlet a navrhovat technologie schopné zlepšit životy lidí. Existuje mnoho různých technologií, které využívají kvantové jevy, a některé z nich, jako jsou lasery nebo magnetická rezonance (MRI), existují již více než půl století.
Co je to kvantové počítání?
Abychom pochopili, jak fungují kvantové počítače, je užitečné nejprve vysvětlit, jak fungují počítače, které používáme každý den, v tomto článku označované jako digitální nebo klasické počítače. Tato, stejně jako všechna ostatní elektronická zařízení, jako jsou tablety nebo mobilní telefony, používají bity jako základní jednotky paměti. To znamená, že programy a aplikace jsou kódovány v bitech, tedy v binárním jazyce nul a jedniček.
Pokaždé, když interagujeme s kterýmkoli z těchto zařízení, například stisknutím klávesy na klávesnici, jsou v počítači vytvořeny, zničeny a/nebo upraveny řetězce nul a jedniček.
Zajímavá otázka je, co jsou tyto nuly a jedničky fyzicky uvnitř počítače? Stavy nula a jedna bitů odpovídají elektrickému proudu, který teče nebo neprotéká mikroskopickými částmi nazývanými tranzistory, které fungují jako spínače. Když neteče žádný proud, tranzistor je „vypnutý“ a odpovídá bitu 0, a když teče, je „zapnutý“ a odpovídá bitu 1.
Ve zjednodušené podobě je to, jako by bity 0 a 1 odpovídaly dírám, takže prázdná díra je bit 0 a díra obsazená elektronem je bit 1. Nyní, když máme představu o tom, jak fungují dnešní počítače , zkusme pochopit, jak fungují kvantové počítače.
Od bitů ke qubitům
Základní jednotkou informace v kvantovém počítání je kvantový bit nebo qubit. Qubity jsou podle definice dvouúrovňové kvantové systémy, které mohou být stejně jako bity na nízké úrovni, což odpovídá stavu nízkého buzení nebo energie definované jako 0; nebo na vysoké úrovni, která odpovídá stavu vyšší excitace nebo je definována jako 1.
Nicméně, a zde je zásadní rozdíl od klasického počítání, qubity mohou být také v libovolném z nekonečného počtu mezistavů mezi 0 a 1, jako je stav, který je napůl 0 a napůl 1, nebo tři čtvrtiny 0 a jedna čtvrtina. of 1. Tento jev je známý jako kvantová superpozice a je přirozený v kvantových systémech.
Kvantové algoritmy: Exponenciálně výkonnější a efektivnější výpočty
Účelem kvantových počítačů je využít těchto kvantových vlastností qubitů jako kvantových systémů k tomu, aby byly schopny provozovat kvantové algoritmy, které využívají superpozici a zapletení, aby nabídly mnohem větší výpočetní výkon než klasické.
Je důležité zdůraznit, že skutečný posun paradigmatu nespočívá v tom, že dělají totéž, co digitální nebo klasické počítače – ty současné – dělají, ale rychleji, jak mnoho článků mylně tvrdí, ale spíše v tom, že kvantové algoritmy umožňují určité operace. provedené zcela jiným způsobem; to je často efektivnější – to znamená za mnohem kratší dobu nebo za použití mnohem méně výpočetních zdrojů –.
Podívejme se na konkrétní příklad toho, co to znamená. Představme si, že jsme v San Franciscu a chceme vědět, která je nejlepší cesta do New Yorku z milionu možností, jak se tam dostat (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Abychom mohli používat počítače k nalezení optimální cesty, potřebujeme digitalizovat XNUMX XNUMX XNUMX možností, což znamená jejich převod do bitového jazyka pro klasický počítač a do qubitů pro kvantový počítač.
Zatímco klasický počítač by musel projít všemi cestami jednu po druhé, dokud nenajde požadovanou, kvantový počítač využívá proces známý jako kvantový paralelismus, který mu umožňuje v podstatě zvážit všechny cesty najednou. To znamená, že kvantový počítač najde optimální cestu mnohem rychleji než klasický počítač díky optimalizaci použitých zdrojů.
Abychom pochopili rozdíly ve výpočetní kapacitě, s n qubity můžeme udělat ekvivalent toho, co by bylo možné s 2n bitů. Často se říká, že s asi 270 qubitů, můžete mít v kvantovém počítači více základních stavů – více různých a souběžných řetězců znaků – než je počet atomů ve vesmíru, který se odhaduje na asi 280. Dalším příkladem je, že se odhaduje, že s kvantovým počítačem mezi 2000 a 2500 qubity byste mohli prolomit prakticky veškerou dnes používanou kryptografii (známou jako kryptografie s veřejným klíčem).
Pokud jde o kryptografii, její použití má řadu výhod kvantové výpočty. Pokud jsou dva systémy čistě propletené, znamená to, že jsou ve vzájemné korelaci (tj. když se změní jeden, změní se i druhý) a žádná třetí strana tuto korelaci nesdílí.
Odnést
Nacházíme se v době digitální transformace, ve které se objevují různé nově vznikající technologie, jako je blockchain, umělá inteligence, drony, internet věcí, virtuální realita, 5G, 3D tiskárny, roboti nebo autonomní vozidla jsou stále více zastoupeny v mnoha oborech a sektorech.
Tyto technologie, které mají zlepšit kvalitu lidského života urychlením rozvoje a vytvořením sociálního dopadu, se v současnosti vyvíjejí paralelně. Jen zřídka vidíme společnosti vyvíjet produkty, které využívají kombinace dvou nebo více těchto technologií, jako je blockchain a IoT nebo drony a umělá inteligence.
I když jsou předurčeny k tomu, aby se sblížily a vytvořily tak exponenciálně větší dopad, raná fáze vývoje, ve které se nacházejí, a nedostatek vývojářů a lidí s technickým zázemím znamenají, že konvergence jsou stále nevyřešeným úkolem.
Očekává se, že kvantové technologie se díky svému rušivému potenciálu nejen sblíží se všemi těmito novými technologiemi, ale že budou mít široký vliv prakticky na všechny z nich. Kvantové výpočty ohrozí autentizaci, výměnu a bezpečné ukládání dat, což bude mít větší dopad na ty technologie, ve kterých hraje kryptografie relevantnější roli, jako je kybernetická bezpečnost nebo blockchain.
Napsat komentář