Ο ψηφιακός μετασχηματισμός αλλάζει τον κόσμο πιο γρήγορα από ποτέ. Η εκμάθηση για τις βασικές έννοιες της ψηφιακής εποχής θα γίνει ακόμη πιο κρίσιμη με την επικείμενη άφιξη ενός άλλου νέου κύματος τεχνολογίας ικανού να μεταμορφώσει υπάρχοντα μοντέλα με εκπληκτική ταχύτητα και δύναμη: τον κβαντικό υπολογισμό.
Σε αυτό το άρθρο, συγκρίνουμε τις βασικές έννοιες του παραδοσιακού υπολογισμού και του κβαντικού υπολογισμού, και επίσης αρχίζουμε να διερευνούμε την εφαρμογή τους σε διαφορετικούς τομείς.
Τι είναι οι κβαντικές ιδιότητες;
Καθ' όλη τη διάρκεια της ιστορίας, οι άνθρωποι ανέπτυξαν τεχνολογία καθώς κατέληξαν να κατανοήσουν τη λειτουργία της φύσης μέσω της επιστήμης. Μεταξύ του 1900 και του 1930, η μελέτη ορισμένων φυσικών φαινομένων που δεν ήταν ακόμη καλά κατανοητά οδήγησε σε μια νέα φυσική θεωρία: την Κβαντική Μηχανική. Αυτή η θεωρία περιγράφει και εξηγεί τη λειτουργία του μικροσκοπικού κόσμου, το φυσικό περιβάλλον των μορίων, των ατόμων και των ηλεκτρονίων.
Όχι μόνο μπόρεσε να εξηγήσει αυτά τα φαινόμενα, αλλά κατέστησε επίσης δυνατή την κατανόηση ότι η υποατομική πραγματικότητα λειτουργεί με έναν εντελώς αντιδιαισθητικό, σχεδόν μαγικό τρόπο και ότι συμβαίνουν γεγονότα στον μικροσκοπικό κόσμο που δεν συμβαίνουν στον μακροσκοπικός κόσμος.
Αυτές οι κβαντικές ιδιότητες περιλαμβάνουν την κβαντική υπέρθεση, την κβαντική εμπλοκή και την κβαντική τηλεμεταφορά.
- Κβαντική υπέρθεση περιγράφει πώς ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα.
- Κβαντική εμπλοκή περιγράφει πώς δύο σωματίδια μπορούν να έρθουν σε μια «μπλεγμένη» κατάσταση και, μετά από αυτό, να ανταποκριθούν σχεδόν ταυτόχρονα με τον ίδιο τρόπο, παρά τη φυσική τους απόσταση. Με άλλα λόγια, μπορούν να τοποθετηθούν όσο πιο μακριά είναι επιθυμητό μεταξύ τους και, όταν αλληλεπιδρούν με το ένα, το άλλο αντιδρά στην ίδια αλληλεπίδραση.
- Κβαντική τηλεμεταφορά χρησιμοποιεί κβαντική εμπλοκή για να στείλει πληροφορίες από ένα μέρος στο διάστημα στο άλλο χωρίς να χρειάζεται να ταξιδέψει στο διάστημα.
Ο κβαντικός υπολογισμός βασίζεται σε αυτές τις κβαντικές ιδιότητες υποατομικής φύσης.
Σε αυτήν την περίπτωση, η σημερινή κατανόηση του μικροσκοπικού κόσμου μέσω της Κβαντικής Μηχανικής μας επιτρέπει να εφεύρουμε και να σχεδιάζουμε τεχνολογίες ικανές να βελτιώσουν τη ζωή των ανθρώπων. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν κβαντικά φαινόμενα και ορισμένες από αυτές, όπως τα λέιζερ ή η μαγνητική τομογραφία (MRI), υπάρχουν εδώ και περισσότερο από μισό αιώνα.
Τι είναι ο κβαντικός υπολογισμός;
Για να κατανοήσετε πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές, είναι χρήσιμο να εξηγήσουμε πρώτα πώς λειτουργούν οι υπολογιστές που χρησιμοποιούμε καθημερινά, που αναφέρονται σε αυτό το άρθρο ως ψηφιακοί ή κλασικοί υπολογιστές. Αυτές, όπως όλες οι άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, όπως τα tablet ή τα κινητά τηλέφωνα, χρησιμοποιούν bits ως θεμελιώδεις μονάδες μνήμης. Αυτό σημαίνει ότι τα προγράμματα και οι εφαρμογές κωδικοποιούνται σε bit, δηλαδή σε μια δυαδική γλώσσα μηδενικών και μονάδων.
Κάθε φορά που αλληλεπιδρούμε με οποιαδήποτε από αυτές τις συσκευές, για παράδειγμα πατώντας ένα πλήκτρο στο πληκτρολόγιο, δημιουργούνται, καταστρέφονται ή/και τροποποιούνται σειρές μηδενικών και μονάδων στον υπολογιστή.
Η ενδιαφέρουσα ερώτηση είναι, ποια είναι αυτά τα μηδενικά και τα μονά μέσα στον υπολογιστή; Οι καταστάσεις μηδέν και ένα των μπιτ αντιστοιχούν σε ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει ή όχι μέσω μικροσκοπικών μερών που ονομάζονται τρανζίστορ, τα οποία λειτουργούν ως διακόπτες. Όταν δεν ρέει ρεύμα, το τρανζίστορ είναι "off" και αντιστοιχεί σε ένα bit 0, και όταν ρέει, είναι "on" και αντιστοιχεί σε ένα bit 1.
Σε μια πιο απλοποιημένη μορφή, είναι σαν τα bit 0 και 1 να αντιστοιχούν σε τρύπες, έτσι ώστε μια κενή οπή είναι λίγο 0 και μια τρύπα που καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο είναι λίγο 1. Τώρα που έχουμε μια ιδέα για το πώς λειτουργούν οι σημερινοί υπολογιστές , ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές.
Από bit σε qubits
Η θεμελιώδης μονάδα πληροφοριών στον κβαντικό υπολογισμό είναι το κβαντικό bit ή qubit. Τα qubits είναι, εξ ορισμού, κβαντικά συστήματα δύο επιπέδων τα οποία, όπως και τα bit, μπορούν να βρίσκονται στο χαμηλό επίπεδο, το οποίο αντιστοιχεί σε μια κατάσταση χαμηλής διέγερσης ή ενέργειας που ορίζεται ως 0. ή σε υψηλό επίπεδο, που αντιστοιχεί σε κατάσταση υψηλότερης διέγερσης ή ορίζεται ως 1.
Ωστόσο, και εδώ έγκειται η θεμελιώδης διαφορά με τον κλασικό υπολογισμό, τα qubits μπορούν επίσης να βρίσκονται σε οποιαδήποτε από έναν άπειρο αριθμό ενδιάμεσων καταστάσεων μεταξύ 0 και 1, όπως μια κατάσταση που είναι μισό 0 και μισό 1 ή τρία τέταρτα του 0 και ένα τέταρτο του 1. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως κβαντική υπέρθεση και είναι φυσικό στα κβαντικά συστήματα.
Κβαντικοί αλγόριθμοι: Εκθετικά πιο ισχυρός και αποδοτικός υπολογισμός
Ο σκοπός των κβαντικών υπολογιστών είναι να επωφεληθούν από αυτές τις κβαντικές ιδιότητες των qubits, ως κβαντικών συστημάτων, για να μπορούν να εκτελούν κβαντικούς αλγόριθμους που χρησιμοποιούν υπέρθεση και εμπλοκή για να προσφέρουν πολύ μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύ από τους κλασικούς.
Είναι σημαντικό να επισημανθεί ότι η πραγματική αλλαγή παραδείγματος δεν συνίσταται στο να κάνουμε το ίδιο πράγμα που κάνουν οι ψηφιακοί ή οι κλασικοί υπολογιστές -οι σημερινοί-, αλλά πιο γρήγορα, όπως λανθασμένα ισχυρίζονται πολλά άρθρα, αλλά μάλλον ότι οι κβαντικοί αλγόριθμοι επιτρέπουν σε ορισμένες πράξεις να εκτελείται με εντελώς διαφορετικό τρόπο. που συχνά είναι πιο αποτελεσματικό -δηλαδή σε πολύ λιγότερο χρόνο ή χρησιμοποιώντας πολύ λιγότερους υπολογιστικούς πόρους-.
Ας δούμε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα του τι σημαίνει αυτό. Ας φανταστούμε ότι βρισκόμαστε στο Σαν Φρανσίσκο και θέλουμε να μάθουμε ποια είναι η καλύτερη διαδρομή για τη Νέα Υόρκη από ένα εκατομμύριο επιλογές για να φτάσετε εκεί (N=1,000,000). Για να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε υπολογιστές για να βρούμε τη βέλτιστη διαδρομή, πρέπει να ψηφιοποιήσουμε 1,000,000 επιλογές, πράγμα που συνεπάγεται τη μετάφραση τους σε γλώσσα bit για τον κλασικό υπολογιστή και σε qubits για τον κβαντικό υπολογιστή.
Ενώ ένας κλασικός υπολογιστής θα πρέπει να περάσει από όλα τα μονοπάτια ένα προς ένα μέχρι να βρει το επιθυμητό, ένας κβαντικός υπολογιστής εκμεταλλεύεται μια διαδικασία γνωστή ως κβαντικός παραλληλισμός που του επιτρέπει ουσιαστικά να εξετάσει όλα τα μονοπάτια ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι ο κβαντικός υπολογιστής θα βρει τη βέλτιστη διαδρομή πολύ πιο γρήγορα από τον κλασικό υπολογιστή, λόγω της βελτιστοποίησης των χρησιμοποιημένων πόρων.
Για να κατανοήσουμε τις διαφορές στην υπολογιστική ικανότητα, με n qubits μπορούμε να κάνουμε το ισοδύναμο με αυτό που θα ήταν δυνατό με 2n κομμάτια. Λέγεται συχνά ότι με περίπου 270 qubits θα μπορούσατε να έχετε περισσότερες καταστάσεις βάσης σε έναν κβαντικό υπολογιστή – περισσότερες διαφορετικές και ταυτόχρονες σειρές χαρακτήρων – από τον αριθμό των ατόμων στο σύμπαν, που υπολογίζεται ότι είναι περίπου 280. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ότι εκτιμάται ότι με έναν κβαντικό υπολογιστή μεταξύ 2000 και 2500 qubits θα μπορούσατε να σπάσετε σχεδόν όλη την κρυπτογραφία που χρησιμοποιείται σήμερα (γνωστή ως κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού).
Όσον αφορά την κρυπτογραφία, υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα στη χρήση κβαντική υπολογιστική. Εάν δύο συστήματα είναι καθαρά μπερδεμένα, αυτό σημαίνει ότι συσχετίζονται μεταξύ τους (δηλαδή, όταν το ένα αλλάζει, αλλάζει και το άλλο) και κανένα τρίτο μέρος δεν μοιράζεται αυτή τη συσχέτιση.
Πάρε μακριά
Βρισκόμαστε σε μια εποχή ψηφιακού μετασχηματισμού στην οποία διαφορετικές αναδυόμενες τεχνολογίες όπως blockchain, τεχνητή νοημοσύνη, drones, Internet of Things, εικονική πραγματικότητα, 5G, 3D εκτυπωτές, ρομπότ ή αυτόνομα οχήματα είναι ολοένα και περισσότερο παρόντες σε πολλούς τομείς και τομείς.
Αυτές οι τεχνολογίες, οι οποίες πρόκειται να βελτιώσουν την ποιότητα της ανθρώπινης ζωής επιταχύνοντας την ανάπτυξη και δημιουργώντας κοινωνικό αντίκτυπο, προχωρούν επί του παρόντος παράλληλα. Μόνο σπάνια βλέπουμε εταιρείες να αναπτύσσουν προϊόντα που εκμεταλλεύονται συνδυασμούς δύο ή περισσότερων από αυτές τις τεχνολογίες, όπως blockchain και IoT ή drones και τεχνητή νοημοσύνη.
Ενώ προορίζονται να συγκλίνουν και να δημιουργήσουν εκθετικά μεγαλύτερο αντίκτυπο, το πρώιμο στάδιο ανάπτυξης στο οποίο βρίσκονται και η σπανιότητα προγραμματιστών και ατόμων με τεχνικό υπόβαθρο σημαίνει ότι οι συγκλίσεις εξακολουθούν να είναι ένα έργο που εκκρεμεί.
Λόγω του δυναμικού τους, οι κβαντικές τεχνολογίες αναμένεται όχι μόνο να συγκλίνουν με όλες αυτές τις νέες τεχνολογίες, αλλά και να έχουν ευρεία επιρροή σχεδόν σε όλες. Κβαντική υπολογιστική θα απειλήσει τον έλεγχο ταυτότητας, την ανταλλαγή και την ασφαλή αποθήκευση δεδομένων, έχοντας μεγαλύτερο αντίκτυπο σε εκείνες τις τεχνολογίες στις οποίες η κρυπτογραφία παίζει πιο σημαντικό ρόλο, όπως η ασφάλεια στον κυβερνοχώρο ή το blockchain.
Αφήστε μια απάντηση