Digitaalne transformatsioon muudab maailma kiiremini kui kunagi varem. Digiajastu põhikontseptsioonide tundmaõppimine muutub veelgi kriitilisemaks, kui peagi saabub uus tehnoloogialaine, mis suudab olemasolevaid mudeleid hämmastava kiiruse ja võimsusega muuta: kvantarvutus.
Selles artiklis võrdleme traditsioonilise andmetöötluse ja kvantarvutuse põhimõisteid ning hakkame uurima ka nende rakendamist erinevates valdkondades.
Mis on kvantomadused?
Ajaloo jooksul on inimesed arendanud tehnoloogiat, kuna nad on teaduse kaudu hakanud mõistma looduse toimimist. 1900. ja 1930. aastate vahel tekitas mõnede füüsikaliste nähtuste uurimisel, mida veel hästi ei mõistetud, uus füüsikaline teooria: kvantmehaanika. See teooria kirjeldab ja selgitab mikroskoopilise maailma, molekulide, aatomite ja elektronide loodusliku elupaiga toimimist.
See mitte ainult ei ole suutnud neid nähtusi seletada, vaid on võimaldanud ka mõista, et subatomiline reaalsus toimib täiesti intuitiivselt, peaaegu maagiliselt ning et mikroskoopilises maailmas toimuvad sündmused, mis ei toimu makroskoopiline maailm.
Nende kvantomaduste hulka kuuluvad kvantsuperpositsioon, kvantpõimumine ja kvantteleportatsioon.
- Kvantsuperpositsioon kirjeldab, kuidas osake võib korraga olla erinevates olekutes.
- Kvantpõimumine kirjeldab, kuidas kaks osakest saab viia "põimunud" olekusse ja pärast seda reageerida peaaegu samaaegselt, hoolimata nende füüsilisest kaugusest. Teisisõnu, neid saab paigutada üksteisest nii kaugele kui soovitakse ja ühega suheldes reageerib teine samale suhtlusele.
- Quantum teleportation kasutab kvantpõimumist teabe saatmiseks ühest ruumikohast teise, ilma et oleks vaja läbi kosmose reisida.
Kvantarvutus põhineb neil subatomaarse olemusega kvantomadustel.
Sel juhul võimaldab tänane arusaam mikroskoopilisest maailmast kvantmehaanika kaudu leiutada ja kujundada tehnoloogiaid, mis suudavad inimeste elu paremaks muuta. Kvantnähtusi kasutavaid tehnoloogiaid on palju ja mõned neist, näiteks laserid või magnetresonantstomograafia (MRI), on eksisteerinud juba üle poole sajandi.
Mis on kvantarvutus?
Kvantarvutite tööpõhimõtete mõistmiseks on kasulik kõigepealt selgitada, kuidas töötavad arvutid, mida me igapäevaselt kasutame ja mida käesolevas artiklis nimetatakse digitaalseteks või klassikalisteks arvutiteks. Need, nagu kõik muud elektroonilised seadmed, nagu tahvelarvutid või mobiiltelefonid, kasutavad oma põhimäluühikutena bitte. See tähendab, et programmid ja rakendused on kodeeritud bittidena ehk nullidest ja ühtedest koosnevas binaarkeeles.
Iga kord, kui me mõne sellise seadmega suhtleme, näiteks vajutame klaviatuuril klahvi, luuakse arvutis nullide ja ühtede jada, hävitatakse ja/või muudetakse neid.
Huvitav küsimus on, et mis on need nullid ja ühed füüsiliselt arvuti sees? Bittide null- ja üksolekud vastavad elektrivoolule, mis voolab või mitte läbi mikroskoopiliste osade, mida nimetatakse transistoridele ja mis toimivad lülititena. Kui voolu ei voola, on transistor "väljas" ja vastab bitile 0 ja kui see voolab, on see "sees" ja vastab bitile 1.
Lihtsustatumal kujul vastavad bitid 0 ja 1 aukudele, nii et tühi auk on natuke 0 ja auk, mille hõivab elektron, on natuke 1. Nüüd on meil aimu, kuidas tänapäeva arvutid töötavad , proovime mõista, kuidas kvantarvutid töötavad.
Bittidest kubitideni
Kvantarvutuse teabe põhiühik on kvantbitt või kubit. Kubitid on definitsiooni järgi kahetasandilised kvantsüsteemid, mis sarnaselt bittidega võivad olla madalal tasemel, mis vastab madala ergastuse või energia olekule, mis on määratletud kui 0; või kõrgel tasemel, mis vastab kõrgema ergastuse olekule või on määratletud kui 1.
Kuid siin peitub põhimõtteline erinevus klassikalisest andmetöötlusest, kubitid võivad olla ka mis tahes lõpmatus arvus vahepealsetes olekutes vahemikus 0 kuni 1, näiteks olek, mis on pool 0 ja pool 1 või kolmveerand 0 ja üks veerand. 1. Seda nähtust tuntakse kvantsuperpositsioonina ja see on kvantsüsteemides loomulik.
Kvantalgoritmid: eksponentsiaalselt võimsam ja tõhusam andmetöötlus
Kvantarvutite eesmärk on ära kasutada kubitite kui kvantsüsteemide kvantomadusi, et oleks võimalik käivitada kvantalgoritme, mis kasutavad superpositsiooni ja põimumist, et pakkuda palju suuremat töötlemisvõimsust kui klassikalised.
Oluline on märkida, et tõeline paradigma muutus ei seisne selles, et tehakse sama, mida digitaalsed või klassikalised arvutid - praegused -, vaid kiiremini, nagu paljud artiklid ekslikult väidavad, vaid pigem selles, et kvantalgoritmid võimaldavad teatud toiminguid teha. esitatakse täiesti erineval viisil; mis on sageli tõhusam - see tähendab palju lühema ajaga või palju vähem arvutusressursse kasutades.
Vaatame konkreetset näidet selle kohta, mida see tähendab. Kujutagem ette, et oleme San Franciscos ja tahame teada, milline on miljonist kohalejõudmise võimalusest parim marsruut New Yorki (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Arvutite kasutamiseks optimaalse marsruudi leidmiseks peame digiteerima XNUMX XNUMX XNUMX valikut, mis tähendab, et klassikalise arvuti jaoks tuleb need tõlkida bitikeelde ja kvantarvuti jaoks kubittideks.
Kui klassikaline arvuti peaks soovitud tee leidmiseni kõik teed ükshaaval läbima, siis kvantarvuti kasutab ära protsessi, mida tuntakse kvantparalleelsusena, mis võimaldab tal sisuliselt kõiki teid korraga arvestada. See tähendab, et kasutatud ressursside optimeerimise tõttu leiab kvantarvuti optimaalse marsruudi palju kiiremini kui klassikaline arvuti.
Arvutusvõimsuse erinevuste mõistmiseks saame n qubitiga teha samaväärse tulemuse, mis oleks võimalik 2n bitti. Sageli öeldakse, et umbes 2-ga70 kubitite puhul võib kvantarvutis olla rohkem baasolekuid – rohkem erinevaid ja samaaegseid märgijadasid – kui universumi aatomite arv, mis on hinnanguliselt umbes 280. Teine näide on see, et hinnanguliselt võiks 2000–2500 kubitise kvantarvutiga murda praktiliselt kogu tänapäeval kasutatava krüptograafia (tuntud kui avaliku võtme krüptograafia).
Mis puutub krüptograafiasse, siis sellel on mitmeid eeliseid kvantarvutus. Kui kaks süsteemi on puhtalt põimunud, tähendab see, et need on üksteisega korrelatsioonis (st kui üks muutub, muutub ka teine) ja ükski kolmas osapool ei jaga seda korrelatsiooni.
Take Away
Oleme digitaalse transformatsiooni ajajärgus, kus erinevad esilekerkivad tehnoloogiad, nagu plokiahel, tehisintellekt, droonid, asjade internet, virtuaalreaalsus, 5G, 3D-printerid, robotid või autonoomsed sõidukid on üha enam esindatud mitmes valdkonnas ja sektoris.
Need tehnoloogiad, mille eesmärk on parandada inimelu kvaliteeti, kiirendades arengut ja avaldades sotsiaalset mõju, arenevad praegu paralleelselt. Vaid harva näeme ettevõtteid arendamas tooteid, mis kasutavad kahe või enama sellise tehnoloogia kombinatsioone, nagu plokiahel ja asjade internet või droonid ja tehisintellekti.
Kuigi nende eesmärk on läheneda ja seeläbi tekitada eksponentsiaalselt suuremat mõju, tähendab nende arendamise varajases staadiumis ning arendajate ja tehnilise taustaga inimeste vähesus, et lähenemine on endiselt lahendamata ülesanne.
Oma häiriva potentsiaali tõttu eeldatakse, et kvanttehnoloogiad mitte ainult ei ühtlusta kõigi nende uute tehnoloogiatega, vaid avaldavad ka laialdast mõju peaaegu kõigile. Kvantarvutus ohustab andmete autentimist, vahetamist ja turvalist säilitamist, avaldades suuremat mõju tehnoloogiatele, milles krüptograafia mängib olulisemat rolli, nagu küberjulgeolek või plokiahel.
Jäta vastus