Digitaalinen muutos muuttaa maailmaa nopeammin kuin koskaan ennen. Digitaalisen aikakauden avainkäsitteiden oppiminen tulee entistä kriittisemmäksi, kun pian saapuu toinen uusi teknologia-aalto, joka pystyy muuttamaan olemassa olevia malleja hämmästyttävällä nopeudella ja teholla: kvanttilaskenta.
Tässä artikkelissa vertaamme perinteisen laskennan ja kvanttilaskennan peruskäsitteitä ja alamme myös tutkia niiden soveltamista eri alueilla.
Mitä ovat kvanttiominaisuudet?
Kautta historian ihmiset ovat kehittäneet teknologiaa, kun he ovat oppineet ymmärtämään luonnon toimintaa tieteen kautta. 1900- ja 1930-lukujen välillä joidenkin fysikaalisten ilmiöiden tutkiminen, joita ei vielä ymmärretty hyvin, synnytti uuden fysikaalisen teorian: kvanttimekaniikka. Tämä teoria kuvaa ja selittää mikroskooppisen maailman, molekyylien, atomien ja elektronien luonnollisen elinympäristön, toimintaa.
Se ei ole vain pystynyt selittämään näitä ilmiöitä, vaan se on myös mahdollistanut sen ymmärtämisen, että subatomitodellisuus toimii täysin intuitiivisesti vastakkaisella, melkein maagisella tavalla ja että mikroskooppisessa maailmassa tapahtuu tapahtumia, joita ei esiinny makroskooppinen maailma.
Näitä kvanttiominaisuuksia ovat kvantti superpositio, kvanttikettuminen ja kvanttiteleportaatio.
- Kvanttisuperpositio kuvaa kuinka hiukkanen voi olla eri tilassa samanaikaisesti.
- Kvanttikietoutuminen kuvaa kuinka kaksi hiukkasta voidaan saattaa "kietoutuneeseen" tilaan ja sen jälkeen reagoida lähes samanaikaisesti samalla tavalla fyysisestä etäisyydestä huolimatta. Toisin sanoen ne voidaan sijoittaa niin kauas toisistaan kuin halutaan, ja toisen kanssa vuorovaikutuksessa toinen reagoi samaan vuorovaikutukseen.
- Quantum telekopiointi käyttää kvanttisekoitusta tiedon lähettämiseen avaruuden paikasta toiseen ilman tarvetta matkustaa avaruuden halki.
Kvanttilaskenta perustuu näihin subatomisiin kvanttiominaisuuksiin.
Tässä tapauksessa tämän päivän ymmärrys mikroskooppisesta maailmasta kvanttimekaniikan avulla antaa meille mahdollisuuden keksiä ja suunnitella teknologioita, jotka pystyvät parantamaan ihmisten elämää. On olemassa monia erilaisia kvanttiilmiöitä käyttäviä teknologioita, ja jotkut niistä, kuten laserit tai magneettikuvaus (MRI), ovat olleet olemassa yli puoli vuosisataa.
Mitä on kvanttilaskenta?
Kvanttitietokoneiden toiminnan ymmärtämiseksi on hyödyllistä ensin selittää, kuinka päivittäin käyttämämme tietokoneet, joita tässä artikkelissa kutsutaan digitaalisiksi tai klassisiksi tietokoneiksi, toimivat. Nämä, kuten kaikki muutkin elektroniset laitteet, kuten tabletit tai matkapuhelimet, käyttävät bittejä perusmuistiyksikkönsä. Tämä tarkoittaa, että ohjelmat ja sovellukset koodataan bitteinä eli nollien ja ykkösten binäärikielellä.
Joka kerta kun olemme vuorovaikutuksessa näiden laitteiden kanssa, esimerkiksi painamalla näppäimistön näppäintä, tietokoneessa luodaan, tuhotaan ja/tai muutetaan nolla- ja ykkösjonoja.
Mielenkiintoinen kysymys on, mitä nämä nollat ja ykköset ovat fyysisesti tietokoneen sisällä? Bittien nolla- ja yksitilat vastaavat sähkövirtaa, joka kulkee tai ei virtaa kytkiminä toimivien mikroskooppisten osien, joita kutsutaan transistoreiksi, läpi. Kun virtaa ei kulje, transistori on "pois päältä" ja vastaa bittiä 0, ja kun se virtaa, se on "päällä" ja vastaa bittiä 1.
Yksinkertaistetussa muodossa on ikään kuin bitit 0 ja 1 vastaisivat reikiä, niin että tyhjä reikä on vähän 0 ja elektronin varaama reikä on bitti 1. Nyt kun meillä on käsitys siitä, miten nykypäivän tietokoneet toimivat , yritetään ymmärtää kuinka kvanttitietokoneet toimivat.
Biteistä kubitteihin
Kvanttilaskennan informaation perusyksikkö on kvanttibitti tai kubitti. Qubitit ovat määritelmän mukaan kaksitasoisia kvanttijärjestelmiä, jotka, kuten bitit, voivat olla matalalla tasolla, mikä vastaa 0:ksi määriteltyä matalan virityksen tai energian tilaa; tai korkealla tasolla, joka vastaa korkeamman virityksen tilaa tai määritellään 1:ksi.
Kuitenkin, ja tässä piilee perustavanlaatuinen ero klassiseen laskemiseen, qubitit voivat olla myös missä tahansa äärettömässä määrässä välitiloja välillä 0 ja 1, kuten tila, joka on puoli 0 ja puoli 1 tai kolme neljäsosaa 0 ja yksi neljäsosa. 1. Tämä ilmiö tunnetaan kvanttisuperpositiona ja se on luonnollinen kvanttijärjestelmissä.
Kvanttialgoritmit: Eksponentiaalisesti tehokkaampi ja tehokkaampi laskenta
Kvanttitietokoneiden tarkoitus on hyödyntää näitä kubittien kvanttiominaisuuksia kvanttijärjestelminä voidakseen ajaa kvanttialgoritmeja, jotka käyttävät superpositiota ja kietoutumista tarjoamaan paljon suuremman prosessointitehon kuin klassiset.
On tärkeää huomauttaa, että todellinen paradigman muutos ei ole sitä samaa, mitä digitaaliset tai klassiset tietokoneet - nykyiset - tekevät, vaan nopeammin, kuten monet artikkelit virheellisesti väittävät, vaan kvanttialgoritmit mahdollistavat tiettyjen toimintojen suorittamisen. suoritetaan täysin eri tavalla; joka on usein tehokkaampi - toisin sanoen paljon lyhyemmässä ajassa tai käyttämällä paljon vähemmän laskentaresursseja.
Katsotaanpa konkreettista esimerkkiä siitä, mitä tämä tarkoittaa. Kuvitellaan, että olemme San Franciscossa ja haluamme tietää, mikä on paras reitti New Yorkiin miljoonasta vaihtoehdosta päästä sinne (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Jotta voimme käyttää tietokoneita optimaalisen reitin löytämiseen, meidän on digitoitava XNUMX XNUMX XNUMX vaihtoehtoa, mikä tarkoittaa niiden kääntämistä bittikieleksi klassisessa tietokoneessa ja kubiteiksi kvanttitietokoneessa.
Vaikka klassisen tietokoneen pitäisi käydä läpi kaikki polut yksitellen, kunnes se löytää halutun, kvanttitietokone hyödyntää kvanttirinnakkaiseksi kutsuttua prosessia, jonka avulla se voi pohjimmiltaan tarkastella kaikkia polkuja kerralla. Tämä tarkoittaa, että kvanttitietokone löytää optimaalisen reitin paljon nopeammin kuin klassinen tietokone käytettyjen resurssien optimoinnin ansiosta.
Laskentakapasiteetin erojen ymmärtämiseksi n qubitillä voimme tehdä vastaavan, mikä olisi mahdollista 2:llan bittiä. Usein sanotaan, että noin 2:lla70 kubitit, sinulla voisi olla enemmän perustiloja kvanttitietokoneessa – enemmän erilaisia ja samanaikaisia merkkijonoja – kuin maailmankaikkeuden atomien määrä, jonka arvioidaan olevan noin 280. Toinen esimerkki on, että on arvioitu, että 2000-2500 kubitin kvanttitietokoneella voisi rikkoa käytännössä kaiken nykyään käytetyn kryptografian (tunnetaan nimellä julkisen avaimen salaus).
Mitä tulee kryptografiaan, sen käytöllä on lukuisia etuja kvanttilaskenta. Jos kaksi järjestelmää on täysin sotkeutunut, se tarkoittaa, että ne korreloivat keskenään (eli kun toinen muuttuu, myös toinen muuttuu) eikä kukaan kolmas osapuoli jaa tätä korrelaatiota.
Noutoateria
Elämme digitaalisen muutoksen aikaa, jossa erilaiset nousevat teknologiat, kuten lohkoketju, tekoäly, droonit, esineiden internet, virtuaalitodellisuus, 5G, 3D-tulostimet, robotit tai autonomiset ajoneuvot ovat yhä enemmän läsnä useilla aloilla ja sektoreilla.
Nämä tekniikat, joiden on määrä parantaa ihmisten elämänlaatua vauhdittamalla kehitystä ja luomalla sosiaalisia vaikutuksia, etenevät tällä hetkellä rinnakkain. Vain harvoin näemme yritysten kehittävän tuotteita, jotka hyödyntävät kahden tai useamman tällaisen teknologian yhdistelmiä, kuten lohkoketjua ja IoT:tä tai droneja ja tekoäly.
Vaikka niiden on määrä lähentyä ja siten tuottaa eksponentiaalisesti suurempi vaikutus, niiden kehitysvaiheen varhainen vaihe sekä kehittäjien ja teknistä taustaa omaavien ihmisten niukkuus merkitsevät sitä, että lähentyminen on vielä kesken.
Häiritsevän potentiaalinsa vuoksi kvanttiteknologioiden ei odoteta vain lähentyvän kaikkien näiden uusien teknologioiden kanssa, vaan niillä on myös laaja vaikutus käytännössä kaikkiin. Quantum computing uhkaa tietojen todentamista, vaihtoa ja turvallista säilytystä ja vaikuttaa enemmän niihin teknologioihin, joissa kryptografialla on tärkeämpi rooli, kuten kyberturvallisuuteen tai lohkoketjuun.
Jätä vastaus