Digitalna transformacija mijenja svijet brže nego ikad prije. Učenje o ključnim konceptima digitalnog doba postat će još važnije s neminovnim dolaskom još jednog novog vala tehnologije sposobne transformirati postojeće modele zadivljujućom brzinom i snagom: kvantnog računalstva.
U ovom članku uspoređujemo osnovne koncepte tradicionalnog računalstva i kvantnog računalstva, a također počinjemo istraživati njihovu primjenu u različitim područjima.
Koja su kvantna svojstva?
Ljudi su kroz povijest razvijali tehnologiju jer su kroz znanost shvatili djelovanje prirode. Između 1900-ih i 1930-ih, proučavanje nekih fizikalnih pojava koje još nisu bile dobro shvaćene dovelo je do nove fizikalne teorije: kvantne mehanike. Ova teorija opisuje i objašnjava djelovanje mikroskopskog svijeta, prirodnog staništa molekula, atoma i elektrona.
Ne samo da je uspio objasniti ove fenomene, već je također omogućio razumijevanje da subatomska stvarnost djeluje na potpuno kontra-intuitivan, gotovo magičan način, te da se događaji odvijaju u mikroskopskom svijetu koji se ne događaju u makroskopski svijet.
Ova kvantna svojstva uključuju kvantnu superpoziciju, kvantnu isprepletenost i kvantnu teleportaciju.
- Kvantna superpozicija opisuje kako čestica može biti u različitim stanjima u isto vrijeme.
- Kvantno zapletanje opisuje kako se dvije čestice mogu dovesti u "zapleteno" stanje i, nakon toga, reagirati gotovo istovremeno na isti način, unatoč njihovoj fizičkoj udaljenosti. Drugim riječima, mogu se razmaknuti 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 računalstvo temelji se na ovim kvantnim svojstvima subatomske prirode.
U ovom slučaju, današnje razumijevanje mikroskopskog svijeta kroz kvantnu mehaniku omogućuje nam da izmislimo i dizajniramo tehnologije sposobne poboljšati živote ljudi. Postoji mnogo različitih tehnologija koje koriste kvantne fenomene, a neke od njih, poput lasera ili magnetske rezonancije (MRI), postoje već više od pola stoljeća.
Što je kvantno računalstvo?
Da bismo razumjeli kako rade kvantna računala, korisno je najprije objasniti kako funkcioniraju računala koja svakodnevno koristimo, a koja se u ovom članku nazivaju digitalnim ili klasičnim računalima. Ovi, kao i svi drugi elektronički uređaji kao što su tableti ili mobilni telefoni, koriste bitove kao temeljne 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 tipkovnici, nizovi nula i jedinica se stvaraju, uništavaju i/ili mijenjaju unutar računala.
Zanimljivo je pitanje, koje su to nule i jedinice fizički unutar računala? 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, 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 rade današnja računala , pokušajmo razumjeti kako rade kvantna računala.
Od bitova do kubita
Osnovna jedinica informacija u kvantnom računarstvu je kvantni bit ili kubit. Kubiti su, po definiciji, dvorazinski kvantni sustavi koji, poput bitova, mogu biti na niskoj razini, što odgovara stanju niske pobude ili energije definiranoj kao 0; ili na visokoj razini, koja odgovara stanju veće ekscitacije ili je definirana kao 1.
Međutim, i tu leži temeljna razlika s klasičnim računalstvom, kubiti također 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. Ova pojava poznata je kao kvantna superpozicija i prirodna je u kvantnim sustavima.
Kvantni algoritmi: Eksponencijalno moćnije i učinkovitije računanje
Svrha kvantnih računala je iskoristiti prednost ovih kvantnih svojstava kubita, kao kvantnih sustava, kako bi mogli pokrenuti kvantne algoritme koji koriste superpoziciju i isprepletenost kako bi ponudili mnogo veću procesorsku snagu od klasičnih.
Važno je istaknuti da se prava promjena paradigme ne sastoji u tome da rade isto što digitalna ili klasična računala – sadašnja – rade, već brže, kako mnogi članci pogrešno tvrde, već da kvantni algoritmi dopuštaju određene operacije. izvedena na potpuno drugačiji način; to je često učinkovitije – to jest, u mnogo kraćem vremenu ili koristeći mnogo manje računskih resursa.
Pogledajmo konkretan primjer što to implicira. Zamislimo da smo u San Franciscu i želimo znati koja je najbolja ruta do New Yorka od milijun opcija za dolazak tamo (N=1,000,000). Da bismo mogli koristiti računala za pronalaženje optimalne rute, moramo digitalizirati 1,000,000 opcija, što podrazumijeva njihovo prevođenje u bitni jezik za klasično računalo i u kubite za kvantno računalo.
Dok bi klasično računalo trebalo proći sve putove jedan po jedan dok ne pronađe željeni, kvantno računalo koristi prednost procesa poznatog kao kvantni paralelizam koji mu omogućuje da, u biti, razmotri sve putove odjednom. To implicira da će kvantno računalo pronaći optimalnu rutu daleko brže od klasičnog računala, zbog optimizacije korištenih resursa.
Da bismo razumjeli razlike u računskom kapacitetu, s n kubita možemo učiniti ekvivalent onome što bi bilo moguće s 2n komadići. Često se kaže da s oko 270 kubita možete imati više osnovnih stanja u kvantnom računalu – više različitih i istovremenih nizova znakova – od broja atoma u svemiru, koji se procjenjuje na oko 280. Drugi primjer je da se procjenjuje da biste s kvantnim računalom od 2000 do 2500 kubita mogli razbiti praktički svu kriptografiju koja se danas koristi (poznatu kao kriptografija s javnim ključem).
Što se tiče kriptografije, postoje brojne prednosti korištenja kvantno računanje. Ako su dva sustava potpuno isprepletena, to znači da su međusobno povezani (tj. kada se jedan promijeni, mijenja se i drugi) i nijedna treća strana ne dijeli tu korelaciju.
Hrana za ponijeti kući
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 printeri, roboti ili autonomnih vozila sve prisutnije u više područja i sektora.
Ove tehnologije, koje imaju za cilj poboljšati kvalitetu ljudskog života ubrzavanjem razvoja i generiranjem društvenog utjecaja, trenutno napreduju paralelno. Samo rijetko vidimo tvrtke koje razvijaju proizvode koji iskorištavaju kombinacije dviju ili više ovih tehnologija, kao što su blockchain i IoT ili dronovi i umjetna inteligencija.
Iako im je suđeno da se konvergiraju i tako generiraju eksponencijalno veći utjecaj, rana faza razvoja u kojoj se nalaze i nedostatak programera i ljudi s tehničkim iskustvom znače da su konvergencije još uvijek neriješeni zadatak.
Zbog svog razornog potencijala, očekuje se da će kvantne tehnologije ne samo konvergirati sa svim tim novim tehnologijama, već i imati širok utjecaj na gotovo sve njih. Kvantno računanje ugrozit će autentifikaciju, razmjenu i sigurnu pohranu podataka, imajući veći utjecaj na one tehnologije u kojima kriptografija igra važniju ulogu, kao što su kibernetička sigurnost ili blockchain.
Ostavi odgovor