A digitális átalakulás minden eddiginél gyorsabban megváltoztatja a világot. A digitális kor kulcsfogalmainak megismerése még kritikusabbá válik a technológia egy másik új hullámának közelgő érkezésével, amely elképesztő sebességgel és erővel képes átalakítani a meglévő modelleket: a kvantumszámítástechnika.
Ebben a cikkben összehasonlítjuk a hagyományos számítástechnika és a kvantumszámítás alapfogalmait, és elkezdjük feltárni azok alkalmazását különböző területeken.
Mik azok a kvantumtulajdonságok?
A történelem során az emberek úgy fejlesztették ki a technológiát, hogy a tudomány révén megértették a természet működését. Az 1900-as és 1930-as évek között néhány, még nem jól megértett fizikai jelenség tanulmányozása új fizikai elméletet szült: a kvantummechanikát. Ez az elmélet leírja és megmagyarázza a mikroszkopikus világ, a molekulák, atomok és elektronok természetes élőhelyének működését.
Nemcsak meg tudta magyarázni ezeket a jelenségeket, hanem lehetővé tette annak megértését is, hogy a szubatomi valóság teljesen ellentétes, szinte varázslatos módon működik, és a mikroszkopikus világban olyan események játszódnak le, amelyek nem makroszkopikus világ.
Ezek a kvantumtulajdonságok magukban foglalják a kvantum-szuperpozíciót, a kvantum-összefonódást és a kvantumteleportációt.
- Kvantum szuperpozíció leírja, hogy egy részecske hogyan lehet egyidejűleg különböző állapotban.
- Kvantum összefonódása leírja, hogyan lehet két részecskét „összegabalyodott” állapotba hozni, és ezt követően szinte egyszerre, a fizikai távolság ellenére is ugyanúgy reagál. Más szóval, tetszőleges távolságra helyezhetők el egymástól, és amikor az egyikkel kölcsönhatásba lépnek, a másik ugyanarra a kölcsönhatásra reagál.
- Kvantum teleportáció kvantumösszefonódást használ, hogy információkat küldjön a tér egyik helyéről a másikra anélkül, hogy át kellene utaznia a térben.
A kvantumszámítás ezeken a szubatomi természetű kvantumtulajdonságokon alapul.
Ebben az esetben a mikroszkopikus világ mai ismerete a kvantummechanikán keresztül lehetővé teszi számunkra, hogy olyan technológiákat találjunk ki és tervezzünk, amelyek képesek javítani az emberek életét. Számos különféle technológia létezik, amelyek kvantumjelenségeket használnak, és ezek egy része, mint például a lézerek vagy a mágneses rezonancia képalkotás (MRI), több mint fél évszázada létezik.
Mi az a kvantumszámítás?
A kvantumszámítógépek működésének megértéséhez először is érdemes elmagyarázni, hogyan működnek a mindennapi számítógépeink, amelyeket ebben a cikkben digitális vagy klasszikus számítógépeknek nevezünk. Ezek, mint minden más elektronikus eszköz, például táblagépek vagy mobiltelefonok, biteket használnak alapvető memóriaegységként. Ez azt jelenti, hogy a programok és alkalmazások bitben vannak kódolva, azaz nullákból és egyesekből álló bináris nyelven.
Valahányszor interakcióba lépünk ezen eszközök bármelyikével, például egy billentyű lenyomásával a billentyűzeten, nullák és egyesek karakterláncai jönnek létre, megsemmisülnek és/vagy módosulnak a számítógépen belül.
Az érdekes kérdés, hogy fizikailag mik ezek a nullák és egyesek a számítógépen belül? A bitek nulla és egyes állapota megfelel annak az elektromos áramnak, amely a tranzisztoroknak nevezett mikroszkopikus részeken keresztül áramlik vagy sem, amelyek kapcsolóként működnek. Ha nem folyik áram, a tranzisztor „kikapcsolt” állapotban van és 0 bitnek felel meg, ha áramlik, akkor „be” és 1-es bitnek felel meg.
Leegyszerűsítve, mintha a 0 és az 1 bitek lyukaknak felelnének meg, tehát az üres lyuk egy kicsit 0, az elektron által elfoglalt lyuk pedig egy kicsit 1. Most, hogy van elképzelésünk a mai számítógépek működéséről , próbáljuk meg megérteni a kvantumszámítógépek működését.
A bitektől a qubitekig
A kvantumszámítástechnikában az információ alapvető egysége a kvantumbit vagy qubit. A Qubitok definíció szerint kétszintű kvantumrendszerek, amelyek a bitekhez hasonlóan lehetnek alacsony szinten, ami megfelel a 0-val meghatározott alacsony gerjesztés vagy energia állapotának; vagy magas szinten, amely magasabb gerjesztési állapotnak felel meg, vagy 1-ként definiálható.
Azonban, és itt van az alapvető különbség a klasszikus számítástechnikával szemben, a qubitek végtelen számú köztes állapotban is lehetnek 0 és 1 között, például olyan állapotban, amely fele 0 és fele 1, vagy háromnegyede 0 és egy negyed. Ezt a jelenséget kvantum-szuperpozíciónak nevezik, és természetes a kvantumrendszerekben.
Kvantum algoritmusok: Exponenciálisan erősebb és hatékonyabb számítástechnika
A kvantumszámítógépek célja, hogy kihasználják a qubitek, mint kvantumrendszerek kvantumtulajdonságait, és képesek legyenek olyan kvantumalgoritmusokat futtatni, amelyek szuperpozíciót és összefonódást használnak, hogy sokkal nagyobb feldolgozási teljesítményt kínáljanak, mint a klasszikusok.
Fontos kiemelni, hogy a valódi paradigmaváltás nem abból áll, hogy ugyanazt csinálják, amit a digitális vagy a klasszikus számítógépek - a jelenlegiek -, hanem gyorsabban, ahogyan azt sok cikk tévesen állítja, hanem hogy a kvantum algoritmusok lehetővé teszik bizonyos műveletek végrehajtását. teljesen más módon hajtják végre; ami gyakran hatékonyabb – vagyis sokkal rövidebb idő alatt vagy sokkal kevesebb számítási erőforrás felhasználásával –.
Nézzünk egy konkrét példát arra, hogy ez mit takar. Képzeljük el, hogy San Franciscóban vagyunk, és szeretnénk tudni, hogy a milliónyi lehetőség közül melyik a legjobb New York-i út (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Ahhoz, hogy számítógépeket használhassunk az optimális útvonal megtalálásához, XNUMX XNUMX XNUMX opciót kell digitalizálnunk, ami azt jelenti, hogy ezeket a klasszikus számítógépeknél bitnyelvre, a kvantumszámítógépeknél pedig qubitekre kell lefordítani.
Míg egy klasszikus számítógépnek egyenként végig kell mennie az összes útvonalon, amíg meg nem találja a kívántat, a kvantumszámítógép kihasználja a kvantumpárhuzamnak nevezett folyamatot, amely lehetővé teszi, hogy lényegében az összes utat egyszerre vegye figyelembe. Ez azt jelenti, hogy a kvantumszámítógép a felhasznált erőforrások optimalizálásának köszönhetően sokkal gyorsabban találja meg az optimális útvonalat, mint a klasszikus számítógép.
Ahhoz, hogy megértsük a számítási kapacitás különbségeit, n qubittel megtehetjük az ekvivalenst annak, ami lehetséges lenne 2-vel.n bitek. Gyakran mondják, hogy körülbelül 2-vel70 qubitek esetén több alapállapota lehet egy kvantumszámítógépben – több különböző és egyidejű karakterlánc –, mint amennyi atomok száma az univerzumban, ami a becslések szerint körülbelül 280. Egy másik példa az, hogy a becslések szerint egy 2000 és 2500 qubit közötti kvantumszámítógéppel gyakorlatilag az összes ma használt kriptográfiát feltörhetnénk (amelyet nyilvános kulcsú titkosításnak neveznek).
Ami a kriptográfiát illeti, a használatának számos előnye van kvantumszámítás. Ha két rendszer tisztán összefonódik, az azt jelenti, hogy korrelálnak egymással (azaz amikor az egyik változik, a másik is változik), és ebben a korrelációban harmadik fél nem osztozik.
Elvitel
A digitális átalakulás korszakát éljük, amelyben a különböző feltörekvő technológiák, mint például a blokklánc, mesterséges intelligencia, drónok, tárgyak internete, virtuális valóság, 5G, 3D nyomtatók, robotok, stb. autonóm járművek egyre több területen és ágazatban jelen vannak.
Ezek a technológiák, amelyek célja az emberi élet minőségének javítása a fejlődés felgyorsításával és társadalmi hatások kiváltásával, jelenleg párhuzamosan fejlődnek. Csak ritkán látunk olyan cégeket, amelyek olyan termékeket fejlesztenek ki, amelyek két vagy több ilyen technológia kombinációját használják ki, mint például a blokklánc és az IoT vagy a drónok és mesterséges intelligencia.
Bár arra van szánva, hogy konvergáljanak, és ezáltal exponenciálisan nagyobb hatást fejtsenek ki, a fejlesztés korai szakasza, valamint a fejlesztők és a műszaki háttérrel rendelkező személyek szűkössége miatt a konvergenciák még mindig függőben vannak.
Bomlasztó potenciáljuk miatt a kvantumtechnológiák várhatóan nemcsak konvergálnak az összes új technológiához, hanem széles körű befolyást is fognak gyakorolni gyakorlatilag mindegyikre. Kvantumszámítás veszélyezteti az adatok hitelesítését, cseréjét és biztonságos tárolását, és nagyobb hatással lesz azokra a technológiákra, amelyekben a kriptográfia fontosabb szerepet játszik, mint például a kiberbiztonság vagy a blokklánc.
Hagy egy Válaszol