Stafræn umbreyting er að breyta heiminum hraðar en nokkru sinni fyrr. Að læra um lykilhugtök stafrænnar aldar verður enn mikilvægara með yfirvofandi tilkomu annarrar nýrrar tæknibylgju sem getur umbreytt núverandi gerðum með undraverðum hraða og krafti: skammtatölvu.
Í þessari grein berum við saman grunnhugtök hefðbundinnar tölvunar og skammtatölvunar, og byrjum einnig að kanna notkun þeirra á mismunandi sviðum.
Hvað eru skammtafræðilegir eiginleikar?
Í gegnum söguna hafa menn þróað tækni þar sem þeir hafa komist að raun um hvernig náttúruna gengur með vísindum. Á milli 1900 og 1930 leiddi rannsóknin á sumum eðlisfræðilegum fyrirbærum sem enn voru ekki vel skilin tilefni til nýrrar eðlisfræðikenningar: Skammtafræði. Þessi kenning lýsir og útskýrir starfsemi smásjárheimsins, náttúrulegt búsvæði sameinda, atóma og rafeinda.
Það hefur ekki aðeins tekist að útskýra þessi fyrirbæri, heldur hefur það einnig gert það mögulegt að skilja að undiratómveruleiki virkar á algjörlega gagnsæjan hátt, næstum töfrandi hátt, og að atburðir gerast í smásæja heiminum sem eiga sér ekki stað í stórsæjum heimi.
Þessir skammtaeiginleikar fela í sér skammtasamsetningu, skammtaflækju og skammtaflutning.
- Skammtasamsetning lýsir því hvernig ögn getur verið í mismunandi ástandi á sama tíma.
- Skammtaaflækjur lýsir því hvernig hægt er að koma tveimur ögnum í „flækjulegt“ ástand og bregðast eftir það nánast samtímis á sama hátt, þrátt fyrir líkamlega fjarlægð. Með öðrum orðum, þá er hægt að setja þau eins langt í sundur og óskað er, og í samskiptum við annan bregst hinn við sömu samskiptum.
- Skammtaflutningur notar skammtaaflækju til að senda upplýsingar frá einum stað í geimnum til annars án þess að þurfa að ferðast um geiminn.
Skammtatölvun er byggð á þessum skammtaeiginleikum undiratóms eðlis.
Í þessu tilviki gerir skilningur nútímans á smásæja heiminum í gegnum skammtafræðina okkur kleift að finna upp og hanna tækni sem getur bætt líf fólks. Það eru til margar mismunandi tækni sem nota skammtafyrirbæri og sumar þeirra, eins og leysir eða segulómun (MRI), hafa verið til í meira en hálfa öld.
Hvað er skammtafræði?
Til að skilja hvernig skammtatölvur virka er gagnlegt að útskýra fyrst hvernig tölvurnar sem við notum á hverjum degi, nefndar í þessari grein sem stafrænar eða klassískar tölvur, virka. Þessi, eins og öll önnur rafeindatæki eins og spjaldtölvur eða farsímar, nota bita sem grunneiningar í minni. Þetta þýðir að forrit og forrit eru kóðuð í bitum, þ.e. á tvíundarmáli með núllum og einum.
Í hvert skipti sem við höfum samskipti við eitthvað af þessum tækjum, til dæmis með því að ýta á takka á lyklaborðinu, eru strengir af núllum og einum búnir til, eytt og/eða breytt innan tölvunnar.
Áhugaverða spurningin er, hver eru þessi núll og þau líkamlega inni í tölvunni? Núll og eitt ástand bitanna samsvara rafstraumi sem flæðir, eða ekki, í gegnum smásæja hluta sem kallast smári, sem virka sem rofar. Þegar enginn straumur flæðir er smárinn „slökktur“ og samsvarar bita 0 og þegar hann flæðir er hann „kveiktur“ og samsvarar bita 1.
Í einfaldari mynd er eins og bitar 0 og 1 samsvari holum, þannig að tómt gat er hluti 0 og gat sem er upptekin af rafeind er biti 1. Nú þegar við höfum hugmynd um hvernig tölvur í dag virka , við skulum reyna að skilja hvernig skammtatölvur virka.
Frá bitum til qubita
Grunneining upplýsinga í skammtafræði er skammtabitinn eða kvenbitinn. Qubits eru samkvæmt skilgreiningu tveggja þrepa skammtakerfi sem, eins og bitar, geta verið á lágu stigi, sem samsvarar ástandi lítillar örvunar eða orku sem er skilgreint sem 0; eða á háu stigi, sem samsvarar ástandi meiri örvunar eða skilgreint sem 1.
Hins vegar, og hér liggur grundvallarmunurinn á klassískri tölvuvinnslu, geta qubitar líka verið í hvaða óendanlega fjölda millistiga sem er á milli 0 og 1, eins og ástand sem er hálft 0 og hálft 1, eða þrír fjórðu af 0 og einn fjórðungur af 1. Þetta fyrirbæri er þekkt sem skammtaskipan og er náttúrulegt í skammtakerfum.
Skammtareiknirit: Veldishraða öflugri og skilvirkari tölvuvinnslu
Tilgangur skammtatölva er að nýta þessa skammtaeiginleika qubita, sem skammtakerfis, til að geta keyrt skammtareiknirit sem nota superposition og flækju til að bjóða upp á mun meiri vinnslukraft en klassísk.
Það er mikilvægt að benda á að hin raunverulega hugmyndabreyting felst ekki í því að gera það sama og stafrænar eða klassískar tölvur - þær núverandi - gera, heldur hraðar, eins og margar greinar halda ranglega fram, heldur frekar að skammta reiknirit leyfir ákveðnum aðgerðum. framkvæmt á allt annan hátt; sem oft er skilvirkara -þ.e.a.s. á mun skemmri tíma eða með miklu færri reiknitilföng-.
Við skulum skoða áþreifanlegt dæmi um hvað þetta felur í sér. Ímyndum okkur að við séum í San Francisco og viljum vita hver er besta leiðin til New York af milljón valkostum til að komast þangað (N=1,000,000). Til að geta notað tölvur til að finna bestu leiðina þurfum við að stafræna 1,000,000 valkosti, sem þýðir að þýða þá yfir á bitamál fyrir klassísku tölvuna og yfir í qubita fyrir skammtatölvuna.
Þó að klassísk tölva þyrfti að fara í gegnum allar slóðir einn í einu þar til hún finnur þann sem óskað er eftir, nýtir skammtatölva sér ferli sem kallast skammtasamhliða sem gerir henni kleift að íhuga allar leiðir í einu. Þetta gefur til kynna að skammtatölvan muni finna bestu leiðina miklu hraðar en klassíska tölvan, vegna hagræðingar á notuðum auðlindum.
Til að skilja muninn á reiknigetu, með n qubits getum við gert jafngildi þess sem væri mögulegt með 2n bita. Oft er sagt að með um 270 qubits þú gætir haft fleiri grunnástand í skammtatölvu – fleiri mismunandi og samtímis strengi stafa – en fjöldi atóma í alheiminum, sem er áætlaður um 280. Annað dæmi er að áætlað er að með skammtatölvu sem er á milli 2000 og 2500 qubits gætir þú brotið nánast alla dulritun sem notuð er í dag (þekkt sem dulmál með almenningslyklum).
Hvað varðar dulmál, þá eru fjölmargir kostir við að nota skammtafræði. Ef tvö kerfi eru hreinlega flækt þýðir það að þau eru tengd hvert öðru (þ.e. þegar annað breytist breytist hitt líka) og enginn þriðji aðili deilir þessari fylgni.
Taka í burtu
Við erum á tímum stafrænnar umbreytinga þar sem mismunandi nýjar tækni eins og blockchain, gervigreind, drónar, Internet of Things, sýndarveruleiki, 5G, 3D prentarar, vélmenni eða sjálfstæð ökutæki eru í auknum mæli til staðar á mörgum sviðum og geirum.
Þessi tækni, sem á að bæta lífsgæði mannsins með því að hraða þróun og skapa félagsleg áhrif, fleygir nú fram samhliða. Aðeins sjaldan sjáum við fyrirtæki þróa vörur sem nýta samsetningar tveggja eða fleiri þessara tækni, svo sem blockchain og IoT eða dróna og gervigreind.
Þó að þeim sé ætlað að renna saman og hafa þannig veldisvísis meiri áhrif, þýðir fyrsta þróunarstigið sem þeir eru á og skortur á þróunaraðilum og fólki með tæknilegan bakgrunn að samleitni er enn verkefni sem er í bið.
Vegna truflandi möguleika þeirra er gert ráð fyrir að skammtatækni muni ekki aðeins renna saman við alla þessa nýju tækni heldur einnig að hún hafi víðtæk áhrif á nánast alla. Skammtafræði mun ógna auðkenningu, skiptingu og öruggri geymslu gagna, sem hefur meiri áhrif á þá tækni þar sem dulmál gegnir mikilvægara hlutverki, svo sem netöryggi eða blockchain.
Skildu eftir skilaboð