Skaitmeninė transformacija pasaulį keičia greičiau nei bet kada anksčiau. Mokymasis apie pagrindines skaitmeninio amžiaus sąvokas taps dar svarbesnis, nes netrukus pasirodys dar viena nauja technologijų banga, galinti stulbinančiu greičiu ir galingumu pakeisti esamus modelius: kvantinis kompiuteris.
Šiame straipsnyje mes lyginame pagrindines tradicinio skaičiavimo ir kvantinio skaičiavimo sąvokas, taip pat pradedame tyrinėti jų taikymą įvairiose srityse.
Kas yra kvantinės savybės?
Per visą istoriją žmonės sukūrė technologijas, nes per mokslą jie suprato gamtos veikimą. 1900–1930 m., tiriant kai kuriuos fizinius reiškinius, kurie dar nebuvo gerai suprantami, atsirado nauja fizikinė teorija – kvantinė mechanika. Ši teorija aprašo ir paaiškina mikroskopinio pasaulio, natūralios molekulių, atomų ir elektronų buveinės, veikimą.
Tai ne tik sugebėjo paaiškinti šiuos reiškinius, bet ir leido suprasti, kad subatominė tikrovė veikia visiškai priešingai intuityviu, beveik magišku būdu ir kad mikroskopiniame pasaulyje vyksta įvykiai, kurių nėra makroskopinis pasaulis.
Šios kvantinės savybės apima kvantinę superpoziciją, kvantinį susipynimą ir kvantinę teleportaciją.
- Kvantinė superpozicija aprašo, kaip dalelė gali būti skirtingose būsenose vienu metu.
- Kvantinis susipynimas aprašoma, kaip dvi dalelės gali būti „susipainiotos“ ir po to reaguoti beveik vienu metu taip pat, nepaisant jų fizinio atstumo. Kitaip tariant, jie gali būti išdėstyti taip toli vienas nuo kito, kiek norima, ir, kai sąveikauja su vienu, kitas reaguoja į tą pačią sąveiką.
- Kvantinė teleportacija naudoja kvantinį susipynimą, kad siųstų informaciją iš vienos erdvės vietos į kitą, nereikia keliauti per erdvę.
Kvantinis skaičiavimas pagrįstas šiomis subatominės prigimties kvantinėmis savybėmis.
Šiuo atveju šiandieninis mikroskopinio pasaulio supratimas per kvantinę mechaniką leidžia mums išrasti ir kurti technologijas, galinčias pagerinti žmonių gyvenimą. Yra daug įvairių technologijų, kuriose naudojami kvantiniai reiškiniai, o kai kurios iš jų, pavyzdžiui, lazeriai ar magnetinio rezonanso tomografija (MRT), gyvuoja jau daugiau nei pusę amžiaus.
Kas yra kvantinė kompiuterija?
Norint suprasti, kaip veikia kvantiniai kompiuteriai, pravartu pirmiausia paaiškinti, kaip veikia mūsų kasdien naudojami kompiuteriai, šiame straipsnyje vadinami skaitmeniniais arba klasikiniais kompiuteriais. Šie, kaip ir visi kiti elektroniniai prietaisai, tokie kaip planšetiniai kompiuteriai ar mobilieji telefonai, naudoja bitus kaip pagrindinius atminties vienetus. Tai reiškia, kad programos ir programos yra koduojamos bitais, ty dvejetaine nulių ir vienetų kalba.
Kiekvieną kartą, kai sąveikaujame su bet kuriuo iš šių įrenginių, pavyzdžiui, paspaudę klaviatūros klavišą, kompiuteryje sukuriamos, sunaikinamos ir (arba) modifikuojamos nulių ir vienetų eilutės.
Įdomus klausimas, kas yra tie nuliai ir vienetai fiziškai kompiuterio viduje? Nulinė ir viena bitų būsenos atitinka elektros srovę, tekančią arba netekančią per mikroskopines dalis, vadinamas tranzistoriais, kurie veikia kaip jungikliai. Kai neteka srovė, tranzistorius yra „išjungtas“ ir atitinka bitą 0, o kai teka – „įjungtas“ ir atitinka 1 bitą.
Supaprastinta forma atrodo, kad bitai 0 ir 1 atitinka skyles, taigi tuščia skylė yra šiek tiek 0, o skylė, kurią užima elektronas, yra šiek tiek 1. Dabar, kai turime idėją, kaip veikia šiandieniniai kompiuteriai , pabandykime suprasti, kaip veikia kvantiniai kompiuteriai.
Nuo bitų iki kubitų
Pagrindinis informacijos vienetas kvantiniame skaičiavime yra kvantinis bitas arba kubitas. Kubitai pagal apibrėžimą yra dviejų lygių kvantinės sistemos, kurios, kaip ir bitai, gali būti žemo lygio, o tai atitinka žemo sužadinimo arba energijos būseną, apibrėžtą kaip 0; arba aukštu lygiu, kuris atitinka didesnio sužadinimo būseną arba apibrėžiamas kaip 1.
Tačiau ir čia slypi esminis skirtumas nuo klasikinio skaičiavimo, kubitai taip pat gali būti bet kurioje iš begalinio skaičiaus tarpinių būsenų nuo 0 iki 1, pavyzdžiui, būsenoje, kuri yra pusė 0 ir pusė 1, arba trys ketvirtadaliai 0 ir vienas ketvirtis. 1. Šis reiškinys vadinamas kvantine superpozicija ir yra natūralus kvantinėse sistemose.
Kvantiniai algoritmai: Eksponentiškai galingesnis ir efektyvesnis skaičiavimas
Kvantinių kompiuterių paskirtis – pasinaudoti šiomis kvantinėmis kubitų, kaip kvantinių sistemų, savybėmis, kad būtų galima vykdyti kvantinius algoritmus, kurie naudoja superpoziciją ir įsipainiojimą, kad būtų pasiūlyta daug didesnė apdorojimo galia nei klasikiniai.
Svarbu pažymėti, kad tikrasis paradigmos pokytis susideda ne iš to, ką daro skaitmeniniai ar klasikiniai kompiuteriai – dabartiniai, bet greičiau, kaip klaidingai teigiama daugelyje straipsnių, o tai, kad kvantiniai algoritmai leidžia atlikti tam tikras operacijas. atliekama visiškai kitaip; kuris dažnai yra efektyvesnis, tai yra, per daug trumpesnį laiką arba naudojant daug mažiau skaičiavimo išteklių.
Pažvelkime į konkretų pavyzdį, ką tai reiškia. Įsivaizduokime, kad esame San Franciske ir norime sužinoti, kuris maršrutas į Niujorką yra geriausias iš milijono variantų ten patekti (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Kad galėtume naudoti kompiuterius optimaliam maršrutui rasti, turime suskaitmeninti XNUMX XNUMX XNUMX parinkčių, o tai reiškia, kad klasikiniame kompiuteryje jas reikia išversti į bitų kalbą, o kvantiniame kompiuteryje – į kubitus.
Nors klasikinis kompiuteris turėtų pereiti visus kelius po vieną, kol jis suras norimą, kvantinis kompiuteris naudojasi procesu, vadinamu kvantiniu lygiagretumu, leidžiančiu iš esmės apsvarstyti visus kelius vienu metu. Tai reiškia, kad kvantinis kompiuteris kur kas greičiau suras optimalų maršrutą nei klasikinis kompiuteris dėl naudojamų išteklių optimizavimo.
Norėdami suprasti skaičiavimo pajėgumų skirtumus, su n kubitų galime padaryti lygiavertį tam, kas būtų įmanoma naudojant 2n bitai. Dažnai sakoma, kad su maždaug 270 kubitai kvantiniame kompiuteryje gali turėti daugiau bazinių būsenų – daugiau skirtingų ir vienalaikių simbolių eilučių – nei atomų skaičius visatoje, kuris, kaip manoma, yra apie 280. Kitas pavyzdys – apskaičiuota, kad su 2000–2500 kubitų kvantiniu kompiuteriu galėtumėte sulaužyti praktiškai visą šiandien naudojamą kriptografiją (žinoma kaip viešojo rakto kriptografija).
Kalbant apie kriptografiją, tai turi daug privalumų Kvantinė kompiuterija. Jei dvi sistemos yra visiškai susipynusios, tai reiškia, kad jos yra tarpusavyje susijusios (ty pasikeitus vienai, pasikeičia ir kita) ir jokia trečioji šalis nesidalija šia koreliacija.
Takeaway
Esame skaitmeninės transformacijos laikais, kai atsiranda įvairios technologijos, tokios kaip blokų grandinė, dirbtinis intelektas, dronai, daiktų internetas, virtuali realybė, 5G, 3D spausdintuvai, robotai ar autonominės transporto priemonės yra vis dažniau įvairiose srityse ir sektoriuose.
Šios technologijos, kuriomis siekiama pagerinti žmogaus gyvenimo kokybę, spartindamos vystymąsi ir darydamos socialinį poveikį, šiuo metu tobulėja lygiagrečiai. Tik retai matome įmones, kuriančias produktus, kurie naudoja dviejų ar daugiau šių technologijų derinius, pvz., blokų grandinę ir daiktų internetą arba dronus ir dirbtinis intelektas.
Nors jiems lemta susilieti ir taip sukurti eksponentiškai didesnį poveikį, ankstyvas jų kūrimo etapas ir kūrėjų bei techninių žinių turinčių žmonių trūkumas reiškia, kad konvergencijos tebėra laukiama užduotis.
Tikimasi, kad kvantinės technologijos ne tik susilies su visomis šiomis naujomis technologijomis, bet ir turės didelę įtaką beveik visoms joms, dėl savo galimo žlugimo. Kvantinis skaičiavimas kels grėsmę duomenų autentifikavimui, mainams ir saugiam saugojimui, o tai turės didesnį poveikį toms technologijoms, kuriose kriptografija vaidina svarbesnį vaidmenį, pavyzdžiui, kibernetiniam saugumui ar blokų grandinei.
Palikti atsakymą