Digitālā transformācija maina pasauli ātrāk nekā jebkad agrāk. Mācīšanās par digitālā laikmeta galvenajiem jēdzieniem kļūs vēl kritiskāka, jo drīzumā parādīsies vēl viens jauns tehnoloģiju vilnis, kas spēj pārveidot esošos modeļus ar pārsteidzošu ātrumu un jaudu: kvantu skaitļošana.
Šajā rakstā mēs salīdzinām tradicionālās skaitļošanas un kvantu skaitļošanas pamatjēdzienus, kā arī sākam izpētīt to pielietojumu dažādās jomās.
Kas ir kvantu īpašības?
Vēstures gaitā cilvēki ir attīstījuši tehnoloģiju, jo ar zinātnes palīdzību viņi ir sapratuši dabas darbību. No 1900. līdz 1930. gadiem, pētot dažas fizikālās parādības, kuras vēl nebija labi izprastas, radās jauna fizikālā teorija: kvantu mehānika. Šī teorija apraksta un izskaidro mikroskopiskās pasaules, molekulu, atomu un elektronu dabiskās dzīvotnes, darbību.
Tas ne tikai ir spējis izskaidrot šīs parādības, bet arī ļāvis saprast, ka subatomiskā realitāte darbojas pilnīgi pretēji intuitīvi, gandrīz maģiski un ka mikroskopiskajā pasaulē notiek notikumi, kas nenotiek makroskopiskā pasaule.
Šīs kvantu īpašības ir kvantu superpozīcija, kvantu sapīšanās un kvantu teleportācija.
- Kvantu superpozīcija apraksta, kā daļiņa var atrasties dažādos stāvokļos vienlaikus.
- Kvantu sapīšanās apraksta, kā divas daļiņas var nonākt “sapināšanās” stāvoklī un pēc tam reaģēt gandrīz vienlaicīgi tādā pašā veidā, neskatoties uz to fizisko attālumu. Citiem vārdiem sakot, tos var novietot tik tālu viens no otra, cik nepieciešams, un, mijiedarbojoties ar vienu, otrs reaģē uz to pašu mijiedarbību.
- Kvantu teleportation izmanto kvantu sapīšanu, lai nosūtītu informāciju no vienas telpas vietas uz citu bez nepieciešamības ceļot pa telpu.
Kvantu skaitļošanas pamatā ir šīs subatomiskās dabas kvantu īpašības.
Šajā gadījumā mūsdienu izpratne par mikroskopisko pasauli, izmantojot kvantu mehāniku, ļauj mums izgudrot un izstrādāt tehnoloģijas, kas spēj uzlabot cilvēku dzīvi. Ir daudz dažādu tehnoloģiju, kurās tiek izmantotas kvantu parādības, un dažas no tām, piemēram, lāzeri vai magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI), pastāv jau vairāk nekā pusgadsimtu.
Kas ir kvantu skaitļošana?
Lai saprastu, kā darbojas kvantu datori, vispirms ir lietderīgi izskaidrot, kā darbojas datori, kurus mēs lietojam ikdienā, kas šajā rakstā tiek dēvēti par digitālajiem vai klasiskajiem datoriem. Tās, tāpat kā visas citas elektroniskās ierīces, piemēram, planšetdatori vai mobilie tālruņi, izmanto bitus kā galvenās atmiņas vienības. Tas nozīmē, ka programmas un lietojumprogrammas tiek kodētas bitos, ti, binārā valodā ar nullēm un vieniniekiem.
Katru reizi, kad mēs mijiedarbojamies ar kādu no šīm ierīcēm, piemēram, nospiežot taustiņu uz tastatūras, datorā tiek izveidotas, iznīcinātas un/vai pārveidotas nulles un vieninieku virknes.
Interesants jautājums ir, kas ir šīs nulles un vieninieki fiziski datora iekšienē? Bitu nulles un viena stāvokļi atbilst elektriskajai strāvai, kas plūst vai neplūst caur mikroskopiskām daļām, ko sauc par tranzistoriem, kas darbojas kā slēdži. Kad strāva neplūst, tranzistors ir “izslēgts” un atbilst bitam 0, un, kad tas plūst, tas ir “ieslēgts” un atbilst bitam 1.
Vienkāršotākā formā it kā biti 0 un 1 atbilst caurumiem, lai tukšs caurums ir mazliet 0 un caurums, ko aizņem elektrons, ir mazliet 1. Tagad, kad mums ir priekšstats par to, kā darbojas mūsdienu datori , mēģināsim saprast, kā darbojas kvantu datori.
No bitiem līdz kubitiem
Informācijas pamatvienība kvantu skaitļošanā ir kvantu bits vai kubits. Kubiti pēc definīcijas ir divu līmeņu kvantu sistēmas, kas, tāpat kā biti, var būt zemā līmenī, kas atbilst zemas ierosmes vai enerģijas stāvoklim, kas definēts kā 0; vai augstā līmenī, kas atbilst augstākas ierosmes stāvoklim vai definēts kā 1.
Tomēr šeit ir galvenā atšķirība no klasiskās skaitļošanas, kubiti var būt arī jebkurā no bezgalīgi daudzajiem starpstāvokļiem no 0 līdz 1, piemēram, stāvoklī, kas ir puse 0 un puse 1, vai trīs ceturtdaļas no 0 un viena ceturtdaļa. no 1. Šī parādība ir pazīstama kā kvantu superpozīcija, un tā ir dabiska kvantu sistēmās.
Kvantu algoritmi: eksponenciāli jaudīgāka un efektīvāka skaitļošana
Kvantu datoru mērķis ir izmantot šīs kubitu kā kvantu sistēmu kvantu īpašības, lai varētu palaist kvantu algoritmus, kas izmanto superpozīcijas un sapīšanās, lai piedāvātu daudz lielāku apstrādes jaudu nekā klasiskie.
Ir svarīgi norādīt, ka īstā paradigmas maiņa nesastāv no tā, ka dara to pašu, ko dara digitālie vai klasiskie datori - pašreizējie, bet ātrāk, kā kļūdaini apgalvo daudzi raksti, bet gan tas, ka kvantu algoritmi ļauj veikt noteiktas darbības. izpildīts pavisam citā veidā; kas bieži vien ir efektīvāks - tas ir, daudz īsākā laikā vai izmantojot daudz mazāk skaitļošanas resursu.
Apskatīsim konkrētu piemēru tam, ko tas nozīmē. Iedomāsimies, ka atrodamies Sanfrancisko un vēlamies uzzināt, kurš maršruts uz Ņujorku ir labākais no miljona iespējām tur nokļūt (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Lai varētu izmantot datorus, lai atrastu optimālo maršrutu, mums ir jādigitalizē XNUMX XNUMX XNUMX opciju, kas nozīmē to tulkošanu bitu valodā klasiskajam datoram un kubitos kvantu datoram.
Lai gan klasiskajam datoram būtu jāiziet visi ceļi pa vienam, līdz tas atrod vajadzīgo, kvantu dators izmanto procesu, kas pazīstams kā kvantu paralēlisms, kas ļauj būtībā apsvērt visus ceļus vienlaikus. Tas nozīmē, ka kvantu dators optimālo maršrutu atradīs daudz ātrāk nekā klasiskais dators, pateicoties izmantoto resursu optimizācijai.
Lai saprastu atšķirības skaitļošanas ietilpībā, ar n kubitiem mēs varam izdarīt ekvivalentu tam, kas būtu iespējams ar 2n biti. Mēdz teikt, ka ar aptuveni 270 kubitos jums varētu būt vairāk bāzes stāvokļu kvantu datorā — vairāk dažādu un vienlaicīgu rakstzīmju virkņu — nekā atomu skaits Visumā, kas tiek lēsts aptuveni 280. Vēl viens piemērs ir tāds, ka tiek lēsts, ka ar kvantu datoru ar 2000 līdz 2500 kubitiem jūs varētu salauzt praktiski visu mūsdienās izmantoto kriptogrāfiju (pazīstama kā publiskās atslēgas kriptogrāfija).
Ciktāl tas attiecas uz kriptogrāfiju, izmantošanai ir daudz priekšrocību kvantu skaitļošana. Ja divas sistēmas ir tīri sapinušās, tas nozīmē, ka tās ir savstarpēji saistītas (ti, mainoties vienai, mainās arī otra), un nevienai trešai pusei šī korelācija nav kopīga.
Takeaway
Mēs atrodamies digitālās transformācijas laikā, kurā tiek izmantotas dažādas jaunās tehnoloģijas, piemēram, blokķēde, mākslīgais intelekts, droni, lietu internets, virtuālā realitāte, 5G, 3D printeri, roboti vai autonomie transportlīdzekļi arvien biežāk sastopami vairākās jomās un nozarēs.
Šīs tehnoloģijas, kuru mērķis ir uzlabot cilvēka dzīves kvalitāti, paātrinot attīstību un radot sociālo ietekmi, šobrīd attīstās paralēli. Tikai reti mēs redzam uzņēmumus, kas izstrādā produktus, kas izmanto divu vai vairāku šo tehnoloģiju kombinācijas, piemēram, blokķēdi un IoT vai dronus un mākslīgais intelekts.
Lai gan tiem ir lemts saplūst un tādējādi radīt eksponenciāli lielāku ietekmi, to attīstības agrīnā stadija un izstrādātāju un cilvēku ar tehnisko pieredzi trūkums nozīmē, ka konverģence joprojām ir neatrisināts uzdevums.
Sagaidāms, ka kvantu tehnoloģiju graujošais potenciāls ne tikai saplūst ar visām šīm jaunajām tehnoloģijām, bet arī plaši ietekmēs gandrīz visas. Kvantu skaitļošana apdraudēs datu autentifikāciju, apmaiņu un drošu uzglabāšanu, vairāk ietekmējot tās tehnoloģijas, kurās kriptogrāfijai ir svarīgāka loma, piemēram, kiberdrošību vai blokķēdi.
Atstāj atbildi