Transformacja cyfrowa zmienia świat szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Poznawanie kluczowych koncepcji ery cyfrowej stanie się jeszcze bardziej krytyczne wraz z nieuchronnym nadejściem kolejnej nowej fali technologii zdolnej do przekształcania istniejących modeli z zadziwiającą szybkością i mocą: obliczeń kwantowych.
W tym artykule porównujemy podstawowe koncepcje tradycyjnych obliczeń i obliczeń kwantowych, a także zaczynamy badać ich zastosowanie w różnych obszarach.
Co to są właściwości kwantowe?
W całej historii ludzie rozwijali technologię, ponieważ dzięki nauce zrozumieli działanie natury. W latach 1900-1930 badanie niektórych zjawisk fizycznych, które nie były jeszcze dobrze poznane, dało początek nowej teorii fizycznej: mechanice kwantowej. Teoria ta opisuje i wyjaśnia działanie mikroskopijnego świata, naturalnego środowiska cząsteczek, atomów i elektronów.
Nie tylko udało się wyjaśnić te zjawiska, ale także umożliwiło zrozumienie, że rzeczywistość subatomowa działa w całkowicie sprzeczny z intuicją, niemal magiczny sposób, a w mikroskopijnym świecie dzieją się zdarzenia, które nie zachodzą w makroskopowy świat.
Te właściwości kwantowe obejmują superpozycję kwantową, splątanie kwantowe i teleportację kwantową.
- Superpozycja kwantowa opisuje, w jaki sposób cząstka może znajdować się w różnych stanach w tym samym czasie.
- Splątanie kwantowe opisuje, w jaki sposób dwie cząstki można doprowadzić do stanu „splątania”, a następnie zareagować niemal jednocześnie w ten sam sposób, pomimo ich fizycznej odległości. Innymi słowy, można je rozmieścić tak daleko od siebie, jak jest to pożądane, a podczas interakcji z jednym z nich drugi reaguje na tę samą interakcję.
- Teleportacja kwantowa wykorzystuje splątanie kwantowe do przesyłania informacji z jednego miejsca w przestrzeni do drugiego bez konieczności podróżowania w przestrzeni.
Obliczenia kwantowe opierają się na tych właściwościach kwantowych natury subatomowej.
W tym przypadku dzisiejsze rozumienie mikroskopijnego świata poprzez mechanikę kwantową pozwala nam wymyślać i projektować technologie zdolne do poprawy życia ludzi. Istnieje wiele różnych technologii wykorzystujących zjawiska kwantowe, a niektóre z nich, takie jak lasery lub obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), istnieją już od ponad pół wieku.
Czym są obliczenia kwantowe?
Aby zrozumieć, jak działają komputery kwantowe, warto najpierw wyjaśnić, jak działają komputery, których używamy na co dzień, określane w tym artykule jako komputery cyfrowe lub klasyczne. Te, podobnie jak wszystkie inne urządzenia elektroniczne, takie jak tablety czy telefony komórkowe, wykorzystują bity jako podstawowe jednostki pamięci. Oznacza to, że programy i aplikacje są kodowane w bitach, czyli w binarnym języku zer i jedynek.
Za każdym razem, gdy wchodzimy w interakcję z którymkolwiek z tych urządzeń, na przykład naciskając klawisz na klawiaturze, ciągi zer i jedynek są tworzone, niszczone i/lub modyfikowane w komputerze.
Ciekawe pytanie brzmi, czym są te zera i jedynki fizycznie wewnątrz komputera? Stan zero i jeden bitów odpowiada prądowi elektrycznemu przepływającemu lub nie przez mikroskopijne części zwane tranzystorami, które działają jak przełączniki. Gdy nie płynie prąd, tranzystor jest „wyłączony” i odpowiada bitowi 0, a gdy płynie, jest „włączony” i odpowiada bitowi 1.
W bardziej uproszczonej formie wygląda to tak, jakby bity 0 i 1 odpowiadały otworom, tak że pusty otwór to bit 0, a dziura zajęta przez elektron to bit 1. Teraz, gdy mamy już pojęcie, jak działają dzisiejsze komputery , spróbujmy zrozumieć, jak działają komputery kwantowe.
Od bitów do kubitów
Podstawową jednostką informacji w obliczeniach kwantowych jest bit kwantowy lub kubit. Kubity to z definicji dwupoziomowe układy kwantowe, które podobnie jak bity mogą znajdować się na niskim poziomie, co odpowiada stanowi niskiego wzbudzenia lub energii określanej jako 0; lub na poziomie wysokim, który odpowiada stanowi wyższego wzbudzenia lub określany jako 1.
Jednak i tutaj leży podstawowa różnica w porównaniu z klasycznymi obliczeniami, kubity mogą również znajdować się w dowolnym z nieskończonej liczby stanów pośrednich między 0 a 1, takich jak stan, który wynosi połowę 0 i połowę 1 lub trzy czwarte 0 i jedną czwartą 1. Zjawisko to znane jest jako superpozycja kwantowa i jest naturalne w układach kwantowych.
Algorytmy kwantowe: Wykładniczo mocniejsze i wydajniejsze obliczenia
Celem komputerów kwantowych jest wykorzystanie tych kwantowych właściwości kubitów, jako systemów kwantowych, aby móc uruchamiać algorytmy kwantowe, które wykorzystują superpozycję i splątanie, aby oferować znacznie większą moc obliczeniową niż klasyczne.
Należy podkreślić, że prawdziwa zmiana paradygmatu nie polega na robieniu tego samego, co obecne komputery cyfrowe czy klasyczne, ale na szybszym, jak błędnie twierdzi wiele artykułów, ale raczej na tym, że algorytmy kwantowe umożliwiają wykonanie pewnych operacji wykonane w zupełnie inny sposób; to często jest bardziej wydajne - to znaczy w znacznie krótszym czasie lub przy użyciu znacznie mniejszej liczby zasobów obliczeniowych -.
Spójrzmy na konkretny przykład tego, co to oznacza. Wyobraźmy sobie, że jesteśmy w San Francisco i chcemy wiedzieć, która trasa do Nowego Jorku jest najlepsza z miliona opcji dojazdu (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Aby móc wykorzystać komputery do znalezienia optymalnej trasy, musimy zdigitalizować XNUMX XNUMX XNUMX opcji, co oznacza przetłumaczenie ich na język bitowy dla komputera klasycznego i kubity dla komputera kwantowego.
Podczas gdy klasyczny komputer musiałby przechodzić przez wszystkie ścieżki jedna po drugiej, aż znalazłby pożądaną, komputer kwantowy korzysta z procesu znanego jako równoległość kwantowa, który zasadniczo pozwala mu wziąć pod uwagę wszystkie ścieżki jednocześnie. Oznacza to, że komputer kwantowy znajdzie optymalną trasę znacznie szybciej niż komputer klasyczny, dzięki optymalizacji wykorzystywanych zasobów.
Aby zrozumieć różnice w mocy obliczeniowej, przy użyciu n kubitów możemy zrobić odpowiednik tego, co byłoby możliwe przy użyciu 2n bity. Często mówi się, że z około 270 kubitów można mieć więcej stanów podstawowych w komputerze kwantowym – więcej różnych i jednoczesnych ciągów znaków – niż liczba atomów we wszechświecie, którą szacuje się na około 280. Innym przykładem jest to, że szacuje się, że przy komputerze kwantowym o pojemności od 2000 do 2500 kubitów można złamać praktycznie całą stosowaną obecnie kryptografię (znaną jako kryptografia klucza publicznego).
Jeśli chodzi o kryptografię, korzystanie z niej ma wiele zalet informatyka kwantowa. Jeśli dwa systemy są całkowicie splątane, oznacza to, że są ze sobą skorelowane (tj. gdy jeden się zmienia, drugi również się zmienia) i żadna strona trzecia nie podziela tej korelacji.
Na wynos
Żyjemy w czasach cyfrowej transformacji, w której różne nowe technologie, takie jak blockchain, sztuczna inteligencja, drony, Internet rzeczy, wirtualna rzeczywistość, 5G, drukarki 3D, roboty czy pojazdy autonomiczne są coraz częściej obecne w wielu dziedzinach i sektorach.
Technologie te, które mają poprawić jakość życia ludzi poprzez przyspieszenie rozwoju i generowanie wpływu społecznego, rozwijają się obecnie równolegle. Rzadko spotykamy firmy opracowujące produkty, które wykorzystują kombinację dwóch lub więcej z tych technologii, takich jak blockchain i IoT lub drony i sztuczna inteligencja.
Chociaż ich przeznaczeniem jest zbieżność, a tym samym generowanie wykładniczo większego wpływu, wczesna faza rozwoju, na której się znajdują, oraz niedobór programistów i osób z wykształceniem technicznym oznaczają, że konwergencje są nadal nierozstrzygniętym zadaniem.
Oczekuje się, że ze względu na swój przełomowy potencjał technologie kwantowe nie tylko będą zbieżne ze wszystkimi tymi nowymi technologiami, ale także będą miały szeroki wpływ na praktycznie wszystkie z nich. Obliczenia kwantowe zagrozi uwierzytelnianiu, wymianie i bezpiecznemu przechowywaniu danych, wywierając większy wpływ na te technologie, w których kryptografia odgrywa bardziej istotną rolę, takie jak cyberbezpieczeństwo czy łańcuch bloków.
Dodaj komentarz