Transformarea digitală schimbă lumea mai repede decât oricând. Învățarea despre conceptele cheie ale erei digitale va deveni și mai critică odată cu sosirea iminentă a unui alt nou val de tehnologie capabilă să transforme modelele existente cu o viteză și o putere uimitoare: calculul cuantic.
În acest articol, comparăm conceptele de bază ale calculului tradițional și ale calculului cuantic și, de asemenea, începem să explorăm aplicarea lor în diferite domenii.
Care sunt proprietățile cuantice?
De-a lungul istoriei, oamenii au dezvoltat tehnologia pe măsură ce au ajuns să înțeleagă funcționarea naturii prin știință. Între anii 1900 și 1930, studiul unor fenomene fizice care nu erau încă bine înțelese a dat naștere unei noi teorii fizice: Mecanica cuantică. Această teorie descrie și explică funcționarea lumii microscopice, habitatul natural al moleculelor, atomilor și electronilor.
Nu numai că a reușit să explice aceste fenomene, dar a și făcut posibil să înțelegem că realitatea subatomică funcționează într-un mod complet contraintuitiv, aproape magic și că evenimentele au loc în lumea microscopică care nu au loc în lumea macroscopică.
Aceste proprietăți cuantice includ suprapunerea cuantică, întricarea cuantică și teleportarea cuantică.
- Suprapunerea cuantică descrie modul în care o particulă poate fi în diferite stări în același timp.
- Legatura cuantica descrie modul în care două particule pot fi aduse într-o stare „încurcată” și, după aceea, răspund aproape simultan în același mod, în ciuda distanței lor fizice. Cu alte cuvinte, ele pot fi amplasate cât de departe una dintre ele se dorește și, atunci când interacționează cu unul, celălalt reacționează la aceeași interacțiune.
- Teleportare cuantică folosește întanglementul cuantic pentru a trimite informații dintr-un loc în spațiu în altul fără a fi nevoie să călătorească prin spațiu.
Calculul cuantic se bazează pe aceste proprietăți cuantice de natură subatomică.
În acest caz, înțelegerea de astăzi a lumii microscopice prin mecanica cuantică ne permite să inventăm și să proiectăm tehnologii capabile să îmbunătățească viața oamenilor. Există multe tehnologii diferite care utilizează fenomene cuantice, iar unele dintre ele, cum ar fi laserele sau imagistica prin rezonanță magnetică (RMN), există de mai bine de jumătate de secol.
Ce este calculul cuantic?
Pentru a înțelege cum funcționează computerele cuantice, este util să explicăm mai întâi cum funcționează computerele pe care le folosim zilnic, denumite în acest articol computere digitale sau clasice. Acestea, la fel ca toate celelalte dispozitive electronice, cum ar fi tabletele sau telefoanele mobile, folosesc biții ca unități fundamentale de memorie. Aceasta înseamnă că programele și aplicațiile sunt codificate în biți, adică într-un limbaj binar de zerouri și unu.
De fiecare dată când interacționăm cu oricare dintre aceste dispozitive, de exemplu prin apăsarea unei taste de pe tastatură, șiruri de zerouri și unele sunt create, distruse și/sau modificate în interiorul computerului.
Întrebarea interesantă este, care sunt aceste zerouri și unuri fizic în interiorul computerului? Stările zero și unu ale biților corespund curentului electric care curge sau nu prin părți microscopice numite tranzistori, care acționează ca întrerupătoare. Când nu curge nici un curent, tranzistorul este „oprit” și corespunde unui bit 0, iar când curge, este „pornit” și corespunde bitului 1.
Într-o formă mai simplificată, este ca și cum biții 0 și 1 corespund unor găuri, astfel încât o gaură goală este un bit 0 și o gaură ocupată de un electron este un bit 1. Acum că avem o idee despre cum funcționează computerele de astăzi , să încercăm să înțelegem cum funcționează computerele cuantice.
De la biți la qubiți
Unitatea fundamentală de informație în calculul cuantic este bitul cuantic sau qubitul. Qubiții sunt, prin definiție, sisteme cuantice cu două niveluri care, ca și biții, pot fi la nivelul scăzut, ceea ce corespunde unei stări de excitație sau energie scăzută definită ca 0; sau la nivel înalt, care corespunde unei stări de excitație superioară sau definită ca 1.
Totuși, și aici constă diferența fundamentală cu calculul clasic, qubiții pot fi, de asemenea, în oricare dintre un număr infinit de stări intermediare între 0 și 1, cum ar fi o stare care este jumătate 0 și jumătate 1 sau trei sferturi din 0 și un sfert. de 1. Acest fenomen este cunoscut sub numele de suprapunere cuantică și este natural în sistemele cuantice.
Algoritmi cuantici: calcul exponențial mai puternic și mai eficient
Scopul calculatoarelor cuantice este de a profita de aceste proprietăți cuantice ale qubiților, ca sisteme cuantice, pentru a putea rula algoritmi cuantici care folosesc suprapunerea și întricarea pentru a oferi o putere de procesare mult mai mare decât cele clasice.
Este important de subliniat că adevărata schimbare de paradigmă nu constă în a face același lucru pe care îl fac computerele digitale sau clasice -cele actuale-, ci mai rapid, așa cum pretind în mod eronat multe articole, ci mai degrabă că algoritmii cuantici permit anumite operații să fie efectuate. realizat într-un mod total diferit; care de multe ori este mai eficient - adică în mult mai puțin timp sau folosind mult mai puține resurse de calcul-.
Să ne uităm la un exemplu concret a ceea ce implică acest lucru. Să ne imaginăm că suntem în San Francisco și vrem să știm care este cea mai bună rută către New York dintr-un milion de opțiuni pentru a ajunge acolo (N=1,000,000). Pentru a putea folosi computerele pentru a găsi ruta optimă, trebuie să digitalizăm 1,000,000 de opțiuni, ceea ce presupune traducerea lor în limbaj de biți pentru computerul clasic și în qubiți pentru computerul cuantic.
În timp ce un computer clasic ar trebui să parcurgă toate căile una câte una până când o găsește pe cea dorită, un computer cuantic profită de un proces cunoscut sub numele de paralelism cuantic care îi permite, în esență, să ia în considerare toate căile simultan. Acest lucru implică faptul că computerul cuantic va găsi calea optimă mult mai rapid decât computerul clasic, datorită optimizării resurselor utilizate.
Pentru a înțelege diferențele de capacitate de calcul, cu n qubiți putem face echivalentul cu ceea ce ar fi posibil cu 2n biți. Se spune adesea că cu aproximativ 270 qubiți ai putea avea mai multe stări de bază într-un computer cuantic - mai multe șiruri de caractere diferite și simultane - decât numărul de atomi din univers, care este estimat la aproximativ 280. Un alt exemplu este că se estimează că cu un computer cuantic între 2000 și 2500 de qubiți ai putea sparge practic toată criptografia folosită astăzi (cunoscută sub numele de criptografie cu cheie publică).
În ceea ce privește criptografia, există numeroase avantaje ale utilizării cuantic calcul. Dacă două sisteme sunt pur încurcate, înseamnă că sunt corelate între ele (adică, atunci când unul se schimbă, celălalt se schimbă) și niciun terț nu împărtășește această corelație.
La pachet
Ne aflăm într-o perioadă de transformare digitală în care diferite tehnologii emergente precum blockchain, inteligență artificială, drone, Internet of Things, realitate virtuală, 5G, imprimante 3D, roboți sau autovehicule autonome sunt din ce în ce mai prezente în mai multe domenii și sectoare.
Aceste tehnologii, care urmează să îmbunătățească calitatea vieții umane prin accelerarea dezvoltării și generarea de impact social, avansează în prezent în paralel. Numai rar vedem companii care dezvoltă produse care exploatează combinații a două sau mai multe dintre aceste tehnologii, cum ar fi blockchain și IoT sau drone și inteligență artificială.
Deși sunt destinate să convergă și să genereze astfel un impact exponențial mai mare, stadiul incipient de dezvoltare în care se află și lipsa dezvoltatorilor și a persoanelor cu experiență tehnică înseamnă că convergențele sunt încă o sarcină în așteptare.
Datorită potențialului lor perturbator, se așteaptă ca tehnologiile cuantice nu numai să convergă cu toate aceste noi tehnologii, ci și să aibă o influență largă asupra practic tuturor. Calcularea cuantică va amenința autentificarea, schimbul și stocarea în siguranță a datelor, având un impact mai mare asupra acelor tehnologii în care criptografia joacă un rol mai relevant, precum securitatea cibernetică sau blockchain.
Lasă un comentariu