Цифровая трансформация меняет мир быстрее, чем когда-либо прежде. Изучение ключевых концепций цифровой эпохи станет еще более важным с неизбежным появлением еще одной новой волны технологий, способных трансформировать существующие модели с поразительной скоростью и мощностью: квантовых вычислений.
В этой статье мы сравниваем основные концепции традиционных вычислений и квантовых вычислений, а также начинаем исследовать их применение в разных областях.
Что такое квантовые свойства?
На протяжении всей истории люди развивали технологии, поскольку они пришли к пониманию работы природы с помощью науки. Между 1900-ми и 1930-ми годами изучение некоторых физических явлений, которые еще не были хорошо изучены, привело к появлению новой физической теории: квантовой механики. Эта теория описывает и объясняет работу микроскопического мира, естественной среды обитания молекул, атомов и электронов.
Он не только смог объяснить эти явления, но и позволил понять, что субатомная реальность работает совершенно нелогичным, почти волшебным образом, и что в микроскопическом мире происходят события, которые не происходят в реальном мире. макроскопический мир.
Эти квантовые свойства включают квантовую суперпозицию, квантовую запутанность и квантовую телепортацию.
- Квантовая суперпозиция описывает, как частица может находиться в разных состояниях одновременно.
- Квантовая запутанность описывает, как две частицы могут быть приведены в «запутанное» состояние и после этого реагировать почти одновременно одинаково, несмотря на их физическое расстояние. Другими словами, их можно располагать на сколь угодно далеком расстоянии друг от друга, и при взаимодействии с одним другой реагирует на это же взаимодействие.
- Квантовая телепортация использует квантовую запутанность для отправки информации из одного места в космосе в другое без необходимости путешествовать в космосе.
Квантовые вычисления основаны на этих квантовых свойствах субатомной природы.
В этом случае сегодняшнее понимание микроскопического мира посредством квантовой механики позволяет нам изобретать и проектировать технологии, способные улучшить жизнь людей. Существует множество различных технологий, использующих квантовые явления, и некоторые из них, такие как лазеры или магнитно-резонансная томография (МРТ), существуют уже более полувека.
Что такое квантовые вычисления?
Чтобы понять, как работают квантовые компьютеры, полезно сначала объяснить, как работают компьютеры, которые мы используем каждый день и которые в этой статье называются цифровыми или классическими компьютерами. Они, как и все другие электронные устройства, такие как планшеты или мобильные телефоны, используют биты в качестве основных единиц памяти. Это означает, что программы и приложения закодированы в битах, то есть на двоичном языке нулей и единиц.
Каждый раз, когда мы взаимодействуем с любым из этих устройств, например, нажимая клавишу на клавиатуре, внутри компьютера создаются, уничтожаются и/или изменяются цепочки нулей и единиц.
Интересный вопрос, что это за нули и единицы физически внутри компьютера? Нулевое и единичное состояния битов соответствуют электрическому току, протекающему или не протекающему через микроскопические части, называемые транзисторами, которые действуют как переключатели. Когда ток не течет, транзистор «выключен» и соответствует биту 0, а когда он течет, он «включен» и соответствует биту 1.
В более упрощенной форме это как если бы биты 0 и 1 соответствовали дыркам, так что пустая дыра — это бит 0, а дыра, занятая электроном, — это бит 1. Теперь, когда мы имеем представление о том, как работают современные компьютеры , давайте попробуем понять, как работают квантовые компьютеры.
От битов к кубитам
Фундаментальной единицей информации в квантовых вычислениях является квантовый бит или кубит. Кубиты — это, по определению, двухуровневые квантовые системы, которые, как и биты, могут находиться на низком уровне, что соответствует состоянию низкого возбуждения или энергии, определяемому как 0; или на высоком уровне, который соответствует состоянию более высокого возбуждения или определяется как 1.
Однако, и в этом заключается фундаментальное отличие от классических вычислений, кубиты также могут находиться в любом из бесконечного числа промежуточных состояний между 0 и 1, например, в состоянии, состоящем из половины 0 и половины 1, или из трех четвертей 0 и одной четверти. 1. Это явление известно как квантовая суперпозиция и является естественным в квантовых системах.
Квантовые алгоритмы: экспоненциально более мощные и эффективные вычисления
Цель квантовых компьютеров — использовать преимущества этих квантовых свойств кубитов как квантовых систем, чтобы иметь возможность запускать квантовые алгоритмы, использующие суперпозицию и запутанность, чтобы обеспечить гораздо большую вычислительную мощность, чем классические.
Важно отметить, что настоящий сдвиг парадигмы состоит не в том, чтобы делать то же самое, что делают современные цифровые или классические компьютеры, но быстрее, как ошибочно утверждается во многих статьях, а скорее в том, что квантовые алгоритмы позволяют выполнять определенные операции. выполнен совершенно по-другому; это часто более эффективно, то есть требует гораздо меньше времени или использует гораздо меньше вычислительных ресурсов.
Давайте посмотрим на конкретном примере, что это означает. Давайте представим, что мы в Сан-Франциско и хотим узнать, какой из миллиона вариантов добраться до Нью-Йорка лучше всего (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Чтобы иметь возможность использовать компьютеры для поиска оптимального маршрута, нам нужно оцифровать XNUMX XNUMX XNUMX вариантов, что подразумевает перевод их на битовый язык для классического компьютера и на кубиты для квантового компьютера.
В то время как классический компьютер должен будет пройти все пути один за другим, пока не найдет нужный, квантовый компьютер использует преимущества процесса, известного как квантовый параллелизм, который позволяет ему, по сути, рассматривать все пути одновременно. Это означает, что квантовый компьютер найдет оптимальный маршрут гораздо быстрее, чем классический компьютер, за счет оптимизации используемых ресурсов.
Чтобы понять разницу в вычислительной мощности, с n кубитами мы можем сделать то же самое, что было бы возможно с 2n биты. Часто говорят, что около 270 кубитов, вы могли бы иметь больше базовых состояний в квантовом компьютере — больше разных и одновременных строк символов — чем количество атомов во Вселенной, которое оценивается примерно в 280. Другой пример: считается, что с квантовым компьютером от 2000 до 2500 кубитов можно взломать практически всю криптографию, используемую сегодня (известную как криптография с открытым ключом).
Что касается криптографии, у использования есть множество преимуществ. квантовые вычисления. Если две системы полностью запутаны, это означает, что они коррелируют друг с другом (т. е. когда изменяется одна, меняется и другая), и никакая третья сторона не разделяет эту корреляцию.
Навынос
Мы живем во время цифровой трансформации, когда появляются различные новые технологии, такие как блокчейн, искусственный интеллект, дроны, Интернет вещей, виртуальная реальность, 5G, 3D-принтеры, роботы или автономные транспортные средства все чаще присутствуют во многих областях и секторах.
Эти технологии, призванные улучшить качество жизни человека за счет ускорения развития и оказания социального воздействия, в настоящее время развиваются параллельно. Лишь изредка мы видим компании, разрабатывающие продукты, использующие комбинации двух или более из этих технологий, таких как блокчейн и IoT или дроны и дроны. искусственный интеллект.
Хотя им суждено слиться и, таким образом, оказать экспоненциально большее влияние, ранняя стадия разработки, на которой они находятся, и нехватка разработчиков и людей с техническим образованием означают, что слияние все еще остается незавершенной задачей.
Ожидается, что благодаря своему разрушительному потенциалу квантовые технологии не только сольются со всеми этими новыми технологиями, но и окажут широкое влияние практически на все из них. Квантовые вычисления будет угрожать аутентификации, обмену и безопасному хранению данных, оказывая большее влияние на те технологии, в которых криптография играет более важную роль, такие как кибербезопасность или блокчейн.
Оставьте комментарий