Digitalna transformacija spreminja svet hitreje kot kdaj koli prej. Spoznavanje ključnih konceptov digitalne dobe bo postalo še bolj kritično s skorajšnjim prihodom drugega novega vala tehnologije, ki je sposoben preoblikovati obstoječe modele z osupljivo hitrostjo in močjo: kvantno računalništvo.
V tem članku primerjamo osnovne koncepte tradicionalnega računalništva in kvantnega računalništva ter začnemo raziskovati njihovo uporabo na različnih področjih.
Kaj so kvantne lastnosti?
Skozi zgodovino so ljudje razvijali tehnologijo, saj so skozi znanost razumeli delovanje narave. Med letoma 1900 in 1930 je preučevanje nekaterih fizikalnih pojavov, ki še niso bili dobro razumljeni, povzročilo novo fizikalno teorijo: kvantno mehaniko. Ta teorija opisuje in razlaga delovanje mikroskopskega sveta, naravnega habitata molekul, atomov in elektronov.
Ne samo, da mu je uspelo razložiti te pojave, ampak je tudi omogočilo razumevanje, da subatomska realnost deluje na povsem protiintuitiven, skoraj magičen način in da se v mikroskopskem svetu dogajajo dogodki, ki se ne dogajajo v makroskopski svet.
Te kvantne lastnosti vključujejo kvantno superpozicijo, kvantno prepletenost in kvantno teleportacijo.
- Kvantna superpozicija opisuje, kako je delec lahko v različnih stanjih hkrati.
- Kvantna zapletenost opisuje, kako je mogoče dva delca spraviti v »zapleteno« stanje in se po tem odzvati skoraj istočasno na enak način, kljub fizični razdalji. Z drugimi besedami, lahko jih postavite tako daleč narazen, kot želite, in pri interakciji z enim se drugi odzove na isto interakcijo.
- Kvantna teleportacija uporablja kvantno zapletenost za pošiljanje informacij z enega mesta v vesolju na drugega, ne da bi bilo treba potovati skozi vesolje.
Kvantno računalništvo temelji na teh kvantnih lastnostih subatomske narave.
V tem primeru nam današnje razumevanje mikroskopskega sveta prek kvantne mehanike omogoča izumljanje in načrtovanje tehnologij, ki lahko izboljšajo življenja ljudi. Obstaja veliko različnih tehnologij, ki uporabljajo kvantne pojave in nekatere od njih, kot so laserji ali slikanje z magnetno resonanco (MRI), obstajajo že več kot pol stoletja.
Kaj je kvantno računalništvo?
Da bi razumeli, kako delujejo kvantni računalniki, je koristno najprej razložiti, kako delujejo računalniki, ki jih uporabljamo vsak dan, v tem članku jih imenujemo digitalni ali klasični računalniki. Te, tako kot vse druge elektronske naprave, kot so tablice ali mobilni telefoni, uporabljajo bite kot svoje temeljne pomnilniške enote. To pomeni, da so programi in aplikacije kodirani v bitih, torej v binarnem jeziku ničel in enic.
Vsakič, ko komuniciramo s katero koli od teh naprav, na primer s pritiskom na tipko na tipkovnici, se v računalniku ustvarijo, uničijo in/ali spremenijo nizi ničel in enot.
Zanimivo vprašanje je, kaj so te ničle in enote fizično znotraj računalnika? Stanji nič in ena bitov ustrezata električnemu toku, ki teče ali ne teče skozi mikroskopske dele, imenovane tranzistorji, ki delujejo kot stikala. Ko tok ne teče, je tranzistor "izklopljen" in ustreza bitu 0, ko teče, pa je "vklopljen" in ustreza bitu 1.
V bolj poenostavljeni obliki je, kot da bita 0 in 1 ustrezata luknjam, tako da je prazna luknja bit 0 in luknja, ki jo zaseda elektron, je bit 1. Zdaj, ko imamo predstavo o tem, kako delujejo današnji računalniki , poskusimo razumeti, kako delujejo kvantni računalniki.
Od bitov do kubitov
Temeljna enota informacij v kvantnem računanju je kvantni bit ali kubit. Kubiti so po definiciji dvonivojski kvantni sistemi, ki so lahko tako kot biti na nizki ravni, kar ustreza stanju nizke vzbujanja ali energije, opredeljene kot 0; ali na visoki ravni, ki ustreza stanju višjega vzbujanja ali je opredeljena kot 1.
Vendar in tukaj je temeljna razlika s klasičnim računalništvom, kubiti so lahko tudi v katerem koli od neskončnega števila vmesnih stanj med 0 in 1, kot je stanje, ki je polovica 0 in polovica 1, ali tri četrtine 0 in ena četrtina. od 1. Ta pojav je znan kot kvantna superpozicija in je naraven v kvantnih sistemih.
Kvantni algoritmi: Eksponentno zmogljivejše in učinkovitejše računalništvo
Namen kvantnih računalnikov je izkoristiti te kvantne lastnosti kubitov kot kvantnih sistemov, da bi lahko izvajali kvantne algoritme, ki uporabljajo superpozicijo in prepletanje, da bi ponudili veliko večjo procesorsko moč kot klasični.
Pomembno je poudariti, da pravi premik paradigme ni sestavljen iz tega, da delajo isto, kot digitalni ali klasični računalniki – sedanji – počnejo, ampak hitreje, kot napačno trdijo številni članki, temveč kvantni algoritmi omogočajo izvajanje določenih operacij. izvedeno na povsem drugačen način; To je pogosto učinkovitejše – torej v veliko krajšem času ali z veliko manj računalniškimi viri.
Poglejmo si na konkretnem primeru, kaj to pomeni. Predstavljajmo si, da smo v San Franciscu in želimo vedeti, katera je najboljša pot do New Yorka od milijona možnosti za pot do tja (N=1,000,000). Da bi lahko z računalniki našli optimalno pot, moramo digitalizirati 1,000,000 možnosti, kar pomeni, da jih prevedemo v bitni jezik za klasični računalnik in v kubite za kvantni računalnik.
Medtem ko bi moral klasični računalnik iti skozi vse poti eno za drugo, dokler ne najde želene, kvantni računalnik izkorišča proces, znan kot kvantni paralelizem, ki mu omogoča, da v bistvu obravnava vse poti hkrati. To pomeni, da bo kvantni računalnik zaradi optimizacije uporabljenih virov veliko hitreje našel optimalno pot kot klasični računalnik.
Da bi razumeli razlike v računski zmogljivosti, lahko z n kubiti naredimo enako, kar bi bilo mogoče z 2n bitov. Pogosto se reče, da s približno 270 kubitov bi lahko imeli v kvantnem računalniku več osnovnih stanj – več različnih in hkratnih nizov znakov – kot število atomov v vesolju, ki je ocenjeno na približno 280. Drug primer je, da se ocenjuje, da bi s kvantnim računalnikom med 2000 in 2500 kubiti lahko zlomili praktično vso kriptografijo, ki se danes uporablja (znano kot kriptografija z javnim ključem).
Kar zadeva kriptografijo, ima uporaba številne prednosti kvantno računalništvo. Če sta dva sistema povsem prepletena, to pomeni, da sta med seboj povezana (tj. ko se spremeni eden, se spremeni tudi drugi) in nobena tretja oseba ne deli te korelacije.
Takeaway
Smo v času digitalne transformacije, v kateri se pojavljajo različne nastajajoče tehnologije, kot so blockchain, umetna inteligenca, droni, internet stvari, virtualna resničnost, 5G, 3D tiskalniki, roboti oz. avtonomna vozila so vse bolj prisotni na več področjih in sektorjih.
Te tehnologije, ki naj bi s pospeševanjem razvoja in ustvarjanjem družbenega vpliva izboljšale kakovost človekovega življenja, trenutno napredujejo vzporedno. Le redko vidimo podjetja, ki razvijajo izdelke, ki izkoriščajo kombinacije dveh ali več teh tehnologij, kot sta blockchain in internet stvari ali droni in Umetna inteligenca.
Čeprav jim je usojeno, da se zbližajo in tako ustvarijo eksponentno večji učinek, so v zgodnji fazi razvoja in pomanjkanje razvijalcev in ljudi s tehničnim ozadjem pomenita, da so konvergence še vedno čakajoča naloga.
Zaradi svojega razdiralnega potenciala se pričakuje, da se kvantne tehnologije ne bodo le zbližale z vsemi temi novimi tehnologijami, ampak bodo imele tudi širok vpliv na skoraj vse. Kvantno računanje bo ogrozilo preverjanje pristnosti, izmenjavo in varno shranjevanje podatkov, kar bo imelo večji vpliv na tiste tehnologije, pri katerih ima kriptografija pomembnejšo vlogo, kot sta kibernetska varnost ali veriga blokov.
Pustite Odgovori