Цифрова трансформація змінює світ швидше, ніж будь-коли раніше. Вивчення ключових концепцій цифрової ери стане ще важливішим із неминучим приходом іншої нової хвилі технологій, здатних трансформувати існуючі моделі з дивовижною швидкістю та потужністю: квантових обчислень.
У цій статті ми порівнюємо основні поняття традиційних обчислень і квантових обчислень, а також починаємо досліджувати їх застосування в різних сферах.
Що таке квантові властивості?
Протягом усієї історії люди розвивали технології, оскільки завдяки науці вони розуміли роботу природи. У період між 1900-ми і 1930-ми роками вивчення деяких фізичних явищ, які ще не були добре зрозумілі, породило нову фізичну теорію: квантову механіку. Ця теорія описує та пояснює роботу мікроскопічного світу, природного середовища проживання молекул, атомів та електронів.
Вона не тільки змогла пояснити ці явища, але й дала змогу зрозуміти, що субатомна реальність працює абсолютно неінтуїтивно, майже магічно, і що в мікроскопічному світі відбуваються події, які не відбуваються в макроскопічний світ.
Ці квантові властивості включають квантову суперпозицію, квантову заплутаність і квантову телепортацію.
- Квантова суперпозиція описує, як частинка може одночасно перебувати в різних станах.
- Квантова заплутаність описує, як дві частинки можна привести в «заплутаний» стан і після цього реагувати майже одночасно однаково, незважаючи на їх фізичну відстань. Іншими словами, їх можна розташувати якомога далі один від одного, і, взаємодіючи з одним, інший реагує на ту саму взаємодію.
- Квантова телепортація використовує квантову заплутаність для передачі інформації з одного місця в космосі в інше без необхідності подорожувати космосом.
Квантові обчислення засновані на цих квантових властивостях субатомної природи.
У цьому випадку сучасне розуміння мікроскопічного світу через квантову механіку дозволяє нам винаходити та проектувати технології, здатні покращити життя людей. Існує багато різних технологій, які використовують квантові явища, і деякі з них, наприклад, лазери або магнітно-резонансна томографія (МРТ), існують вже більше півстоліття.
Що таке квантові обчислення?
Щоб зрозуміти, як працюють квантові комп’ютери, корисно спочатку пояснити, як працюють комп’ютери, які ми використовуємо щодня, іменовані в цій статті як цифрові або класичні комп’ютери. Вони, як і всі інші електронні пристрої, такі як планшети або мобільні телефони, використовують біти як основні одиниці пам’яті. Це означає, що програми та програми кодуються в бітах, тобто на двійковій мові нулів і одиниць.
Кожного разу, коли ми взаємодіємо з будь-яким із цих пристроїв, наприклад, натискаючи клавішу на клавіатурі, на комп’ютері створюються, знищуються та/або змінюються рядки нулів та одиниць.
Цікаве питання: що це за нулі та одиниці фізично всередині комп’ютера? Нульовий і одиничний стани бітів відповідають електричному струму, що протікає або ні, через мікроскопічні частини, звані транзисторами, які діють як перемикачі. Коли струм не протікає, транзистор «вимкнений» і відповідає біту 0, а коли він протікає, він «включений» і відповідає біту 1.
У більш спрощеній формі це нібито біти 0 і 1 відповідають діркам, так що порожній дірка дорівнює біту 0, а дірка, зайнята електроном, має біт 1. Тепер, коли ми маємо уявлення про те, як працюють сучасні комп’ютери , давайте спробуємо зрозуміти, як працюють квантові комп’ютери.
Від бітів до кубітів
Основною одиницею інформації в квантових обчисленнях є квантовий біт або кубіт. Кубіти, за визначенням, є дворівневими квантовими системами, які, як і біти, можуть бути на низькому рівні, що відповідає стану низького збудження або енергії, визначеної як 0; або на високому рівні, що відповідає стану вищого збудження або визначається як 1.
Однак тут полягає принципова відмінність від класичних обчислень: кубіти також можуть перебувати в будь-якому з нескінченної кількості проміжних станів між 0 і 1, наприклад, стан, який дорівнює половині 0 і половині 1, або три чверті 0 і одна чверть. з 1. Це явище відоме як квантова суперпозиція і є природним для квантових систем.
Квантові алгоритми: експоненціально більш потужні та ефективні обчислення
Мета квантових комп’ютерів — скористатися перевагами цих квантових властивостей кубітів, як квантових систем, щоб мати можливість запускати квантові алгоритми, які використовують суперпозицію та заплутаність, щоб запропонувати набагато більшу обробну потужність, ніж класичні.
Важливо зазначити, що справжня зміна парадигми полягає не в тому, щоб робити те саме, що цифрові чи класичні комп’ютери – нинішні – робити, але швидше, як помилково стверджують багато статей, а скоріше в тому, що квантові алгоритми дозволяють виконувати певні операції. виконано зовсім по-іншому; це часто є більш ефективним, тобто за набагато менший час або з використанням набагато меншої кількості обчислювальних ресурсів.
Давайте розглянемо на конкретному прикладі, що це означає. Давайте уявімо, що ми в Сан-Франциско і хочемо знати, який з мільйона варіантів, як дістатися до Нью-Йорка, є найкращим (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Щоб мати можливість використовувати комп’ютери для пошуку оптимального маршруту, нам потрібно оцифрувати XNUMX XNUMX XNUMX варіантів, що передбачає переклад їх на бітову мову для класичного комп’ютера та на кубіти для квантового комп’ютера.
У той час як класичному комп’ютеру потрібно пройти всі шляхи один за одним, поки він не знайде потрібний, квантовий комп’ютер використовує переваги процесу, відомого як квантовий паралелізм, який дозволяє йому, по суті, розглядати всі шляхи одночасно. Це означає, що квантовий комп’ютер знайде оптимальний маршрут набагато швидше, ніж класичний комп’ютер, завдяки оптимізації використаних ресурсів.
Щоб зрозуміти різницю в обчислювальних потужностях, з n кубітами ми можемо зробити еквівалентно тому, що було б можливо з 2n біти. Часто кажуть, що приблизно з 270 кубітів, ви можете мати більше базових станів у квантовому комп’ютері – більше різних і одночасних рядків символів – ніж кількість атомів у Всесвіті, яка, за оцінками, становить приблизно 280. Іншим прикладом є те, що, за оцінками, за допомогою квантового комп’ютера від 2000 до 2500 кубітів ви можете зламати практично всю криптографію, яка використовується сьогодні (відома як криптографія з відкритим ключем).
Що стосується криптографії, то її використання має багато переваг квантові обчислення. Якщо дві системи повністю переплутані, це означає, що вони корельовані одна з одною (тобто, коли змінюється одна, змінюється й інша), і жодна третя сторона не поділяє цю кореляцію.
винос
Ми знаходимося в часі цифрової трансформації, коли різні новітні технології, такі як блокчейн, штучний інтелект, дрони, Інтернет речей, віртуальна реальність, 5G, 3D-принтери, роботи або автономні транспортні засоби все більше присутні в багатьох сферах і секторах.
Ці технології, які спрямовані на покращення якості людського життя шляхом прискорення розвитку та створення соціального впливу, зараз розвиваються паралельно. Лише рідко ми бачимо компанії, які розробляють продукти, які використовують комбінації двох або більше з цих технологій, таких як блокчейн і Інтернет речей або дрони та штучний інтелект.
Хоча їм призначено зближуватися і, таким чином, створювати експоненціально більший вплив, на ранній стадії розробки, на якій вони перебувають, і нестача розробників і людей із технічним досвідом означають, що конвергенція все ще залишається невирішеним завданням.
Очікується, що завдяки своєму руйнівному потенціалу квантові технології не тільки зближаться з усіма цими новими технологіями, але й матимуть широкий вплив практично на всі з них. Квантові обчислення буде загрожувати аутентифікації, обміну та безпечному зберіганню даних, маючи більший вплив на ті технології, в яких криптографія відіграє більш важливу роль, наприклад, кібербезпека або блокчейн.
залишити коментар