Как квантовые вычисления могут изменить мир

Квантовая физика уже значительно повлияла на нашу жизнь. Изобретение лазера и транзистора на самом деле является следствием квантовой теории, и поскольку оба эти компонента являются базовым строительным блоком каждого электронного устройства сегодня, то, что вы наблюдаете, это, по сути, «квантовая механика в действие".

Сказав это, квантовая индустрия теперь настроена произвести революцию в компьютерном мире, поскольку прилагаются значительные усилия, чтобы использовать истинную мощь квантовой области. Квантовые вычисления могут найти приложения в различных секторах, таких как безопасность, здравоохранение, энергетика и даже индустрия развлечений.

Quantum vs. Классические компьютеры

История квантовой теории насчитывает более века. Тем не менее, нынешний квантовый ажиотаж связан с результатами недавних исследований, которые предполагают, что неопределенность свойство, присущее квантовым частицам, может служить мощным оружием для реализации квантовых частиц. потенциал.

Согласно теории, похоже, невозможно знать все свойства отдельных квантовых частиц (то есть электронов или фотонов). Рассмотрим пример классического GPS, который может точно предсказать скорость, местоположение и направление вашего движения, пока вы доберетесь до желаемого пункта назначения.

Однако квантовая GPS не может точно определить все вышеперечисленные свойства квантовой частицы, поскольку законы квантовой физики не позволяют это сделать. Это порождает вероятностный язык квантового мира, а не классический язык достоверности.

В этом случае вероятностный язык подразумевает приписывание вероятностей различным свойствам квантовой частицы, такие как скорость, положение и направление движения, которые, казалось бы, трудно определить с помощью уверенность. Эта вероятностная природа квантовых частиц порождает возможность, которая позволяет всему и вся происходить в любой момент времени.

В свете вычислений двоичные 0 и 1, представленные в виде кубитов (квантовых битов), обладают свойством быть 1 или 0 в любой момент времени.

Приведенное выше представление оставляет горький привкус во рту, поскольку в классических машинах нули и единицы связаны с переключателями и цепями, которые включаются и выключаются в разные моменты времени. Следовательно, незнание их точного состояния (то есть включено или выключено) не могло бы показаться разумным в контексте вычислений.

На самом деле это могло вызвать ошибки в расчетах. Однако обработка информации в квантовом мире основана на концепции квантовой неопределенности, в которой «суперпозиция» 0 и 1 - это не ошибка, а функция. Это позволяет быстрее обрабатывать данные и облегчает более быстрое общение.

Читать далее: Как работают оптические квантовые компьютеры

На пороге квантовых вычислений

Следствием вероятностного свойства квантовой теории является то, что точное копирование квантовой информации, по-видимому, невозможно. С точки зрения безопасности это важно, поскольку киберпреступники, намеревающиеся скопировать квантовые ключи для шифрования и отправки сообщений, в конечном итоге потерпят неудачу, даже если они получат доступ к квантовым компьютерам.

Здесь важно подчеркнуть, что такое высокопроизводительное шифрование (т. Е. Сложный метод преобразования секретных данных или ключей в код, предотвращающий несанкционированный доступ) является результатом законов физики, а не математически написанных алгоритмов, используемых сегодня. Математическое шифрование можно взломать с помощью мощных компьютеров, однако взлом квантового шифрования требует переписывания фундаментальных законов физики.

Поскольку квантовое шифрование отличается от современных методов шифрования, точно так же квантовые компьютеры отличаются от классических на очень фундаментальном уровне. Рассмотрим аналогию с автомобилем и телегой, запряженной волами. Здесь автомобиль подчиняется определенным законам физики, которые доставят вас к желаемому пункту назначения в более короткие сроки по сравнению с аналогом. Та же философия применима к квантовому компьютеру и классическому компьютеру.

Квантовый компьютер использует вероятностную природу квантовой физики для уникального выполнения вычислений и обработки данных. Он может выполнять вычислительные задачи в гораздо более быстром темпе, а также совершать прыжок в традиционно невозможные концепции, такие как квантовая телепортация. Эта форма передачи данных может проложить путь для Интернета будущего, то есть для квантового Интернета.

Что можно использовать с квантовым компьютером сегодня?

Квантовые компьютеры могут быть полезны научно-исследовательским организациям, государственным органам и академическим учреждениям. учреждения, поскольку они могут помочь в решении сложных проблем, которые современные компьютеры считают трудными для решения иметь дело с.

Одним из важных приложений может быть разработка лекарств, где они могут беспрепятственно моделировать и анализировать химические вещества и молекулы, поскольку молекулы функционируют по тем же законам квантовой физики, что и квантовая компьютеры. Кроме того, может стать возможным эффективное квантово-химическое моделирование, поскольку самые быстрые суперкомпьютеры сегодня не в состоянии достичь поставленной цели.

Кроме того, квантовые компьютеры могут решать сложные задачи оптимизации и помогать в быстром поиске несортированных данных. В этом отношении существует множество приложений, начиная от сортировки, казалось бы, динамических данных о климате, состоянии здоровья или финансовых данных, до оптимизации логистики или транспортных потоков.

Квантовые компьютеры также хорошо распознают закономерности в данных, например, в задачах машинного обучения. Кроме того, квантовые компьютеры могут сыграть решающую роль в разработке моделей для предсказания будущего, например, в прогнозировании погоды.

Готовимся к квантовому будущему

Поскольку гонка за квантовое будущее выходит на первый план, инвесторы и государственные органы тратят миллиарды долларов на квантовые исследования и разработки. Глобальная коммуникационная сеть, использующая спутниковое квантовое распределение ключей, уже создана, что открывает путь для дальнейших разработок.

Такие компании, как Google, Amazon, Microsoft, IBM и другие, вкладывают большие средства в разработку ресурсов квантовых вычислений, то есть оборудования и программного обеспечения.

В соответствии с Космос, группа исследователей из Китая построила квантовый компьютер, который выполнил сложные вычисления в чуть более 60 минут, которые классическому компьютеру потребовалось бы не менее 8 лет, чтобы полный.

Это изюминка разработок квантовых вычислений, произошедших за последние два года. Считается, что научное сообщество наконец-то достигло неуловимого «квантового преимущества» - квантовые вычисления в состоянии решить сложнейшую проблему, на осмысление которой классическим вычислениям может потребоваться непрактичное время.

Впервые квантовая веха была достигнута Google в 2019 году. где они использовали кубиты, которые использовали ток для выполнения вычислений. Позже в 2020 году китайская команда использовала фотонные кубиты, чтобы ускорить процесс. Теперь, в 2021 году, другая китайская команда (во главе с Цзянь-Вей Паном из Китайского университета науки и технологий в Шанхае) снова превзошла Google.

В исследовательская статья, опубликованная на сервере предпечатной подготовки ArXiv, участвовавшая исследовательская группа раскрыла свои выводы о квантовом преимуществе, в котором они использовали сверхпроводящие кубиты на квантовом процессоре под названием Zuchongzhi, который состоит из 66 кубитов. Команда продемонстрировала, что Зучунчжи может манипулировать 56 кубитами для решения вычислительной задачи, направленной на проверку мощности компьютеров.

Принятие неопределенности

Быстрые темпы развития мира квантовых технологий за последние пять лет были весьма захватывающими. В соответствии с Квантовая повседневностьожидается, что к концу 2030 года квантовая индустрия будет оцениваться в несколько миллиардов долларов. Несмотря на то, что перед столь крупномасштабным развертыванием необходимо преодолеть различные практические проблемы, тем не менее, будущее кажется светлым.

К счастью, квантовая теория проливает свет на более светлую сторону «непредсказуемости». Согласно теории, два кубита могут быть заблокированы друг с другом с вероятностью, что каждый кубит останется не определены по отдельности, но синхронизированы с другим, если рассматривать их как единое целое - подразумевая, что либо оба 0 или 1.

Эта индивидуальная непредсказуемость и комбинированная уверенность называется «запутанностью» - это удобный инструмент для большинства современных алгоритмов квантовых вычислений. Следовательно, осторожно обращаясь с неопределенностью, организации могут принять форму, чтобы принять квантовое будущее.

Нанокомпьютеры: действительно ли компьютеры могут быть микроскопическими?

Компьютеры становятся все меньше, но станут ли они когда-нибудь настолько маленькими, что невидимы невооруженным глазом?

Читать далее

Об авторе

Разверните, чтобы прочитать всю историю