Από την πρώτη ιδέα ενός κβαντικού υπολογιστή το 1980 έως σήμερα, η βιομηχανία των κβαντικών υπολογιστών έχει αναπτυχθεί πολύ, ειδικά τα τελευταία 10 χρόνια. Πολλές εταιρείες εργάζονται σε κβαντικούς υπολογιστές.
Η κατανόηση του κβαντικού υπολογισμού μπορεί να είναι δύσκολη για τους περισσότερους από εμάς και πολλές πληροφορίες σχετικά με αυτόν δεν εξηγούν τις σημαντικές λεπτομέρειες.
Αυτό το άρθρο σκοπεύει να ξεκαθαρίσει τα πάντα και αν διαβάσετε ολόκληρο το άρθρο, θα αποκτήσετε μια ολοκληρωμένη κατανόηση του τι είναι κβαντικός υπολογισμός, διάφοροι τύποι κβαντικών υπολογιστών, η λειτουργία τους, αλγόριθμοι, μοντέλα, προσεγγίσεις, προκλήσεις και εφαρμογές.
Πίνακας περιεχομένων
Τι είναι οι Κβαντικοί Υπολογιστές;
Οι κβαντικοί υπολογιστές επιλύουν προβλήματα με διαφορετικό τρόπο από τους υπολογιστές που γνωρίζουμε, τους οποίους, από εδώ και πέρα, θα αναφέρω ως κλασικούς υπολογιστές.
Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι των κανονικών υπολογιστών για ορισμένα προβλήματα, τα οποία προέρχονται από την ικανότητά τους να βρίσκονται σε τεράστιο αριθμό καταστάσεων ταυτόχρονα, ενώ οι κλασικοί υπολογιστές μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο μία κατάσταση τη φορά.
Πηγή εικόνας: IBM
Για να το κατανοήσετε αυτό και να κατανοήσετε πώς λειτουργούν οι κβαντικοί υπολογιστές, πρέπει να κατανοήσετε τρία πράγματα: Υπέρθεση, Εμπλοκή και Παρεμβολή.
Τα βασικά στοιχεία ενός κανονικού υπολογιστή είναι bit, και για έναν κβαντικό υπολογιστή, είναι κβαντικά bit ή qubits για συντομία. Λειτουργούν με θεμελιωδώς διακριτούς τρόπους.
Ένα κλασικό bit μοιάζει κάπως με έναν διακόπτη που μπορεί να είναι είτε 0 είτε 1, τον οποίο πιθανώς γνωρίζετε ήδη ως δυαδική ή δυαδική πληροφορία. Όταν μετράμε λίγο, απλώς επαναφέρουμε την κατάσταση στην οποία βρίσκεται αυτήν τη στιγμή, αλλά θα δούμε ότι αυτό δεν ισχύει για τα qubits. Ένα qubit είναι πιο περίπλοκο.
Προσθήκη
Για μια χρήσιμη απεικόνιση, μπορείτε να τα σκεφτείτε ως ένα βέλος που δείχνει στον τρισδιάστατο χώρο. Εάν δείχνουν προς τα πάνω είναι στην κατάσταση 1 και αν δείχνουν προς τα κάτω, είναι στην κατάσταση 0, όπως ακριβώς ένα κλασικό bit, αλλά έχουν επίσης την επιλογή να βρίσκονται σε ένα πράγμα που ονομάζεται κατάσταση υπέρθεσης, που είναι όταν το βέλος δείχνει προς οποιαδήποτε άλλη κατεύθυνση.
Αυτή η κατάσταση υπέρθεσης είναι μια κατάσταση συνδυασμού 0 και 1.
Κατάσταση υπέρθεσης
Τώρα, όταν μετράτε ένα qubit, το αποτέλεσμα θα εξακολουθεί να είναι είτε 1 είτε 0, αλλά ποιο θα λάβετε εξαρτάται από μια πιθανότητα που ορίζεται από την κατεύθυνση του βέλους.
Εάν το βέλος δείχνει περισσότερο προς τα πάνω, είναι πιο πιθανό να λάβετε πίσω το 1 παρά το 0, και αν δείχνει προς τα κάτω, είναι πιο πιθανό να πάρετε το 0 από το 1, και αν είναι ακριβώς στον ισημερινό, Θα πάρω οποιαδήποτε κατάσταση με πιθανότητα 50%.
Έτσι, αυτό είναι το αποτέλεσμα της υπέρθεσης που εξηγείται. τώρα θα περάσουμε στη διαπλοκή.
Μπλέξιμο
Στους κλασικούς υπολογιστές, τα bit είναι εντελώς ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Η κατάσταση ενός bit δεν επηρεάζεται από την κατάσταση κανενός από τα άλλα bit. Αλλά στους κβαντικούς υπολογιστές, τα qubits μπορούν να μπερδευτούν μεταξύ τους, πράγμα που σημαίνει ότι αποτελούν μέρος μιας μεγάλης κβαντικής κατάστασης μαζί.
Για παράδειγμα, ας δούμε δύο qubits τα οποία βρίσκονται το καθένα σε διαφορετικές καταστάσεις υπέρθεσης αλλά δεν έχουν μπλέξει ακόμη. Μπορείτε να δείτε τις πιθανότητες δίπλα τους και αυτές οι πιθανότητες είναι επί του παρόντος ανεξάρτητες η μία από την άλλη.
Αλλά όταν τα εμπλέκουμε, πρέπει να πετάξουμε αυτές τις ανεξάρτητες πιθανότητες και να υπολογίσουμε μια κατανομή πιθανότητας όλων των πιθανών καταστάσεων που μπορούμε να βγάλουμε. Είτε 00, 01, 10 είτε 11.
Το σημαντικό σημείο εδώ είναι ότι τα qubits είναι μπλεγμένα. Εάν αλλάξετε την κατεύθυνση του βέλους σε ένα qubit, αλλάζει την κατανομή πιθανοτήτων για ολόκληρο το σύστημα, επομένως τα qubits δεν είναι πλέον ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. είναι όλοι μέρος του ίδιου μεγάλου κράτους.
Και αυτό ισχύει ανεξάρτητα από το πόσα qubits έχετε. Θα σημειώσετε επίσης ότι για ένα qubit έχετε κατανομή πιθανότητας σε 2 καταστάσεις.
Με δύο qubits, έχετε κατανομή πιθανότητας σε τέσσερις καταστάσεις. Για τρία qubits έχετε μια κατανομή σε 8 καταστάσεις, και αυτή συνεχίζει να διπλασιάζεται κάθε φορά που προσθέτετε άλλο ένα qubit.
Γενικά, ένας κβαντικός υπολογιστής n qubits μπορεί να είναι σε συνδυασμό 2^n καταστάσεων. Θα έλεγα λοιπόν ότι αυτή είναι η βασική διαφορά μεταξύ των κλασσικών υπολογιστών και των κβαντικών υπολογιστών.
Οι κλασικοί υπολογιστές μπορούν να βρίσκονται σε οποιαδήποτε κατάσταση θέλετε, αλλά μπορούν να βρίσκονται μόνο σε μία κατάσταση τη φορά, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να βρίσκονται σε μια υπέρθεση όλων αυτών των καταστάσεων ταυτόχρονα.
Αλλά μπορεί να αναρωτιέστε πώς η ύπαρξη σε αυτήν την κατάσταση υπέρθεσης μπορεί να είναι χρήσιμη σε έναν υπολογιστή. Λοιπόν για αυτό χρειαζόμαστε το τελευταίο συστατικό: Παρεμβολή.
Παρέμβαση
Για να εξηγήσουμε την επίδραση της παρεμβολής, πρέπει να επιστρέψουμε και να δούμε την εικόνα μου ενός qubit που τεχνικά ονομάζεται σφαίρα Bloch. Ένα qubit δεν μοιάζει με αυτό. αυτός είναι απλώς ένας ωραίος τρόπος οπτικοποίησης της κατάστασης ενός qubit.
Στην πραγματικότητα, η κατάσταση ενός qubit περιγράφεται από μια πιο αφηρημένη οντότητα γνωστή ως Κβαντική Κυματοσυνάρτηση. Οι κυματοσυναρτήσεις είναι η θεμελιώδης μαθηματική περιγραφή των πάντων στην κβαντική μηχανική.
Όταν έχετε μπερδεμένα πολλά qubits, όλες οι κυματοσυναρτήσεις τους προστίθενται σε μια συνολική κυματοσυνάρτηση που περιγράφει την κατάσταση του κβαντικού υπολογιστή.
Αυτό το άθροισμα των κυματοσυναρτήσεων είναι η παρεμβολή επειδή, όπως ας πούμε με κυματισμούς νερού, όταν προσθέτουμε κύματα μαζί μπορούν να παρεμβαίνουν εποικοδομητικά και να προσθέτουν μαζί για να δημιουργήσουν ένα μεγαλύτερο κύμα ή να παρεμβαίνουν καταστροφικά για να ακυρώσουν το ένα το άλλο.
Η συνολική κυματοσυνάρτηση του κβαντικού υπολογιστή είναι αυτή που ορίζει τις διαφορετικές πιθανότητες των διαφορετικών καταστάσεων και αλλάζοντας τις καταστάσεις διαφορετικών qubits μπορούμε να αλλάξουμε τις πιθανότητες να αποκαλυφθούν διαφορετικές καταστάσεις όταν μετράμε τον κβαντικό υπολογιστή.
Να θυμάστε ότι παρόλο που ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να βρίσκεται σε μια υπέρθεση εκατομμυρίων καταστάσεων την ίδια στιγμή όταν τον μετράμε, βγάζουμε μόνο μία κατάσταση.
Έτσι, όταν χρησιμοποιείτε έναν κβαντικό υπολογιστή για να λύσετε ένα πρόβλημα υπολογισμού, πρέπει να χρησιμοποιήσετε εποικοδομητική παρεμβολή για να αυξήσετε την πιθανότητα της σωστής απάντησης και να χρησιμοποιήσετε καταστροφική παρεμβολή για να μειώσετε τις πιθανότητες των λανθασμένων απαντήσεων, έτσι ώστε όταν μετράτε τη σωστή απάντηση θα βγει.
Κβαντικοί αλγόριθμοι
Τώρα το πώς το κάνετε αυτό είναι το βασίλειο των κβαντικών αλγορίθμων και το όλο κίνητρο πίσω από τους κβαντικούς υπολογιστές είναι ότι, θεωρητικά, υπάρχουν πολλά προβλήματα που μπορείτε να λύσετε σε έναν κβαντικό υπολογιστή που πιστεύεται ότι είναι δυσεπίλυτα στους κλασικούς υπολογιστές.
Ας τους ρίξουμε μια ματιά. Υπάρχουν πολλοί κβαντικοί αλγόριθμοι, πάρα πολλοί για να περιγραφούν σε αυτό το άρθρο, επομένως θα επικεντρωθούμε μόνο στον πιο διάσημο και ιστορικά σημαντικό: τον αλγόριθμο του Shor.
#1. Αλγόριθμος Shor
Εάν έχετε δύο μεγάλους αριθμούς και τους πολλαπλασιάσετε μαζί, υπάρχει ένας πολύ γρήγορος, αποτελεσματικός, κλασικός αλγόριθμος για την εύρεση της απάντησης. Ωστόσο, αν ξεκινήσετε με την απάντηση και ρωτήσετε, ποιοι είναι οι αρχικοί αριθμοί που πολλαπλασιάζονται μαζί για να δημιουργήσουν αυτόν τον αριθμό; Είναι πολύ πιο δύσκολο.
Αυτό είναι γνωστό ως παραγοντοποίηση και αυτοί οι αριθμοί ονομάζονται παράγοντες και ο λόγος για τον οποίο είναι τόσο δύσκολο να τους βρεις είναι επειδή ο χώρος αναζήτησης των πιθανών παραγόντων είναι τόσο μεγάλος. Και δεν υπάρχει αποτελεσματικός κλασικός αλγόριθμος για την εύρεση των παραγόντων μεγάλων αριθμών.
Για αυτόν τον λόγο, χρησιμοποιούμε αυτήν τη μαθηματική ιδιότητα για κρυπτογράφηση στο διαδίκτυο: ασφαλείς ιστότοπους, μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου και τραπεζικούς λογαριασμούς. Εάν γνωρίζετε αυτούς τους παράγοντες, μπορείτε εύκολα να αποκρυπτογραφήσετε τις πληροφορίες, αλλά αν δεν το γνωρίζετε, θα πρέπει να τους βρείτε πρώτα, κάτι που είναι δυσεπίλυτο στους πιο ισχυρούς υπολογιστές του κόσμου.
Αλγόριθμος Shor
Αυτός είναι ο λόγος που το 1994, όταν ο Peter Shor δημοσίευσε έναν γρήγορο κβαντικό αλγόριθμο που μπορούσε να βρει αποτελεσματικά τους παράγοντες μεγάλων ακεραίων αριθμών, προκάλεσε μεγάλη αναταραχή.
Αυτή ήταν η στιγμή που πολλοί άνθρωποι άρχισαν να παίρνουν στα σοβαρά την ιδέα του κβαντικού υπολογισμού, επειδή ήταν η πρώτη εφαρμογή σε ένα πραγματικό πρόβλημα με δυνητικά τεράστιες συνέπειες για την ασφάλεια στον πραγματικό κόσμο.
Αλλά όταν λέω έναν «γρήγορο» κβαντικό αλγόριθμο, πόσο γρήγορος και πόσο πιο γρήγορος από έναν κλασικό υπολογιστή θα ήταν; Για να απαντήσουμε σε αυτά τα ερωτήματα πρέπει να κάνουμε μια μικρή παράκαμψη στον κόσμο της θεωρίας της κβαντικής πολυπλοκότητας.
Θεωρία κβαντικής πολυπλοκότητας
Η κβαντική θεωρία πολυπλοκότητας είναι ένα υποπεδίο του κόσμου της θεωρίας της υπολογιστικής πολυπλοκότητας, το οποίο ασχολείται με την κατηγοριοποίηση αλγορίθμων, ταξινομώντας τους σε bins ανάλογα με το πόσο καλά λειτουργούν σε υπολογιστές.
Η ταξινόμηση καθορίζεται από το αυξανόμενο επίπεδο δυσκολίας στην επίλυση του προβλήματος καθώς αυτό γίνεται μεγαλύτερο. Εδώ, οποιοδήποτε πρόβλημα μέσα στο πλαίσιο P είναι εύκολο να λυθεί από τους κλασικούς υπολογιστές, αλλά οτιδήποτε έξω από αυτό σημαίνει ότι δεν έχουμε αποτελεσματικούς κλασικούς αλγόριθμους για την επίλυσή τους, και η παραγοντοποίηση μεγάλων αριθμών είναι ένα από αυτά.
Αλλά υπάρχει ένας κύκλος, ο BQP, ο οποίος είναι αποτελεσματικός για έναν κβαντικό υπολογιστή αλλά όχι για έναν κλασικό υπολογιστή. Και αυτά είναι τα προβλήματα που οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι καλύτεροι από τους κλασσικούς υπολογιστές στην επίλυση.
Όπως είπα, η θεωρία πολυπλοκότητας εξετάζει πόσο δύσκολο είναι να λυθεί ένα πρόβλημα καθώς το πρόβλημα μεγαλώνει. Επομένως, εάν παραγοντοποιήσετε έναν αριθμό με 8 ψηφία και στη συνέχεια προσθέσετε ένα άλλο ψηφίο, πόσο πιο δύσκολο είναι να συνυπολογίσετε τον νέο αριθμό σε σύγκριση με τον παλιό; Είναι δύο φορές πιο δύσκολο;
Εκθετικά πιο δύσκολο; Και ποια είναι η τάση καθώς προσθέτετε όλο και περισσότερα ψηφία; Αυτό ονομάζεται πολυπλοκότητα ή κλιμάκωση και για παραγοντοποίηση είναι εκθετική.
Οτιδήποτε με το Ν στον εκθέτη είναι εκθετικά σκληρό. Αυτά τα εκθετικά προβλήματα είναι τα προβλήματα που σας μπερδεύουν καθώς τα προβλήματα μεγαλώνουν και στον κόσμο της επιστήμης των υπολογιστών, μπορείτε να κερδίσετε το σεβασμό και τη φήμη αν βρείτε έναν καλύτερο αλγόριθμο για να λύσετε αυτά τα πιο δύσκολα προβλήματα.
Ένα παράδειγμα αυτού ήταν ο αλγόριθμος του Shor, ο οποίος εκμεταλλεύτηκε τα ειδικά χαρακτηριστικά των κβαντικών υπολογιστών για να δημιουργήσει έναν αλγόριθμο που θα μπορούσε να λύσει την παραγοντοποίηση ακεραίων με μια κλίμακα πολύ καλύτερη από τον καλύτερο κλασικό αλγόριθμο.
Ο καλύτερος κλασικός αλγόριθμος είναι εκθετικός, ενώ ο αλγόριθμος του Shor είναι πολυωνυμικός, κάτι που είναι τεράστιο στον κόσμο της θεωρίας πολυπλοκότητας και της επιστήμης των υπολογιστών γενικότερα, επειδή μετατρέπει ένα άλυτο πρόβλημα σε επιλύσιμο.
Λύθηκε, δηλαδή, εάν έχετε έναν κβαντικό υπολογιστή που λειτουργεί, στον οποίο οι άνθρωποι εργάζονται για την κατασκευή. Αλλά δεν χρειάζεται να ανησυχείτε ακόμα για την ασφάλεια του τραπεζικού σας λογαριασμού, επειδή οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι σε θέση να εκτελέσουν τον αλγόριθμο του Shor σε μεγάλους αριθμούς ακόμα.
IBM Quantum
Θα χρειάζονταν περίπου πολλά qubits για να το κάνουν, αλλά μέχρι στιγμής, οι πιο προηγμένοι παγκόσμιοι κβαντικοί υπολογιστές έχουν 433.
Επίσης, οι άνθρωποι εργάζονται σε αυτό που είναι γνωστό ως μετα-κβαντικά σχήματα κρυπτογράφησης, τα οποία δεν χρησιμοποιούν παραγοντοποίηση ακεραίων, και μια άλλη τεχνολογία από τον κόσμο της κβαντικής φυσικής μπορεί επίσης να βοηθήσει εδώ, ένα κρυπτογραφικό σχήμα γνωστό ως κβαντική κρυπτογραφία.
Έτσι, αυτή ήταν μια ματιά σε έναν μόνο κβαντικό αλγόριθμο, αλλά υπάρχουν πολλοί άλλοι, ο καθένας με διαφορετικά επίπεδα επιτάχυνσης.
#2. Αλγόριθμος Γκρόβερ
Ένα άλλο αξιοσημείωτο παράδειγμα είναι ο αλγόριθμος του Grover, ο οποίος μπορεί να αναζητήσει μη δομημένες λίστες δεδομένων πιο γρήγορα από τον καλύτερο κλασικό αλγόριθμο.
Αλλά θα πρέπει να είμαστε προσεκτικοί εδώ για να βεβαιωθούμε ότι δεν παρεξηγούμε τους κλασικούς υπολογιστές. Είναι πολύ ευέλικτες συσκευές και δεν υπάρχει τίποτα που να λέει ότι κάποιος μπορεί να βρει έναν πολύ έξυπνο κλασικό αλγόριθμο που θα μπορούσε να λύσει πιο αποτελεσματικά τα πιο δύσκολα προβλήματα, όπως η παραγοντοποίηση ακεραίων.
Ο κόσμος πιστεύει ότι είναι πολύ απίθανο, αλλά δεν αποκλείεται. Επίσης, υπάρχουν προβλήματα που μπορούμε να αποδείξουμε ότι είναι αδύνατο να λυθούν σε κλασικούς υπολογιστές, που ονομάζονται μη υπολογίσιμα προβλήματα, όπως το πρόβλημα διακοπής, αλλά αυτά είναι επίσης αδύνατο να λυθούν σε έναν κβαντικό υπολογιστή.
Έτσι, υπολογιστικά, οι κλασικοί υπολογιστές και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ισοδύναμοι μεταξύ τους, όλες οι διαφορές προέρχονται από τους αλγόριθμους που μπορούν να τρέξουν. Μπορείτε ακόμη και να προσομοιώσετε έναν κβαντικό υπολογιστή σε έναν κλασικό υπολογιστή και το αντίστροφο.
Η προσομοίωση ενός κβαντικού υπολογιστή σε έναν κλασικό υπολογιστή γίνεται εκθετικά πιο δύσκολη καθώς αυξάνεται ο αριθμός των qubits που προσομοιώνονται.
Αυτό συμβαίνει επειδή οι κλασσικοί υπολογιστές δυσκολεύονται να προσομοιώσουν κβαντικά συστήματα, αλλά επειδή οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ήδη κβαντικά συστήματα, δεν έχουν αυτό το πρόβλημα, που με φέρνει στην αγαπημένη μου εφαρμογή κβαντικών υπολογιστών: την κβαντική προσομοίωση.
#3. Κβαντική Προσομοίωση
Η κβαντική προσομοίωση προσομοιώνει πράγματα όπως χημικές αντιδράσεις ή πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε διαφορετικά υλικά με έναν υπολογιστή. Εδώ, οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν επίσης μια εκθετική επιτάχυνση σε σχέση με τους κλασσικούς υπολογιστές, επειδή οι κλασσικοί υπολογιστές δυσκολεύονται να προσομοιώσουν κβαντικά συστήματα.
Αλλά η προσομοίωση κβαντικών συστημάτων με όσο λίγα σωματίδια είναι δύσκολη ακόμη και στους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές του κόσμου. Επίσης, δεν μπορούμε να το κάνουμε αυτό ακόμα σε κβαντικούς υπολογιστές, αλλά καθώς ωριμάζουν, ένας κύριος στόχος είναι να προσομοιώνουμε όλο και μεγαλύτερα κβαντικά συστήματα.
Αυτά περιλαμβάνουν τομείς όπως η συμπεριφορά εξωτικών υλικών σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως η κατανόηση του τι κάνει ορισμένα υλικά υπεραγώγιμα ή η μελέτη σημαντικών χημικών αντιδράσεων για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητάς τους. Ένα παράδειγμα στοχεύει στην παραγωγή λιπάσματος με τρόπο που να εκπέμπει πολύ λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα καθώς η παραγωγή λιπασμάτων συμβάλλει στο 2% περίπου των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα.
Μπορείτε να μάθετε για την προσομοίωση κβαντικής χημείας σε βάθος.
Κβαντική Προσομοίωση
Άλλες πιθανές εφαρμογές της κβαντικής προσομοίωσης περιλαμβάνουν τη βελτίωση των ηλιακών συλλεκτών, τη βελτίωση των μπαταριών και την ανάπτυξη νέων φαρμάκων, χημικών ή υλικών για την αεροδιαστημική.
Γενικά, η κβαντική προσομοίωση θα σήμαινε ότι θα μπορούσαμε να πρωτοτυποποιήσουμε γρήγορα πολλά διαφορετικά υλικά μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή και να δοκιμάσουμε όλες τις φυσικές τους παραμέτρους αντί να πρέπει να τα φτιάξουμε φυσικά και να τα δοκιμάσουμε σε ένα εργαστήριο, κάτι που είναι πολύ πιο επίπονο και ακριβό. επεξεργάζομαι, διαδικασία.
Αυτό έχει τη δυνατότητα να επιταχύνει σημαντικά τις διαδικασίες και να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση χρόνου και κόστους. Αξίζει να επαναλάβουμε ότι όλες αυτές είναι πιθανές εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών, επειδή δεν έχουμε ακόμη κβαντικούς υπολογιστές που να μπορούν να λύσουν προβλήματα του πραγματικού κόσμου καλύτερα από τους κανονικούς υπολογιστές μας. Αλλά αυτά είναι τα είδη προβλημάτων στα οποία θα ταιριάζουν οι κβαντικοί υπολογιστές.
Μοντέλα Κβαντικών Υπολογιστών
Μέσα στον κόσμο των κβαντικών υπολογιστών, υπάρχει μια μεγάλη γκάμα προσεγγίσεων για τη μετατροπή διαφορετικών ειδών κβαντικών συστημάτων σε κβαντικούς υπολογιστές και υπάρχουν δύο επίπεδα απόχρωσης για τα οποία πρέπει να μιλήσω.
Το μοντέλο του κυκλώματος
Στο μοντέλο κυκλώματος, έχουν qubits που λειτουργούν μαζί και ειδικές πύλες που κουρδίζουν με λίγα qubits τη φορά, αλλάζοντας τις καταστάσεις τους χωρίς έλεγχο. Έβαλαν αυτές τις πύλες σε μια συγκεκριμένη σειρά για να δημιουργήσουν έναν κβαντικό αλγόριθμο. Στο τέλος, μετρήστε τα qubits για να πάρετε την απάντηση που χρειάζεστε.
Πίστωση εικόνας: qiskit
Αδιαβατικός Κβαντικός Υπολογισμός
Στον αδιαβατικό κβαντικό υπολογισμό, εκμεταλλεύεστε μια από τις θεμελιώδεις συμπεριφορές στη φυσική, το γεγονός ότι κάθε σύστημα στη φυσική κινείται πάντα προς την ελάχιστη ενεργειακή κατάσταση. Ο αδιαβατικός κβαντικός υπολογισμός λειτουργεί πλαισιώνοντας προβλήματα έτσι ώστε η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση του κβαντικού συστήματος να αντιπροσωπεύει τη λύση.
Κβαντική ανόπτηση
Η κβαντική ανόπτηση δεν είναι ένα καθολικό σχήμα κβαντικών υπολογιστών, αλλά λειτουργεί με την ίδια αρχή με τον αδιαβατικό κβαντικό υπολογισμό, με το σύστημα να βρίσκει την ελάχιστη ενεργειακή κατάσταση ενός ενεργειακού τοπίου που του δίνετε.
Τοπολογικός Κβαντικός Υπολογισμός
Σε αυτή την προσέγγιση, τα qubits δημιουργούνται από μια οντότητα στη φυσική που ονομάζεται οιονεί σωματίδιο μηδενικού τρόπου Majorana, το οποίο είναι ένας τύπος μη αβελιανού οποιουδήποτε. Αυτά τα οιονεί σωματίδια προβλέπεται να είναι πιο σταθερά λόγω του φυσικού τους διαχωρισμού μεταξύ τους.
Πίστωση εικόνας Civilsdaily
Προκλήσεις στο Κτίριο
Ανεξάρτητα από την προσέγγιση, όλοι αντιμετωπίζουν παρόμοια εμπόδια, τα οποία πρέπει να ρίξουμε μια ματιά αρχικά.
- Αποσυνοχή: Είναι πραγματικά δύσκολο να ελέγξεις τα κβαντικά συστήματα γιατί αν έχεις κάποια μικρή αλληλεπίδραση με τον έξω κόσμο, οι πληροφορίες αρχίζουν να διαρρέουν. Αυτό ονομάζεται αποσυνοχή. Τα qubits σας θα είναι φτιαγμένα από φυσικό υλικό και θα χρειαστείτε άλλα φυσικά αντικείμενα κοντά για να τα ελέγξετε και να τα μετρήσετε. τα qubit σου είναι χαζά. θα μπλέξουν με οτιδήποτε μπορούν. Πρέπει να σχεδιάσετε πολύ προσεκτικά τα qubits σας για να τα προστατεύσετε από την εμπλοκή με το περιβάλλον.
- Θόρυβος: Πρέπει να προστατεύσετε τα qubits σας από κάθε είδους θόρυβο, όπως κοσμικές ακτίνες, ακτινοβολία, θερμική ενέργεια ή αδίστακτα σωματίδια. Κάποια ποσότητα αποσυνοχής και θορύβου είναι αναπόφευκτη σε οποιοδήποτε φυσικό σύστημα και είναι αδύνατο να εξαλειφθεί πλήρως.
- Επεκτασιμότητα: Για κάθε qubit, πρέπει να έχετε ένα σωρό καλώδια για να το χειριστείτε και να το μετρήσετε. Καθώς προσθέτετε περισσότερα qubits, η απαραίτητη υποδομή μεγαλώνει γραμμικά, θέτοντας μια σημαντική μηχανική πρόκληση. Οποιοσδήποτε σχεδιασμός κβαντικού υπολογιστή πρέπει να βρει έναν τρόπο να εμπλέκει αποτελεσματικά, να ελέγχει και να μετράει όλα αυτά τα qubits καθώς κλιμακώνεται.
- Κβαντική διόρθωση σφαλμάτων: Η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων είναι ένα σχήμα διόρθωσης σφαλμάτων για τη δημιουργία ανεκτικών σε σφάλματα κβαντικών υπολογιστών χρησιμοποιώντας πολλά μπερδεμένα qubits μαζί για να αντιπροσωπεύουν ένα qubit χωρίς θόρυβο. Αυτό απαιτεί μεγάλο αριθμό φυσικών qubit για να φτιάξετε ένα qubit με ανοχή σε σφάλματα.
Φυσικές Εφαρμογές
Υπάρχει μια τεράστια γκάμα διαφορετικών φυσικών υλοποιήσεων κβαντικών υπολογιστών, επειδή υπάρχουν τόσα πολλά διαφορετικά κβαντικά συστήματα από τα οποία θα μπορούσατε ενδεχομένως να τα δημιουργήσετε. Ακολουθούν μερικές από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες και επιτυχημένες προσεγγίσεις:
- Υπεραγώγιμοι κβαντικοί υπολογιστές: Τα υπεραγώγιμα qubits είναι αυτή τη στιγμή η πιο δημοφιλής προσέγγιση. Αυτά τα qubits κατασκευάζονται από υπεραγώγιμα σύρματα με διάλειμμα στον υπεραγωγό που ονομάζεται διασταύρωση Josephson. Ο πιο δημοφιλής τύπος υπεραγώγιμου qubit ονομάζεται transmon.
- Quantum Dot Quantum Computers: Τα Qubits κατασκευάζονται από ηλεκτρόνια ή ομάδες ηλεκτρονίων και το σύστημα δύο επιπέδων κωδικοποιείται στο σπιν ή στο φορτίο των ηλεκτρονίων. Αυτά τα qubits κατασκευάζονται από ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο.
- Γραμμικός Οπτικός Κβαντικός Υπολογισμός: Οι οπτικοί κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν φωτόνια φωτός ως qubits και λειτουργούν σε αυτά τα qubits χρησιμοποιώντας οπτικά στοιχεία όπως καθρέφτες, κυματοπλάκες και συμβολόμετρα.
- Παγιδευμένοι κβαντικοί υπολογιστές ιόντων: Τα φορτισμένα άτομα χρησιμοποιούνται ως qubits και αυτά τα άτομα ιονίζονται, έχοντας ένα ηλεκτρόνιο που λείπει. Η κατάσταση δύο επιπέδων που κωδικοποιεί το qubit είναι τα συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας του ατόμου, τα οποία μπορούν να χειριστούν ή να μετρηθούν με μικροκύματα ή ακτίνες λέιζερ.
- Κβαντικοί υπολογιστές Color Center ή Nitrogen Vacancy: Αυτά τα qubits είναι κατασκευασμένα από άτομα ενσωματωμένα σε υλικά όπως το άζωτο σε διαμάντι ή το καρβίδιο του πυριτίου. Δημιουργούνται χρησιμοποιώντας τα πυρηνικά σπιν των ενσωματωμένων ατόμων και μπλέκονται μεταξύ τους με ηλεκτρόνια.
- Ουδέτερα άτομα σε οπτικά πλέγματα: Αυτή η προσέγγιση συλλαμβάνει ουδέτερα άτομα σε ένα οπτικό πλέγμα, το οποίο είναι μια διασταυρούμενη διάταξη ακτίνων λέιζερ. Το σύστημα δύο επιπέδων για τα qubits μπορεί να είναι το υπερλεπτό ενεργειακό επίπεδο του ατόμου ή οι διεγερμένες καταστάσεις.
Αυτές είναι μερικές από τις βασικές προσεγγίσεις για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών, ο καθένας με τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά και προκλήσεις. Οι κβαντικοί υπολογιστές αλλάζουν γρήγορα και η επιλογή της σωστής προσέγγισης είναι ζωτικής σημασίας για τη μελλοντική επιτυχία.
Εφαρμογές Κβαντικών Υπολογιστών
- Κβαντική προσομοίωση: Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να προσομοιώνουν πολύπλοκα κβαντικά συστήματα, καθιστώντας δυνατή τη μελέτη χημικών αντιδράσεων, τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα υλικά και διάφορες φυσικές παραμέτρους. Αυτό έχει εφαρμογές στη βελτίωση των ηλιακών συλλεκτών, των μπαταριών, της ανάπτυξης φαρμάκων, των αεροδιαστημικών υλικών και πολλά άλλα.
- Κβαντικοί αλγόριθμοι: Αλγόριθμοι όπως ο αλγόριθμος του Shor και ο αλγόριθμος του Γκρόβερ μπορούν να λύσουν προβλήματα που πιστεύεται ότι είναι δυσεπίλυτα για τους κλασικούς υπολογιστές. Αυτά έχουν εφαρμογές στην κρυπτογραφία, τη βελτιστοποίηση πολύπλοκων συστημάτων, τη μηχανική μάθηση και την τεχνητή νοημοσύνη.
- Κυβερνοασφάλεια: Οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν απειλή για τα κλασικά συστήματα κρυπτογράφησης. Ωστόσο, μπορούν επίσης να συμβάλουν στην ασφάλεια στον κυβερνοχώρο μέσω της ανάπτυξης συστημάτων κρυπτογράφησης ανθεκτικών στην κβαντική ενέργεια. Η κβαντική κρυπτογραφία, ένα πεδίο που σχετίζεται με τους κβαντικούς υπολογιστές, μπορεί να ενισχύσει την ασφάλεια.
- Προβλήματα βελτιστοποίησης: Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να αντιμετωπίσουν πολύπλοκα προβλήματα βελτιστοποίησης πιο αποτελεσματικά από τους κλασσικούς υπολογιστές. Αυτό έχει εφαρμογές σε διάφορους κλάδους, από τη διαχείριση της εφοδιαστικής αλυσίδας έως τη χρηματοοικονομική μοντελοποίηση.
- Πρόγνωση καιρού και Κλιματική Αλλαγή: Αν και δεν είναι πλήρως λεπτομερείς στο άρθρο, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν ενδεχομένως να βελτιώσουν τα μοντέλα πρόγνωσης καιρού και να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή. Αυτός είναι ένας τομέας που μπορεί να ωφεληθεί από τον κβαντικό υπολογισμό στο μέλλον.
- Κβαντική Κρυπτογραφία: Η κβαντική κρυπτογραφία ενισχύει την ασφάλεια των δεδομένων χρησιμοποιώντας κβαντικές αρχές για ασφαλή επικοινωνία. Σε μια εποχή αυξανόμενων απειλών στον κυβερνοχώρο, αυτό είναι κρίσιμο.
Τώρα πρέπει να είμαστε λίγο προσεκτικοί σχετικά με τις δυνατότητες της διαφημιστικής εκστρατείας εδώ, καθώς πολλοί από τους ισχυρισμούς για το τι είναι καλοί οι κβαντικοί υπολογιστές προέρχονται από ανθρώπους που συγκεντρώνουν ενεργά χρήματα για να τους κατασκευάσουν.
Αλλά η άποψή μου είναι ότι ιστορικά, όταν μια νέα τεχνολογία έχει εμφανιστεί, οι άνθρωποι της εποχής δεν είναι οι καλύτεροι στο να μπορούν να πουν σε τι θα χρησιμοποιηθεί.
Για παράδειγμα, οι άνθρωποι που επινόησαν τους πρώτους υπολογιστές δεν ονειρεύτηκαν ποτέ το Διαδίκτυο και όλα τα πράγματα σε αυτό. Αυτό είναι πιθανό να είναι το ίδιο για τους κβαντικούς υπολογιστές.
Τελικές σκέψεις
Οι κβαντικοί υπολογιστές γίνονται καλύτεροι κάθε μέρα και ενώ δεν μπορούμε να τους χρησιμοποιήσουμε ακόμα στην καθημερινή μας ζωή, έχουν δυνατότητες για πρακτικές εφαρμογές στο μέλλον.
Σε αυτό το άρθρο, έχω συζητήσει διάφορες πτυχές των κβαντικών υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένων των θεμελιωδών εννοιών τους, όπως η υπέρθεση, η εμπλοκή και η παρεμβολή.
Στη συνέχεια, εξερευνήσαμε κβαντικούς αλγόριθμους, συμπεριλαμβανομένων των αλγορίθμων του Shor και του αλγόριθμου του Grover. Εμβαθύναμε επίσης στη θεωρία της κβαντικής πολυπλοκότητας και στα διαφορετικά μοντέλα κβαντικών υπολογιστών.
Στη συνέχεια, ασχολήθηκα με τις προκλήσεις και τα πρακτικά ζητήματα εφαρμογής που σχετίζονται με τον κβαντικό υπολογισμό. Τέλος, εξετάσαμε το ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών για κβαντικούς υπολογιστές.
Στη συνέχεια, μπορείτε επίσης να διαβάσετε σχετικά με τις Συχνές Ερωτήσεις για τον Κβαντικό Υπολογισμό.