Računalo nam pomaže da radimo ono što ne želimo ili ne možemo uglavnom zbog složenosti, zbog vjerojatnosti nehotičnih pogrešaka i zbog vremena. Na primjer, podizanje broja na 128. stupanj u umu.
Svrha i upotreba kvantnog računala.
Što je kvantno računalo?
Najmoćnije kvantno računalo (QC) je - ili, prije, bilo - potpuno drugačiji mehanizam, različit od svega što je čovjek ikada stvorio. Najsnažniji poslužitelji danas izgledaju samo kao mali dio onoga što u konačnici može učiniti punopravno kvantno računalo.
Jednostavno rečeno, cilj istraživanja u području kvantnog računanja je otkriti načine ubrzavanja izvođenja dugoročnih uputa. Bilo bi pogrešno reći da CC pokreće programe brže od PC ili x86 poslužitelja. "Program" za QC potpuno je drugačiji redoslijed kodiranja nego ikada za binarni procesor. Nakon rođenja računala izvršena su složena fizička izračunavanja, koja su 1940-ih pomogla SAD-u da stvori atomsku bombu. Nakon pronalaska tranzistora, dimenzije ovih sustava su značajno smanjene. Tada je došla ideja da paralelni procesori rade na zadacima istovremeno.
Kvantno računanje je samo sljedeći korak. Mnogo je problema s kojima suvremena računala zahtijevaju dosta vremena da riješe, na primjer, rješavanje linearnog sustava jednadžbi, optimiziranje parametara za vektore podrške, pronalaženje najkraćeg puta kroz proizvoljni dio ili pretraživanje nestrukturiranog popisa. To su sada prilično apstraktni problemi, ali ako znate nešto o algoritmima ili programiranju, možete vidjeti koliko to može biti korisno. Primjerice, grafički procesori (GPU-ovi) izumljeni su isključivo u svrhu prikazivanja trokuta, a zatim spajanja u dvo-ili trodimenzionalni svijet. Sada je Nvidia tvrtka vrijedna milijardu dolara. Postoje li tehnologije kvantnog računanja ili neke od njezinih povijesnih derivata, koje ljudi sada dobro koriste? Drugim riječima, što zapravo čini kvant i kome služi izravno?
Za što je kvantno računalo?
Navigacija. To je jedna od glavnih primjena kvantnih računala. GPS sustav ne može raditi bilo gdje na planeti, posebno pod vodom. QC zahtijeva da su atomi superhlađeni i suspendirani u stanju koje ih čini posebno osjetljivima. U pokušaju da to iskoriste, konkurentski timovi znanstvenika nastoje razviti neku vrstu kvantnog akcelerometra koji može pružiti vrlo točne podatke o kretanju. Najznačajniji doprinos razvoju industrije čini Francuski laboratorij za fotoniku i nanoznanost. Živ je primjer toga pokušaj da se stvori hibridna komponenta koja kombinira akcelerometar s klasičnom i zatim koristi high-pass filtar za oduzimanje klasičnih podataka od kvantnih podataka. Rezultat, ako se provede, bit će izuzetno precizan kompas koji će eliminirati pomicanje i zanošenje faktora skale, obično povezano s žiroskopskim komponentama.
Seizmologiju. Ista ekstremna osjetljivost može se koristiti za otkrivanje prisutnosti naftnih i plinskih naslaga, kao i potencijalne seizmičke aktivnosti na mjestima gdje konvencionalni senzori još nisu korišteni. U srpnju 2017. QuantIC je pokazao kako kvantni gravimetar detektira prisutnost duboko skrivenih objekata mjerenjem oscilacija u gravitacijskom polju. Ako je takav uređaj napravljen ne samo praktično, nego i prenosivo, tim vjeruje da može postati neprocjenjiv u sustavu ranog upozorenja za predviđanje seizmičkih događaja i tsunamija. Farmaceutskih proizvoda. U prvom planu su istraživanja u borbi protiv bolesti poput Alzheimerove bolesti i multiple skleroze; znanstvenici koriste softver koji simulira ponašanje umjetnih antitijela na molekularnoj razini.
Fizika. To je zapravo razlog postojanja koncepta. Tijekom svog govora 1981. godine na Caltech profesoru Richardu Feynmanu, ocu kvantne elektrodinamike (QED), predložio je da je jedini način da se izgradi uspješna simulacija fizičkog svijeta na kvantnoj razini stroj koji se pridržava zakona kvantne fizike i mehanike. Tijekom tog govora koji je objasnio profesor Feynman, ostatak svijeta shvatio je da ne bi bilo dovoljno da računalo generira tablicu vjerojatnosti i kako baciti kockice. Štoviše, da bi se dobili rezultati koje fizičari sami ne bi nazvali apokrifnim, bio bi potreban mehanizam koji bi se ponašao na isti način kao i ponašanje koje je namjeravao oponašati.
Strojno učenje. Glavna teorija pristaša je da se takvi sustavi mogu prilagoditi kako bi se "proučavali" obrasci stanja u velikim paralelnim valovima, a ne u uzastopnim skenovima. Obična matematika može opisati skup vjerojatnih rezultata u obliku vektora u prostoru divlje konfiguracije. Dekodiranje. Tu je, napokon, proboj koji je na takve kalkulacije bacio prvo svjetlo. Ono što kodove šifriranja čini toliko složenim, čak i za moderna klasična računala, je da se temelje na iznimno velikom broju čimbenika koji zahtijevaju prekomjernu količinu vremena za pogoditi metodom podudaranja. Radni QC mora izolirati i identificirati takve čimbenike u nekoliko minuta, što čini RSA sustav kodiranja učinkovito zastarjelim.
Šifriranje. Koncept, nazvan kvantna distribucija ključeva (QKD), daje teorijsku nadu da tipovi javnih i privatnih ključeva koje danas koristimo za šifriranje poruka mogu biti zamijenjeni ključevima koji su podložni učincima ispreplitanja. U teoriji, svaka treća strana koja je razbila ključ i pokušala pročitati poruku odmah bi uništila poruku za sve. Naravno, ovo može biti dovoljno. Ali teorija QKD-a temelji se na ogromnoj pretpostavci koja se tek treba testirati u stvarnom svijetu: da su vrijednosti dobivene uz pomoć isprepletenih qubita same zapletene i podložne učincima gdje god idu.
Koja je razlika između kvantnog računala i običnog?
Klasično računalo izvodi izračune pomoću bitova koji su 0 ("isključeno") i 1 ("uključeno"). Koristi tranzistore za obradu informacija u obliku nizova nula i takozvanih računalnih binarnih jezika. Više tranzistora, više mogućnosti obrade - to je glavna razlika. QC koristi zakone kvantne mehanike. Baš kao klasično računalo koje koristi nule i one. Ta stanja mogu se postići česticama zbog njihovog unutarnjeg kutnog momenta, nazvanog spin. Dva stanja 0 i 1 mogu biti predstavljena u stražnjim česticama. Na primjer, rotacija u smjeru kazaljke na satu predstavlja 1, a suprotno od kazaljke na satu predstavlja 0. Prednost korištenja QC je da čestica može biti u nekoliko stanja u isto vrijeme. Ovaj fenomen naziva se superpozicija. Zbog tog fenomena QC može istodobno doseći stanje 0 i 1. Tako je u klasičnom računalu informacija izražena u obliku jednog broja 0 ili 1. QC koristi izlaze koji su opisani kao 0 i 1 u isto vrijeme, što daje veću računalnu snagu.
Kako radi kvantno računalo
Kvantno se računanje rabi pomoću kvantno-mehaničkih pojava kao što su superpozicija i zapletanje. QC je uređaj koji obavlja kvantno računanje i sastoji se od mikroprocesora. Takvo računalo potpuno se razlikuje od binarnih digitalnih elektroničkih računala koja se temelje na tranzistorima i kondenzatorima. Dok konvencionalne digitalne računice zahtijevaju da se podaci kodiraju u binarne znamenke (bitove), od kojih je svaka uvijek u jednom od dvaju specifičnih stanja (0 ili 1), kvantni izračun koristi bite ili kbitove koji mogu biti u superpoziciji. Uređaj kvantnog Turingovog stroja teoretski je model takvog računala i poznat je i kao univerzalni QC. Područje kvantnog računanja započelo je radovima Paula Benioffa i Yurija Manina 1980. godine, Richarda Feynmana 1982. i Davida Deutscha 1985. godine.
Princip kvantnog računala
Od 2018. godine načelo djelovanja kvantnih računala je još u povojima, ali su provedeni eksperimenti u kojima su kvantne računske operacije izvedene s vrlo malim brojem kvantnih bitova. I praktična i teorijska istraživanja su u tijeku, a mnoge nacionalne vlade i vojne agencije financiraju istraživanja o kvantnom računalstvu u dodatnim naporima za razvoj kvantnih računala za civilne, poslovne, trgovačke, ekološke i nacionalne sigurnosne ciljeve, kao što je kriptoanaliza. Kvantna računala velikih razmjera teoretski mogu raditi na rješavanju određenih problema mnogo brže od bilo kojeg klasičnog računala koje koristi čak i najbolje algoritme do danas, kao što je cjelobrojna faktorizacija pomoću Shore algoritma (koji je kvantni algoritam) i modeliranje kvantnog skupa tijela sustava.
Postoje kvantne akcije, poput Simonovog algoritma, koje rade brže od bilo kojeg vjerojatnosnog klasičnog algoritma. Klasično računalo u načelu (s eksponencijalnim resursima) može modelirati kvantni algoritam, budući da kvantno računanje ne krši tezu Crkve-Turing. S druge strane, kvantna računala mogu učinkovito riješiti probleme koji nisu praktički mogući na klasičnim računalima.