Koncept in načelo dela kvantnega računalnika

Tema kvantnega računalnika je v zadnjem času postala zelo priljubljena, in če govorimo o preboju tehnologije. Novi izrazi so vdrli v informacijski tok in zdaj nič manj kot umetna inteligenca in strojno učenje. Čeprav je raziskava potekala že prvo desetletje, je bila v razvoju še posebej plodna in bogati za dogodke je bilo lani, ko je IBM pokazal svet prvi komercialni kvantni računalnik, Google.

Revolucionarna odkritja v sodobni fiziki, ki so zagotovila nov krog razvoja računalniških tehnologij, lahko brez pretiravanja spremeni svet in človeku prinaša ogromne koristi z ustrezno uporabo. Če vas ta tema zanima in želite razumeti, kaj so kvantni računalniki, po kakšnem načelu delujejo in zakaj sploh potrebujejo, potem bomo v tem gradivu o tem govorili čim bolj jasno, ne da bi se poglobili v študij kvantnega mehanika in struktura kvantnega sveta.

Kaj je kvantni računalnik

Danes že obstaja dvom, ali obstaja kvantni računalnik, ni. Če je bil do nedavnega samo plod fantazije znanstvenikov, je zdaj postal popolnoma oprijemljiv predmet in vidimo, kako izgleda praktična izvajanje sistema.

Če govorite preprosto, kaj je kvantni računalnik, potem je to sredstvo računalniške tehnologije, ki pri svojem delu uporablja zakone kvantne mehanike. Stroj opravlja določene naloge učinkoviteje kot preprost računalnik, ki shranjuje podatke v bitih.

KK uporablja kvantne algoritme, ki uporabljajo učinke, kot sta superpozicija in kvantna zmeda. Za izračune se uporabljajo kocke (kvantni delci), ki so sposobne biti v dveh pogojih hkrati. To pomeni, če bit sprejme eno od dveh možnih vrednosti- 0 ali 1, potem je kocka hkrati 0 in 1, kar omogoča KC, da obdela podatke in izvaja matematične naloge tisočkrat hitreje kot običajno. Ni mu treba razvrstiti kombinacij, kot to počne, vključno s superračunalnikom, kvantnim sistemom. Odgovor se izračuna s hitrostjo strele. Te priložnosti odpirajo način reševanja težav, ki so danes nemogoče ali zahtevajo velike časovne stroške.

Zgodovina ustvarjanja računalnikov nove generacije sega v daleč leta 1981, ko so prvič govorili o uporabi kvantnih sistemov za izračune. Potem je bil še vedno daleč od fizičnega izvajanja, prvi delovni algoritem za KK se je pojavil šele leta 1994, prvi 2-kubični stroj. Že desetletja so eksperimentalne vzorce ustvarile skupine znanstvenikov iz različnih držav, vendar sta IBM in Google dosegla največje uspehe na tem področju.

Dirka vodilnih podjetij je v polnem razmahu. Junija 2020 je Honeywell prejel sporočilo, da je bil danes ustvarjen najzmogljivejši kvantni računalnik. Podjetje trdi, da je ustvarjena naprava dvakrat več kot IBM in Google Quantum Systems, v nekaj minutah reševalne naloge, za katere bi navadni računalniki potrebovali tisočletja. Razvoj Honeywell je impresiven z rekordnim kazalnikom uspešnosti 64 kvantnih zvezkov. Jedro sistema je jeklena krogla velikost košarke, ohlajeno s tekočim helijem na temperaturo -262,7 ° C. Vsebuje pasti ionov, ki nastanejo iz atomov, ustavijo gibanje pod vplivom nizkih temperatur in jih nadzirajo laserski impulzi.

Zakaj potrebujete kvantni računalnik

Hitra obdelava velikih podatkovnih nizov z novimi tehnologijami lahko pomaga rešiti številne težave in vpliva na različna področja. Na primer, KC se bo v samo nekaj sekundah spopadel z razgradnjo števil, ki jih sestavljajo veliki številni znaki, za preproste dejavnike (sam postopek ni zapleten, vendar zahteva velike časovne stroške, tu temelji sodobna kriptografija) , in tudi rešijo številne podobne težave. Poleg tega je tehnologija primerna tudi za modeliranje težkih situacij, vključno z izračunom fizikalnih lastnosti elementov na molekularni ravni.

Glavna področja uporabe kvantnih računalnikov:

• globalna optimizacija;
• Modeliranje molekul DNK;
• ustvarjanje novih materialov;
• ustvarjanje drog;
• izboljšanje strojnega učenja;
• Naloge kriptografije in šifriranja (vključno z algoritmi šifriranja in dostop do kakršnih koli informacij).

Na tej stopnji kvantne računalnike odlikuje kompleksnost proizvodnje in nestabilnosti dela, tako da je do zdaj mogoče razviti le sisteme z visoko uspešnostjo, zaprti za en algoritem in zasnovan za zelo ozek krog nalog.

Kakšna je razlika med kvantnim računalnikom iz običajnega

30 let od koncepta "kvantnih izračunov" so znanstveni razvoj omogočali, da so računalniški sistemi takšni tipi. Kvantni računalniki temeljijo na edinstvenem vedenju, ki se v bistvu razlikuje od dela standardnih, znanih strojev za nas in jih opisuje kvantna mehanika.

Naprave so sposobne reševati matematične težave v nekaj sekundah, katerih rešitev bi bila na običajnem računalniku hrepenela že več milijard let. Po besedah ​​Googla je Sycamore Quantum Machine več kot tri minute dokončal izračune, po katerih bi standardni superračunalnik zajel 10.000 let - to se imenuje glasen izraz "kvantna superiornost".

Običajni računalnik, s katerim je znan vsak sodobni človek, pa tudi pametni telefon, tablični računalnik ali prenosnik, informacije v bitih, ki sprejemajo vrednost 0 ali 1, in lahko predstavite vse informacije, ne glede na to enote. Temeljna razlika in prednost kvantnega računalnika v uporabljeni operacijski enoti, imenovana kocka (ali kvantni bit). Cubit je lahko v negotovosti, z drugimi besedami, v različnih stanjih hkrati, po analogiji z mačko Schrödingerja (fenomen superpozicije).

Kvantni računalnik je velikokrat hitrejši in močnejši kot običajno, medtem ko ni primeren za večino vsakodnevnih nalog, saj bo njegovo načelo delovanja zelo drugačno.

Kako je računalnik prihodnosti

Zdaj pa podrobneje razmislimo. Kot smo že ugotovili, je najmanjša enota informacij na običajnem računalniku malo, ki v kvantnem računalniku prevzame vrednost 1 ali 0 (vklopljeno ali izklopljeno) - to so kocke, ki lahko vzamejo vse vrednosti. Hkrati so kvantni delci odvisni od merjenja, kar pomeni pomanjkanje informacij o kocki do trenutka merjenja, postopek merjenja vpliva tudi.

Zahvaljujoč tej lastnosti kockov (hkratno bivanje v vseh pogojih), dokler delček ni bil izmerjen, računalnik takoj premaga verjetne možnosti rešitve zaradi razpoložljive povezave med kockami. Tako je odločitev znana takoj, ko so bili vneseni začetni podatki, torej superpozicija določa vzporednost izračunov, ki na trenutke pospeši delovanje algoritmov.

Naprava kvantnega računalnika vključuje:

• Upravljanje računalnika;
• generator impulzov, ki vplivajo na kocke;
• Državni register;
• CPU;
• Cubet merilna naprava.

Če želite delovati med atomi, je zagotovljena kvantna povezava in več vezi kocke oblikujejo, manj bo stabilnost sistema. Za kvantno superiornost nad standardnim računalnikom bo potrebno vsaj 49 kock, v tem primeru pa je stabilnost sistema že vprašljiva. Ko so ustvarjene številne odvisnosti, lahko vsi zunanji vplivi vplivajo nanje.

Zaradi krhkosti odnosov s KC, sestavljenimi iz več glavnih ravni, vključuje hlajenje atomov na skoraj absolutno ničlo, kar vam omogoča, da se zaščitite pred zunanjimi procesi, zato naprava z zaščito kvantnega procesorja zaseda veliko volumno prostora.

Načelo delovanja KK

Običajna shema dela računalnikov, prenosnih računalnikov, pametnih telefonov ali tabličnih računalnikov z digitalnim načelom temelji na uporabi klasičnih algoritmov, ki se korenito razlikuje od načela delovanja kvantnega računalnika. Torej bo redni računalnik pokazal enak rezultat, ne glede na to, kolikokrat za zagon izračuna se možnosti izračunajo zaporedno.

Kvantni računalnik uporablja popolnoma drugačno - verjetnostno načelo delovanja. V določenem smislu sistem že vsebuje vse možne rešitve. Rezultat izračunov je najverjetnejši odgovor in ne nedvoumni, medtem ko vsaka nadaljnja uvedba kvantnega algoritma poveča verjetnost, da dobite pravilen odgovor, kar pomeni, da se po 3-4 hitrem teku lahko prepričate Prava odločitev, na primer šifrirni ključ.

V kvantnih sistemih, ki pri svojem delu uporabljajo kocke, s povečanjem števila delcev raste eksponentno in število obdelanih vrednosti hkrati.

Če govorimo o tem, kako deluje kvantni računalnik, je treba omeniti povezavo kockov. V prisotnosti več kock v sistemu bo sprememba v enem povzročila tudi spremembo preostalih delcev. Računalniška moč se doseže s vzporednimi izračuni.

Kljub večmilijonskim naložbam se kvantne tehnologije razvijajo precej počasi. To je posledica velikega števila težav, s katerimi so se morali znanstveniki srečati v raziskovalnem procesu, vključno s potrebo po izdelavi nizko temperaturnih sarkofagov z največjo izolacijo kamere s procesorjem iz morebitnih zunanjih vplivov za ohranitev kvantnih lastnosti sistema. Poleg tega imajo raziskovalci nalogo reševanja napak, saj imajo kvantni procesi in izračuni verjetnosti in ne morejo biti stoodstotno resnični.

Konstrukcija stabilnih sistemov je tudi daleč od ideala in pri izvajanju kvantnega računalnika na fizični ravni se uporablja več rešitev, ki uporabljajo različne tehnologije. Torej je ustvarjanje celotnega univerzalnega kvantnega računalnika še vedno v prihodnosti, čeprav ne, kolikor se je zdelo pred petimi leti. Največja podjetja, kot so IBM, Google, Intel, Microsoft.