Τι είναι το Quantum Advantage; Η στιγμή που θα φτάσουν οι εξαιρετικά ισχυροί κβαντικοί υπολογιστές

Τι είναι το Quantum Advantage; Η στιγμή που θα φτάσουν οι εξαιρετικά ισχυροί κβαντικοί υπολογιστές

Χρονική σήμανση: 17 Νοεμβρίου 2023 3:03 μ.μ.

Το κβαντικό πλεονέκτημα είναι το ορόσημο προς το οποίο εργάζεται διακαώς ο κβαντικός υπολογιστής, όταν ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει προβλήματα που είναι πέρα ​​από την εμβέλεια των πιο ισχυρών μη κβαντικών ή κλασσικών υπολογιστών.

Το κβαντικό αναφέρεται στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων όπου οι νόμοι της φυσικής καθώς τους βιώνουμε καταρρέουν και εφαρμόζεται ένα διαφορετικό, αντίθετο σύνολο νόμων. Οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται αυτές τις περίεργες συμπεριφορές για να λύσουν προβλήματα.

Υπάρχουν ορισμένοι τύποι προβλημάτων που είναι μη πρακτικό για την επίλυση κλασικών υπολογιστών, Όπως σπάσιμο αλγορίθμων κρυπτογράφησης τελευταίας τεχνολογίας. Η έρευνα των τελευταίων δεκαετιών έχει δείξει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να λύσουν ορισμένα από αυτά τα προβλήματα. Εάν μπορεί να κατασκευαστεί ένας κβαντικός υπολογιστής που όντως λύνει ένα από αυτά τα προβλήματα, θα έχει επιδείξει κβαντικό πλεονέκτημα.

Είμαι ένας φυσικός που μελετά την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών και τον έλεγχο κβαντικών συστημάτων. Πιστεύω ότι αυτό το σύνορο της επιστημονικής και τεχνολογικής καινοτομίας όχι μόνο υπόσχεται πρωτοποριακές προόδους στον υπολογισμό, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης μια ευρύτερη αύξηση της κβαντικής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων σημαντικών προόδων στην κβαντική κρυπτογραφία και την κβαντική ανίχνευση.

Η Πηγή της Δύναμης του Κβαντικού Υπολογισμού

Κεντρικό στοιχείο στον κβαντικό υπολογισμό είναι το κβαντικό bit, ή qubit. Σε αντίθεση με τα κλασικά bit, τα οποία μπορούν να βρίσκονται μόνο σε καταστάσεις 0 ή 1, ένα qubit μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση που είναι κάποιος συνδυασμός 0 και 1. Αυτή η κατάσταση ούτε μόνο 1 ούτε μόνο 0 είναι γνωστή ως κβαντική υπέρθεση. Με κάθε επιπλέον qubit διπλασιάζεται ο αριθμός των καταστάσεων που μπορούν να αναπαρασταθούν από τα qubit.

Αυτή η ιδιότητα συχνά συγχέεται με την πηγή της ισχύος του κβαντικού υπολογισμού. Αντίθετα, καταλήγει σε μια περίπλοκη αλληλεπίδραση υπέρθεσης, παρέμβαση , να μπλέξιμο.

Η παρέμβαση περιλαμβάνει τον χειρισμό των qubits έτσι ώστε οι καταστάσεις τους να συνδυάζονται εποικοδομητικά κατά τη διάρκεια των υπολογισμών για να ενισχύσουν τις σωστές λύσεις και καταστροφικά για να καταστείλουν τις λάθος απαντήσεις. Η εποικοδομητική παρεμβολή είναι αυτό που συμβαίνει όταν οι κορυφές δύο κυμάτων -όπως τα ηχητικά κύματα ή τα κύματα του ωκεανού- συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια υψηλότερη κορυφή. Η καταστροφική παρεμβολή είναι αυτό που συμβαίνει όταν μια αιχμή κύματος και μια κοιλότητα κύματος συνδυάζονται και αλληλοεξουδετερώνονται. Οι κβαντικοί αλγόριθμοι, οι οποίοι είναι λίγοι και δύσκολο να επινοηθούν, δημιουργούν μια ακολουθία μοτίβων παρεμβολών που δίνουν τη σωστή απάντηση σε ένα πρόβλημα.

Η διαπλοκή δημιουργεί μια μοναδική κβαντική συσχέτιση μεταξύ των qubits: Η κατάσταση του ενός δεν μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από τα άλλα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι τα qubits μεταξύ τους. Αυτό είναι που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν απέρριψε περίφημα ως «απόκοσμη δράση εξ αποστάσεως». Η συλλογική συμπεριφορά του Entanglement, ενορχηστρωμένη μέσω ενός κβαντικού υπολογιστή, επιτρέπει υπολογιστικές επιταχύνσεις που είναι πέρα ​​από την προσιτότητα των κλασικών υπολογιστών.

[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]

Εφαρμογές Κβαντικών Υπολογιστών

Ο κβαντικός υπολογιστής έχει μια σειρά πιθανών χρήσεων όπου μπορεί να ξεπεράσει τους κλασικούς υπολογιστές. Στην κρυπτογραφία, οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν ταυτόχρονα ευκαιρία και πρόκληση. Το πιο διάσημο, έχουν το δυνατότητα αποκρυπτογράφησης τρεχόντων αλγορίθμων κρυπτογράφησης, όπως το ευρέως χρησιμοποιούμενο Σχέδιο RSA.

Μια συνέπεια αυτού είναι ότι τα σημερινά πρωτόκολλα κρυπτογράφησης πρέπει να ανασχεδιαστούν για να είναι ανθεκτικά σε μελλοντικές κβαντικές επιθέσεις. Αυτή η αναγνώριση οδήγησε στο αναπτυσσόμενο πεδίο του μετα-κβαντική κρυπτογραφία. Μετά από μια μακρά διαδικασία, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας επέλεξε πρόσφατα τέσσερις αλγόριθμους ανθεκτικούς στα κβαντικά και έχει ξεκινήσει τη διαδικασία προετοιμασίας τους, ώστε οι οργανισμοί σε όλο τον κόσμο να μπορούν να τους χρησιμοποιούν στην τεχνολογία κρυπτογράφησης τους.

Επιπλέον, ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να επιταχύνει δραματικά την κβαντική προσομοίωση: την ικανότητα πρόβλεψης του αποτελέσματος των πειραμάτων που λειτουργούν στο κβαντικό βασίλειο. Ο διάσημος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν οραματίστηκε αυτή τη δυνατότητα πριν από περισσότερα από 40 χρόνια. Η κβαντική προσομοίωση προσφέρει τη δυνατότητα για σημαντικές προόδους στη χημεία και την επιστήμη των υλικών, βοηθώντας σε τομείς όπως η περίπλοκη μοντελοποίηση μοριακών δομών για ανακάλυψη φαρμάκων και επιτρέποντας την ανακάλυψη ή τη δημιουργία υλικών με νέες ιδιότητες.

Μια άλλη χρήση της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών είναι κβαντική αίσθηση: ανίχνευση και μέτρηση φυσικών ιδιοτήτων όπως ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, βαρύτητα, πίεση και θερμοκρασία με μεγαλύτερη ευαισθησία και ακρίβεια παρά τα μη κβαντικά όργανα. Η κβαντική ανίχνευση έχει μυριάδες εφαρμογές σε πεδία όπως περιβαλλοντικής παρακολούθησης, γεωλογική εξερεύνηση, ιατρική απεικόνιση, να επιτήρηση.

Πρωτοβουλίες όπως η ανάπτυξη α κβαντικό Διαδίκτυο ότι διασυνδέει τους κβαντικούς υπολογιστές είναι κρίσιμα βήματα προς τη γεφύρωση του κβαντικού και του κλασικού κόσμου των υπολογιστών. Αυτό το δίκτυο θα μπορούσε να ασφαλιστεί χρησιμοποιώντας κβαντικά κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, όπως η διανομή κβαντικού κλειδιού, που επιτρέπει εξαιρετικά ασφαλή κανάλια επικοινωνίας που προστατεύονται από υπολογιστικές επιθέσεις, συμπεριλαμβανομένων αυτών που χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές.

Παρά την αυξανόμενη σουίτα εφαρμογών για κβαντικούς υπολογιστές, η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων που αξιοποιούν πλήρως το κβαντικό πλεονέκτημα—ιδίως στη μηχανική μάθηση— Παραμένει κρίσιμος τομέας συνεχιζόμενης έρευνας.

μια μεταλλική συσκευή με πράσινο φως λέιζερ στο φόντο
Ένας πρωτότυπος κβαντικός αισθητήρας που αναπτύχθηκε από ερευνητές του MIT μπορεί να ανιχνεύσει οποιαδήποτε συχνότητα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Πίστωση εικόνας: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Παραμένοντας συνεπής και ξεπερνώντας τα λάθη

Η πεδίο κβαντικών υπολογιστών αντιμετωπίζει σημαντικά εμπόδια στην ανάπτυξη υλικού και λογισμικού. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι σε τυχόν ακούσιες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους. Αυτό οδηγεί στο φαινόμενο της αποσυνοχής, όπου τα qubits υποβαθμίζονται γρήγορα στις καταστάσεις 0 ή 1 των κλασικών bit.

Η κατασκευή μεγάλης κλίμακας συστημάτων κβαντικών υπολογιστών ικανών να εκπληρώσουν την υπόσχεση για κβαντικές επιταχύνσεις απαιτεί να ξεπεραστεί η αποσυνοχή. Το κλειδί είναι η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων καταστολή και διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων, έναν τομέα στον οποίο επικεντρώνεται η δική μου έρευνα.

Στην πλοήγηση αυτών των προκλήσεων, πολλές εκκινήσεις κβαντικού υλικού και λογισμικού έχουν αναδυθεί δίπλα σε καθιερωμένους παίκτες στον κλάδο της τεχνολογίας όπως η Google και η IBM. Αυτό το ενδιαφέρον του κλάδου, σε συνδυασμό με σημαντικές επενδύσεις από κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο, υπογραμμίζει τη συλλογική αναγνώριση του μετασχηματιστικού δυναμικού της κβαντικής τεχνολογίας. Αυτές οι πρωτοβουλίες ενθαρρύνουν ένα πλούσιο οικοσύστημα όπου ο ακαδημαϊκός κόσμος και η βιομηχανία συνεργάζονται, επιταχύνοντας την πρόοδο στον τομέα.

Εμφανίζεται το Quantum Advantage

Ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί μια μέρα να είναι τόσο ενοχλητικός όσο η άφιξη του γενετική AI. Επί του παρόντος, η ανάπτυξη της τεχνολογίας κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται σε μια κρίσιμη συγκυρία. Από τη μία πλευρά, το πεδίο έχει ήδη δείξει πρώιμα σημάδια ότι έχει επιτύχει ένα στενά εξειδικευμένο κβαντικό πλεονέκτημα. Ερευνητές της Google και αργότερα α ομάδα ερευνητών στην Κίνα επέδειξε κβαντικό πλεονέκτημα για τη δημιουργία λίστας τυχαίων αριθμών με ορισμένες ιδιότητες. Η ερευνητική μου ομάδα έδειξε μια κβαντική επιτάχυνση για ένα παιχνίδι εικασίας τυχαίων αριθμών.

Από την άλλη πλευρά, υπάρχει απτός κίνδυνος να εισέλθουμε σε έναν «κβαντικό χειμώνα», μια περίοδο μειωμένων επενδύσεων, εάν τα πρακτικά αποτελέσματα δεν υλοποιηθούν βραχυπρόθεσμα.

Ενώ η βιομηχανία τεχνολογίας εργάζεται για να προσφέρει κβαντικό πλεονέκτημα σε προϊόντα και υπηρεσίες στο εγγύς μέλλον, η ακαδημαϊκή έρευνα παραμένει εστιασμένη στη διερεύνηση των θεμελιωδών αρχών που στηρίζουν αυτή τη νέα επιστήμη και τεχνολογία. Αυτή η συνεχής βασική έρευνα, που τροφοδοτείται από ενθουσιώδη στελέχη νέων και έξυπνων μαθητών του τύπου που συναντώ σχεδόν καθημερινά, διασφαλίζει ότι το πεδίο θα συνεχίσει να προοδεύει.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Πίστωση εικόνας: xx / xx

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας