Mis on Quantum Advantage? Saabuvad erakordselt võimsad kvantarvutid

Mis on Quantum Advantage? Saabuvad erakordselt võimsad kvantarvutid

Ajatempel: 17. november 2023 kell 3:03

Kvantieelis on verstapost, mille poole kvantarvuti valdkond innukalt tegutseb, kui kvantarvuti suudab lahendada probleeme, mis kõige võimsamatele mittekvantarvutitele ehk klassikalistele arvutitele ei jõua.

Kvant viitab aatomite ja molekulide skaalale, kus füüsikaseadused, kui me neid kogeme, lagunevad ja kehtivad teistsugused, vastupidised seadused. Kvantarvutid kasutavad neid kummalisi käitumisviise probleemide lahendamiseks ära.

On teatud tüüpi probleeme klassikaliste arvutite jaoks ebapraktiline lahendadaNagu nüüdisaegsete krüpteerimisalgoritmide purustamine. Viimaste aastakümnete uuringud on näidanud, et kvantarvutitel on potentsiaali mõningaid neist probleemidest lahendada. Kui saab ehitada kvantarvuti, mis tegelikult ühe neist probleemidest lahendab, on see näidanud kvanteelist.

Olen füüsik kes uurib kvantinfotöötlust ja kvantsüsteemide juhtimist. Usun, et see teadusliku ja tehnoloogilise innovatsiooni piir ei luba mitte ainult pöördelisi edusamme arvutustes, vaid esindab ka kvanttehnoloogia laiemat tõusu, sealhulgas olulisi edusamme kvantkrüptograafias ja kvantseires.

Kvantarvutite võimsuse allikas

Kvantarvutuses on kesksel kohal kvantbitt ehk kubitid. Erinevalt klassikalistest bittidest, mis võivad olla ainult olekutes 0 või 1, võib kubit olla mis tahes olekus, mis on 0 ja 1 kombinatsioon. Seda olekut, mis ei ole ainult 1 ega ainult 0, nimetatakse kvantsuperpositsioon. Iga täiendava kubitiga kahekordistub kubitidega esindatavate olekute arv.

Seda omadust peetakse sageli ekslikult kvantarvutuse võimsuse allikaks. Selle asemel taandub see superpositsiooni keerukale koosmõjule, sekkumine ja takerdumine.

Häire hõlmab kubitidega manipuleerimist, nii et nende olekud kombineeritakse arvutuste ajal konstruktiivselt õigete lahenduste võimendamiseks ja hävitavalt valede vastuste mahasurumiseks. Konstruktiivsed häired on see, mis juhtub siis, kui kahe laine tipud (nagu helilained või ookeanilained) ühinevad, et luua kõrgem tipp. Destruktiivsed häired on see, mis juhtub siis, kui laine tipp ja madalik ühendavad ja tühistavad teineteist. Kvantalgoritmid, mida on vähe ja mida on raske välja mõelda, loovad häiremustrite jada, mis annab probleemile õige vastuse.

Põimumine loob unikaalse kvantkorrelatsiooni kubitide vahel: ühe olekut ei saa kirjeldada teistest sõltumatult, olenemata sellest, kui kaugel need kubitid on. See on see, mida Albert Einstein tunnistas kuulsaks kui "õudset tegevust eemalt". Entanglementi kollektiivne käitumine, mis on korraldatud läbi kvantarvuti, võimaldab arvutuskiirusi, mis ei ole klassikalistele arvutitele jõukohane.

[Varjatud sisu]

Kvantarvutite rakendused

Kvantarvutitel on mitmeid potentsiaalseid kasutusviise, kus see võib ületada klassikalisi arvuteid. Krüptograafias pakuvad kvantarvutid nii võimalust kui ka väljakutset. Kõige kuulsam on see, et neil on potentsiaali dešifreerida praeguseid krüpteerimisalgoritme, nagu laialdaselt kasutatav RSA skeem.

Selle üheks tagajärjeks on see, et tänapäevased krüpteerimisprotokollid tuleb ümber kujundada, et need oleksid tulevaste kvantrünnakute suhtes vastupidavad. See äratundmine on toonud kaasa kasvava valdkonna postkvantkrüptograafia. Pärast pikka protsessi valis riiklik standardite ja tehnoloogia instituut hiljuti välja neli kvantkindlat algoritmi ja alustas nende ettevalmistamise protsessi, et organisatsioonid üle maailma saaksid neid oma krüpteerimistehnoloogias kasutada.

Lisaks võib kvantarvutus märkimisväärselt kiirendada kvantsimulatsiooni: võime ennustada kvantvaldkonnas toimuvate katsete tulemusi. Kuulus füüsik Richard Feynman nägi seda võimalust ette rohkem kui 40 aastat tagasi. Kvantsimulatsioon pakub potentsiaali märkimisväärseteks edusammudeks keemias ja materjaliteaduses, aidates kaasa sellistes valdkondades nagu molekulaarstruktuuride keerukas modelleerimine ravimite avastamiseks ja võimaldades avastada või luua uudsete omadustega materjale.

Teine kvantinfotehnoloogia kasutusala on kvanttuvastus: selliste füüsikaliste omaduste nagu elektromagnetilise energia, gravitatsiooni, rõhu ja temperatuuri tuvastamine ja mõõtmine suurem tundlikkus ja täpsus kui mittekvantinstrumentidega. Kvantanduril on lugematu arv rakendusi sellistes valdkondades nagu keskkonnaseire, geoloogiline uurimine, Meditsiiniline pildistamineja järelevalve.

Sellised algatused nagu a kvantinternett See, mis ühendab kvantarvuteid, on otsustava tähtsusega sammud kvant- ja klassikalise andmetöötlusmaailma ühendamisel. Seda võrku saab kaitsta kvantkrüptograafiliste protokollidega, nagu kvantvõtmejaotus, mis võimaldab üliturvalisi sidekanaleid, mis on kaitstud arvutuslike rünnakute eest, sealhulgas kvantarvuteid kasutavate rünnakute eest.

Vaatamata kasvavale kvantarvutite rakenduste komplektile, arendatakse uusi algoritme, mis kasutavad täielikult ära kvanteelise – eelkõige masinõppes— jääb käimasolevate uuringute kriitiliseks valdkonnaks.

metallist aparaat, mille taustal roheline laservalgus
MIT teadlaste välja töötatud kvantanduri prototüüp suudab tuvastada mis tahes elektromagnetlainete sagedust. Pildi krediit: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Sidus püsimine ja vigade ületamine

. kvantarvutuse väli seisab silmitsi tõsiste takistustega riist- ja tarkvaraarenduses. Kvantarvutid on väga tundlikud mis tahes tahtmatu interaktsiooni suhtes nende keskkondadega. See viib dekoherentsi nähtuseni, kus kubitid lagunevad kiiresti klassikaliste bittide 0 või 1 olekuni.

Suuremahuliste kvantarvutussüsteemide loomine, mis suudavad ellu viia kvantkiirenduse lubaduse, nõuab dekoherentsist ületamist. Peaasi on tõhusate meetodite väljatöötamine kvantvigade mahasurumine ja parandamine, valdkond, millele mu enda uurimistöö keskendub.

Nendes väljakutsetes navigeerimisel on palju kvant riist- ja tarkvara käivitamine on tekkinud kõrvuti väljakujunenud tehnoloogiatööstuse mängijatega nagu Google ja IBM. See tööstusharu huvi koos valitsuste märkimisväärsete investeeringutega kogu maailmas rõhutab kvanttehnoloogia transformatiivse potentsiaali kollektiivset tunnustamist. Need algatused edendavad rikkalikku ökosüsteemi, kus akadeemilised ringkonnad ja tööstus teevad koostööd, kiirendades valdkonna edusamme.

Vaade tuleb Quantum Advantage

Kvantarvutus võib ühel päeval olla sama häiriv kui selle saabumine generatiivne AI. Praegu on kvantarvutustehnoloogia areng otsustavas etapis. Ühest küljest on valdkond juba näidanud varaseid märke kitsalt spetsialiseerunud kvanteelise saavutamisest. Google'i teadlased ja hiljem a teadlaste meeskond Hiinas näitas kvanteelist juhuslike arvude loendi genereerimiseks teatud omadustega. Minu uurimisrühm näitas kvantkiirendust juhuslike arvude äraarvamise mängu jaoks.

Teisest küljest on käegakatsutav oht siseneda "kvanttalvesse", investeeringute vähenemise perioodi, kui praktilisi tulemusi lähiajal ei saavutata.

Samal ajal kui tehnoloogiatööstus töötab selle nimel, et pakkuda lähiajal toodetes ja teenustes kvanteelist, keskenduvad akadeemilised uuringud selle uue teaduse ja tehnoloogia aluseks olevate aluspõhimõtete uurimisele. See käimasolev alusuuring, mida toidavad entusiastlikud kaadrid uutest ja säravatest õpilastest, keda kohtan peaaegu iga päev, tagab valdkonna jätkuva arengu.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Pildi krediit: xx / xx

Ajatempel:

Veel alates Singulaarsuse keskus