Mikä on Quantum Advantage? Hetki Erittäin tehokkaat kvanttitietokoneet saapuvat

Mikä on Quantum Advantage? Hetki Erittäin tehokkaat kvanttitietokoneet saapuvat

Aikaleima: 17. marraskuuta 2023 3

Kvanttietu on virstanpylväs, jota kohti kvanttilaskenta-ala pyrkii kiihkeästi, kun kvanttitietokone voi ratkaista ongelmia, jotka ovat tehokkaimpien ei-kvanttitietokoneiden tai klassisten tietokoneiden ulottumattomissa.

Kvantti viittaa atomien ja molekyylien mittakaavaan, jossa fysiikan lait, kun koemme ne, hajoavat ja jossa sovelletaan erilaisia, ristiriitaisia ​​lakeja. Kvanttitietokoneet hyödyntävät näitä outoja käyttäytymismalleja ongelmien ratkaisemiseksi.

On olemassa tietyntyyppisiä ongelmia klassisille tietokoneille epäkäytännöllistä ratkaista, Kuten uusimpien salausalgoritmien murtamiseen. Viime vuosikymmenien tutkimus on osoittanut, että kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista joitakin näistä ongelmista. Jos kvanttitietokone voidaan rakentaa, joka todella ratkaisee yhden näistä ongelmista, se on osoittanut kvanttiedun.

Olen fyysikko joka tutkii kvanttitietojen käsittelyä ja kvanttijärjestelmien ohjausta. Uskon, että tämä tieteellisen ja teknologisen innovaation raja ei ainoastaan ​​lupaa uraauurtavaa kehitystä laskennassa, vaan edustaa myös laajempaa kvanttiteknologian nousua, mukaan lukien merkittävät edistysaskeleet kvanttisalaus- ja kvanttitunnistuksessa.

Kvanttilaskennan tehon lähde

Kvanttilaskennan keskeinen osa on kvanttibitti tai kubitti. Toisin kuin klassiset bitit, jotka voivat olla vain tilassa 0 tai 1, kubitti voi olla missä tahansa tilassa, joka on jokin 0:n ja 1:n yhdistelmä. Tätä tilaa, jossa ei ole vain 1 tai vain 0, kutsutaan kvanttinen superpositio. Jokaisella ylimääräisellä kubitilla niiden tilojen määrä, joita kubitit voidaan esittää, kaksinkertaistuu.

Tätä ominaisuutta pidetään usein virheellisesti kvanttilaskennan tehon lähteenä. Sen sijaan se johtuu superpositioiden monimutkaisesta vuorovaikutuksesta, häiriö ja kietoutuminen.

Häiriö tarkoittaa kubittien manipulointia siten, että niiden tilat yhdistyvät rakentavasti laskelmien aikana vahvistaakseen oikeita ratkaisuja ja tuhoamalla väärien vastausten tukahduttamiseksi. Rakentava interferenssi tapahtuu, kun kahden aallon huiput – kuten ääni- tai valtameren aallot – yhdistyvät muodostaen korkeamman huipun. Destruktiivista häiriötä tapahtuu, kun aallon huippu ja aallonpohja yhdistyvät ja kumoavat toisensa. Kvanttialgoritmit, joita on vähän ja vaikeita keksiä, muodostavat sekvenssin häiriökuvioita, jotka antavat oikean vastauksen ongelmaan.

Kietoutuminen luo ainutlaatuisen kvanttikorrelaation kubittien välille: Yhden tilaa ei voida kuvata muista riippumatta, olivatpa kubitit kuinka kaukana toisistaan. Tämä on se, mitä Albert Einstein tunnetusti hylkäsi "pelottavana toiminnan etäältä". Entanglementin kollektiivinen käyttäytyminen, joka ohjataan kvanttitietokoneen kautta, mahdollistaa laskennalliset nopeudet, jotka ovat klassisten tietokoneiden ulottumattomissa.

[Upotetun sisällön]

Kvanttilaskennan sovellukset

Kvanttilaskennalla on useita käyttömahdollisuuksia, joissa se voi ylittää klassiset tietokoneet. Krypografiassa kvanttitietokoneet tarjoavat sekä mahdollisuuden että haasteen. Tunnetuimmin heillä on mahdollisuudet purkaa nykyiset salausalgoritmit, kuten laajalti käytetty RSA-järjestelmä.

Yksi seuraus tästä on, että nykyiset salausprotokollat ​​on suunniteltava uudelleen kestämään tulevia kvanttihyökkäyksiä. Tämä tunnustus on johtanut kasvavaan alaan postkvanttinen salaus. Pitkän prosessin jälkeen National Institute of Standards and Technology valitsi äskettäin neljä kvanttikestävää algoritmia ja on aloittanut niiden valmistelemisen, jotta organisaatiot ympäri maailmaa voivat käyttää niitä salausteknologiassaan.

Lisäksi kvanttilaskenta voi dramaattisesti nopeuttaa kvanttisimulaatiota: kykyä ennustaa kvanttimaailmassa toimivien kokeiden tuloksia. Kuuluisa fyysikko Richard Feynman kuvitteli tämän mahdollisuuden yli 40 vuotta sitten. Kvanttisimulaatio tarjoaa potentiaalia merkittäviin edistysaskeliin kemiassa ja materiaalitieteessä, mikä auttaa muun muassa molekyylirakenteiden monimutkaisessa mallintamisessa lääkekehitystä varten ja mahdollistaa uusien ominaisuuksien omaavien materiaalien löytämisen tai luomisen.

Toinen kvanttitietotekniikan käyttökohde on kvanttitunnistus: havaitsee ja mittaa fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sähkömagneettista energiaa, painovoimaa, painetta ja lämpötilaa suurempi herkkyys ja tarkkuus kuin ei-kvanttiinstrumentit. Kvanttisensorilla on lukemattomia sovelluksia mm ympäristön seuranta, geologinen tutkimus, lääketieteellinen kuvantaminenja valvonta.

Aloitteet, kuten kehittäminen a kvantti-internet Kvanttitietokoneiden yhdistäminen on ratkaiseva askel kohti kvantti- ja klassisen laskentamaailman yhdistämistä. Tämä verkko voitaisiin suojata käyttämällä kvanttisalausprotokollia, kuten kvanttiavainjakelua, mikä mahdollistaa erittäin turvalliset viestintäkanavat, jotka on suojattu laskennallisilta hyökkäyksiltä - mukaan lukien kvanttitietokoneita käyttävät.

Huolimatta kasvavasta kvanttilaskennan sovellusvalikoimasta, kehitetään uusia algoritmeja, jotka hyödyntävät täysimääräisesti kvanttietua – erityisesti koneoppimisessa– on edelleen tärkeä osa jatkuvaa tutkimusta.

metallilaite, jonka taustalla on vihreä laservalo
MIT:n tutkijoiden kehittämä kvanttisensorin prototyyppi voi havaita minkä tahansa sähkömagneettisen aallon taajuuden. Kuvan luotto: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Pysy johdonmukaisena ja selvitä virheet

- kvanttilaskenta-ala edessään merkittäviä esteitä laitteisto- ja ohjelmistokehityksessä. Kvanttitietokoneet ovat erittäin herkkiä kaikille tahattomille vuorovaikutuksille ympäristönsä kanssa. Tämä johtaa dekoherenssi-ilmiöön, jossa kubitit hajoavat nopeasti klassisten bittien 0- tai 1-tiloihin.

Laajamittainen kvanttilaskentajärjestelmien rakentaminen, jotka pystyvät toteuttamaan lupauksensa kvanttinopeuden nopeuksista, vaatii dekoherenssin voittamista. Tärkeintä on kehittää tehokkaita menetelmiä kvanttivirheiden tukahduttaminen ja korjaaminen, alue, johon oma tutkimukseni keskittyy.

Näiden haasteiden navigoinnissa lukuisia kvanttilaitteiston ja -ohjelmiston käynnistykset ovat nousseet teknologiateollisuuden vakiintuneiden toimijoiden, kuten Googlen ja IBM:n, rinnalle. Tämä alan kiinnostus yhdistettynä merkittäviin hallitusten investointeihin maailmanlaajuisesti korostaa kvanttiteknologian muutospotentiaalin kollektiivista tunnustamista. Nämä aloitteet edistävät rikasta ekosysteemiä, jossa korkeakoulut ja teollisuus tekevät yhteistyötä, mikä nopeuttaa alan kehitystä.

Quantum Advantage tulossa näkyviin

Kvanttilaskenta voi jonain päivänä olla yhtä häiritsevä kuin sen saapuminen generatiivinen tekoäly. Tällä hetkellä kvanttilaskentatekniikan kehitys on ratkaisevassa vaiheessa. Toisaalta ala on jo osoittanut varhaisia ​​merkkejä suppeasti erikoistuneen kvanttiedun saavuttamisesta. Googlen tutkijat ja myöhemmin a tutkijaryhmä Kiinassa osoittanut kvanttiedun satunnaislukuluettelon luomiseen tietyillä ominaisuuksilla. Tutkimusryhmäni osoitti kvanttinopeuden satunnaislukujen arvauspeliin.

Toisaalta on olemassa konkreettinen riski siirtyä "kvanttitalveen", investointien vähentymiseen, jos käytännön tuloksia ei saavuteta lähitulevaisuudessa.

Samalla kun teknologiateollisuus pyrkii tarjoamaan kvantitatiivisia etuja tuotteissa ja palveluissa lähitulevaisuudessa, akateeminen tutkimus keskittyy edelleen tämän uuden tieteen ja teknologian perustana olevien perusperiaatteiden tutkimiseen. Tämä meneillään oleva perustutkimus, jota ruokkivat lähes päivittäin kohtaamani innokkaat uusien ja taitavien opiskelijoiden kaaderit, varmistaa alan kehittymisen.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuvan luotto: xx / xx

Aikaleima:

Lisää aiheesta Singulaarisuus Hub