Mi az a kvantumelőny? A pillanat Rendkívül nagy teljesítményű kvantumszámítógépek érkeznek

Mi az a kvantumelőny? A pillanat Rendkívül nagy teljesítményű kvantumszámítógépek érkeznek

Időbélyeg: 17. november 2023. 3:03

A kvantumelőny az a mérföldkő, amely felé a kvantumszámítástechnika buzgón dolgozik, amikor a kvantumszámítógép képes megoldani azokat a problémákat, amelyek a legerősebb nem kvantum vagy klasszikus számítógépek számára elérhetőek.

A kvantum az atomok és molekulák méretarányára utal, ahol a fizika törvényei, ahogy tapasztaljuk őket, megbomlanak, és eltérő, intuitív törvények érvényesülnek. A kvantumszámítógépek ezeket a furcsa viselkedéseket használják ki a problémák megoldására.

Vannak bizonyos típusú problémák a klasszikus számítógépek számára nem praktikus megoldani, Mint például a a legmodernebb titkosítási algoritmusok feltörésével. Az elmúlt évtizedek kutatásai kimutatták, hogy a kvantumszámítógépek képesek megoldani e problémák egy részét. Ha létre lehet hozni egy kvantumszámítógépet, amely valóban megoldja e problémák egyikét, akkor kvantumelőnyös lesz.

Én vagyok egy fizikus aki a kvantuminformáció-feldolgozással és a kvantumrendszerek vezérlésével foglalkozik. Úgy gondolom, hogy a tudományos és technológiai innováció e határterülete nemcsak a számítástechnika úttörő előrehaladását ígéri, hanem a kvantumtechnológia szélesebb körű felfutását is jelenti, beleértve a kvantumkriptográfia és a kvantumérzékelés terén elért jelentős előrelépéseket.

A kvantumszámítási teljesítmény forrása

A kvantumszámítás központi eleme a kvantumbit, ill qubitek. A klasszikus bitekkel ellentétben, amelyek csak 0 vagy 1 állapotúak lehetnek, a qubit bármilyen állapotban lehet, amely 0 és 1 valamilyen kombinációja. Ezt az állapotot, amely nem csak 1 vagy csak 0, kvantum szuperpozíció. Minden további qubittel megduplázódik a qubitekkel ábrázolható állapotok száma.

Ezt a tulajdonságot gyakran összetévesztik a kvantumszámítási teljesítmény forrásával. Ehelyett a szuperpozíció bonyolult kölcsönhatásáról van szó, interferencia és összefonódás.

Az interferencia magában foglalja a qubitek manipulálását úgy, hogy állapotaik konstruktívan kombinálódnak a számítások során, hogy felerősítsék a helyes megoldásokat, és destruktív módon elnyomják a rossz válaszokat. Konstruktív interferencia az, ami akkor történik, amikor két hullám csúcsa – például a hanghullámok vagy az óceán hullámai – egyesülve magasabb csúcsot hoz létre. A destruktív interferencia az, ami akkor történik, amikor egy hullámcsúcs és egy hullámvölgy egyesül és kioltja egymást. A kevés és nehezen kidolgozható kvantumalgoritmusok olyan interferenciamintázatok sorozatát állítják fel, amelyek a helyes választ adják a problémára.

Az összefonódás egyedi kvantumkorrelációt hoz létre a qubitek között: az egyik állapota nem írható le a többitől függetlenül, bármennyire is vannak egymástól a qubitek. Albert Einstein ezt „kísérteties távoli akciónak” minősítette. Az Entanglement kvantumszámítógépen keresztül irányított kollektív viselkedése olyan számítási gyorsításokat tesz lehetővé, amelyek a klasszikus számítógépek számára elérhetetlenek.

[Beágyazott tartalmat]

A kvantumszámítástechnika alkalmazásai

A kvantumszámításnak számos olyan felhasználási területe van, ahol felülmúlhatja a klasszikus számítógépeket. A kriptográfiában a kvantumszámítógépek lehetőséget és kihívást is jelentenek. A leghíresebb, hogy rendelkeznek a a jelenlegi titkosítási algoritmusok megfejtésének lehetősége, mint például a széles körben használt RSA-séma.

Ennek egyik következménye, hogy a mai titkosítási protokollokat újra kell tervezni, hogy ellenálljanak a jövőbeli kvantumtámadásoknak. Ez a felismerés vezetett a virágzó területen posztkvantum kriptográfia. A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet a közelmúltban hosszú folyamat után kiválasztott négy kvantumrezisztens algoritmust, és megkezdte azok előkészítési folyamatát, hogy a szervezetek világszerte felhasználhassák titkosítási technológiájukban.

Ezenkívül a kvantumszámítás drámaian felgyorsíthatja a kvantumszimulációt: a kvantumbirodalomban működő kísérletek kimenetelének előrejelzésének képességét. A híres fizikus, Richard Feynman elképzelte ezt a lehetőséget több mint 40 évvel ezelőtt. A kvantumszimuláció jelentős előrelépések lehetőségét kínálja a kémiában és az anyagtudományban, segítve olyan területeken, mint a molekuláris szerkezetek bonyolult modellezése a gyógyszerek felfedezéséhez, és lehetővé teszi újszerű tulajdonságokkal rendelkező anyagok felfedezését vagy létrehozását.

A kvantuminformatika másik felhasználási módja az kvantumérzékelés: fizikai tulajdonságok, például elektromágneses energia, gravitáció, nyomás és hőmérséklet észlelése és mérése nagyobb érzékenység és pontosság mint a nem kvantum műszerek. A kvantumérzékelésnek számtalan alkalmazása van olyan területeken, mint pl környezeti megfigyelés, geológiai feltárás, Orvosi képalkotásés felügyelet.

Olyan kezdeményezések, mint a fejlesztés a kvantum internet A kvantumszámítógépek összekapcsolása kulcsfontosságú lépés a kvantum és a klasszikus számítástechnika világa közötti áthidalás felé. Ezt a hálózatot kvantumkriptográfiai protokollokkal, például kvantumkulcs-elosztással lehetne biztonságossá tenni, amely rendkívül biztonságos kommunikációs csatornákat tesz lehetővé, amelyek védettek a számítási támadások ellen – beleértve a kvantumszámítógépeket használókat is.

Annak ellenére, hogy a kvantumszámítási alkalmazások egyre bővülnek, olyan új algoritmusokat kell kifejleszteni, amelyek teljes mértékben kihasználják a kvantumelőnyt – különösen a gépi tanulásban– továbbra is a folyamatban lévő kutatás kritikus területe.

egy fém készülék zöld lézerfénnyel a háttérben
Az MIT kutatói által kifejlesztett kvantumérzékelő prototípusa bármilyen frekvenciájú elektromágneses hullámot képes érzékelni. Kép jóváírása: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

A koherens tartás és a hibák leküzdése

A kvantumszámítási mező komoly akadályokba ütközik a hardver- és szoftverfejlesztés terén. A kvantumszámítógépek rendkívül érzékenyek a környezetükkel való nem szándékos interakciókra. Ez a dekoherencia jelenségéhez vezet, ahol a qubitek gyorsan lebomlanak a klasszikus bitek 0 vagy 1 állapotára.

A kvantumgyorsítások ígéretét beváltani képes nagyszabású kvantumszámítógép-rendszerek felépítéséhez szükség van a dekoherencia leküzdésére. A kulcs a hatékony módszerek kidolgozása a kvantumhibák elnyomása és kijavítása, egy olyan terület, amelyre a saját kutatásom összpontosít.

Ezekben a kihívásokban való eligazodás során számos kvantum hardver és szoftver indítások olyan jól bevált technológiai iparági szereplők mellett jelentek meg, mint a Google és az IBM. Ez az iparági érdeklődés, a kormányok jelentős beruházásaival együtt világszerte, aláhúzza a kvantumtechnológia átalakító potenciáljának kollektív elismerését. Ezek a kezdeményezések egy gazdag ökoszisztémát hoznak létre, ahol a tudományos körök és az ipar együttműködnek, felgyorsítva a fejlődést ezen a területen.

Megjelenik a Quantum Advantage

A kvantumszámítás egy nap olyan bomlasztó hatású lehet, mint annak érkezése generatív AI. Jelenleg a kvantumszámítástechnika fejlesztése döntő fordulóponthoz érkezett. Egyrészt a mezőny már korai jeleit mutatta annak, hogy szűken specializált kvantumelőnyt ért el. A Google kutatói és később a kutatócsoport Kínában kvantumelőnyt mutatott be véletlen számok listájának létrehozásához bizonyos tulajdonságokkal. Kutatócsoportom kvantumgyorsulást mutatott be véletlenszám-kitalálós játékhoz.

Másrészt kézzelfogható a kockázata annak, hogy belép a „kvantumtél”, vagyis a beruházások csökkenésének időszaka, ha a gyakorlati eredmények nem valósulnak meg rövid távon.

Míg a technológiai ipar azon dolgozik, hogy rövid távon kvantumelőnyöket biztosítson a termékek és szolgáltatások terén, az akadémiai kutatás továbbra is az új tudomány és technológia alapelveinek vizsgálatára összpontosít. Ez a folyamatban lévő alapkutatás, amelyet olyan lelkes, új és tehetséges diákokból álló káderek táplálnak, akikkel szinte minden nap találkozom, biztosítja, hogy a terület tovább fejlődjön.

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

A kép jóváírása: xx / xx

Időbélyeg:

Még több Singularity Hub