מהו יתרון קוונטי? הרגע יגיעו מחשבים קוונטיים חזקים במיוחד

מהו יתרון קוונטי? הרגע יגיעו מחשבים קוונטיים חזקים במיוחד

חותמת זמן: 17 בנובמבר, 2023 3:03

היתרון הקוונטי הוא אבן הדרך שתחום המחשוב הקוונטי פועל לקראתו, כאשר מחשב קוונטי יכול לפתור בעיות שנמצאות מעבר להישג ידם של המחשבים הלא-קוונטיים, או הקלאסיים, החזקים ביותר.

קוואנטום מתייחס לקנה המידה של אטומים ומולקולות שבו חוקי הפיזיקה כפי שאנו חווים אותם מתפרקים וחלים מערכת חוקים שונה, מנוגדת לאינטואיציה. מחשבים קוונטיים מנצלים את ההתנהגויות המוזרות הללו כדי לפתור בעיות.

יש כמה סוגים של בעיות שכן לא מעשי למחשבים קלאסיים לפתור, כמו פיצוח אלגוריתמי הצפנה חדישים. מחקרים בעשורים האחרונים הראו שלמחשבים קוונטיים יש פוטנציאל לפתור חלק מהבעיות הללו. אם ניתן לבנות מחשב קוונטי שבאמת פותר אחת מהבעיות הללו, הוא יוכיח יתרון קוונטי.

אני פיזיקאי שחוקר עיבוד מידע קוונטי ובקרה של מערכות קוונטיות. אני מאמין שגבול זה של חדשנות מדעית וטכנולוגית לא רק מבטיח התקדמות פורצת דרך בתחום החישוב, אלא גם מייצג גל רחב יותר בטכנולוגיה הקוונטית, כולל התקדמות משמעותית בהצפנה קוונטית וחישה קוונטית.

מקור הכוח של המחשוב הקוונטי

מרכזי במחשוב קוונטי הוא הסיבית הקוונטית, או קיוביט. בניגוד לביטים קלאסיים, שיכולים להיות רק במצבים של 0 או 1, קיוביט יכול להיות בכל מצב שהוא שילוב כלשהו של 0 ו-1. מצב זה של רק 1 או רק 0 אינו ידוע בתור סופרפוזיציה קוונטית. עם כל קיוביט נוסף, מספר המצבים שניתן לייצג על ידי הקיוביטים מכפיל את עצמו.

תכונה זו טועה לעתים קרובות כמקור כוחו של מחשוב קוונטי. במקום זאת, זה מסתכם במשחק גומלין מורכב של סופרפוזיציה, הַפרָעָה , ו הסתבכות.

הפרעה כוללת מניפולציה של קיוביטים כך שהמצבים שלהם משתלבים באופן בונה במהלך חישובים כדי להגביר פתרונות נכונים ובאופן הרסני כדי לדכא את התשובות השגויות. התערבות בונה היא מה שקורה כאשר הפסגות של שני גלים - כמו גלי קול או גלי אוקיינוס ​​- מתחברים ליצירת פסגה גבוהה יותר. התערבות הרסנית היא מה שקורה כאשר שיא גל ושפל גלים מתחברים ומבטלים זה את זה. אלגוריתמים קוונטיים, שהם מעטים וקשים ליצירתם, יוצרים רצף של דפוסי הפרעות שמניבים את התשובה הנכונה לבעיה.

ההסתבכות מבססת מתאם קוונטי ייחודי בין קיוביטים: לא ניתן לתאר את מצבו של אחד ללא תלות באחרים, לא משנה כמה רחוקים הקיוביטים זה מזה. זה מה שפירסם אלברט איינשטיין כ"פעולה מפחידה מרחוק". ההתנהגות הקולקטיבית של Entanglement, המתוזמרת באמצעות מחשב קוונטי, מאפשרת האצת מהירות חישובית שאינה מהישג ידם של מחשבים קלאסיים.

[תוכן מוטבע]

יישומים של מחשוב קוונטי

למחשוב קוונטי יש מגוון שימושים פוטנציאליים שבהם הוא יכול להתעלות על מחשבים קלאסיים. בקריפטוגרפיה, מחשבים קוונטיים מהווים גם הזדמנות וגם אתגר. הכי מפורסם, יש להם את פוטנציאל לפענח אלגוריתמי הצפנה נוכחיים, כגון בשימוש נרחב ערכת RSA.

אחת ההשלכות של זה היא שצריך לעצב מחדש את פרוטוקולי ההצפנה של היום כדי להיות עמידים בפני התקפות קוונטיות עתידיות. הכרה זו הובילה לתחום המתפתח של קריפטוגרפיה שלאחר הקוונטים. לאחר תהליך ארוך, המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בחר לאחרונה ארבעה אלגוריתמים עמידים לקוונטים והחל בתהליך הכנתם כך שארגונים ברחבי העולם יוכלו להשתמש בהם בטכנולוגיית ההצפנה שלהם.

בנוסף, מחשוב קוונטי יכול להאיץ באופן דרמטי סימולציה קוונטית: היכולת לחזות את התוצאות של ניסויים הפועלים בתחום הקוונטי. הפיזיקאי המפורסם ריצ'רד פיינמן דמיין את האפשרות הזו לפני יותר מ-40 שנה. סימולציה קוונטית מציעה פוטנציאל להתקדמות ניכרת בכימיה ובמדעי החומרים, מסייעת בתחומים כמו מודלים מורכבים של מבנים מולקולריים לגילוי תרופות ומאפשרת גילוי או יצירה של חומרים בעלי תכונות חדשות.

שימוש נוסף בטכנולוגיית מידע קוונטית הוא חישה קוונטית: זיהוי ומדידה של תכונות פיזיקליות כמו אנרגיה אלקטרומגנטית, כוח משיכה, לחץ וטמפרטורה עם יותר רגישות ודיוק מאשר מכשירים לא קוונטיים. לחישה קוונטית יש אינספור יישומים בתחומים כגון ניטור סביבתי, חקר גיאולוגי, הדמיה רפואית, ו מעקב.

יוזמות כגון פיתוח א אינטרנט קוונטי שמחבר בין מחשבים קוונטיים הם צעדים חיוניים לקראת גישור בין עולם המחשוב הקוונטי והקלאסי. ניתן לאבטח את הרשת הזו באמצעות פרוטוקולים הצפנה קוונטיים כגון הפצת מפתחות קוונטיים, המאפשרת ערוצי תקשורת מאובטחים במיוחד המוגנים מפני התקפות חישוביות - כולל אלו המשתמשים במחשבי קוונטים.

למרות חבילת יישומים הולכת וגדלה עבור מחשוב קוונטי, פיתוח אלגוריתמים חדשים שעושים שימוש מלא ביתרון הקוונטי - בפרט בלמידת מכונה-נשאר תחום קריטי במחקר מתמשך.

מכשיר מתכת עם אור לייזר ירוק ברקע
אב טיפוס של חיישן קוונטי שפותח על ידי חוקרי MIT יכול לזהות כל תדר של גלים אלקטרומגנטיים. קרדיט תמונה: גווצ'ינג וואנג, CC BY-NC-ND

להישאר קוהרנטי ולהתגבר על שגיאות

השמיים תחום מחשוב קוונטי מתמודד עם מכשולים משמעותיים בפיתוח חומרה ותוכנה. מחשבים קוונטיים רגישים מאוד לכל אינטראקציה לא מכוונת עם הסביבה שלהם. זה מוביל לתופעה של דה-קוהרנטיות, שבה קיוביטים מתדרדרים במהירות למצב 0 או 1 של ביטים קלאסיים.

בניית מערכות מחשוב קוונטי בקנה מידה גדול המסוגלות לקיים את ההבטחה להאצות קוונטיות דורשת התגברות על דה-קוהרנטיות. המפתח הוא פיתוח שיטות יעילות של דיכוי ותיקון שגיאות קוונטיות, תחום שהמחקר שלי מתמקד בו.

בניווט אתגרים אלה, רבים סטארט-אפים של חומרה ותוכנה קוונטית הופיעו לצד שחקני תעשיית טכנולוגיה מבוססים כמו גוגל ויבמ. עניין זה בתעשייה, בשילוב עם השקעות משמעותיות של ממשלות ברחבי העולם, מדגישים הכרה קולקטיבית בפוטנציאל הטרנספורמטיבי של הטכנולוגיה הקוונטית. יוזמות אלו מטפחות מערכת אקולוגית עשירה שבה האקדמיה והתעשייה משתפות פעולה, ומאיצות את ההתקדמות בתחום.

יתרון קוונטי בא לידי ביטוי

מחשוב קוונטי עשוי יום אחד להיות מפריע כמו הגעתו של AI ייצור. נכון לעכשיו, הפיתוח של טכנולוגיית המחשוב הקוונטי נמצא בצומת מכריע. מצד אחד, התחום כבר הראה סימנים מוקדמים של השגת יתרון קוונטי מצומצם. חוקרים בגוגל ובהמשך א צוות חוקרים בסין הוכיח יתרון קוונטי להפקת רשימה של מספרים אקראיים עם מאפיינים מסוימים. צוות המחקר שלי הדגים זירוז קוונטי למשחק ניחוש מספר אקראי.

מצד שני, קיים סיכון מוחשי להיכנס ל"חורף קוונטי", תקופה של השקעה מופחתת אם התוצאות המעשיות לא יתממשו בטווח הקרוב.

בעוד שתעשיית הטכנולוגיה פועלת כדי לספק יתרון קוונטי במוצרים ובשירותים בטווח הקרוב, המחקר האקדמי נותר מתמקד בחקירת העקרונות הבסיסיים העומדים בבסיס המדע והטכנולוגיה החדשים הללו. המחקר הבסיסי המתמשך הזה, הניזון על ידי צוותים נלהבים של תלמידים חדשים ומבריקים מהסוג שאני פוגש כמעט מדי יום, מבטיח שהתחום ימשיך להתקדם.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

קרדיט תמונה: xx / xx

בול זמן:

עוד מ רכזת הסינגולריות