Co to jest przewaga kwantowa? Moment, w którym nadejdą niezwykle potężne komputery kwantowe

Co to jest przewaga kwantowa? Moment, w którym nadejdą niezwykle potężne komputery kwantowe

Znacznik czasu: 17 listopada 2023 3:03

Przewaga kwantowa to kamień milowy, nad którym gorąco pracują komputery kwantowe, gdy komputer kwantowy może rozwiązywać problemy, które są poza zasięgiem najpotężniejszych komputerów niekwantowych, czyli klasycznych.

Kwant odnosi się do skali atomów i cząsteczek, w której prawa fizyki, których doświadczamy, załamują się i obowiązuje inny, sprzeczny z intuicją zestaw praw. Komputery kwantowe wykorzystują te dziwne zachowania do rozwiązywania problemów.

Istnieje kilka rodzajów problemów niepraktyczne do rozwiązania dla klasycznych komputerów, Takie jak łamanie najnowocześniejszych algorytmów szyfrowania. Badania przeprowadzone w ostatnich dziesięcioleciach wykazały, że komputery kwantowe mają potencjał rozwiązania niektórych z tych problemów. Jeśli uda się zbudować komputer kwantowy, który faktycznie rozwiąże jeden z tych problemów, będzie to oznaczało przewagę kwantową.

I am fizyk który zajmuje się kwantowym przetwarzaniem informacji i sterowaniem układami kwantowymi. Wierzę, że ta granica innowacji naukowych i technologicznych nie tylko obiecuje przełomowy postęp w obliczeniach, ale także reprezentuje szerszy rozwój technologii kwantowej, w tym znaczny postęp w kryptografii kwantowej i wykrywaniu kwantowym.

Źródło mocy obliczeń kwantowych

Kluczowym elementem obliczeń kwantowych jest bit kwantowy, czyli qubit. W przeciwieństwie do bitów klasycznych, które mogą znajdować się tylko w stanach 0 lub 1, kubit może znajdować się w dowolnym stanie będącym kombinacją 0 i 1. Ten stan, w którym nie występuje ani tylko 1, ani tylko 0, jest znany jako superpozycja kwantowa. Z każdym dodatkowym kubitem liczba stanów, które mogą być reprezentowane przez kubity, podwaja się.

Właściwość ta jest często mylona ze źródłem mocy obliczeń kwantowych. Zamiast tego sprowadza się to do skomplikowanego wzajemnego oddziaływania superpozycji, ingerencja , uwikłanie.

Zakłócenia polegają na manipulowaniu kubitami w taki sposób, aby ich stany łączyły się konstruktywnie podczas obliczeń w celu wzmocnienia poprawnych rozwiązań i destrukcyjnie, aby stłumić błędne odpowiedzi. Konstruktywna interferencja ma miejsce, gdy szczyty dwóch fal – takich jak fale dźwiękowe lub fale oceaniczne – łączą się, tworząc wyższy szczyt. Destrukcyjna interferencja ma miejsce, gdy szczyt fali i dolina fali łączą się i wzajemnie znoszą. Algorytmy kwantowe, których jest niewiele i są trudne do opracowania, ustanawiają sekwencję wzorców interferencji, które dają prawidłową odpowiedź na problem.

Splątanie ustanawia unikalną korelację kwantową między kubitami: stanu jednego nie można opisać niezależnie od pozostałych, niezależnie od tego, jak daleko od siebie znajdują się kubity. To właśnie Albert Einstein odrzucił jako „upiorne działanie na odległość”. Zbiorowe zachowanie splątania, zaaranżowane przez komputer kwantowy, umożliwia przyspieszenie obliczeń, które jest poza zasięgiem klasycznych komputerów.

[Osadzone treści]

Zastosowania obliczeń kwantowych

Obliczenia kwantowe mają szereg potencjalnych zastosowań, w których mogą przewyższać klasyczne komputery. W kryptografii komputery kwantowe stanowią zarówno szansę, jak i wyzwanie. Najbardziej znane z nich to potencjał do rozszyfrowania obecnych algorytmów szyfrowania, takie jak powszechnie stosowane Schemat RSA.

Jedną z konsekwencji tego jest konieczność przeprojektowania współczesnych protokołów szyfrowania, aby były odporne na przyszłe ataki kwantowe. To uznanie doprowadziło do rozwoju dziedziny kryptografia post kwantowa. Po długim procesie Narodowy Instytut Standardów i Technologii wybrał niedawno cztery algorytmy odporne na działanie kwantów i rozpoczął proces ich przygotowywania, aby organizacje na całym świecie mogły je wykorzystywać w swojej technologii szyfrowania.

Ponadto obliczenia kwantowe mogą radykalnie przyspieszyć symulację kwantową: zdolność przewidywania wyników eksperymentów prowadzonych w sferze kwantowej. Słynny fizyk Richard Feynman przewidział taką możliwość ponad 40 lat temu. Symulacja kwantowa oferuje potencjał znacznego postępu w chemii i materiałoznawstwie, pomagając w takich obszarach, jak skomplikowane modelowanie struktur molekularnych na potrzeby odkrywania leków oraz umożliwiając odkrywanie lub tworzenie materiałów o nowych właściwościach.

Innym zastosowaniem technologii informacji kwantowej jest wykrywanie kwantowe: wykrywanie i pomiar właściwości fizycznych, takich jak energia elektromagnetyczna, grawitacja, ciśnienie i temperatura większa czułość i precyzja niż instrumenty niekwantowe. Wykrywanie kwantowe ma niezliczone zastosowania w takich dziedzinach jak monitoring środowiska, eksploracja geologiczna, obrazowanie medyczne, inwigilacja.

Inicjatywy takie jak rozwój a Internet kwantowy łączące komputery kwantowe to kluczowe kroki w kierunku połączenia świata obliczeń kwantowych i klasycznych. Sieć tę można zabezpieczyć za pomocą kwantowych protokołów kryptograficznych, takich jak kwantowa dystrybucja kluczy, która umożliwia ultrabezpieczne kanały komunikacji chronione przed atakami obliczeniowymi, w tym tymi wykorzystującymi komputery kwantowe.

Pomimo rosnącego pakietu aplikacji do obliczeń kwantowych, opracowanie nowych algorytmów w pełni wykorzystujących przewagę kwantową – w szczególności w uczeniu maszynowym— pozostaje krytycznym obszarem bieżących badań.

metalowy aparat z zielonym światłem lasera w tle
Prototypowy czujnik kwantowy opracowany przez badaczy z MIT jest w stanie wykryć dowolną częstotliwość fal elektromagnetycznych. Źródło obrazu: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Zachowanie spójności i pokonywanie błędów

Połączenia pole obliczeń kwantowych napotyka poważne przeszkody w rozwoju sprzętu i oprogramowania. Komputery kwantowe są bardzo wrażliwe na wszelkie niezamierzone interakcje z otoczeniem. Prowadzi to do zjawiska dekoherencji, w którym kubity szybko degradują się do stanów 0 lub 1 bitów klasycznych.

Budowanie wielkoskalowych systemów obliczeń kwantowych zdolnych spełnić obietnicę przyspieszenia kwantowego wymaga przezwyciężenia dekoherencji. Kluczem jest opracowanie skutecznych metod tłumienie i korygowanie błędów kwantowych, obszar, na którym skupiają się moje badania.

W pokonywaniu tych wyzwań jest wiele start-upy w zakresie sprzętu i oprogramowania kwantowego pojawiły się wraz z uznanymi graczami z branży technologicznej, takimi jak Google i IBM. To zainteresowanie branży, w połączeniu ze znaczącymi inwestycjami rządów na całym świecie, podkreśla zbiorowe uznanie potencjału transformacyjnego technologii kwantowej. Inicjatywy te tworzą bogaty ekosystem, w którym środowisko akademickie i przemysł współpracują, przyspieszając postęp w tej dziedzinie.

Pojawia się przewaga kwantowa

Obliczenia kwantowe mogą pewnego dnia być równie przełomowe, jak ich pojawienie się generatywna sztuczna inteligencja. Obecnie rozwój technologii obliczeń kwantowych znajduje się w kluczowym momencie. Z jednej strony w tej dziedzinie pojawiły się już wczesne oznaki osiągnięcia wąsko wyspecjalizowanej przewagi kwantowej. Naukowcy z Google a później a zespół badaczy z Chin wykazał przewagę kwantową do generowania listy liczb losowych z określonymi właściwościami. Mój zespół badawczy zademonstrował przyspieszenie kwantowe do gry polegającej na zgadywaniu liczb losowych.

Z drugiej strony istnieje wymierne ryzyko wejścia w „zimę kwantową”, czyli okres ograniczenia inwestycji, jeśli w najbliższej przyszłości nie pojawią się praktyczne rezultaty.

Podczas gdy przemysł technologiczny pracuje nad zapewnieniem w najbliższej przyszłości ilościowej przewagi w produktach i usługach, badania akademickie w dalszym ciągu koncentrują się na badaniu podstawowych zasad leżących u podstaw tej nowej nauki i technologii. Te ciągłe badania podstawowe, napędzane przez entuzjastyczną kadrę nowych i bystrych studentów, z którymi spotykam się niemal codziennie, gwarantują dalszy rozwój tej dziedziny.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Źródło obrazu: xx / xx

Znak czasu:

Więcej z Centrum osobliwości