Kaj je Quantum Advantage? Trenutek, ko bodo prišli izjemno zmogljivi kvantni računalniki

Kaj je Quantum Advantage? Trenutek, ko bodo prišli izjemno zmogljivi kvantni računalniki

Časovni žig: 17. november 2023 3:03

Kvantna prednost je mejnik, h kateremu si vneto prizadeva področje kvantnega računalništva, ko lahko kvantni računalnik reši probleme, ki so izven dosega najmočnejših nekvantnih ali klasičnih računalnikov.

Kvant se nanaša na lestvico atomov in molekul, kjer se fizikalni zakoni, kot jih doživljamo, pokvarijo in velja drugačen, protiintuitiven sklop zakonov. Kvantni računalniki izkoriščajo ta čudna vedenja za reševanje problemov.

Obstaja nekaj vrst težav, ki so klasični računalniki nepraktično rešiti, Kot je razbijanje najsodobnejših šifrirnih algoritmov. Raziskave v zadnjih desetletjih so pokazale, da lahko kvantni računalniki rešijo nekatere od teh težav. Če je mogoče zgraditi kvantni računalnik, ki dejansko reši enega od teh problemov, bo pokazal kvantno prednost.

Jaz sem fizik ki preučuje kvantno obdelavo informacij in nadzor kvantnih sistemov. Verjamem, da ta meja znanstvenih in tehnoloških inovacij ne obljublja samo prelomnega napredka v računalništvu, ampak predstavlja tudi širši vzpon kvantne tehnologije, vključno s pomembnim napredkom v kvantni kriptografiji in kvantnem zaznavanju.

Vir moči kvantnega računalništva

Osrednji del kvantnega računalništva je kvantni bit, oz qubit. Za razliko od klasičnih bitov, ki so lahko samo v stanjih 0 ali 1, je lahko qubit v katerem koli stanju, ki je neka kombinacija 0 in 1. To stanje ne samo 1 ali samo 0 je znano kot kvantna superpozicija. Z vsakim dodatnim kubitom se število stanj, ki jih lahko predstavljajo kubiti, podvoji.

Ta lastnost se pogosto zamenjuje z virom moči kvantnega računalništva. Namesto tega gre za zapleteno medsebojno igro superpozicije, motnje in zapletanje.

Interferenca vključuje manipulacijo kubitov, tako da se njihova stanja konstruktivno združujejo med izračuni za povečanje pravilnih rešitev in destruktivno za zatiranje napačnih odgovorov. Konstruktivna interferenca se zgodi, ko se vrhovi dveh valov – kot so zvočni valovi ali oceanski valovi – združijo in ustvarijo višji vrh. Destruktivna interferenca je tisto, kar se zgodi, ko se vrh valovanja in dolžina valovanja združita in izničita. Kvantni algoritmi, ki jih je malo in jih je težko oblikovati, vzpostavijo zaporedje interferenčnih vzorcev, ki dajejo pravilen odgovor na problem.

Prepletenost vzpostavi edinstveno kvantno korelacijo med kubiti: stanja enega ni mogoče opisati neodvisno od drugih, ne glede na to, kako daleč so kubiti narazen. To je tisto, kar je Albert Einstein slavno zavrnil kot »strašljivo dejanje na daljavo«. Skupno vedenje Entanglementa, orkestrirano s kvantnim računalnikom, omogoča računske pospešitve, ki so izven dosega klasičnih računalnikov.

[Vgrajeni vsebina]

Aplikacije kvantnega računalništva

Kvantno računalništvo ima vrsto potencialnih uporab, kjer lahko prekaša klasične računalnike. V kriptografiji so kvantni računalniki hkrati priložnost in izziv. Najbolj znano je, da imajo možnost dešifriranja trenutnih šifrirnih algoritmov, kot je široko uporabljena Shema RSA.

Ena od posledic tega je, da je treba današnje šifrirne protokole preoblikovati, da bodo odporni na prihodnje kvantne napade. To priznanje je vodilo v rastoče področje postkvantna kriptografija. Po dolgem procesu je Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo pred kratkim izbral štiri kvantno odporne algoritme in začel proces njihovega pripravljanja, tako da jih lahko organizacije po vsem svetu uporabljajo v svoji tehnologiji šifriranja.

Poleg tega lahko kvantno računalništvo dramatično pospeši kvantno simulacijo: sposobnost napovedovanja rezultatov eksperimentov, ki delujejo v kvantnem svetu. Slavni fizik Richard Feynman predvidel to možnost pred več kot 40 leti. Kvantna simulacija ponuja potencial za znaten napredek v kemiji in znanosti o materialih, saj pomaga na področjih, kot je zapleteno modeliranje molekularnih struktur za odkrivanje zdravil, in omogoča odkrivanje ali ustvarjanje materialov z novimi lastnostmi.

Druga uporaba kvantne informacijske tehnologije je kvantno zaznavanje: zaznavanje in merjenje fizikalnih lastnosti, kot so elektromagnetna energija, gravitacija, tlak in temperatura večja občutljivost in natančnost kot nekvantni instrumenti. Kvantno zaznavanje ima nešteto aplikacij na področjih, kot je npr spremljanje okolja, geološka raziskovanja, medicinsko slikanjein nadzor.

Pobude, kot je razvoj a kvantni internet ki povezuje kvantne računalnike, so ključni koraki k premoščanju kvantnega in klasičnega računalniškega sveta. To omrežje bi lahko zavarovali s kvantnimi kriptografskimi protokoli, kot je kvantna distribucija ključev, ki omogoča izjemno varne komunikacijske kanale, ki so zaščiteni pred računalniškimi napadi – vključno s tistimi, ki uporabljajo kvantne računalnike.

Kljub naraščajočemu paketu aplikacij za kvantno računalništvo, razvoju novih algoritmov, ki v celoti izkoriščajo kvantno prednost – zlasti v strojnem učenju— ostaja kritično področje tekočih raziskav.

kovinski aparat z zeleno lasersko svetlobo v ozadju
Prototip kvantnega senzorja, ki so ga razvili raziskovalci MIT, lahko zazna katero koli frekvenco elektromagnetnega valovanja. Avtorstvo slike: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Ostati koherenten in premagati napake

O kvantno računalniško polje sooča s precejšnjimi ovirami pri razvoju strojne in programske opreme. Kvantni računalniki so zelo občutljivi na kakršne koli nenamerne interakcije z njihovim okoljem. To vodi do pojava dekoherence, kjer se kubiti hitro razgradijo v stanje 0 ali 1 klasičnih bitov.

Gradnja obsežnih kvantnih računalniških sistemov, ki so sposobni izpolniti obljube o kvantnih pospešitvah, zahteva premagovanje dekoherence. Ključno je razviti učinkovite metode zatiranje in popravljanje kvantnih napak, področje, na katerega se osredotočajo moje raziskave.

Pri krmarjenju s temi izzivi, številnimi zagon kvantne strojne in programske opreme so se pojavili skupaj z dobro uveljavljenimi akterji tehnološke industrije, kot sta Google in IBM. Ta interes industrije, skupaj z znatnimi naložbami vlad po vsem svetu, poudarja kolektivno priznanje transformativnega potenciala kvantne tehnologije. Te pobude spodbujajo bogat ekosistem, v katerem sodelujeta akademski krog in industrija ter pospešujeta napredek na tem področju.

Kvantna prednost prihaja na ogled

Kvantno računalništvo bo morda nekega dne tako moteče kot prihod generativni AI. Trenutno je razvoj kvantne računalniške tehnologije na ključni točki. Po eni strani je področje že pokazalo zgodnje znake, da je doseglo ozko specializirano kvantno prednost. Raziskovalci pri Googlu in kasneje a skupina raziskovalcev na Kitajskem dokazano kvantno prednost za ustvarjanje seznama naključnih števil z določenimi lastnostmi. Moja raziskovalna skupina je dokazala kvantno pospešitev za igro ugibanja naključnih števil.

Po drugi strani pa obstaja oprijemljivo tveganje vstopa v »kvantno zimo«, obdobje zmanjšanih naložb, če praktični rezultati v bližnji prihodnosti ne bodo uresničeni.

Medtem ko si tehnološka industrija prizadeva zagotoviti kvantno prednost izdelkov in storitev v bližnji prihodnosti, so akademske raziskave še vedno osredotočene na raziskovanje temeljnih načel, na katerih temelji ta nova znanost in tehnologija. Te stalne temeljne raziskave, ki jih spodbujajo navdušeni kadri novih in bistrih študentov, s katerimi se srečujem skoraj vsak dan, zagotavljajo, da bo področje še naprej napredovalo.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Avtorstvo slike: xx / xx

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti