Vad är Quantum Advantage? Just nu kommer extremt kraftfulla kvantdatorer att anlända

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Kvantfördelar är den milstolpe som kvantberäkningsområdet ivrigt arbetar mot, när en kvantdator kan lösa problem som ligger utom räckhåll för de mest kraftfulla icke-kvantdatorerna, eller klassiska, datorer.

Kvant hänvisar till skalan av atomer och molekyler där fysikens lagar när vi upplever dem bryts ner och en annan, kontraintuitiv uppsättning lagar gäller. Kvantdatorer utnyttjar dessa konstiga beteenden för att lösa problem.

Det finns vissa typer av problem opraktiskt för klassiska datorer att lösa, Såsom knäcka toppmoderna krypteringsalgoritmer. Forskning under de senaste decennierna har visat att kvantdatorer har potential att lösa några av dessa problem. Om en kvantdator kan byggas som faktiskt löser ett av dessa problem, kommer den att ha visat kvantfördelar.

Jag en fysiker som studerar kvantinformationsbehandling och styrning av kvantsystem. Jag tror att denna gräns för vetenskaplig och teknisk innovation inte bara lovar banbrytande framsteg inom beräkningar utan också representerar en bredare ökning av kvantteknologi, inklusive betydande framsteg inom kvantkryptografi och kvantavkänning.

Källan till Quantum Computing's Power

Centralt för kvantberäkning är kvantbiten, eller kvantbit. Till skillnad från klassiska bitar, som bara kan vara i tillstånden 0 eller 1, kan en qubit vara i vilket tillstånd som helst som är en kombination av 0 och 1. Detta tillstånd av varken bara 1 eller bara 0 är känt som en kvantens superposition. För varje ytterligare qubit fördubblas antalet tillstånd som kan representeras av qubits.

Denna egenskap förväxlas ofta med källan till kraften i kvantberäkning. Istället handlar det om ett intrikat samspel av superposition, störningar och intrassling.

Interferens innebär att manipulera qubits så att deras tillstånd kombineras konstruktivt under beräkningar för att förstärka korrekta lösningar och destruktivt för att undertrycka fel svar. Konstruktiv interferens är vad som händer när topparna av två vågor - som ljudvågor eller havsvågor - kombineras för att skapa en högre topp. Destruktiv interferens är vad som händer när en vågtopp och en vågdal kombineras och tar ut varandra. Kvantalgoritmer, som är få och svåra att utforma, sätter upp en sekvens av interferensmönster som ger rätt svar på ett problem.

Entanglement etablerar en unik kvantkorrelation mellan qubits: Tillståndet hos en kan inte beskrivas oberoende av de andra, oavsett hur långt ifrån varandra qubitarna är. Detta är vad Albert Einstein berömt avfärdade som "läskig handling på avstånd." Entanglements kollektiva beteende, orkestrerat genom en kvantdator, möjliggör beräkningshastigheter som ligger utom räckhåll för klassiska datorer.

[Inbäddat innehåll]

Tillämpningar av Quantum Computing

Quantum computing har en rad potentiella användningsområden där den kan överträffa klassiska datorer. Inom kryptografi utgör kvantdatorer både en möjlighet och en utmaning. Mest känt är att de har potential att dechiffrera aktuella krypteringsalgoritmer, såsom den allmänt använda RSA-schema.

En konsekvens av detta är att dagens krypteringsprotokoll måste omkonstrueras för att vara resistenta mot framtida kvantattacker. Detta erkännande har lett till det växande området för post-kvantkryptografi. Efter en lång process valde National Institute of Standards and Technology nyligen ut fyra kvantresistenta algoritmer och har påbörjat processen att förbereda dem så att organisationer runt om i världen kan använda dem i sin krypteringsteknik.

Dessutom kan kvantberäkning dramatiskt påskynda kvantsimulering: förmågan att förutsäga resultatet av experiment som verkar i kvantvärlden. Den berömda fysikern Richard Feynman föreställde sig denna möjlighet mer än 40 år sedan. Kvantsimulering erbjuder potentialen för avsevärda framsteg inom kemi och materialvetenskap, vilket hjälper till inom områden som den invecklade modelleringen av molekylära strukturer för läkemedelsupptäckt och möjliggör upptäckten eller skapandet av material med nya egenskaper.

En annan användning av kvantinformationsteknologi är kvantavkänning: detektera och mäta fysikaliska egenskaper som elektromagnetisk energi, gravitation, tryck och temperatur med större känslighet och precision än icke-kvantinstrument. Kvantavkänning har otaliga tillämpningar inom områden som t.ex miljöövervakning, geologisk utforskning, medicinsk bildbehandlingoch övervakning.

Initiativ som utveckling av en kvantinternet som kopplar samman kvantdatorer är avgörande steg mot att överbrygga kvantvärlden och den klassiska datorvärlden. Detta nätverk skulle kunna säkras med hjälp av kvantkryptografiska protokoll såsom kvantnyckeldistribution, vilket möjliggör ultrasäkra kommunikationskanaler som är skyddade mot beräkningsattacker – inklusive de som använder kvantdatorer.

Trots en växande applikationssvit för kvantberäkning, utvecklar nya algoritmer som fullt ut utnyttjar kvantfördelen – i synnerhet inom maskininlärning—förblir ett kritiskt område för pågående forskning.

en metallapparat med grönt laserljus i bakgrunden — En prototyp av kvantsensor utvecklad av MIT-forskare kan upptäcka vilken frekvens som helst av elektromagnetiska vågor. Bildkredit: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Förbli sammanhängande och övervinna fel

Smakämnen kvantberäkningsfält står inför betydande hinder i hård- och mjukvaruutveckling. Kvantdatorer är mycket känsliga för alla oavsiktliga interaktioner med sina miljöer. Detta leder till fenomenet dekoherens, där qubits snabbt bryts ned till 0 eller 1-tillstånden för klassiska bitar.

Att bygga storskaliga kvantberäkningssystem som kan leverera på löftet om kvanthastigheter kräver att man övervinner dekoherensen. Nyckeln är att utveckla effektiva metoder för undertrycka och korrigera kvantfel, ett område som min egen forskning är inriktad på.

I att navigera dessa utmaningar, många kvantvaru- och mjukvarustarter har vuxit fram tillsammans med väletablerade teknikindustriaktörer som Google och IBM. Detta intresse från branschen, i kombination med betydande investeringar från regeringar över hela världen, understryker ett kollektivt erkännande av kvantteknologins transformativa potential. Dessa initiativ främjar ett rikt ekosystem där akademi och industri samarbetar, vilket påskyndar framstegen på området.

Quantum Advantage kommer till synen

Quantum computing kan en dag vara lika störande som ankomsten av generativ AI. För närvarande befinner sig utvecklingen av kvantdatorteknik vid en avgörande tidpunkt. Å ena sidan har fältet redan visat tidiga tecken på att ha uppnått en snävt specialiserad kvantfördel. Forskare på Google och senare a team av forskare i Kina visat kvantfördel för att generera en lista med slumptal med vissa egenskaper. Mitt forskarteam demonstrerade en kvanthastighet för ett slumpmässigt gissningsspel.

Å andra sidan finns det en påtaglig risk att gå in i en "kvantvinter", en period av minskade investeringar om praktiska resultat uteblir på kort sikt.

Medan teknikindustrin arbetar för att leverera kvantfördelar i produkter och tjänster på kort sikt, är den akademiska forskningen fortfarande fokuserad på att undersöka de grundläggande principerna som ligger till grund för denna nya vetenskap och teknik. Denna pågående grundforskning, driven av entusiastiska kadrer av nya och duktiga studenter av den typ jag möter nästan varje dag, säkerställer att området kommer att fortsätta att utvecklas.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Bildkredit: xx / xx