Τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής
Η κύρια διαφορά μεταξύ των κβαντικών υπολογιστών και των παραδοσιακών, τρανζίστορ,
Σε έναν κλασικό υπολογιστή, ένα bit μπορεί να αποθηκεύσειμόνο ένας αριθμός: μηδέν ή ένα. Η κβαντική φυσική, ωστόσο, επιτρέπει την υπέρθεση των καταστάσεων. Ένα κβαντικό bit μπορεί να είναι μηδέν και ένα να εμφανίζεται ταυτόχρονα - και αυτό ανοίγει απίστευτες ευκαιρίες για εξαιρετικά γρήγορους υπολογιστές.
Για αυτό χρειάζεται χιλιάδες εξαιρετικά ισχυρούςεπεξεργαστές Ως αποτέλεσμα, οι υπολογισμοί, που απαιτούν έναν ισχυρό υπολογιστή τυχερών παιχνιδιών την εβδομάδα, ο υπερυπολογιστής εκτελεί σε μια μέρα. Ωστόσο, είναι σημαντικό τα προγράμματα να λειτουργούν σωστά, λαμβάνοντας υπόψη τα τεχνικά χαρακτηριστικά του μηχανήματος. Διαφορετικά, αυτό που λειτουργεί σωστά σε 100 επεξεργαστές θα επιβραδύνει πολύ κατά 200.
Οι κβαντικοί υπολογιστές αποθηκεύουν και επεξεργάζονται δεδομέναχρησιμοποιώντας κβαντικά bits - qubits. Το τελευταίο δεν μπορεί μόνο να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί, αλλά και να είναι σε παροδική κατάσταση, ή ακόμη και να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί ταυτόχρονα. Συνέχιση της αναλογίας με λαμπτήρες: ένα qubit είναι σαν ένα φως που σβήσατε, αλλά συνεχίζει να αναβοσβήνει. Ή η γάτα του Schrödinger, η οποία είναι τόσο ζωντανή όσο και νεκρή.
Δεδομένου ότι τα φώτα σε έναν κβαντικό υπολογιστή ανάβουν και σβήνουν ταυτόχρονα, αυτό εξοικονομεί πολύ χρόνο. Ως εκ τούτου, λύνει πολύπλοκα προβλήματα πολύ πιο γρήγορα από ακόμη και μια πολύ ισχυρή κλασική συσκευή.
Το 2001, Isaac Chuang, επικεφαλήςΗ ερευνητική ομάδα εργαστηρίου της IBM, επίκουρος καθηγητής του MIT και πρωτοπόρος στον τομέα των κβαντικών υπολογιστών, κατασκεύασε έναν κβαντικό υπολογιστή βασισμένο σε ένα μόνο μόριο. Τα αποτελέσματα, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο Nature, αντιπροσώπευαν την πρώτη πειραματική εφαρμογή του αλγορίθμου του Shor - έναν αλγόριθμο κβαντικής παραγοντοποίησης (παραγοντοποίηση ενός αριθμού σε πρώτους παράγοντες) που επιτρέπει σε κάποιον να παραγοντοποιήσει έναν αριθμό στο χρόνο.
Όταν έχεις πάρα πολλά άτομα είναιμοιάζει με μεγάλο δάσος. Ήταν πολύ δύσκολο να ελέγξεις ένα άτομο με το προηγούμενο. Η πρόκληση είναι να εφαρμόσετε [τον αλγόριθμο] σε ένα σύστημα που είναι επαρκώς απομονωμένο: ταυτόχρονα, πρέπει να παραμείνει κβαντομηχανικό αρκετό καιρό ώστε να μπορείτε πραγματικά να εφαρμόσετε ολόκληρο τον αλγόριθμο.
Ονομα επίθετο
Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν μοιάζουν με συνηθισμένους υπολογιστές. Αυτοί είναι μεγάλοι μεταλλικοί κύλινδροι με στριμμένα καλώδια που κατεβαίνουν σε ψυκτικές μονάδες.
Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαφορετικές εργασίες,συμπεριλαμβανομένων των υπολογισμών στη χημεία και τη φυσική ή για τη δημιουργία νέων υλικών. Ένας άλλος τομέας εφαρμογής ενός κβαντικού υπολογιστή είναι η κρυπτογραφία και τα θέματα ασφάλειας. Αυτά τα ζητήματα γίνονται αισθητά πιο έντονα από τους χρηματοπιστωτικούς οργανισμούς και τις τράπεζες, κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη: πρόσφατα υπήρξαν σκάνδαλα σχετικά με διαρροές και εισβολές.
Οι δυνατότητες ενός κβαντικού υπολογιστή θα επιτρέψουναποκτήστε πρόσβαση σε οποιεσδήποτε πληροφορίες, οπότε ήρθε η ώρα να σκεφτείτε να τις προστατεύσετε με τη βοήθεια σχετικών τεχνολογιών ή να χρησιμοποιήσετε έναν κβαντικό υπολογιστή για να δημιουργήσετε βελτιωμένη κρυπτογράφηση.
Τι σημαίνει "κβαντική ανωτερότητα";
Η κβαντική υπεροχή είναι η ικανότητα επίλυσης ενός προβλήματος πέραν των δυνατοτήτων των πιο σύγχρονων υπερυπολογιστών.
Τα τελευταία χρόνια, σημειώθηκε σημαντική πρόοδοςεπιτεύχθηκε στην ανάπτυξη μιας υπεραγώγιμης πλατφόρμας. Η ουσία της κβαντικής ανωτερότητας έγκειται στο γεγονός ότι ένας κβαντικός υπολογιστής λύνει αποτελεσματικά ένα πρόβλημα για το οποίο ένας κλασικός υπερυπολογιστής χρειάζεται τεράστιο χρόνο.
Η πρώτη ανακάλυψη έγινε στα τέλη Οκτωβρίου 2019,όταν η Google ανακοίνωσε ότι είχαν αναπτύξει τον κβαντικό υπολογιστή Google Sycamore: σύμφωνα με τα δεδομένα τους, το σύστημα αντιμετώπισε μια εργασία σε 200 δευτερόλεπτα που θα απαιτούσε περίπου 10 χιλιάδες χρόνια εργασίας κλασικών υπερυπολογιστών. Αυτό ονόμασαν τον όρο «κβαντική ανωτερότητα».
Ωστόσο, το έργο της εταιρείας αντιμετωπίστηκε με μερίδιοο σκεπτικισμός και οι ανταγωνιστές της IBM υπολόγισαν ότι στην πραγματικότητα το πρόβλημα που χρησιμοποιήθηκε μπορεί να λυθεί σε μερικές ημέρες - αρκετά για ένα πλεονέκτημα, αλλά όχι για μια πλήρη υπεροχή.
Το επόμενο ορόσημο στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστώνέπεσε στις αρχές Δεκεμβρίου 2020. Στις 4 Δεκεμβρίου, έγινε γνωστό ότι οι Κινέζοι επιστήμονες δημιούργησαν ένα πρωτότυπο ενός κβαντικού υπολογιστή "Jiuzhang", ο οποίος αντιμετώπισε τον τυπικό αλγόριθμο επαλήθευσης 10 δισεκατομμύρια φορές γρηγορότερα από τον Sycamore, ένα πρωτότυπο 53-qubit ενός κβαντικού υπολογιστή από την Google. Η εταιρεία είπε ότι η ανάπτυξή της έχει φτάσει επίσης στην κβαντική αριστεία
Οι επιστήμονες έχουν δοκιμάσει την υπολογιστική ικανότητα"Jiuzhang" χρησιμοποιώντας τον ειδικό αλγόριθμο GBS. Το σύστημα αντιμετώπισε 100 τρισεκατομμύρια φορές ταχύτερα από τον ισχυρότερο υπερυπολογιστή που υπάρχει. Επιπλέον, οι προγραμματιστές δήλωσαν ότι η υπολογιστική ισχύς της συσκευής τους είναι 10 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη Sycamore.
Το 2001, ο Chuang, πρωτοπόρος στην κβαντικήο υπολογισμός, δημιούργησε έναν κβαντικό υπολογιστή βασισμένο σε ένα μόριο που θα μπορούσε να διατηρηθεί σε υπέρθεση και να χειραγωγηθεί με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό για να πολλαπλασιαστεί 15. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature, αντιπροσώπευαν την πρώτη πειραματική εφαρμογή του αλγόριθμου Shor. Αλλά το σύστημα δεν ήταν επεκτάσιμο. καθώς προστέθηκαν περισσότερα άτομα, έγινε πιο δύσκολο να ελεγχθεί το σύστημα.
Πώς θα χρησιμοποιηθούν οι νέοι κβαντικοί υπολογιστές;
Μία από τις πιο σημαντικές εφαρμογές του κβαντικούυπολογιστή τώρα - αποσύνθεση σε πρωταρχικούς αριθμούς. Το γεγονός είναι ότι όλη η σύγχρονη κρυπτογραφία βασίζεται στο γεγονός ότι κανείς δεν μπορεί γρήγορα να αποσυνθέσει έναν αριθμό 30-40 ψηφίων (ή περισσότερα) σε πρωταρχικούς παράγοντες. Σε έναν τυπικό υπολογιστή, θα χρειαστούν δισεκατομμύρια χρόνια. Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να το κάνει αυτό σε περίπου 18 δευτερόλεπτα.
Αν υποθέσουμε το γεγονός ότι η παρουσία ενός κβαντικούΟ υπολογιστής μετά από λίγο θα γίνει κοινωνικός κανόνας, οπότε δεν θα υπάρχουν μυστικά σε ολόκληρο τον κυβερνοχώρο, καθώς οποιοσδήποτε αλγόριθμος κρυπτογράφησης μπορεί να παραβιαστεί αμέσως και να αποκτήσει πρόσβαση σε οτιδήποτε. Αυτό ισχύει για όλα - από τραπεζικές μεταφορές σε μηνύματα στο messenger.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι επίσης ιδανικοί γιαμοντελοποίηση σύνθετων καταστάσεων, για παράδειγμα, υπολογισμός των φυσικών ιδιοτήτων νέων στοιχείων σε μοριακό επίπεδο. Αυτό, ίσως, θα επιτρέψει την ταχύτερη εύρεση νέων ναρκωτικών ή την επίλυση σύνθετων εργασιών που απαιτούν πόρους.
Τι άλλο μπορεί να κάνει;
- Βάσεις δεδομένων και αναζήτηση από αυτούς.
Η εργασία με Big Data θα γίνει απίστευτα γρήγορη.Shazam, δρομολόγηση, νευρωνικά δίκτυα, τεχνητή νοημοσύνη - όλα αυτά θα λάβουν απίστευτη ώθηση. Θα είναι επίσης δυνατή η κατασκευή μοντέλων αλληλεπίδρασης σύνθετων πρωτεϊνικών ενώσεων. Αυτό θα είναι ένα πολύ σημαντικό βήμα για την ιατρική, ανοίγοντας ευκαιρίες για τη δημιουργία μελλοντικών φαρμάκων, την κατανόηση του πώς μας επηρεάζουν διαφορετικοί ιοί κ.λπ.
- Εφαρμογές στην κρυπτογραφία.
Λόγω της τεράστιας ταχύτητας αποσύνθεσης σε απλόπολλαπλασιάζει έναν κβαντικό υπολογιστή που επιτρέπει την αποκρυπτογράφηση των μηνυμάτων που κρυπτογραφούνται από τον ευρέως χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο κρυπτογράφησης RSA. Μέχρι τώρα, αυτός ο αλγόριθμος θεωρείται σχετικά αξιόπιστος, δεδομένου ότι ένας αποτελεσματικός τρόπος παράθεσης αριθμών σε πρωταρχικούς παράγοντες για έναν κλασικό υπολογιστή είναι επί του παρόντος άγνωστος. Χάρη στον κβαντικό αλγόριθμο του Shor, αυτή η εργασία καθίσταται αρκετά εφικτή εάν δημιουργηθεί ένας κβαντικός υπολογιστής.
- Έρευνα στην τεχνητή νοημοσύνη.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι, θεωρητικά, κατάλληλοιγια ανάγκες μηχανικής μάθησης. Διαχειρίζονται μεγάλες ποσότητες δεδομένων σε ένα μόνο πέρασμα και είναι σε θέση να προσομοιώσουν ένα νευρωνικό δίκτυο εκθετικού μεγέθους. Το 2013, η Google ανακοίνωσε το άνοιγμα ενός κβαντικού ερευνητικού εργαστηρίου για την τεχνητή νοημοσύνη. Η Volkswagen διεξάγει έρευνα σχετικά με τη χρήση κβαντικών υπολογιστών για την ανάπτυξη αυτοκινούμενων αυτοκινήτων και νέων τύπων μπαταριών (χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές από την Google και την D-Wave). Τον Νοέμβριο του 2018, η ανησυχία ανακοίνωσε την ανάπτυξη ενός συστήματος διαχείρισης της κυκλοφορίας (με την ενσωμάτωση μη επανδρωμένων οχημάτων σε αυτό), που λειτουργεί χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές D-Wave.
- Μοριακή μοντελοποίηση.
Υποτίθεται ότι η χρήση κβαντικούοι υπολογιστές θα μπορούν να προσομοιώνουν με ακρίβεια τις μοριακές αλληλεπιδράσεις και τις χημικές αντιδράσεις. Οι χημικές αντιδράσεις είναι κβαντικής φύσης. Για κλασικούς υπολογιστές, μπορούν να υπολογιστούν μόνο σχετικά απλά μόρια. Σύμφωνα με ειδικούς, η προσομοίωση σε κβαντικούς υπολογιστές ανοίγει νέες προοπτικές για την ανάπτυξη της χημικής βιομηχανίας, ιδίως στη δημιουργία φαρμάκων
Και τι γίνεται με τη Ρωσία;
Η Ρωσία συμμετέχει ενεργά στον κβαντικό αγώνα, περίπουΑυτό γράφτηκε από τη Φύση περίπου πριν από ένα χρόνο. Εγκρίθηκε επίσης ένας "χάρτης πορείας για την ανάπτυξη της κβαντικής πληροφορικής". Όσον αφορά την τρέχουσα κατάσταση, η Ρωσία έχει δημιουργήσει βασικά στοιχεία για όλες τις μεγάλες πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών.
Το επόμενο βήμα είναι να τα κλιμακώσετε καιεπίδειξη επίλυσης προβλημάτων κατά τη χρήση τους. Πρέπει να σημειωθεί ότι το πρόγραμμα εστιάζεται όχι μόνο σε υλικό και επεξεργαστές, αλλά και σε λογισμικό. Η επόμενη ανακάλυψη στην κβαντική πληροφορική χρειάζεται σίγουρα πρωτότυπες ιδέες - ένα παραδοσιακά ισχυρό σημείο των Ρώσων επιστημόνων.
Στα τέλη Νοεμβρίου 2020 έγινε γνωστόδημιουργία της κοινοπραξίας του Εθνικού Κβαντικού Εργαστηρίου (NKL). Η κοινοπραξία, η οποία περιελάμβανε δομές της Rosatom, το Ίδρυμα Skolkovo και πανεπιστήμια, θα εξάγει κβαντικές τεχνολογίες και θα αναπτύξει υποδομές. Αλλά το κύριο καθήκον είναι η δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή.
Ως μέρος του "οδικού χάρτη" "Κβαντική πληροφορική"σχεδιάζεται να κατασκευαστεί ένα κέντρο νανοκατασκευής με έκταση 2.000 τετραγωνικών μέτρων στο έδαφος του Skolkovo m, καθώς και ένα προηγμένο εργαστηριακό συγκρότημα με έκταση μεγαλύτερη από 3,5 χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα. Μ.
Μεταξύ των κύριων δεικτών που αναφέρονται στον "δρόμοχάρτης », που σχεδιάζεται να επιτευχθεί, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας του NCL, - έως το τέλος του 2024, τα μέλη της κοινοπραξίας πρέπει να δημιουργήσουν υπολογιστικά συστήματα σε διάφορες κβαντικές πλατφόρμες χωρητικότητας 30 έως 100 qubit, και να καταχωρούν 40 διεθνή διπλώματα ευρεσιτεχνίας ετησίως.
Διαβάστε επίσης:
Ο παγετώνας Doomsday αποδείχθηκε πιο επικίνδυνος από ό, τι πίστευαν οι επιστήμονες. Λέμε το κύριο πράγμα
Δείτε το μεγαλύτερο παγόβουνο που έχει ληφθεί ποτέ από τον αέρα
Η Κίνα δοκίμασε για πρώτη φορά τον «τεχνητό ήλιο»