Wat is een kwantumcomputer
Het belangrijkste verschil tussen kwantumcomputers en traditionele transistor,
In een klassieke computer kan één bitalleen een getal: nul of één. De kwantumfysica laat echter een superpositie van toestanden toe. Een kwantumbit kan zich tegelijkertijd in een toestand van nul en één bevinden - en dit biedt ongelooflijke mogelijkheden voor ultrasnel computergebruik.
Om dit te doen, heeft hij duizenden superkrachten nodigprocessors. Hierdoor worden de berekeningen, waar een krachtige spelcomputer een week voor nodig zou hebben, binnen een dag door de supercomputer uitgevoerd. Het is echter belangrijk dat de programma's correct werken, rekening houdend met de technische kenmerken van de machine. Anders zal wat correct werkt op 100 processors veel vertragen met 200.
Quantumcomputers slaan en verwerken gegevens opmet behulp van kwantumbits - qubits. De laatste kan niet alleen worden in- en uitgeschakeld, maar ook in een voorbijgaande toestand zijn, of zelfs tegelijkertijd worden in- en uitgeschakeld. De analogie met gloeilampen voortzetten: een qubit is als een lamp die je hebt uitgezet, maar hij blijft knipperen. Of de kat van Schrödinger, die zowel levend als dood is.
Omdat de gloeilampen in een quantumcomputer niet tegelijkertijd branden, scheelt dit een hoopDaarom lost het complexe taken veel sneller op dan zelfs een zeer krachtig klassiek apparaat.
In 2001, Isaac Chuang, hoofdDe onderzoeksgroep van het IBM-lab, adjunct-professor aan het MIT en pionier op het gebied van quantum computing, heeft een quantumcomputer gebouwd op basis van één enkel molecuul. De resultaten, die in Nature werden gepubliceerd, vertegenwoordigden de eerste experimentele implementatie van Shor's algoritme - een kwantumfactorisatie-algoritme (dat een getal in priemfactoren ontbindt) waarmee je een getal in de tijd kunt ontbinden.
Als je te veel atomen hebt, is dat het gevallijkt op een groot bos. Het was erg moeilijk om één atoom te beheersen met het vorige. De uitdaging is om [het algoritme] te implementeren in een systeem dat voldoende geïsoleerd is: tegelijkertijd moet het lang genoeg kwantummechanisch blijven zodat je daadwerkelijk het hele algoritme kunt implementeren.
Voornaam Achternaam
Quantumcomputers zien er anders uit dan gewone computers. Dit zijn grote metalen cilinders met gedraaide draden die in koelunits worden neergelaten.
Ze kunnen voor verschillende taken worden gebruikt,inclusief berekeningen in scheikunde en natuurkunde of om nieuwe materialen te creëren. Een ander toepassingsgebied van een kwantumcomputer is cryptografie en beveiligingsvraagstukken. Deze problemen worden het meest acuut gevoeld door financiële organisaties en banken, wat niet verrassend is: de laatste tijd zijn er schandalen geweest over lekken en hacks.
De mogelijkheden van een kwantumcomputer zullen het mogelijk makentoegang krijgen tot alle informatie, dus het is tijd om erover na te denken om deze te beschermen met behulp van relevante technologieën, of om een kwantumcomputer te gebruiken om verbeterde codering te creëren.
Wat betekent "kwantumsuperioriteit"?
Quantum suprematie is het vermogen om een probleem op te lossen dat de mogelijkheden van de modernste supercomputers te boven gaat.
Er is de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang geboektbereikt bij de ontwikkeling van een supergeleidend platform. De essentie van kwantumsuperioriteit ligt in het feit dat een kwantumcomputer efficiënt een probleem oplost waarvoor een klassieke supercomputer enorm veel tijd kost.
De eerste doorbraak vond eind oktober 2019 plaats,toen Google aankondigde dat ze de kwantumcomputer Google Sycamore hadden ontwikkeld: volgens hun gegevens volbracht het systeem de taak in 200 seconden, wat ongeveer 10 duizend jaar werk van klassieke supercomputers zou vergen. Dit is wat ze de term "kwantumoverwicht" noemden.
Het werk van het bedrijf kreeg echter een aandeelscepsis, en concurrenten van IBM berekenden dat het gebruikte probleem in feite in een paar dagen kan worden opgelost - genoeg voor een voordeel, maar niet voor een volwaardige superioriteit.
De volgende mijlpaal in de ontwikkeling van kwantumcomputersviel begin december 2020. Op 4 december werd bekend dat Chinese wetenschappers een prototype hebben gemaakt van een kwantumcomputer "Jiuzhang", die 10 miljard keer sneller met het standaard verificatie-algoritme omging dan Sycamore, een 53-qubit-prototype van een kwantumcomputer van Google. Het bedrijf zei dat zijn ontwikkeling ook kwantumkwaliteit heeft bereikt.
Wetenschappers hebben het rekenvermogen getestJiuzhang met behulp van het speciale GBS-algoritme. Het systeem ging er 100 biljoen keer sneller mee om dan de krachtigste supercomputer die er bestaat. Bovendien zeiden de ontwikkelaars dat de rekencapaciteit van hun apparaat 10 miljard keer groter is dan die van Sycamore.
In 2001, Chuang, een pionier op het gebied van kwantumcomputation, ontwierp een kwantumcomputer op basis van een enkel molecuul dat in superpositie kon worden gehouden en gemanipuleerd door nucleaire magnetische resonantie om het getal 15 te vermenigvuldigen. De resultaten, die in Nature werden gepubliceerd, vertegenwoordigden de eerste experimentele implementatie van het algoritme van Shor. Maar het systeem was niet schaalbaar; naarmate er meer atomen werden toegevoegd, werd het moeilijker om het systeem te besturen.
Hoe worden de nieuwe kwantumcomputers gebruikt?
Een van de belangrijkste toepassingen van kwantumcomputer nu - ontbinding in priemgetallen. Feit is dat alle moderne cryptografie is gebaseerd op het feit dat niemand een aantal van 30-40 cijfers (of meer) snel kan ontleden in priemfactoren. Op een doorsnee computer duurt het miljarden jaren. Een kwantumcomputer kan dit in ongeveer 18 seconden doen.
Als we aannemen dat de aanwezigheid van een kwantumcomputer na een tijdje zal een sociale norm worden, in welk geval er geen geheimen zullen zijn in de hele cyberspace, aangezien alle encryptie-algoritmen onmiddellijk kunnen worden gehackt en overal toegang toe krijgen. Dit geldt voor alles - van bankoverschrijvingen tot berichten in de messenger.
Quantumcomputers zijn ook geweldig voorhet modelleren van complexe situaties, bijvoorbeeld het berekenen van de fysische eigenschappen van nieuwe elementen op moleculair niveau. Dit zal het mogelijk maken om sneller nieuwe medicijnen te vinden of om complexe, arbeidsintensieve taken op te lossen.
Wat kan hij nog meer doen?
- Databases en zoek ze op.
Werken met Big Data gaat ontzettend snel.Shazam, routing, neurale netwerken, kunstmatige intelligentie: dit alles zal een ongelooflijke boost krijgen. Ook zal het mogelijk zijn modellen te bouwen van de interactie van complexe eiwitverbindingen. Dit zal een zeer belangrijke stap zijn voor de geneeskunde, waardoor er mogelijkheden ontstaan voor het creëren van toekomstige medicijnen, het begrijpen van de manier waarop verschillende virussen ons beïnvloeden, enzovoort.
- Toepassingen voor cryptografie.
Vanwege de enorme snelheid van ontbinding in eenvoudigvermenigvuldigers Een kwantumcomputer maakt het mogelijk om berichten te ontsleutelen die zijn versleuteld door het veelgebruikte RSA-cryptografische algoritme. Tot nu toe werd dit algoritme als relatief betrouwbaar beschouwd, aangezien een efficiënte manier om getallen in priemfactoren te verdelen voor een klassieke computer momenteel onbekend is. Dankzij het kwantumalgoritme van Shor wordt deze taak heel goed haalbaar als er een kwantumcomputer wordt gebouwd.
- Onderzoek naar kunstmatige intelligentie.
Kwantumcomputers passen in theorie goed bij elkaarvoor de behoeften van machine learning. Ze manipuleren grote hoeveelheden gegevens in een enkele doorgang en zijn in staat een neuraal netwerk van exponentiële grootte te simuleren. In 2013 kondigde Google de opening aan van een laboratorium voor kwantumonderzoek in kunstmatige intelligentie. Volkswagen doet onderzoek naar het gebruik van quantumcomputers voor de ontwikkeling van zelfrijdende auto's en nieuwe soorten batterijen (met quantumcomputers van Google en D-Wave). In november 2018 kondigde het concern de ontwikkeling aan van een verkeersbeheersysteem (met de integratie van onbemande voertuigen erin), werkend met behulp van D-Wave-kwantumcomputers.
- Moleculaire modellering.
Aangenomen wordt dat het gebruik van quantumcomputers zullen het mogelijk maken om moleculaire interacties en chemische reacties nauwkeurig te simuleren. Chemische reacties zijn van nature kwantum. Voor klassieke computers is de berekening van het gedrag van alleen relatief eenvoudige moleculen beschikbaar. Volgens voorspellingen van experts opent simulatie op kwantumcomputers nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van de chemische industrie, met name bij het maken van medicijnen.
En hoe zit het met Rusland?
Rusland is actief betrokken bij de kwantumrace, ongeveerDit is ongeveer een jaar geleden door Nature geschreven. Er is ook een "routekaart voor de ontwikkeling van kwantumcomputers" aangenomen. Wat betreft de huidige status heeft Rusland sleutelelementen gecreëerd voor alle grote kwantumcomputerplatforms.
De volgende stap is om ze te schalen endemonstratie van probleemoplossing met behulp van hen. Opgemerkt moet worden dat het programma niet alleen gericht is op hardware en processors, maar ook op software. Voor de volgende doorbraak in quantum computing zijn originele ideeën absoluut nodig - een traditioneel sterk punt van Russische wetenschappers.
Eind november 2020 werd het bekendoprichting van het Nationaal Quantum Laboratorium (NKL) consortium. Het consortium, dat Rosatom-structuren, de Skolkovo Foundation en universiteiten omvatte, zal kwantumtechnologieën exporteren en infrastructuur ontwikkelen. Maar de hoofdtaak is het maken van een kwantumcomputer.
Als onderdeel van de "roadmap" "Quantum computing"het is de bedoeling om op het grondgebied van Skolkovo een nanofabricagecentrum te bouwen met een oppervlakte van tweeduizend vierkante meter. m, evenals een geavanceerd laboratoriumcomplex met een oppervlakte van meer dan 3,5 duizend vierkante meter. m.
Onder de belangrijkste indicatoren gespecificeerd in de "wegmap ”, die naar verwachting zullen worden bereikt, onder meer door de oprichting van de NKL, - tegen eind 2024 moeten de consortiumleden computersystemen creëren op verschillende kwantumplatforms met een capaciteit van 30 tot 100 qubits, 40 internationale patenten per jaar.
Lees ook:
De Doomsday-gletsjer bleek gevaarlijker te zijn dan wetenschappers dachten. We vertellen het belangrijkste
Zie de grootste ijsberg ooit uit de lucht gehaald
China testte eerst 'kunstmatige zon'