Co to jest komputer kwantowy
Główna różnica między komputerami kwantowymi a tradycyjnymi, tranzystorowymi,
W klasycznym komputerze można przechowywać jeden bittylko liczba: zero lub jeden. Fizyka kwantowa pozwala jednak na superpozycję stanów. Bit kwantowy może jednocześnie znajdować się w stanie zero i jeden - a to otwiera niesamowite możliwości dla ultraszybkich obliczeń.
Do tego potrzebuje tysięcy supermocnychprocesory. W rezultacie obliczenia, które zajmie potężny komputer do gier tygodniowo, superkomputer wykonuje w ciągu jednego dnia. Jednak ważne jest, aby programy działały poprawnie, biorąc pod uwagę techniczne cechy maszyny. W przeciwnym razie to, co działa poprawnie na 100 procesorach, spowolni znacznie o 200.
Komputery kwantowe przechowują i przetwarzają daneza pomocą bitów kwantowych - kubitów. Ten ostatni można nie tylko włączać i wyłączać, ale także znajdować się w stanie przejściowym, a nawet być jednocześnie włączany i wyłączany. Kontynuując analogię z żarówkami: kubit jest jak światło, które wyłączyłeś, ale nadal miga. Albo kot Schrödingera, który żyje i nie żyje.
Ponieważ światła w komputerze kwantowym włączają się i wyłączają w tym samym czasie, oszczędza to dużo czasu. Dlatego rozwiązuje złożone problemy znacznie szybciej niż nawet bardzo wydajne, klasyczne urządzenie.
W 2001 r. Izaak Chuang, szefGrupa badawcza laboratorium IBM, adiunkt MIT i pionier w dziedzinie obliczeń kwantowych, skonstruowała komputer kwantowy oparty na pojedynczej cząsteczce. Wyniki, które opublikowano w czasopiśmie Nature, stanowią pierwszą eksperymentalną implementację algorytmu Shora – algorytmu faktoryzacji kwantowej (rozkładanie liczby na czynniki pierwsze), który umożliwia rozkład liczby na czynniki w czasie.
Dzieje się tak, gdy jest za dużo atomówwygląda jak duży las. Bardzo trudno było kontrolować jeden atom za pomocą poprzedniego. Wyzwanie polega na zaimplementowaniu [algorytmu] w systemie, który jest wystarczająco odizolowany: jednocześnie musi on pozostać kwantowo-mechaniczny wystarczająco długo, aby móc faktycznie zaimplementować cały algorytm.
Imię Nazwisko
Komputery kwantowe wyglądają inaczej niż zwykłe komputery. Są to duże metalowe cylindry ze skręconymi drutami, które są opuszczane do jednostek chłodniczych.
Można je wykorzystać do różnych zadań,włączając obliczenia z chemii i fizyki lub do tworzenia nowych materiałów. Kolejnym obszarem zastosowań komputera kwantowego jest kryptografia i zagadnienia bezpieczeństwa. Kwestie te najbardziej odczuwają organizacje finansowe i banki, co nie jest zaskakujące: ostatnio doszło do skandali związanych z wyciekami i włamaniami.
Pozwolą na to możliwości komputera kwantowegouzyskać dostęp do wszelkich informacji, więc czas pomyśleć o ich ochronie za pomocą odpowiednich technologii lub wykorzystaniu komputera kwantowego do stworzenia ulepszonego szyfrowania.
Co oznacza „wyższość kwantowa”?
Supremacja kwantowa to zdolność do rozwiązania problemu, który wykracza poza możliwości najnowocześniejszych superkomputerów.
W ostatnich latach dokonał się znaczący postęposiągnięto podczas opracowywania platformy nadprzewodzącej. Istota wyższości kwantowej polega na tym, że komputer kwantowy szybko rozwiązuje problem, dla którego klasyczny superkomputer zajmuje kolosalną ilość czasu.
Pierwszy przełom nastąpił pod koniec października 2019 r.,gdy Google ogłosił, że opracował komputer kwantowy Google Sycamore: według ich danych system poradził sobie z zadaniem w 200 sekund, które wymagałoby około 10 tysięcy lat pracy klasycznych superkomputerów. To właśnie nazwali terminem „wyższość kwantowa”.
Jednak praca firmy spotkała się z pewnym udziałemsceptycyzm, a konkurenci z IBM obliczyli, że faktycznie zastosowany problem da się rozwiązać w kilka dni - wystarczy na przewagę, ale nie na pełną przewagę.
Kolejny kamień milowy w rozwoju komputerów kwantowychprzypadł na początek grudnia 2020 r. 4 grudnia okazało się, że chińscy naukowcy stworzyli prototyp komputera kwantowego „Jiuzhang”, który radził sobie ze standardowym algorytmem weryfikacji 10 miliardów razy szybciej niż Sycamore, 53-kubitowy prototyp komputera kwantowego firmy Google. Firma stwierdziła, że jej rozwój również osiągnął doskonałość kwantową.
Naukowcy przetestowali zdolności obliczenioweJiuzhang za pomocą specjalnego algorytmu GBS. System poradził sobie z nim 100 bilionów razy szybciej niż najpotężniejszy istniejący superkomputer. Ponadto twórcy stwierdzili, że moc obliczeniowa ich urządzenia jest 10 miliardów razy większa niż Sycamore.
W 2001 roku Chuang, pionier w dziedzinie kwantowejcomputation, zaprojektował komputer kwantowy oparty na pojedynczej cząsteczce, która może być utrzymywana w superpozycji i manipulowana przez jądrowy rezonans magnetyczny w celu pomnożenia liczby 15. Wyniki, które zostały opublikowane w Nature, stanowiły pierwszą eksperymentalną implementację algorytmu Shora. Ale system nie był skalowalny; w miarę dodawania większej liczby atomów sterowanie systemem stało się trudniejsze.
Jak będą używane nowe komputery kwantowe?
Jedno z najważniejszych zastosowań kwantowychkomputer teraz - rozkład na liczby pierwsze. Faktem jest, że cała nowoczesna kryptografia opiera się na fakcie, że nikt nie jest w stanie szybko rozłożyć liczby 30-40 cyfr (lub więcej) na czynniki pierwsze. Na typowym komputerze zajmie to miliardy lat. Komputer kwantowy może to zrobić w około 18 sekund.
Jeśli przyjmiemy, że obecność kwantowejkomputer po jakimś czasie stanie się normą społeczną, w którym to przypadku w całej cyberprzestrzeni nie będzie żadnych tajemnic, ponieważ wszelkie algorytmy szyfrujące można od razu zhakować i uzyskać dostęp do wszystkiego. Dotyczy to wszystkiego - od przelewów bankowych po wiadomości w messengerze.
Komputery kwantowe są również świetne domodelowanie złożonych sytuacji, na przykład obliczanie właściwości fizycznych nowych pierwiastków na poziomie molekularnym. Być może pozwoli to szybciej znaleźć nowe leki lub rozwiązać złożone zadania wymagające dużych zasobów.
Co jeszcze może zrobić?
- Bazy danych i wyszukiwanie według nich.
Praca z Big Data stanie się niesamowicie szybka.Shazam, routing, sieci neuronowe, sztuczna inteligencja – wszystko to otrzyma niesamowity impuls. Możliwe będzie także budowanie modeli oddziaływania złożonych związków białkowych. Będzie to bardzo ważny krok dla medycyny, otwierający możliwości tworzenia przyszłych leków, zrozumienia, jak wpływają na nas różne wirusy i tak dalej.
- Zastosowania do kryptografii.
Ze względu na ogromną szybkość rozkładu na prostemnożniki komputer kwantowy pozwoli na odszyfrowanie wiadomości zaszyfrowanych za pomocą szeroko stosowanego algorytmu kryptograficznego RSA. Do tej pory ten algorytm jest uważany za stosunkowo niezawodny, ponieważ skuteczny sposób rozłożenia liczb na czynniki pierwsze dla klasycznego komputera jest obecnie nieznany. Dzięki algorytmowi kwantowemu Shora zadanie to staje się całkiem wykonalne, jeśli zostanie zbudowany komputer kwantowy.
- Badania w zakresie sztucznej inteligencji.
Teoretycznie komputery kwantowe dobrze do siebie pasująna potrzeby uczenia maszynowego. Manipulują dużymi ilościami danych w jednym przebiegu i są w stanie symulować wykładniczą sieć neuronową. W 2013 roku Google ogłosił otwarcie kwantowego laboratorium badawczego zajmującego się sztuczną inteligencją. Volkswagen prowadzi badania nad wykorzystaniem komputerów kwantowych do rozwoju samojezdnych samochodów oraz nowych typów akumulatorów (wykorzystując komputery kwantowe Google i D-Wave). W listopadzie 2018 roku koncern zapowiedział opracowanie systemu sterowania ruchem (wraz z integracją bezzałogowych pojazdów), działającego z wykorzystaniem komputerów kwantowych D-Wave.
- Modelowanie molekularne.
Zakłada się, że za pomocą kwantowegokomputery umożliwią dokładną symulację interakcji molekularnych i reakcji chemicznych. Reakcje chemiczne mają charakter kwantowy. W przypadku komputerów klasycznych dostępne są obliczenia zachowania tylko stosunkowo prostych cząsteczek. Zdaniem ekspertów symulacja na komputerach kwantowych otwiera nowe perspektywy dla rozwoju przemysłu chemicznego, w szczególności w zakresie tworzenia leków.
A co z Rosją?
Rosja jest aktywnie zaangażowana w wyścig kwantowy, okołoTo zostało napisane przez Nature około rok temu. Przyjęto również „mapę drogową rozwoju informatyki kwantowej”. Jeśli chodzi o obecny stan, Rosja stworzyła kluczowe elementy dla wszystkich głównych platform obliczeń kwantowych.
Następnym krokiem jest zwiększenie ich skali idemonstracja rozwiązywania problemów za ich pomocą. Należy zauważyć, że program koncentruje się nie tylko na sprzęcie i procesorach, ale także na oprogramowaniu. Do kolejnego przełomu w obliczeniach kwantowych zdecydowanie potrzebne są oryginalne pomysły - tradycyjnie mocna strona rosyjskich naukowców.
Pod koniec listopada 2020 stało się o tym głośnoutworzenie konsorcjum Krajowego Laboratorium Kwantowego (NKL). Konsorcjum, w skład którego weszły struktury Rosatom, Fundacja Skołkowo i uniwersytety, będzie eksportować technologie kwantowe i rozwijać infrastrukturę. Ale głównym zadaniem jest stworzenie komputera kwantowego.
W ramach „mapy drogowej” „Obliczenia kwantowe”planowana jest budowa ośrodka nanowytwarzania o powierzchni 2 tys. mkw. na terenie Skołkowo. m, a także zaawansowany kompleks laboratoryjny o powierzchni ponad 3,5 tys. mkw. m.
Wśród głównych wskaźników określonych w dokumencie „drogamap ”, które planuje się osiągnąć m.in. poprzez utworzenie NKL, - do końca 2024 r. członkowie konsorcjum muszą stworzyć systemy obliczeniowe na różnych platformach kwantowych o pojemności od 30 do 100 kubitów, zarejestrować 40 patentów międzynarodowych na rok.
Czytaj także:
Lodowiec Doomsday okazał się bardziej niebezpieczny, niż sądzili naukowcy. Mówimy najważniejsze
Zobacz największą górę lodową, jaką kiedykolwiek wyjęto z powietrza
Chiny po raz pierwszy przetestowały „sztuczne słońce”