Obliczenia kwantowe: to szalone

(zupełnie nieistotny obraz, który wygląda fajnie, by przyciągnąć uwagę)

Od dłuższego czasu słyszymy o obliczeniach kwantowych, ale o co chodzi w tym szumie. Komputery kwantowe są znacznie szybsze niż komputery klasyczne (urządzenie, którego używasz do czytania tego postu), więc czy sprawią, że nasze obecne komputery staną się przestarzałe?

Nie, nie sądzę. Procesor kwantowy ewoluowałby jako rodzaj koprocesora, który będzie rezydował obok normalnego procesora, pomagając mu w zadaniach wykorzystujących równoległość kwantową. Przejdźmy więc do sedna, więc komputery kwantowe nie są szybsze od klasycznych komputerów we wszystkich przypadkach? Nie, nie są.

Czym więc jest paralelizm kwantowy i jak komputer kwantowy może z niego korzystać. Aby wiedzieć, w jaki sposób komputer kwantowy korzysta z paralelizmu kwantowego, musimy najpierw wiedzieć, w jaki sposób komputer klasyczny rozwiązuje problem.

Załóżmy, że mamy taki labirynt

(Labirynt)

Jak klasyczny komputer radzi sobie z tym rozwiązaniem (uproszczone)

  • Wybierz początkową trasę
  • Spróbuj poruszać się w lewo, w prawo lub do przodu (nie do tyłu)
  • Sprawdź, czy jesteś poza labiryntem
  • Jeśli nie jesteś na zewnątrz, powtórz krok 1
  • Jeśli jedynym sposobem na poruszanie się jest do tyłu, jesteś uwięziony.
  • Oznacz trasę jako niepoprawną i powtórz kroki od początku, unikając kroków prowadzących do nieprawidłowych tras.
  • Wreszcie wybierzemy właściwą trasę, brutalnie przedzierając się przez każde rozwiązanie

To jest bardzo czasochłonne. Jednym ze sposobów na przyspieszenie tego procesu jest użycie wielu rdzeni procesora do jednoczesnego sprawdzenia wielu tras w tym samym czasie, co pozwala na liniowe zwiększenie skali proporcjonalne do liczby rdzeni procesora, ale maksymalna możliwa szybkość zależy od liczby rdzeni procesora masz w większości przypadków około 4–16.

Możesz spróbować użyć procesora graficznego, który ma 1000–4000 rdzeni, aby sprawdzić 4000 tras jednocześnie, aby osiągnąć znacznie lepsze przyspieszenie. Ale co jeśli masz milion możliwych tras, normalnym procesorom trudno jest rozwiązać labirynt, ponieważ zależy to od liczba rdzeni dla przyspieszenia. Jak więc procesor kwantowy rozwiąże labirynt?

To bardzo proste, że procesor kwantowy nie jest ograniczony liczbą rdzeni, więc może wykorzystać równoległość kwantową do sprawdzenia każdej trasy za jednym razem. To brzmi szalenie. Jak robi to komputer kwantowy, jak może sprawdzać wiele tras jednocześnie czas? Czyni to za pomocą superpozycji.

Qubity: kwantowy odpowiednik zwykłych bitów

Normalne komputery wykonują obliczenia przy użyciu bitów, które mogą przechowywać dwa unikalne stany albo 0 albo 1, ale komputery kwantowe używają kubitów, które mogą być jednocześnie 0 i 1, co?

Klasyczny bit vs Qubit

Większość z nas mogła się dowiedzieć, że bardzo małe jednostki materii (elektron) wykazują właściwości obu fal i materii, które są dwoma odrębnymi stanami. Cóż, pokazują jednocześnie właściwości fali i materii, więc dosłownie istnieją w dwóch różnych stanach jednocześnie. Bit kwantowy również używa superpozycji i może wynosić 1,0, a superpozycja 1 i 0.

W bitach klasycznych wysokie napięcie wskazuje 1, a niskie napięcie wskazuje zero, co pozwala na pomiar różnych stanów. W kubitach, jak możemy zmierzyć stan superpozycji?

Superpozycja: „więc jesteś jednocześnie martwy i żywy?”

Cóż, superpozycja jest stanem przed pomiarem i nie ma lepszego sposobu na wyjaśnienie tego niż użycie „uproszczonej” wersji eksperymentu myślowego Schroingerera. Schroedinger zamknął swojego kota w metalowej skrzyni z atomem radioaktywnym. Teraz jest szansa 50–50 że atom może ulec rozkładowi radioaktywnemu, a kot umrze w następstwie zatrucia promieniowaniem lub atom nie ulegnie rozpadowi, a kot żyje, aby opowiedzieć historię. Możemy tylko wiedzieć, czy kot jest martwy, czy żywy, gdy otwieramy pudełko, ale jak tam jest równe prawdopodobieństwo, że kot jest martwy lub żywy, gdy pudełko nie jest otwarte, mówimy, że kot jest zarówno martwy, jak i żywy (superpozycja), gdy pudełko nie jest otwarte i zmienia się w martwe lub żywe, gdy otworzysz pudełko , to znaczy, jeśli otworzysz pudełko i okaże się, że kot nie żyje, nie był wcześniej martwy, ale zmarł w chwili otwarcia pudełka w celu zmierzenia wyniku eksperymentu. W gruncie rzeczy zabiłeś kota, gdy otworzyłeś pudełko :(. Pozwala przewinąć do tyłu i pomyśleć o tym, co się właśnie stało.

Qubity wykorzystują stan superpozycji do osiągnięcia równoległości kwantowej. Innym przykładem, który pomoże zrozumieć tę koncepcję, jest eksperyment rzucania monetą. Załóżmy, że rzucasz monetą, możliwym rezultatem jest głowa lub ogon (0 i 1), gdy gdy rzucasz monetą, istnieje równe prawdopodobieństwo, że stanem końcowym może być głowa lub ogon, co powoduje superpozycję stanu. Kiedy moneta ostatecznie wyląduje w twojej ręce w tym momencie, wypychamy monetę ze stanu superpozycji do wyraźnego jeden (głowa lub ogon). Kiedy masz głowę na tym świecie, istnieje świat równoległy, w którym wynik monety był ogonem. Komputer kwantowy może wykorzystać tę koncepcję świata równoległego do obliczenia wszystkich możliwych stanów wyniku w jednym obliczeniu. użyj równoległości kwantowej, aby rozwiązać problemy. Tak jest, jeśli klasyczny komputer może użyć jednego bitu do przedstawienia jednego stanu. . . . . . (0 lub 1) kubit może reprezentować 2 stany (zarówno 0, jak i 1). To, jak komputer kwantowy skaluje się z liczbą kubitów, jest dość fascynujące. Jeśli istnieją 3 klasyczne bity używane do reprezentowania nie, mogą one reprezentować tylko pojedynczy stan, np. (000,001,010,111) itd., Ale 3 kubit może reprezentować 8 wszystkie możliwe stany jednocześnie przy użyciu superpozycji (qqq, w której każde q może mieć wartość 0 lub 1), więc to, co przyjmuje klasyczne obliczenia komputerowe 8, przyjmuje obliczenia qubit tylko 1. Kiedy liczba kubitów zwiększa dane, które komputer kwantowy zwiększa wykładniczo, jak 2 ^ n gdzie n jest liczbą kubitów. Więc każdy kubit zwiększa pojemność komputera kwantowego do przetwarzania danych podwaja się, obecnie obserwujemy wzrost o 10-12 kubitów każdego roku, co przekłada się na przyspieszenie wielkości 1024 -4096 niż komputer kwantowy wyprodukowany rok wcześniej, co jest gigantyczne w porównaniu ze wzrostem prędkości szczytowej przewidywanym przez prawo Moore'a dla procesorów.

Splątanie kwantowe: „moc miłości jest szybsza niż światło”

Innym zjawiskiem, którego używamy w komputerach kwantowych, jest splątanie. Jeśli weźmiemy 2 elektrony i splątamy je, wówczas są one ze sobą powiązane, jeśli spróbujemy dokonać zmiany jednego, natychmiast wpłynie to na drugi elektron. Załóżmy, że bierzemy 2 elektrony i zaplątamy je następnie za pomocą bramki węzłowej i wprowadzamy w stan superpozycji i zabieramy je na krańce wszechświata. Teraz oba elektrony mają jednakowe prawdopodobieństwo, że będą w ruchu zgodnym z ruchem wskazówek zegara lub w przeciwnym kierunku. mierzymy elektron i znajdujemy jego spin, ta akcja natychmiast zmienia spin drugiego splątanego elektronu w przeciwnym kierunku. To natychmiastowe działanie jest szybsze niż prędkość światła, ale Einstein przewidział, że nic nie może podróżować szybciej niż światło. nazwał to upiorne działanie na odległość.

(rzeczywiście straszne)

Być może myślisz: „ta technologia obliczeń kwantowych wydaje się tak futurystyczna, że ​​nie ma mowy, abym mógł korzystać z komputera kwantowego w dowolnym momencie tej dekady” - nie, mylisz się, możesz teraz używać komputera kwantowego. IBM zapewnia, że ​​jesteś prawdziwym kwantem komputer majstrować przy 5 kubitach od teraz

Prawdziwe zastosowania komputerów kwantowych polegają na symulacji białek i szyfrowaniu pęknięć. Kluczem do szyfrowania jest to, że czynniki pierwsze bardzo dużej liczby są praktycznie nierozwiązywalne, można wygenerować liczbę na podstawie czynników pierwszych przez pomnożenie ich, ale nie można wygenerować czynników pierwszych łatwo wrócić z liczby. Próbowano rozwiązać ten problem, brutalnie wymuszając wszystkie możliwe kombinacje jedna po drugiej, co może zająć więcej czasu niż wiek wszechświata. Ale pojawienie się komputerów kwantowych zmieniłoby grę, komputery kwantowe mogą przejść wszystkie rozwiązania od razu wykorzystujące paralelizm kwantowy, dzięki czemu wszystkie nowoczesne szyfrowanie są bezużyteczne. Ale nie martw się po pojawieniu się komputerów kwantowych istniałaby kryptografia zwana kryptografią post-kwantową, która jest praktycznie nie do pokonania nawet dla komputerów kwantowych.

Codziennie nowe aplikacje komputerów kwantowych, a IBM przewiduje, że komputery kwantowe wejdą do głównego nurtu w ciągu 5 lat i wydaje się, że nie ma lepszego czasu na dostęp do obliczeń kwantowych niż teraz. Więc zamiast czekać na przybycie komputera MacBook z napędem kwantowym wypróbuj go w Doświadczenie z IBM Q.