Tietokonetietokone auttaa meitä tekemään sitä, mitä emme halua tai joita emme voi tehdä pääasiassa monimutkaisuuden takia tahattomien virheiden todennäköisyyden ja ajan takia. Esimerkiksi numeron korottaminen mielessä 128 astetta.
Kvanttitietokoneen tarkoitus ja käyttö.
Mikä on kvanttitietokone?
Tehokkain kvanttitietokone (QC) on - tai pikemminkin - täysin erilainen mekanismi, joka poikkeaa kaikesta, mitä ihminen on koskaan luonut. Nykyisin tehokkaimmat palvelimet näyttävät vain pieneltä osuudelta siitä, mitä täysimittainen kvanttitietokone voi lopulta tehdä.
Yksinkertaisesti sanottuna kvanttitietojenkäsittelyn tutkimuksen tavoitteena on löytää keinot, joilla nopeutetaan pitkän aallon ohjeiden suorittamista. Olisi väärin sanoa, että CC suorittaa ohjelmia nopeammin kuin PC- tai x86-palvelin. QC: n "ohjelma" on täysin erilainen koodausjärjestys kuin koskaan binääriprosessorille. Tietokoneiden syntymisen jälkeen suoritettiin monimutkaisia fyysisiä laskelmia, jotka 1940-luvulla auttoivat Yhdysvaltoja luomaan atomipommin. Transistorin keksimisen jälkeen näiden järjestelmien mitat vähenivät merkittävästi. Sitten tuli ajatus siitä, että rinnakkaiset prosessorit työskentelevät samanaikaisesti tehtäviin.
Quantum-laskenta on vain seuraava askel. On paljon ongelmia, joita nykyaikaiset tietokoneet tarvitsevat paljon aikaa ratkaista esimerkiksi lineaarinen yhtälöjärjestelmä, optimoida tukivektoreiden parametrit, löytää lyhin polku mielivaltaisen osan läpi tai etsiä strukturoimatonta luetteloa. Nämä ovat nyt melko abstrakteja ongelmia, mutta jos tiedät vähän algoritmeista tai ohjelmoinnista, voit nähdä, kuinka hyödyllistä tämä voi olla. Esimerkiksi grafiikkaprosessorit (GPU: t) keksittiin yksinomaan kolmioiden muodostamiseksi ja sitten niiden yhdistämiseksi kahteen tai kolmiulotteiseen maailmaan. Ja nyt Nvidia on miljardin dollarin yritys. Onko olemassa kvanttitietotekniikkaa tai joitakin sen historiallisia johdannaisia, joita ihmiset löytävät nyt hyvään käyttöön? Toisin sanoen, mitä kvantti todella tekee ja kenelle se toimii suoraan?
Mikä on kvanttitietokone?
Navigointi. Tämä on yksi kvanttitietokoneiden tärkeimmistä sovelluksista. GPS-järjestelmä ei voi toimia missään planeetalla, erityisesti veden alla. QC edellyttää, että atomit ylikierretään ja suspendoidaan tilaan, joka tekee niistä erityisen herkkiä. Yritettäessä hyödyntää tätä, kilpailevien tutkijoiden joukkueet pyrkivät kehittämään eräänlaista kvantti-kiihtyvyysmittaria, joka voi tarjota erittäin tarkkoja liiketietoja. Merkittävin panos alan kehitykseen tekee Ranskan fotoniikan ja nanotieteen laboratoriosta. Voimakas esimerkki tästä on pyrkimys luoda hybridikomponentti, joka yhdistää kiihtyvyysmittarin klassiseen ja käyttää sitten ylimääräistä suodatinta klassisen datan vähentämiseksi kvanttitiedoista. Tulos, jos se on toteutettu, on äärimmäisen tarkka kompassi, joka poistaa skaalaustekijän siirtymisen ja siirtymisen, joka yleensä liittyy gyroskooppisiin komponentteihin.
Seismologian. Samaa äärimmäistä herkkyyttä voidaan käyttää havaitsemaan öljy- ja kaasusäiliöiden läsnäolo sekä mahdolliset seismiset vaikutukset paikoissa, joissa tavanomaisia antureita ei ole vielä käytetty. Heinäkuussa 2017 Quantic osoitti, kuinka kvantti-gravimetri havaitsee syvästi piilotettujen esineiden esiintymisen mittaamalla värähtelyjä gravitaatiokentässä. Jos tällainen laite tehdään paitsi käytännölliseksi, myös kannettavaksi, tiimi uskoo, että siitä voi tulla korvaamaton varhaisvaroitusjärjestelmä, jossa ennustetaan seismisiä tapahtumia ja tsunameja. Pharmaceuticals. Etualalla ovat tutkimukset Alzheimerin taudin ja multippeliskleroosin kaltaisten sairauksien torjunnassa; tutkijat käyttävät ohjelmistoa, joka simuloi keinotekoisten vasta-aineiden käyttäytymistä molekyylitasolla.
Fysiikkaa. Tämä on itse asiassa syy siihen, että käsite on olemassa. Kvanttielektrodynamiikan (QED) isä professori Richard Feynman ehdotti vuonna 1981 pitämässään puheessa Caltechissa, että ainoa tapa rakentaa onnistunut fyysisen maailman simulointi kvanttitasolla on kone, joka noudattaa kvanttifysiikan ja mekaniikan lakeja. Professori Feynman selitti tämän puheen aikana, ja muu maailma ymmärsi, että ei riitä, että tietokone luo todennäköisyystaulukon ja miten noppaa rullaa. Lisäksi, jotta saataisiin tuloksia, joita fyysikot itse eivät kutsuneet apokryfaaliksi, tarvitaan mekanismi, joka käyttäytyi samalla tavalla kuin käyttäytyminen, jonka hän aikoi jäljitellä.
Koneen oppiminen. Kannattajien pääteoria on, että tällaiset järjestelmät voidaan sovittaa ”opiskelemaan” tilamalleja valtavissa rinnakkaisissa aalloissa eikä peräkkäisissä skannauksissa. Tavallinen matematiikka voi kuvata joukon todennäköisiä tuloksia vektoreiden muodossa villi-konfiguraatiotilassa. Dekoodausta. Tässä on lopulta läpimurto, joka heitti ensimmäisen kirkkaan valon tällaisiin laskelmiin. Mikä tekee salauskoodeista niin monimutkaisia, jopa nykyaikaisissa klassisissa tietokoneissa, on se, että ne perustuvat erittäin suureen määrään tekijöitä, jotka vaativat liiallista aikaa arvaamiseen sovitusmenetelmän avulla. Toimivan QC: n on eristettävä ja tunnistettava tällaiset tekijät muutamassa minuutissa, mikä tekee RSA-koodausjärjestelmästä vanhentuneen.
Salaus. Käsite, jota kutsutaan kvanttiavainjakaumaksi (QKD), antaa teoreettisen toiveen siitä, että julkisten ja yksityisten avainten tyypit, joita käytämme tänään viestien salaamiseksi, voidaan korvata avaimilla, joihin kohdistuu sekoitusvaikutuksia. Teoriassa mikä tahansa kolmas osapuoli, joka mursi avaimen ja yritti lukea sanoman, tuhoisi välittömästi viestin kaikille. Tämä voi tietenkin riittää. Mutta QKD-teoria perustuu valtavaan olettamukseen, jota ei ole vielä testattu todellisessa maailmassa: että sotkeutuneiden qubittien avulla saadut arvot ovat itsensä sotkeutuneet ja vaikuttavat siihen missä tahansa.
Mikä ero on kvanttitietokoneen ja tavallisen välillä?
Klassinen tietokone suorittaa laskutoimituksia bitteillä, jotka ovat 0 (“off”) ja 1 (”on”). Se käyttää transistoreita käsittelemään tietoja nollien sekvenssien ja ns. Lisää transistoreita, enemmän käsittelyvaihtoehtoja - tämä on tärkein ero. QC käyttää kvanttimekaniikan lakeja. Aivan kuten klassinen tietokone, joka käyttää nollia ja niitä. Nämä tilat voidaan saavuttaa hiukkasissa niiden sisäisen kulmakohdan vuoksi, jota kutsutaan spiniksi. Kaksi tilaa 0 ja 1 voidaan esittää takapartikkeleissa. Esimerkiksi myötäpäivään kohdistuva kierto edustaa 1, ja vastapäivään edustaa 0. QC: n käytön etuna on, että hiukkanen voi olla samanaikaisesti useissa tiloissa. Tätä ilmiötä kutsutaan superpositioksi. Tämän ilmiön vuoksi QC voi samanaikaisesti saavuttaa tilan 0 ja 1. Näin ollen klassisessa tietokoneessa tiedot ilmaistaan yhdellä numerolla 0 tai 1. QC käyttää lähtöjä, joita kuvataan samanaikaisesti 0 ja 1, mikä antaa suuremman laskennallisen tehon.
Miten kvanttitietokone toimii
Kvanttitietokone lasketaan käyttäen kvanttimekaanisia ilmiöitä, kuten superpositiota ja takertumista. QC on laite, joka suorittaa kvanttitietokoneita ja koostuu mikroprosessoreista. Tällainen tietokone on täysin erilainen kuin transistoreihin ja kondensaattoreihin perustuvat binääriset digitaaliset elektroniset tietokoneet. Vaikka tavanomaiset digitaaliset laskelmat edellyttävät, että data koodataan binääriluvuiksi (bitteiksi), joista kukin on aina toisessa kahdesta erityisestä tilasta (0 tai 1), kvanttilaskenta käyttää bittejä tai qubitteja, jotka voivat olla superpositiossa. Kvantti-Turing-koneen laite on tällaisen tietokoneen teoreettinen malli ja sitä kutsutaan myös yleiseksi QC-laitteeksi. Kvanttilaskennan ala aloitti Paul Benioffin ja Juri Maninin teokset vuonna 1980, Richard Feynman vuonna 1982 ja David Deutsch vuonna 1985.
Kvanttitietokoneen periaate
Vuodesta 2018 lähtien kvanttitietokoneiden toiminnan periaate on vielä alkuvaiheessa, mutta on tehty kokeita, joissa kvantti laskennalliset toiminnot suoritettiin hyvin pienellä määrällä kvanttibittejä. Sekä käytännön että teoreettinen tutkimus on käynnissä, ja monet kansalliset hallitukset ja sotilasvirastot rahoittavat kvanttitietojenkäsittelyä koskevia lisäponnisteluja kvanttitietokoneiden kehittämiseksi siviili-, liike-, kauppa-, ympäristö- ja kansallisiin turvallisuustavoitteisiin, kuten cryptanalysis. Suuren mittakaavan kvanttitietokoneet voisivat teoriassa ratkaista tiettyjä ongelmia paljon nopeammin kuin mikään klassinen tietokone, joka käyttää parhaillaan parhaita algoritmeja, kuten kokonaislukufaktorointi käyttäen Shore-algoritmia (joka on kvanttialgoritmi) ja mallinnetaan järjestelmän elinten kvanttijoukko.
On olemassa kvanttitoimintoja, kuten Simon-algoritmi, joka toimii nopeammin kuin mikä tahansa mahdollinen todennäköisyysluokassa oleva algoritmi. Klassinen tietokone voi periaatteessa (eksponentiaalisten resurssien avulla) mallia kvanttialgoritmista, koska kvanttitietokone ei riko kirkon-Turingin väitöskirjaa. Toisaalta kvanttitietokoneet voivat pystyä ratkaisemaan tehokkaasti ongelmia, jotka eivät ole käytännössä mahdollisia klassisissa tietokoneissa.