Kvantarvuti toimimise põhimõte ja ulatus

Arvutitöötlus aitab meil teha seda, mida me ei taha või ei saa teha peamiselt keerukuse tõttu, tahtmatute vigade ja aja tõttu. Näiteks tõstes meelt 128-ndale kraadile numbrit.

Kvantarvuti eesmärk ja kasutamine.

Mis on kvantarvuti?

Kõige võimsam kvantarvuti (QC) on - või pigem - täiesti erinev mehhanism, mis erineb kõigest, mida inimene kunagi loonud. Tänapäeva kõige võimsamad serverid näevad välja nagu vaid väike osa sellest, mida lõplik kvantarvuti lõppkokkuvõttes teeb.

Lihtsamalt öeldes on kvantarvutamise valdkonna uuringute eesmärk leida vahendid pikema lainejuhiste täitmise kiirendamiseks. Oleks vale öelda, et CC juhib programme kiiremini kui PC või x86 server. QC programm „programmeerimine” on täiesti erinev kodeerimiskord kui binaarprotsessoril. Pärast arvutite sündi viidi läbi keerulised füüsilised arvutused, mis 1940. aastatel aitasid Ameerika Ühendriikidel luua aatomipommi. Pärast transistori leiutamist vähendati oluliselt nende süsteemide mõõtmeid. Siis tuli idee, et paralleelsed protsessorid töötaksid samaaegselt ülesannetega.

Kvantarvutus on lihtsalt järgmine samm. On palju probleeme, mida tänapäeva arvutid vajavad palju aega, et lahendada näiteks lineaarse võrrandisüsteemi lahendamine, tugivektorite parameetrite optimeerimine, lühima tee leidmine suvalise sektsiooni kaudu või struktureerimata nimekirja otsimine. Need on nüüd üsna abstraktsed probleemid, kuid kui te teate algoritmidest või programmeerimisest vähe, näete, kui kasulik see on. Näiteks leiutati graafikaprotsessorid (GPU) ainult kolmnurga tegemise ja seejärel kahe või kolmemõõtmelise maailma ühendamiseks. Ja nüüd on Nvidia miljardi dollari ettevõte. Kas on olemas kvantarvutamise või mõne selle ajaloolise tuletisinstrumendi tehnoloogia, mida inimesed nüüd hästi kasutavad? Teisisõnu, mida tegelikult kvant teeb ja kellele see vahetult teenib?

Milleks on kvantarvuti?

Navigeerimine See on kvantarvutite üks peamisi rakendusi. GPS-süsteem ei tööta planeedil, eriti vee all. QC nõuab, et aatomid oleksid ülejahutatud ja peatatud olekus, mis muudab need eriti tundlikuks. Püüdes seda ära kasutada, püüavad konkureerivad teadlaste meeskonnad välja töötada mingi kvantkiirendusmõõturi, mis suudaks pakkuda väga täpset liikumisandmeid. Kõige olulisem panus tööstuse arengusse on Prantsuse fotoonika ja nanoteaduste labor. Elav näide sellest on katse luua hübriidkomponent, mis kombineerib kiirendusmõõturi klassikalise ja kasutab seejärel kõrgandurfiltrit, et lahutada klassikalised andmed kvantandmetest. Tulemus, kui see on rakendatud, on äärmiselt täpne kompass, mis kõrvaldab mastaabiteguri nihke ja triivi, mis on tavaliselt seotud güroskoopiliste komponentidega.

Seismoloogia. Sama äärmuslikku tundlikkust saab kasutada ka õli- ja gaasikogumite avastamiseks, samuti potentsiaalseks seismiliseks aktiivsuseks kohtades, kus tavalisi andureid pole veel kasutatud. 2017. aasta juulis näitas Quantic, kuidas kvant gravimeeter tuvastab sügavalt peidetud objektide olemasolu, mõõtes gravitatsioonivälja võnkumisi. Kui selline seade on tehtud mitte ainult praktiliseks, vaid ka kaasaskantavaks, usub meeskond, et see võib muutuda hindamatuks varajase hoiatamise süsteemis seismiliste sündmuste ja tsunamite prognoosimiseks. Farmaatsiatooted. Esiplaanil on teadusuuringud selliste haiguste vastu nagu Alzheimeri tõbi ja hulgiskleroos; teadlased kasutavad tarkvara, mis simuleerib kunstlike antikehade käitumist molekulaarsel tasandil.

Füüsika See on tõepoolest just selle kontseptsiooni olemasolu põhjus. 1981. aastal Caltechis toimunud kõne ajal soovitas kvantelektroodünaamika (QED) isa professor Richard Feynman, et ainus viis füüsilise maailma edukaks simuleerimiseks kvanttasandil on masin, mis järgib kvantfüüsika ja mehaanika seadusi. Just selle kõne ajal selgitas professor Feynman ja ülejäänud maailm mõistis, et ei piisa, kui arvuti genereerib tõenäosustabelit ja kuidas täringut rulli panna. Veelgi enam, selleks, et saada tulemusi, mida füüsikud ise ei nimetaks apokrüüfiks, oleks vaja mehhanismi, mis käituks samal viisil kui käitumine, mida ta kavatses jäljendada.

Masinõpe. Toetajate peamine teooria on see, et selliseid süsteeme saab kohandada olekumudelite uurimiseks tohututes paralleelsetes lainetes, mitte järjestikustes skannides. Tavapärane matemaatika võib kirjeldada tõenäoliste tulemuste kogumit vektorite kujul metsiku konfiguratsiooni ruumis. Krüptimine Lõpuks on see läbimurre, mis viskas sellised arvutused esimesele eredale valgusele. Krüpteerimiskoodide keerukus nii kaasaegsete klassikaliste arvutite jaoks on see, et need põhinevad väga suurel arvul teguritel, mis vajavad sobitamise meetodil liiga palju aega arvamiseks. Töötav kvaliteedikontroll peab isoleerima ja identifitseerima sellised tegurid mõne minuti jooksul, mis muudab RSA kodeerimissüsteemi tõhusaks.

Krüpteerimine Mõiste, mida nimetatakse kvantvõtme jaotuseks (QKD), annab teoreetilise lootuse, et tänapäeval sõnumite krüpteerimiseks kasutatavaid avaliku ja erasektori võtmeid saab asendada võtmetega, mille mõju on takistuseks. Teoreetiliselt hävitaks iga kolmas isik, kes võti katkestas ja üritas sõnumit lugeda, kohe kõigile sõnumi hävitada. See võib muidugi olla piisav. Kuid QKD teooria põhineb tohutul eeldusel, mida reaalses maailmas veel ei testita: et segaduses olevate qubitide abil saadud väärtused on endid takerdunud ja mõjutatud kõikjal.

Milline on erinevus kvantarvuti ja tavalise vahel?

Klassikaline arvuti teeb arvutused, kasutades bitte, mis on 0 (“off”) ja 1 (“on”). See kasutab transistoreid, et töötleda informatsiooni nullide ja nn arvutitevaheliste keelte kujul. Rohkem transistoreid, rohkem töötlemisvõimalusi - see on peamine erinevus. QC kasutab kvantmehaanika seadusi. Nagu klassikaline arvuti, mis kasutab nulli ja neid. Neid olekuid on võimalik saavutada osakestes nende sisemise nurkmomendi tõttu, mida nimetatakse spiniks. Tagakülgedes võivad olla esindatud kaks olekut 0 ja 1. Näiteks on päripäeva pöörlemine 1 ja vastupäeva tähistab 0. QC kasutamise eelis on see, et osakese võib olla samal ajal mitmetes riikides. Seda nähtust nimetatakse superpositsiooniks. Selle nähtuse tõttu võib QC samaaegselt jõuda olekusse 0 ja 1. Seega klassikalises arvutis väljendatakse teavet ühe numbriga 0 või 1. QC kasutab väljundeid, mida kirjeldatakse kui 0 ja 1, mis annab suurema arvutusvõimsuse.

Kuidas kvantarvuti töötab

Kvantarvutus on arvutus, kasutades kvantmehaanilisi nähtusi nagu superpositsioon ja takerdumine. QC on seade, mis täidab kvantarvutust ja koosneb mikroprotsessoritest. Selline arvuti on täiesti erinev transistoridel ja kondensaatoritel põhinevatest binaarsetest digitaalsetest elektroonilistest arvutitest. Kuigi tavapärased digitaalsed arvutused nõuavad, et andmed kodeeritakse binaarseks numbriks (bittideks), millest igaüks on alati ühes kahest konkreetsest olekust (0 või 1), kasutab kvantarvutus bitti või qubiti, mis võivad olla superpositsioonis. Kvant Turingi masina seade on sellise arvuti teoreetiline mudel ja seda tuntakse ka universaalse QC-na. Kvantarvutuse valdkonda alustasid Paul Benioffi ja Juri Manini tööd 1980. aastal, Richard Feynman 1982. aastal ja David Deutsch 1985. aastal.

Kvantarvuti põhimõte

Alates 2018. aastast on kvantarvutite tööpõhimõte ikka veel lapsekingades, kuid on läbi viidud katsed, kus kvantarvutusoperatsioonid viidi läbi väga väikese hulga kvantbittidega. Nii praktilised kui ka teoreetilised uuringud on käimas ning paljud riiklikud valitsused ja sõjaväeorganisatsioonid rahastavad kvantarvutite uuringuid täiendavate jõupingutuste jaoks, et arendada kvantarvutid tsiviil-, äri-, kaubandus-, keskkonna- ja riikliku julgeoleku eesmärkidele, näiteks krüptoanalüüsile. Suuremahulised kvantarvutid võiksid teoreetiliselt töötada teatud probleemide lahendamiseks palju kiiremini kui ükskõik millised klassikalised arvutid, mis kasutavad tänaseni isegi parimaid algoritme, nagu täisarvufaktoriseerimine, kasutades Shore algoritmi (mis on kvantalgoritm) ja modelleerides süsteemikehade kvantide komplekti.

On kvantmeetodeid, nagu Simon algoritm, mis töötab kiiremini kui ükskõik milline võimalik tõenäosuslik klassikaline algoritm. Klassikaline arvuti võib põhimõtteliselt (koos eksponentsiaalsete ressurssidega) modelleerida kvantalgoritmi, kuna kvantarvutus ei riku Kiriku-Turingi teesi. Teisest küljest võivad kvantarvutid olla võimelised tõhusalt lahendama probleeme, mis ei ole klassikalistes arvutites praktiliselt võimalikud.