Datoru skaitļošana palīdz mums darīt to, ko nevēlamies vai ko nevaram darīt galvenokārt sarežģītības dēļ, jo pastāv nevēlamas kļūdas un laika dēļ. Piemēram, paceļot numuru līdz 128 grādam prātā.
Kvantu datora mērķis un izmantošana.
Kas ir kvantu dators?
Visjaudīgākais kvantu dators (QC) ir - vai drīzāk būtu - pilnīgi atšķirīgs mehānisms, kas atšķiras no cilvēka jebkad radītā. Šodien visspēcīgākie serveri izskatās kā maza daļa no tā, ko var paveikt pilntiesīgs kvantu dators.
Vienkārši runājot, kvantu skaitļošanas pētījumu mērķis ir atklāt līdzekļus, lai paātrinātu garo viļņu instrukciju izpildi. Būtu nepareizi teikt, ka CC vada programmas ātrāk nekā PC vai x86 serveris. QC “programma” ir pilnīgi atšķirīga kodēšanas secība nekā jebkad agrāk binārajam procesoram. Pēc datoru izveides tika veikti sarežģīti fiziskie aprēķini, kas 1940. gados palīdzēja Amerikas Savienotajām Valstīm izveidot atomu bumbu. Pēc tranzistora izgudrošanas šo sistēmu izmēri tika ievērojami samazināti. Tad nāca ideja par paralēliem procesoriem, kas vienlaicīgi strādā ar uzdevumiem.
Kvantu skaitļošana ir tikai nākamais solis. Ir daudz problēmu, kas mūsdienu datoriem prasa ievērojamu laiku, lai atrisinātu, piemēram, lineāro vienādojumu sistēmas risināšanu, optimizētu atbalsta vektoru parametrus, atrast īsāko ceļu caur patvaļīgu sadaļu vai meklētu nestrukturētu sarakstu. Tagad tās ir diezgan abstraktas problēmas, bet, ja jūs mazliet zināt par algoritmiem vai programmēšanu, jūs varat redzēt, cik noderīgi tas ir. Piemēram, grafikas procesori (GPU) tika izgudroti tikai ar mērķi padarīt trīsstūri un pēc tam tos apvienot divdimensiju pasaulē. Un tagad Nvidia ir miljardu dolāru uzņēmums. Vai ir kādas kvantu skaitļošanas tehnoloģijas vai daži no tā vēsturiskajiem atvasinājumiem, kurus cilvēki tagad izmanto labi? Citiem vārdiem sakot, ko faktiski dara kvants un kam tas tieši kalpo?
Kas ir kvantu dators?
Navigācija Šis ir viens no galvenajiem kvantu datoriem. GPS sistēma nevar darboties jebkurā vietā uz planētas, īpaši zem ūdens. QC prasa, lai atomi tiktu pārkarsēti un apturēti tādā stāvoklī, kas padara tos īpaši jutīgus. Mēģinot gūt labumu, konkurējošas zinātnieku komandas cenšas izstrādāt sava veida kvantu akselerometru, kas var sniegt ļoti precīzus kustības datus. Nozīmīgākais ieguldījums nozares attīstībā padara Francijas fotonikas un nanozinātnes laboratoriju. Spilgts piemērs tam ir mēģinājums izveidot hibrīda komponentu, kas apvieno akselerometru ar klasisko, un pēc tam izmanto augstās caurlaides filtru, lai atņemtu klasiskos datus no kvantu datiem. Rezultāts, ja tas tiks īstenots, būs ārkārtīgi precīza kompass, kas novērsīs mēroga faktora pārvietošanu un novirzi, kas parasti ir saistīta ar giroskopiskiem komponentiem.
Seismoloģija. Tādu pašu ārkārtējo jutīgumu var izmantot, lai noteiktu naftas un gāzes atradnes, kā arī iespējamo seismisko aktivitāti vietās, kur vēl nav izmantoti parastie sensori. 2017. gada jūlijā Quantic parādīja, kā kvantu gravimetrs atklāj dziļi slēptus objektus, mērot svārstības gravitācijas laukā. Ja šāda ierīce ir ne tikai praktiska, bet arī pārnēsājama, komanda uzskata, ka tā var kļūt par nenovērtējamu agrīnās brīdināšanas sistēmā, lai prognozētu seismiskos notikumus un cunami. Farmācija. Priekšplānā ir pētījumi cīņā pret tādām slimībām kā Alcheimera slimība un multiplā skleroze; zinātnieki izmanto programmatūru, kas imitē mākslīgo antivielu uzvedību molekulārā līmenī.
Fizika Tas patiesībā ir iemesls koncepcijas pastāvēšanai. 1981. gadā Caltechā runājot, kvantu elektrodinamikas tēvs (QED) profesors Ričards Feinmans ierosināja, ka vienīgais veids, kā veidot veiksmīgu fiziskās pasaules simulāciju kvantu līmenī, ir mašīna, kas pakļaujas kvantu fizikas un mehānikas likumiem. Tieši šīs runas laikā paskaidroja profesors Feinmans, un pārējā pasaule saprata, ka nepietiek, ja datoram rodas varbūtību tabula un kā nocelt. Turklāt, lai iegūtu rezultātus, ko paši fiziķi neprasītu apokrfālam, būtu nepieciešams mehānisms, kas rīkotos tādā pašā veidā kā uzvedība, kuru viņš vēlējās atdarināt.
Mašīnmācība. Galvenā atbalstītāju teorija ir tāda, ka šādas sistēmas var pielāgot, lai “pētītu” valsts modeļus milzīgos paralēlos viļņos, nevis secīgos skenējumos. Parastā matemātika var aprakstīt varbūtēju rezultātu kopumu vektoru veidā savvaļas konfigurācijas telpā. Atšifrēšana Visbeidzot, ir izrāviens, kas pirmais spilgtu gaismu iemetināja šādiem aprēķiniem. Kas padara šifrēšanas kodus tik sarežģītus, pat mūsdienu klasiskajos datoros, ir tāds, ka tie ir balstīti uz ļoti daudziem faktoriem, kam nepieciešams pārāk ilgs laiks, lai uzminētu, izmantojot saskaņošanas metodi. Darbojošam QC ir jāizolē un jānosaka šādi faktori dažu minūšu laikā, kas padara RSA kodēšanas sistēmu faktiski novecojušu.
Šifrēšana Koncepcija, ko sauc par kvantu atslēgu izplatīšanu (QKD), dod teorētisku cerību, ka publisko un privāto atslēgu veidus, ko mēs šodien izmantojam, lai šifrētu ziņojumus, var aizstāt ar atslēgām, kas pakļautas piesaistes efektiem. Teorētiski jebkura trešā puse, kas krekinga atslēgu un mēģināja lasīt ziņu, nekavējoties iznīcinātu ziņu ikvienam. Protams, tas var būt pietiekami. Bet QKD teorija balstās uz milzīgu pieņēmumu, kas vēl nav pārbaudīts reālajā pasaulē: ka vērtības, kas iegūtas, izmantojot apgrūtinātos qubitus, paši ir iejaukti un pakļauti iedarbībai, lai arī kur viņi dotos.
Kāda ir atšķirība starp kvantu datoru un parasto?
Klasiskais dators veic aprēķinus, izmantojot bitus, kas ir 0 (“off”) un 1 (“on”). Tā izmanto tranzistorus, lai apstrādātu informāciju nullu un tā dēvēto datorbināro valodu secību veidā. Vairāk tranzistoru, vairāk apstrādes iespēju - tā ir galvenā atšķirība. QC izmanto kvantu mehānikas likumus. Tāpat kā klasisks dators, kas izmanto nulles un tās. Šos stāvokļus var sasniegt daļiņās to iekšējās leņķiskās kustības dēļ, ko sauc par spin. Divus stāvokļus 0 un 1 var attēlot aizmugurējās daļiņās. Piemēram, pulksteņrādītāja kustība ir 1, un pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam ir 0. QC izmantošanas priekšrocība ir tā, ka daļiņas var būt vairākās valstīs vienlaicīgi. Šo parādību sauc par superpozīciju. Šīs parādības dēļ QC var vienlaicīgi sasniegt stāvokli 0 un 1. Tādējādi klasiskajā datorā informācija tiek izteikta ar vienu skaitli 0 vai 1. QC izmanto izejas, kas vienlaicīgi aprakstītas kā 0 un 1. Tas dod lielāku skaitļošanas jaudu.
Kā darbojas kvantu dators
Kvantu skaitļošana ir skaitļošana, izmantojot kvantu mehāniskās parādības, piemēram, superpozīciju un saķeri. QC ir ierīce, kas veic kvantu skaitļošanu un sastāv no mikroprocesoriem. Šāds dators ir pilnīgi atšķirīgs no binārajiem ciparu elektroniskajiem datoriem, kuru pamatā ir tranzistori un kondensatori. Lai gan parastie digitālie aprēķini pieprasa, lai dati būtu kodēti bināros ciparos (bitos), katrs no tiem vienmēr ir vienā no diviem konkrētiem stāvokļiem (0 vai 1), kvantu aprēķins izmanto bitus vai qubitus, kas var būt superpozīcijā. Kvantu Turinga iekārtas ierīce ir šāda datora teorētiskais modelis, un to sauc arī par universālo QC. Kvantu skaitļošanas jomu sāka Paul Benioff un Yuri Manin darbi 1980. gadā, Ričards Feinmans 1982. gadā un David Deutsch 1985. gadā.
Kvantu datora princips
Kopš 2018. gada kvantu datoru darbības princips joprojām ir sākumposmā, bet ir veikti eksperimenti, kuros kvantu skaitļošanas operācijas tika veiktas ar ļoti mazu kvantu skaitu. Tiek veikti gan praktiskie, gan teorētiskie pētījumi, un daudzas valstu valdības un militārās aģentūras finansē pētījumus par kvantu skaitļošanu papildu centienos attīstīt kvantu datorus civilajiem, uzņēmējdarbības, tirdzniecības, vides un valsts drošības mērķiem, piemēram, kriptanalīzei. Liela mēroga kvantu datori teorētiski varētu strādāt, lai atrisinātu dažas problēmas daudz ātrāk nekā jebkurš klasiskais dators, kas līdz šim izmanto pat labākos algoritmus, piemēram, veselu skaitļu faktorizāciju, izmantojot Shore algoritmu (kas ir kvantu algoritms) un modelējot sistēmas struktūru kvantu kopu.
Ir kvantu darbības, piemēram, Simon algoritms, kas darbojas ātrāk nekā jebkurš iespējamais varbūtības klasiskais algoritms. Klasiskais dators principā (ar eksponenciāliem resursiem) var modelēt kvantu algoritmu, jo kvantu skaitļošana nepārkāpj Baznīcas-Turingas darbu. No otras puses, kvantu datori var efektīvi risināt problēmas, kas nav praktiski iespējams klasiskajos datoros.