Počítačové počítačové systémy nám pomáhajú robiť to, čo nechceme alebo nemôžeme robiť hlavne kvôli zložitosti, kvôli pravdepodobnosti nedobrovoľných chýb a kvôli času. Napríklad, zvýšenie čísla na 128. stupeň v mysli.
Účel a použitie kvantového počítača.
Čo je to kvantový počítač?
Najvýkonnejší kvantový počítač (QC) je - alebo skôr by bol - úplne odlišným mechanizmom, odlišným od všetkého, čo kedy človek vytvoril. Najmocnejšie servery dnes vyzerajú len ako malá časť toho, čo môže v konečnom dôsledku urobiť kvantový počítač.
Zjednodušene povedané, cieľom výskumu v oblasti kvantovej výpočtovej techniky je objaviť prostriedky na urýchlenie vykonávania dlhovlnných inštrukcií. Bolo by nesprávne povedať, že CC spúšťa programy rýchlejšie ako PC alebo x86 server. „Program“ pre QC je úplne odlišné poradie kódovania než kedykoľvek predtým pre binárny procesor. Po narodení počítačov boli vykonané komplexné fyzikálne výpočty, ktoré v 40. rokoch pomohli Spojeným štátom vytvoriť atómovú bombu. Po vynáleze tranzistora boli rozmery týchto systémov výrazne znížené. Potom prišla myšlienka paralelných procesorov pracujúcich na úlohách súčasne.
Kvantové výpočty sú len ďalším krokom. Existuje mnoho problémov, ktoré moderné počítače vyžadujú značný čas na riešenie, napríklad riešenie lineárneho systému rovníc, optimalizácia parametrov pre podporné vektory, nájdenie najkratšej cesty cez ľubovoľnú sekciu alebo vyhľadávanie v neštruktúrovanom zozname. Toto sú teraz dosť abstraktné problémy, ale ak viete o algoritmoch alebo programovaní trochu, môžete vidieť, aké užitočné to môže byť. Ako príklad, grafické procesory (GPU) boli vynájdené výhradne na účely vykreslenia trojuholníkov a ich zlúčenia do dvoj- alebo trojdimenzionálneho sveta. A teraz je Nvidia miliardovou spoločnosťou. Existujú nejaké technológie kvantových výpočtov alebo niektoré z ich historických derivátov, ktoré dnes ľudia dobre využívajú? Inými slovami, čo vlastne robí kvantum a komu priamo slúži?
Na čo je kvantový počítač?
Navigácia. Toto je jedna z hlavných aplikácií kvantových počítačov. Systém GPS nemôže pracovať kdekoľvek na planéte, najmä pod vodou. QC vyžaduje, aby atómy boli podchladené a suspendované v stave, ktorý ich robí obzvlášť citlivými. V snahe zúročiť to, konkurenčné tímy vedcov sa snažia vyvinúť druh kvantového akcelerometra, ktorý môže poskytnúť veľmi presné údaje o pohybe. Najvýznamnejším príspevkom k rozvoju priemyslu je francúzske laboratórium fotoniky a nanovedy. Živým príkladom je pokus o vytvorenie hybridného komponentu, ktorý kombinuje akcelerometer s klasickým a potom použije vysokopriepustný filter na odčítanie klasických dát z kvantových dát. Výsledkom, ak bude implementovaný, bude extrémne presný kompas, ktorý eliminuje posun a posun koeficientu mierky, zvyčajne spojený s gyroskopickými komponentmi.
Seizmológie. Rovnakú extrémnu citlivosť je možné použiť na detekciu prítomnosti ropných a plynných nánosov, ako aj potenciálnu seizmickú aktivitu v miestach, kde sa doteraz nepoužívali bežné senzory. V júli 2017 QuantIC demonštroval, ako kvantový gravimeter detekuje prítomnosť hlboko skrytých objektov meraním oscilácií v gravitačnom poli. Ak je takéto zariadenie vyrobené nielen praktické, ale aj prenosné, tím sa domnieva, že sa môže stať neoceniteľným v systéme včasného varovania na predpovedanie seizmických udalostí a cunami. Pharmaceuticals. V popredí je výskum v boji proti chorobám, ako je Alzheimerova choroba a roztrúsená skleróza; Vedci používajú softvér, ktorý simuluje správanie umelých protilátok na molekulárnej úrovni.
Fyzika. To je vlastne dôvod samotnej existencie konceptu. Profesor Richard Feynman, otec kvantovej elektrodynamiky (QED), počas svojho vystúpenia v roku 1981 v spoločnosti Caltech navrhol, že jediným spôsobom, ako vybudovať úspešnú simuláciu fyzického sveta na kvantovej úrovni, je stroj, ktorý dodržiava zákony kvantovej fyziky a mechaniky. To bolo počas tohto vystúpenia, ktoré profesor Feynman vysvetlil, a zvyšok sveta si uvedomil, že to nebude stačiť, aby počítač vygeneroval pravdepodobnostnú tabuľku a ako hodiť kocky. Navyše, na získanie výsledkov, ktoré by samotní fyzici nenazývali apokryfiou, by bol potrebný mechanizmus, ktorý by sa choval rovnako ako správanie, ktoré chcel napodobniť.
Strojové učenie. Hlavnou teóriou priaznivcov je, že takéto systémy môžu byť prispôsobené tak, aby „študovali“ stavové modely v obrovských paralelných vlnách, a nie v postupných skenovaniach. Bežná matematika môže opísať súbor pravdepodobných výsledkov vo forme vektorov v priestore divokej konfigurácie. Dekódovanie. Tu je konečne prielom, ktorý vrhol prvé jasné svetlo na takéto výpočty. Čo robí šifrovacie kódy tak zložité, dokonca aj pre moderné klasické počítače, je to, že sú založené na extrémne veľkom počte faktorov, ktoré vyžadujú nadmerné množstvo času na odhadnutie pomocou metódy párovania. Pracovná QC musí izolovať a identifikovať takéto faktory v priebehu niekoľkých minút, čo robí systém kódovania RSA účinne zastaraný.
Šifrovanie. Koncepcia, nazývaná kvantová distribúcia kľúčov (QKD), dáva teoretickú nádej, že typy verejných a súkromných kľúčov, ktoré dnes používame na šifrovanie správ, môžu byť nahradené kľúčmi, ktoré sú predmetom účinkov zapletenia. Teoreticky by každá tretia strana, ktorá vypukla kľúč a pokúsila sa čítať správu, okamžite zničila správu pre každého. Samozrejme, toto môže stačiť. Teória QKD je však založená na obrovskom predpoklade, ktorý sa ešte musí otestovať v reálnom svete: že hodnoty získané pomocou zapletených qubitov sú samé zapletené a podliehajú účinkom všade, kam idú.
Aký je rozdiel medzi kvantovým počítačom a bežným počítačom?
Klasický počítač vykonáva výpočty pomocou bitov, ktoré sú 0 (“off”) a 1 (“on”). Používa tranzistory na spracovanie informácií vo forme sekvencií núl a tzv. Počítačových binárnych jazykov. Viac tranzistorov, viac možností spracovania - to je hlavný rozdiel. QC používa zákony kvantovej mechaniky. Rovnako ako klasický počítač, ktorý používa nuly a tie. Tieto stavy môžu byť dosiahnuté v časticiach v dôsledku ich vnútorného momentu hybnosti, nazývaného spin. V zadných časticiach môžu byť znázornené dva stavy 0 a 1. Napríklad otáčanie v smere hodinových ručičiek predstavuje 1 a proti smeru hodinových ručičiek predstavuje 0. Výhodou použitia QC je, že častica môže byť v niekoľkých stavoch súčasne. Tento jav sa nazýva superpozícia. Kvôli tomuto javu môže QC súčasne dosiahnuť stav 0 a 1. V klasickom počítači je teda informácia vyjadrená v termínoch jedného čísla 0 alebo 1. QC využíva výstupy, ktoré sú opísané súčasne ako 0 a 1, čo dáva väčší výpočtový výkon.
Ako robí kvantový počítač
Quantum computing je výpočtová technika využívajúca kvantové mechanické javy ako superpozícia a zapletenie. QC je zariadenie, ktoré vykonáva kvantové výpočty a pozostáva z mikroprocesorov. Takýto počítač je úplne odlišný od binárnych digitálnych elektronických počítačov na báze tranzistorov a kondenzátorov. Kým bežné digitálne výpočty vyžadujú, aby boli dáta zakódované do binárnych číslic (bitov), z ktorých každý je vždy v jednom z dvoch špecifických stavov (0 alebo 1), kvantový výpočet používa bity alebo qubity, ktoré môžu byť v superpozícii. Zariadenie kvantového Turingovho stroja je teoretickým modelom takéhoto počítača a je tiež známe ako univerzálna QC. Oblasť kvantových výpočtov sa začala prácami Paula Benioffa a Jurija Manina v roku 1980, Richarda Feynmana v roku 1982 a Davida Deutscha v roku 1985.
Princíp kvantového počítača
Od roku 2018, princíp fungovania kvantových počítačov je stále v plienkach, ale experimenty boli vykonané v ktorých kvantové výpočtové operácie boli vykonávané s veľmi malým počtom kvantových bitov. Pokračuje praktický aj teoretický výskum a mnohé národné vlády a vojenské agentúry financujú výskum kvantových počítačov v dodatočnom úsilí o rozvoj kvantových počítačov pre civilné, obchodné, obchodné, environmentálne a národné bezpečnostné ciele, ako je napríklad kryptoanalýza. Veľkokapacitné kvantové počítače by teoreticky mohli pracovať na riešení niektorých problémov oveľa rýchlejšie ako akékoľvek klasické počítače, ktoré doteraz používali tie najlepšie algoritmy, ako je napr.
Existujú kvantové akcie, ako napríklad Simonov algoritmus, ktoré bežia rýchlejšie ako akýkoľvek možný pravdepodobnostný klasický algoritmus. Klasický počítač môže v princípe (s exponenciálnymi zdrojmi) modelovať kvantový algoritmus, pretože kvantové výpočty neporušujú cirkevno-turingovu tézu. Na druhej strane, kvantové počítače môžu byť schopné efektívne riešiť problémy, ktoré nie sú prakticky možné na klasických počítačoch.