Kvantno računarstvo: njegova je luda

(potpuno nebitna slika koja izgleda cool kako bi pokupila pažnju)

O kvantnom računanju slušamo već dosta dugo, ali o čemu se radi u hipi. Kvantna su računala daleko brža od klasičnih računala (uređaj koji koristite za čitanje ovog posta), pa će oni sadašnja računala postati zastarela?

Ne, ne mislim tako. Kvantni procesor razvio bi se kao svojevrsni koprocesor koji će se nalaziti pored uobičajenog CPU-a kako bi mu pomogao u zadacima koji koriste prednosti kvantnog paralelizma. Dakle, prijeđimo na ovo pitanje, tako da kvantna računala nisu brža od klasičnih računala u svim slučajevima? Ne, nisu.

Dakle, što je kvantni paralelizam i kako ga kvantno računalo može iskoristiti. Da bismo znali kako kvantno računalo koristi prednosti kvantnog paralelizma, prvo moramo znati kako klasično računalo rješava problem.

Pretpostavimo da imamo ovaj lavirint

(Labirint)

Kako klasično računalo rješava ovo rješenje (pojednostavljeno)

  • Odaberite početnu rutu
  • Pokušajte se pomaknuti lijevo, desno ili naprijed (ne unatrag)
  • Provjerite jeste li izvan lavirinta
  • Ako niste vani ponovite 1. korak
  • Ako je jedini način da se krenete unatrag, vi ste zarobljeni.
  • Označite rutu nevažećom i ponovite korake od početka, izbjegavajući korake koji vode do nevaljanih ruta.
  • Napokon ćemo odabrati ispravan put rutajući kroz svako rješenje

Ovo zahtijeva mnogo vremena. Jedan od načina da ubrzate ovaj postupak je korištenjem više CPU jezgara za istodobnu provjeru više ruta istovremeno, omogućavajući linearno skaliranje proporcionalno broju CPU jezgara. Ali maksimalna brzina koju možete imati ovisi o broju CPU jezgara imate u većini slučajeva te vrijednosti oko 4-16.

Možete pokušati upotrijebiti GPU koji ima 1000–4000 jezgara za provjeru 4000 ruta istovremeno kako biste postigli puno bolju brzinu. Ali što ako imate milijun mogućih ruta, normalnim procesorima postaje vrlo teško riješiti labirint o čemu ovisi br jezgri za Pingu. Pa kako će kvantni procesor riješiti labirint?

Vrlo je jednostavan kvantni procesor koji nije ograničen brojem jezgara, a može iskoristiti i kvantni paralelizam da jednom rukom provjeri svaku rutu. To zvuči suludo. Kako to radi kvantno računalo, kako može istovremeno provjeriti više ruta vrijeme? To se čini superpozicijom.

Qubits: kvantni ekvivalent regularnih bitova

Normalna računala izrađuju račune pomoću bitova koji mogu pohraniti dva jedinstvena stanja bilo 0 ili 1, ali kvantna računala koriste kubite koji mogu biti 0 i 1 istovremeno, ha?

Klasični bit protiv Qubita

Većina nas je možda naučila da vrlo male jedinice materije (elektrona) pokazuju svojstva obje valne materije, a to su dva različita stanja. Pa pokazuju svojstva vala i materije istodobno, tako da doslovno postoje u dva različita stanja istovremeno. Kvantni bit koristi i superpoziciju i može biti 1,0 i superpozicija 1 i 0.

U klasičnim bitovima visoki napon označava 1, a niski napon označava nulu koja omogućava mjerenje različitih stanja. U kubicima kako možemo izmjeriti stanje superpozicije?

Superpozicija: "tako da ste istovremeno mrtvi i živi?"

Superpozicija je stanje prije mjerenja i nema boljeg načina da se objasni nego pomoću „pojednostavljene“ verzije Schroedingerovog misaonog eksperimenta. Schroedinger je svoju mačku zaključao u metalnu kutiju s radioaktivnim atomom. Sada postoji mogućnost 50-50 da se atom može podvrgnuti radioaktivnom raspadu i mačka nakon toga umre od trovanja zračenjem ili se atom ne podvrgne dezintegraciji, a mačka živi da bi pričala priču. Možemo znati samo da li je mačka mrtva ili živa kad otvorimo kutiju, ali kao tamo jednaka je vjerojatnost da je mačka mrtva ili živa kad se kutija ne otvori, kažemo da je mačka i mrtva i živa (superpozicija) kad se kutija ne otvori i preobrazi se u mrtvu ili živu kad otvorite kutiju , to jest ako otvorite kutiju i zateknete mačku mrtvu, ona prije nije bila mrtva, ali umrla je onog trenutka kada ste otvorili kutiju za mjerenje ishoda eksperimenta. U suštini, ubili ste mačku kad ste otvorili kutiju :(. Neka se premota i razmislite o onome što se ovdje upravo dogodilo.

Kubiti koriste stanje superpozicije kako bi postigli kvantni paralelizam. Drugi primjer koji će vam pomoći da shvatite koncept je eksperiment bacanja novčića. Pretpostavimo da bacite novčić, mogući ishod je glava ili rep (0 i 1), kada bacite novčić, jednaka je vjerojatnost da krajnje stanje može biti glava ili rep što rezultira superpozicijom stanja. Kada taj novac konačno padne u vašu ruku, u tom trenutku izričemo novčić iz stanja superpozicije jedan (bilo glava ili rep). Kada dobijete glavu u ovom svijetu, postoji paralelni svijet u kojem je ishod novčića bio rep. Kvantno računalo može upotrijebiti ovaj koncept paralelnog svijeta za izračunavanje svih mogućih stanja ishoda u jednom proračunu. To je način na koji koristite kvantni paralelizam za rješavanje problema. Ako klasično računalo može koristiti jedan bit za predstavljanje jedne države. , , , , , (0 ili 1) u trenutku kada kbit može predstavljati 2 stanja (oba 0 i 1). Kako je kvantna računalna vaga s brojem qubita prilično fascinantna. Ako se za predstavljanje ne koriste 3 klasična bita, oni mogu predstavljati samo jedno stanje, npr. (000,001,010,111) itd. Vrijeme, ali 3 kbita može predstavljati 8 od sva moguća stanja istovremeno koriste superpoziciju (qqq u kojoj svaki q može biti 0 ili 1), tako da ono što uzima klasično računalo 8 računanje uzima kubit samo 1 izračunavanje. Kada broj kvitova povećava podatke koji se kvantno računalo povećava eksponencijalno kao 2 ^ n gdje je n broj qubita. Dakle, svaki kbit povećava sposobnost kvantnog računala za obradu podataka u parovima, sada primjećujemo porast od 10–12 kbita svake godine, što znači ubrzanje magnitude 1024 -4096 nego kvantno računalo proizvedeno godinu prije, što je gigantsko u usporedbi s najvećim porastom brzine predviđenim Mooreovim zakonom za CPU.

Kvantno zapletenost: "snaga ljubavi je brža od svjetlosti"

Drugi fenomen koji koristimo u kvantnim računalima je zapletenost. Ako uzmemo 2 elektrona i upletemo ih, tada su povezani, ako pokušamo napraviti promjenu u jednom, to bi trenutno utjecalo na drugi elektron. Pretpostavimo da uzmemo 2 elektrona i zapletemo ih zatim pomoću vrata čvorova i stavimo ih u stanje superpozicije i odvedemo ih na krajeve svemira. Sada oba elektrona imaju jednaku vjerojatnost da se nalaze u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom smjeru. izmjerimo jedan elektron i nađemo njegov spin, ovo djelovanje na trenutak mijenja spin drugog zapetljanog elektrona u suprotni smjer. Ovo je trenutno djelovanje brže od brzine svjetlosti, ali Einstein je predvidio da ništa ne može putovati brže od svjetlosti. nazvao ovu sablasnu akciju na daljinu.

(zaista sablasno)

Tako da možda razmišljate "ova se tehnologija kvantnog računanja čini tako futurističkom, nema šanse da bih mogao koristiti kvantno računalo bilo kada u ovom desetljeću" ne, niste u krivu, trenutno možete koristiti kvantno računalo. BIB daje vam pravi kvant računalo s kojim će se trenutačno šminkati 5 kubika

Prava primjena kvantnih računala je u simulaciji proteina i šifriranju pukotina. Ključno za šifriranje je da su glavni faktori vrlo velikog broja praktički nerešivi, možete generirati broj iz glavnih faktora množenjem istih, ali ne možete generirati glavne faktore Povratak s broja jednostavno. Pokušaji rješavanja toga bili su podupiranjem svih mogućih kombinacija, jedna za drugom koja može potrajati više vremena nego dob svemira. Ali dolazak Kvantnih računala promijenio bi igru, kvantna računala mogu proći kroz sve rješenja odjednom koristeći kvantni paralelizam čineći svu modernu enkripciju beskorisnom. No, ne brinite se nakon dolaska kvantnih računala tamo će kriptografija nazvati postkvantna kriptografija, što je čak i kvantnim računalima praktički neizbrisivo.

Svakodnevno se pronalaze nove primjene kvantnih računala, s IBM-om predviđajući da će kvantna računala prijeći u redovit proces u roku od 5 godina i čini se da nema boljeg vremena za ulazak u kvantno računanje nego sada. IBM Q iskustvo