Poradnik obliczeń kwantowych (Like You Are A 5-Yearly)

Koncepcja „obliczeń kwantowych”, która niedawno stała się wirusowa - dzięki pewnemu premierowi - jest jeden z wielu niezbadanych obszarów nauki przez nas nienaukowych peeps.

Powodem, dla którego większość z nas jeszcze o tym nie słyszała, pomimo tego, że istnieje od dziesięcioleci, jest w większości to jest teoretyczne i ci, którzy eksperymentowali na początku były bardzo ciche o tym z powodu potrzeba zachowania tajemnicy wojskowej i korporacyjnej.

Niemniej jednak wiemy teraz, że istnieje mechanika kwantowa i kombinacja obliczeniowa i nagle jest to w zasięgu zainteresowań wszystkich. Jeśli nie wiesz, co to jest komputer kwantowy, ale nie chcesz pozostać poza pętlą, przeczytaj, dlaczego jest on lepszy niż tradycyjne komputery, z którymi pracujemy dzisiaj.

Tradycyjne Komputery i Bity

Komputery są głównie cyfrowe i elektroniczne interakcja z danymi reprezentowanymi przez cyfry binarne znane jako bity (0 i 1). Czy to obrazy, tekst, dźwięk czy jakiekolwiek inne dane - wszystkie są przechowywane w bitach.

Fizycznie liczby binarne 0 i 1 mogą być reprezentowane za pomocą dowolnego podmiotu dwupaństwowego jak moneta (głowa i ogon) lub przełącznik (włączony lub wyłączony). W komputerach bitami są obecność lub brak napięcia (1 lub 0) lub zmiana lub zachowanie kierunku magnetycznego w magnetycznych dyskach twardych.

Dane są przetwarzane przez obliczanie przechowywanych bitów. Obliczanie odbywa się za pomocą bramek logicznych, które zwykle składają się z tranzystorów, które kontrolują przepływ sygnału elektronicznego. Jeśli pozwala na przejście sygnału, jest to bit 1 i jeśli sygnał jest odcięty, to jest 0.

Granice tranzystorów

Dzięki wciąż kurczącemu się rozmiarowi chipów i rosnącej liczbie komponentów, urządzenia elektroniczne mogą pochodzić z milionów tranzystorów, które mogą być tak małe, jak 7 nm (co jest 1000 razy mniejsze niż czerwone krwinki i tylko 20 razy większe niż niektóre atomy).

Rozmiar tranzystorów może się nadal zmniejszać, ale ostatecznie osiągną fizyczny limit, w którym elektrony będą po prostu tunelować przez nie i nie będzie kontroli nad elektronicznym przepływem sygnału.

Dla stale rosnącego zapotrzebowania na wydajne obliczenia i mniejsze urządzenia, limit wielkości podstawowego elementu elektronicznego jest krawężnikiem postępu. Naukowcy szukają nowych sposobów zajmuje mniej czasu i miejsca na obliczanie i przechowywanie danych, a jednym ze sposobów, które możemy wykorzystać, jest informatyka kwantowa.

Qubity, superpozycja i splątanie

Obliczenia kwantowe wykorzystują kubity zamiast bitów do reprezentowania danych. Qubity są reprezentowane za pomocą cząstek kwantowych takich jak elektrony i fotony.

Cząstki kwantowe posiadają właściwości takie jak spin i polaryzacja, które można wykorzystać do reprezentowania danych. Na przykład kubit obracający się w górę może wynosić 1 i w dół 0.

Ale moc obliczeń kwantowych wynika z faktu, że w przeciwieństwie do bitów, które są 1 lub 0, kubity mogą mieć wartość 1 i 0 równocześnie, z powodu właściwości o nazwie nałożenie, gdzie cząstki kwantowe są w wielu stanach w tym samym czasie.

Zwiększa to moc obliczeniową kubitu, ponieważ może być używana zarówno dla 1, jak i 0 podczas obliczeń i na końcu, raz umiarkowany, staje się albo 1 albo 0.

Właściwość superpozycji można łatwo wytłumaczyć słynnym eksperymentem myślowym przeprowadzonym na wyimaginowanym kocie przez Schrödingera, austriackiego fizyka.

W świecie kwantowym istnieje również inna właściwość, która może być wykorzystana w komputerach splątanie kwantowe. W zasadzie odnosi się do właściwości cząstek kwantowych, które ulegają splątaniu i uzależnić się od siebie i dlatego nie można go zmienić osobno.

Zachowują się jak pojedynczy system o ogólnym stanie.

Powiedzmy, że 2 kubity ulegają splątaniu, jeśli jeden ze stanów kubitu zostanie zmieniony, drugi również się zmieni. Prowadzi to do rzeczywistego przetwarzania równoległego lub obliczeń, które mogą znacznie skrócić czas obliczeniowy w porównaniu z tradycyjnymi komputerami.

Trudności i zastosowania

Istnieje wiele praktycznych przeszkód do pokonania przez naukowców i inżynierów tworzenie kontrolowanego środowiska dla kubitów i znajdowanie sposobów manipulowania ich właściwościami, aby osiągnąć pożądany rezultat.

Ale kiedy wreszcie zostaną utworzone komputery kwantowe o dużej mocy obliczeniowej, mogą one zostać wykorzystane do rozwiązania problemów, które w przeciwnym razie mogłyby powstać trwa bardzo długo do uzupełnienia przez tradycyjne komputery.

Znajdowanie głównych czynników dużej liczby, problem komiwojażera w wielu miastach i inne podobne problemy wymagają wykładniczej liczby porównań, aby uzyskać wyniks. Również przeszukiwanie kolosalnych baz danych jest wciąż bardzo czasochłonnym procesem nawet dla obecnych komputerów cyfrowych.

Problemy te można rozwiązać za pomocą komputerów kwantowych, które mogą rozwiązać problemy, które mogą trwać wieki w tradycyjnych komputerach, w ciągu kilku minut.

(H / T: IBM)