Ένας φυσικός εξηγεί το μέλλον των υπολογιστών: ScienceAlert

Το κβαντικό πλεονέκτημα είναι το ορόσημο προς το οποίο εργάζεται πυρετωδώς ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών, όπου ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει προβλήματα που είναι πέρα ​​από τους ισχυρότερους κλασικούς ή μη κβαντικούς υπολογιστές.

Το κβαντικό αναφέρεται στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων όπου οι νόμοι της φυσικής όπως τους βιώνουμε αναλύονται και εφαρμόζεται ένα διαφορετικό, αντίθετο σύνολο νόμων. Οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται αυτές τις περίεργες συμπεριφορές για να λύσουν προβλήματα.

Υπάρχουν ορισμένοι τύποι προβλημάτων που δεν είναι πρακτικό να επιλύσουν οι κλασικοί υπολογιστές, όπως το σπάσιμο αλγορίθμων κρυπτογράφησης τελευταίας τεχνολογίας. Η έρευνα των τελευταίων δεκαετιών έχει δείξει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να λύσουν ορισμένα από αυτά τα προβλήματα.

Εάν μπορεί να κατασκευαστεί ένας κβαντικός υπολογιστής που λύνει πραγματικά ένα από αυτά τα προβλήματα, θα έχει αποδείξει ένα κβαντικό πλεονέκτημα.

Είμαι φυσικός που μελετά την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών και τον έλεγχο των κβαντικών συστημάτων.

Πιστεύω ότι αυτό το σύνορο της επιστημονικής και τεχνολογικής καινοτομίας δεν υπόσχεται μόνο επαναστατικές προόδους στους υπολογιστές, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης μια ευρύτερη άνοδο της κβαντικής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων σημαντικών προόδων στην κβαντική κρυπτογραφία και ανίχνευση.

Η πηγή της κβαντικής υπολογιστικής ισχύος

Ένα κεντρικό στοιχείο του κβαντικού υπολογισμού είναι το κβαντικό bit ή qubit. Σε αντίθεση με τα κλασικά bit, τα οποία μπορούν να βρίσκονται μόνο σε καταστάσεις 0 ή 1, ένα qubit μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση που είναι συνδυασμός 0 και 1. Αυτή η κατάσταση ούτε μόνο 1 ούτε μόνο 0 είναι γνωστή ως κβαντική υπέρθεση. Με κάθε επιπλέον qubit διπλασιάζεται ο αριθμός των καταστάσεων που μπορούν να αναπαρασταθούν από τα qubit.

Αυτή η ιδιότητα συχνά συγχέεται με την πηγή της κβαντικής υπολογιστικής ισχύος. Μάλλον, όλα καταλήγουν σε μια περίπλοκη αλληλεπίδραση επικάλυψης, παρεμβολής και εμπλοκής.

Η παρέμβαση περιλαμβάνει το χειρισμό των qubits έτσι ώστε οι καταστάσεις τους να συνδυάζονται εποικοδομητικά κατά τη διάρκεια των υπολογισμών για να ενισχύσουν τις σωστές λύσεις και καταστροφικά για να καταστείλουν λανθασμένες απαντήσεις.

Η εποικοδομητική παρεμβολή είναι αυτό που συμβαίνει όταν οι κορυφές δύο κυμάτων (όπως τα ηχητικά κύματα ή τα κύματα του ωκεανού) συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια υψηλότερη κορυφή. Οι καταστροφικές παρεμβολές είναι αυτό που συμβαίνει όταν μια αιχμή κύματος και μια κοιλότητα κύματος συνδυάζονται και αλληλοεξουδετερώνονται.

Οι κβαντικοί αλγόριθμοι, οι οποίοι είναι λίγοι και δύσκολο να επινοηθούν, καθιερώνουν μια ακολουθία μοτίβων παρεμβολών που παράγουν τη σωστή απάντηση σε ένα πρόβλημα.

Η διαπλοκή δημιουργεί μια μοναδική κβαντική συσχέτιση μεταξύ των qubits: η κατάσταση του ενός δεν μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από τα άλλα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι τα qubits μεταξύ τους. Αυτό είναι αυτό που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν απέρριψε ως «απόκοσμη δράση εξ αποστάσεως».

Η συλλογική συμπεριφορά της εμπλοκής, που ενορχηστρώνεται μέσω ενός κβαντικού υπολογιστή, επιτρέπει υπολογιστικές επιταχύνσεις που είναι πέρα ​​από τις δυνατότητες των κλασικών υπολογιστών.

frameborder=”0″ enablefullscreen=”allowfullscreen”>

Οι μονάδες και τα μηδενικά (και όλα τα ενδιάμεσα) του κβαντικού υπολογισμού.

Εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών

Ο κβαντικός υπολογιστής έχει μια ποικιλία πιθανών χρήσεων όπου μπορεί να ξεπεράσει τους κλασικούς υπολογιστές. Στην κρυπτογραφία, οι κβαντικοί υπολογιστές αντιπροσωπεύουν ταυτόχρονα μια ευκαιρία και μια πρόκληση. Το πιο γνωστό είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να σπάσουν τους τρέχοντες αλγόριθμους κρυπτογράφησης, όπως το ευρέως χρησιμοποιούμενο σχήμα RSA.

Συνέπεια αυτού είναι ότι τα τρέχοντα πρωτόκολλα κρυπτογράφησης πρέπει να επανασχεδιαστούν για να είναι ανθεκτικά σε μελλοντικές κβαντικές επιθέσεις. Αυτή η αναγνώριση οδήγησε στο αναπτυσσόμενο πεδίο της μετα-κβαντικής κρυπτογραφίας.

Μετά από μια μακρά διαδικασία, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας επέλεξε πρόσφατα τέσσερις αλγόριθμους ανθεκτικούς στα κβαντικά και ξεκίνησε τη διαδικασία προετοιμασίας τους ώστε οι οργανισμοί σε όλο τον κόσμο να μπορούν να τους χρησιμοποιούν στην τεχνολογία κρυπτογράφησης τους.

Επιπλέον, ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να επιταχύνει δραματικά την κβαντική προσομοίωση – την ικανότητα πρόβλεψης του αποτελέσματος των πειραμάτων που λειτουργούν στο κβαντικό βασίλειο. Ο διάσημος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν φαντάστηκε αυτή τη δυνατότητα πριν από περισσότερα από 40 χρόνια.

Η κβαντική προσομοίωση προσφέρει δυνατότητες για σημαντικές προόδους στη χημεία και την επιστήμη των υλικών, βοηθώντας σε τομείς όπως η πολύπλοκη μοντελοποίηση μοριακών δομών για ανακάλυψη φαρμάκων και επιτρέποντας την ανακάλυψη ή τη δημιουργία υλικών με νέες ιδιότητες.

Μια άλλη χρήση της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών είναι η κβαντική ανίχνευση: ανίχνευση και μέτρηση φυσικών ιδιοτήτων όπως η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, η βαρύτητα, η πίεση και η θερμοκρασία με μεγαλύτερη ευαισθησία και ακρίβεια από τα μη κβαντικά όργανα.

Η κβαντική ανίχνευση έχει αμέτρητες εφαρμογές σε τομείς όπως η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η γεωλογική εξερεύνηση, η ιατρική απεικόνιση και η επιτήρηση.

Πρωτοβουλίες όπως η ανάπτυξη ενός κβαντικού Διαδικτύου που διασυνδέει τους κβαντικούς υπολογιστές είναι κρίσιμα βήματα για τη γεφύρωση του κόσμου του κλασικού και του κβαντικού υπολογιστή.

Αυτό το δίκτυο θα μπορούσε να ασφαλιστεί χρησιμοποιώντας κβαντικά κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, όπως η διανομή κβαντικού κλειδιού, που επιτρέπει εξαιρετικά ασφαλή κανάλια επικοινωνίας που προστατεύονται από υπολογιστικές επιθέσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές.

Παρά το αυξανόμενο σύνολο εφαρμογών για κβαντικούς υπολογιστές, η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων που εκμεταλλεύονται πλήρως το κβαντικό πλεονέκτημα (ιδιαίτερα στη μηχανική μάθηση) παραμένει ένας κρίσιμος τομέας της συνεχιζόμενης έρευνας.

Ένας πρωτότυπος κβαντικός αισθητήρας που αναπτύχθηκε από ερευνητές του MIT μπορεί να ανιχνεύσει οποιαδήποτε συχνότητα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. (Guoqing Wang, CC BY-NC-ND)

Διατηρήστε τη συνέπεια και ξεπεράστε τα λάθη

Ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών αντιμετωπίζει σημαντικά εμπόδια στην ανάπτυξη υλικού και λογισμικού. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι πολύ ευαίσθητοι σε οποιαδήποτε ακούσια αλληλεπίδραση με το περιβάλλον τους. Αυτό οδηγεί στο φαινόμενο της αποσυνοχής, όπου τα qubit διασπώνται γρήγορα στις καταστάσεις 0 ή 1 των κλασικών bit.

Η κατασκευή μεγάλης κλίμακας συστημάτων κβαντικών υπολογιστών ικανών να εκπληρώσουν την υπόσχεση για κβαντικές επιταχύνσεις απαιτεί να ξεπεραστεί η αποσυνοχή. Το κλειδί είναι να αναπτύξω αποτελεσματικές μεθόδους για την καταστολή και τη διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων, έναν τομέα στον οποίο επικεντρώνεται η δική μου έρευνα.

Αντιμετωπίζοντας αυτές τις προκλήσεις, πολυάριθμες startups κβαντικού υλικού και λογισμικού έχουν αναδυθεί μαζί με καθιερωμένους παίκτες της βιομηχανίας τεχνολογίας όπως η Google και η IBM.

Αυτό το ενδιαφέρον του κλάδου, σε συνδυασμό με σημαντικές επενδύσεις από κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο, υπογραμμίζει τη συλλογική αναγνώριση του μετασχηματιστικού δυναμικού της κβαντικής τεχνολογίας. Αυτές οι πρωτοβουλίες ενθαρρύνουν ένα πλούσιο οικοσύστημα όπου ο ακαδημαϊκός κόσμος και η βιομηχανία συνεργάζονται, επιταχύνοντας την πρόοδο στον τομέα.

Το κβαντικό πλεονέκτημα εν όψει

Ο κβαντικός υπολογισμός θα μπορούσε μια μέρα να είναι τόσο ενοχλητικός όσο η άφιξη της γενετικής τεχνητής νοημοσύνης. Επί του παρόντος, η ανάπτυξη της τεχνολογίας κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται σε μια κρίσιμη στιγμή.

Από τη μία πλευρά, αυτό το πεδίο έχει ήδη δείξει πρώιμα σημάδια ότι έχει επιτύχει ένα στενά εξειδικευμένο κβαντικό πλεονέκτημα. Ερευνητές της Google και αργότερα μια ομάδα ερευνητών στην Κίνα απέδειξαν ένα κβαντικό πλεονέκτημα για τη δημιουργία μιας λίστας τυχαίων αριθμών με συγκεκριμένες ιδιότητες. Η ερευνητική μου ομάδα έδειξε μια κβαντική επιτάχυνση για ένα παιχνίδι εικασίας τυχαίων αριθμών.

Από την άλλη, υπάρχει απτός κίνδυνος να μπούμε σε έναν «κβαντικό χειμώνα», μια περίοδο μειωμένων επενδύσεων, εάν βραχυπρόθεσμα δεν υλοποιηθούν πρακτικά αποτελέσματα.

Ενώ η βιομηχανία της τεχνολογίας εργάζεται για να προσφέρει ένα κβαντικό πλεονέκτημα σε προϊόντα και υπηρεσίες βραχυπρόθεσμα, η ακαδημαϊκή έρευνα παραμένει εστιασμένη στη διερεύνηση των θεμελιωδών αρχών πίσω από αυτή τη νέα επιστήμη και τεχνολογία.

Αυτή η συνεχιζόμενη βασική έρευνα, που τροφοδοτείται από ενθουσιώδη στελέχη λαμπρών νέων φοιτητών του είδους που συναντώ σχεδόν καθημερινά, διασφαλίζει ότι το πεδίο θα συνεχίσει να προοδεύει.Η συζήτηση

Daniel Lidar, καθηγητής ηλεκτρολογίας, χημείας και φυσικής και αστρονομίας, Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *