Koncept a princip práce kvantového počítače

Téma kvantového počítače se nedávno stala velmi populární a mluvení o průlomu v technologii nezmizí, ale ne tak dávno, úspěch výzkumu v oblasti kvantových výpočtů byl něco z řady fikce. Nové termíny se vloupaly do informačního proudu a nyní neméně dobře než umělá inteligence a strojové učení. Ačkoli výzkum byl proveden pro první desetiletí, bylo to obzvláště plodné z hlediska vývoje a bohaté pro události byly v loňském roce, když IBM ukázala svět první komerční kvantový počítač, a Google oznámil úspěch kvantové nadřazenosti.

Revoluční objevy v moderní fyzice, které zajistily nové kolo vývoje výpočetních technologií, mohou bez přehánění změnit svět a přinést k lidstvu ohromné ​​výhody se správným použitím. Pokud máte zájem o toto téma a chcete pochopit, co jsou kvantové počítače, podle jakého principu pracují a proč jsou vůbec potřebné, pak v tomto materiálu o tom budeme mluvit co nejjasněji, aniž bychom se ponořili do studia Quantum mechanika a struktura kvantového světa.

Co je to kvantový počítač

Dnes již existuje pochybnosti, zda existuje kvantový počítač, neexistuje žádný. Kdyby to bylo donedávna pouze ovoce fantazie vědců, nyní se stal zcela hmatatelným objektem a můžeme vidět, jak vypadá praktická implementace systému.

Pokud mluvíte jednoduše, co je to kvantový počítač, pak je to prostředek počítačové technologie, který ve své práci používá zákony kvantové mechaniky. Stroj provádí určité úkoly efektivněji než jednoduchý počítač, který ukládá data do bitů.

KK používá kvantové algoritmy, které používají účinky, jako je superpozice a kvantový zmatek. Pro výpočty se používají kostky (kvantové částice), které jsou schopny být ve dvou podmínkách najednou. To znamená, že pokud bit přijme jednu ze dvou možných hodnot- 0 nebo 1, je krychle 0 a 1 současně, což umožňuje KC zpracovat data a provádět matematické úkoly tisícekrát rychlejší než obvykle. Nepotřebuje kombinace vyřešit, stejně jako on, včetně superpočítače, kvantového systému. Odpověď se počítá rychlostí blesku. Tyto příležitosti otevírají cestu k řešení problémů, které jsou dnes nemožné nebo vyžadují velké časové náklady.

Historie vytváření počítačů nové generace sahá až do far v roce 1981, kdy poprvé hovořili o použití kvantových systémů pro výpočty. Pak to ještě nebylo daleko od fyzické implementace, první pracovní algoritmus pro KK se objevil teprve v roce 1994 a první 2-kubický stroj byl vytvořen v roce 1998 na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Po celá desetiletí byly experimentální vzorky vytvořeny skupinami vědců z různých zemí, ale IBM a Google dosáhli největších úspěchů v této oblasti.

Závod předních společností je v plném proudu. V červnu 2020 obdržel Honeywell zprávu, že pro dnešek byl vytvořen nejvýkonnější kvantový počítač. Společnost tvrdí, že vytvořené zařízení je dvakrát tolik jako systémy IBM a Google Quantum, během několika minut jsou úkoly řešení, pro které by běžné počítače potřebovaly tisíciletí. Vývoj Honeywell je působivý s ukazatelem rekordního výkonu 64 kvantových svazků. Jádrem systému je ocelová koule velikosti basketbalu, chlazená pomocí tekutého helia na teplotu -262,7 ° C. Obsahuje pasti iontů vytvořených z atomů, zastavují pohyb pod vlivem nízkých teplot a jsou ovládáni laserovými pulzy.

Proč potřebujete kvantový počítač

Rychlé zpracování velkých datových polí pomocí nových technologií může pomoci vyřešit mnoho problémů a ovlivnit různé oblasti. Například KC za pár sekund se vyrovná s rozkladem čísel sestávajících z velkého počtu znaků, pro jednoduché faktory (samotný proces není komplikovaný, ale vyžaduje velké časové náklady, to je místo, kde je založena moderní kryptografie) , a také vyřešit řadu podobných problémů. Kromě toho je technologie také vhodná pro modelování obtížných situací, včetně výpočtu fyzikálních vlastností prvků na molekulární úrovni.

Hlavní oblasti aplikace kvantových počítačů:

• globální optimalizace;
• Modelování molekul DNA;
• vytvoření nových materiálů;
• vytvoření drog;
• zlepšení strojového učení;
• Úkoly kryptografie a šifrování (včetně algoritmů šifrování hackování a získání přístupu k jakýmkoli informacím).

V této fázi se kvantové počítače rozlišují složitostí výroby a nestabilitou práce, takže zatím je možné vyvinout pouze vysoce výkonné systémy, uvězněné pro jeden algoritmus a navrženy pro velmi úzký kruh úkolů.

Jaký je rozdíl mezi kvantovým počítačem z běžného

Po dobu 30 let od konceptu „kvantových výpočtů“ vědecký vývoj umožnil výpočetním systémům tohoto typu, aby se stal realitou, i když nepřístupný pro obyčejného uživatele. Kvantové počítače jsou založeny na jedinečném chování, které se zásadně liší od práce standardních, známých strojů pro nás a je popsáno kvantovou mechanikou.

Zařízení jsou schopna řešit matematické problémy během několika sekund, jejichž řešení by na běžném počítači toužilo po miliardách let. Podle Google, kvantový stroj Sycamore po dobu delší než tři minuty dokončil výpočty, nad nimiž by standardní superpočítač měl sbor 10 000 let - to se nazývá hlasitý termín „kvantová nadřazenost“.

Obvyklý počítač, se kterým je každý moderní člověk známý, stejně jako smartphone, tablet nebo notebook, informace v bitách, které přijímají hodnotu 0 nebo 1, a můžete představit jakékoli informace, ať už je to text nebo obrázek, být položky a Jednotky. Základní rozdíl a výhoda kvantového počítače v použité operační jednotce, nazývané krychle (nebo kvantový bit). Kloub může být ve stavu nejistoty, jinými slovy, být v různých státech současně analogií s kočkou Schrödingera (fenomén superpozice).

Kvantový počítač je mnohokrát rychlejší a výkonnější než obvykle, i když není vhodný pro většinu každodenních úkolů, protože jeho princip provozu bude velmi odlišný.

Jak je počítač budoucnosti

Nyní podrobněji zvažte, z čeho se spočívá. Jak jsme již zjistili, minimální jednotka informací o běžném počítači je trochu, která vyžaduje hodnotu 1 nebo 0 (zapnuté nebo vypnuté), v kvantovém počítači - to jsou kostky, které mohou brát všechny hodnoty. Současně závisí kvantové částice na měření, což znamená nedostatek informací o krychli až do okamžiku jejího měření, proces měření také ovlivňuje hodnotu kvantového bitu, což se může zdát divné, ale to je přesně pravda, ale přesně tomu tak je.

Díky této vlastnosti kostek (současně pobyt ve všech podmínkách), dokud nebyla měřena částice, počítač okamžitě překoná pravděpodobné možnosti řešení v důsledku dostupného spojení mezi kostkami. Rozhodnutí je tedy známo, jakmile byla zadána počáteční data, tj. Superpozice určuje paralelitu výpočtů, které občas urychlují fungování algoritmů.

Zařízení kvantového počítače zahrnuje:

• Správa počítače;
• generátor pulsů ovlivňující kočky;
• Státní registr;
• PROCESOR;
• Měřicí zařízení kuchyně.

Pro práci mezi atomy, je k dispozici kvantové spojení a čím více vazeb se tvoří kostky, tím menší bude stabilita systému. Pro kvantovou nadřazenost nad standardním počítačem bude vyžadovat nejméně 49 kostek, a v tomto případě je již dotyčná stabilita systému. Pokud jsou vytvořeny četné závislosti, mohou je ovlivnit jakékoli vnější vlivy.

Vzhledem k křehkosti vztahů KC, sestávající z několika hlavních úrovní, zahrnuje chlazení atomů na téměř absolutní nulu, což vám umožňuje chránit před vnějšími procesy, z tohoto důvodu zařízení s ochranou kvantového procesoru zabírá velký objem prostoru.

Princip provozu KK

Obvyklé schéma práce počítačů, notebooků, smartphonů nebo tablet pomocí digitálního principu je založeno na použití klasických algoritmů, které se radikálně liší od principu provozu kvantového počítače. Pravidelný počítač tedy ukáže stejný výsledek, bez ohledu na to, kolikrát pro spuštění výpočtu se možnosti vypočítají postupně.

Kvantový počítač používá zcela odlišný - pravděpodobnostní princip provozu. V jistém smyslu systém již obsahuje všechna možná řešení. Výsledkem výpočtů je nejpravděpodobnější odpověď a ne jednoznačná, zatímco každé následné spuštění kvantového algoritmu roste pravděpodobnost získání správné odpovědi, což znamená, že po 3-4 rychlém běhu si můžete být jisti, že jsme přišli k Správné rozhodnutí například šifrovací klíč.

V kvantových systémech, které používají kostky ve své práci, se zvýšením počtu částic roste exponenciálně a počet hodnot zpracovaných současně.

Když mluvíme o tom, jak funguje kvantový počítač, stojí za zmínku o spojení kostek. V přítomnosti několika kostek v systému bude změna v jednom znamenat změnu ve zbytku částic. Výpočetní výkon je dosažen paralelními výpočty.

Navzdory multimilionovým investicím dollarů se kvantové technologie vyvíjejí poměrně pomalu. Důvodem je velké množství obtíží, s nimiž se vědci museli ve výzkumném procesu setkat, včetně potřeby stavět sarkofágy s nízkou teplotou s maximální izolací kamery s procesorem z možných vnějších vlivů za účelem zachování kvantových vlastností systému. Kromě toho mají vědci úkol řešit chyby, protože kvantové procesy a výpočty mají pravděpodobnostní povahu a nemohou být sto procent pravdivé.

Konstrukce stabilních systémů není ani zdaleka ideálem a při implementaci kvantového počítače na fyzické úrovni se používá několik řešení pomocí různých technologií. Takže vytvoření plně naplněného univerzálního kvantového počítače je stále v budoucnu, i když ne tak daleko, jak se zdálo před pěti lety. Největší společnosti jako IBM, Google, Intel, Microsoft se zabývají jeho tvorbou, které velmi přispěly k rozvoji technologie, a také některé státy, pro které má tento problém strategický význam.