Koncept a princíp práce kvantového počítača

Téma kvantového počítača sa nedávno stala veľmi populárnou a rozprávanie o prielome v technológii nezmizne, ale nie je to tak dávno, úspech výskumu v oblasti kvantových výpočtov bol niečo z mnohých fikcií. Nové termíny sa prepadli do informačného prúdu a teraz nie menej dobre ako umelá inteligencia a strojové učenie. Aj keď sa výskum uskutočňoval nie prvé desaťročie, bol obzvlášť plodný z hľadiska vývoja a bohatý pre udalosti bol minulý rok, keď IBM ukázal svetu prvý komerčný kvantový počítač a spoločnosť Google oznámila dosiahnutie kvantovej nadradenosti.

Revolučné objavy v modernej fyzike, ktorá zabezpečila nové kolo rozvoja výpočtových technológií, môže bez prehnania zmeniť svet a priniesť ľudskosti obrovské výhody so správnym použitím. Ak vás zaujíma táto téma a chcete pochopiť, čo sú kvantové počítače, podľa toho, aký princíp funguje a prečo sú vôbec potrebné, potom v tomto materiáli budeme hovoriť čo najjasnejšie, bez toho, aby sme sa ponorili do štúdia kvantového mechanika a štruktúra kvantového sveta.

Čo je kvantový počítač

Dnes už existuje pochybnosti, či existuje kvantový počítač, nie je tu. Ak donedávna to bolo iba ovocie fantázie vedcov, teraz sa stal úplne hmatateľným objektom a vidíme, ako vyzerá praktická implementácia systému.

Ak hovoríte jednoduchým spôsobom, aký je kvantový počítač, potom je to prostriedok počítačovej technológie, ktorá vo svojej práci využíva zákony kvantovej mechaniky. Stroj vykonáva určité úlohy efektívnejšie ako jednoduchý počítač, ktorý ukladá údaje do bitov.

KK používa kvantové algoritmy, ktoré používajú efekty, ako je superpozícia a kvantový zmätok. Na výpočty sa používajú kocky (kvantové častice), ktoré sú schopné byť v dvoch podmienkach naraz. To znamená, že ak bit akceptuje jednu z dvoch možných hodnôt- 0 alebo 1, potom je kocka súčasne 0 a 1, čo umožňuje KC spracovať údaje a vykonávať matematické úlohy tisíckrát rýchlejšie ako obvykle. Nemusí vyriešiť kombinácie, ako to robí, vrátane superpočítača, kvantového systému. Odpoveď sa počíta rýchlosťou blesku. Tieto príležitosti otvárajú cestu k riešeniu problémov, ktoré sú dnes nemožné alebo vyžadujú veľké časové náklady.

História vytvorenia počítačov novej generácie sa datuje do vzdialenej úrovne v roku 1981, keď prvýkrát hovorili o použití kvantových systémov pre výpočty. Potom to nebolo ešte zďaleka fyzická implementácia, prvý pracovný algoritmus pre KK sa objavil až v roku 1994 a prvý 2-kubický stroj bol vytvorený v roku 1998 na Kalifornskej univerzite v Berkeley. Po celé desaťročia boli experimentálne vzorky vytvorené skupinami vedcov z rôznych krajín, ale IBM a Google dosiahli najväčšie úspechy v tejto oblasti.

Závod vedúcich spoločností je v plnom prúde. V júni 2020 dostal spoločnosť Honeywell správu, že pre dnešok bol vytvorený najvýkonnejší kvantový počítač. Spoločnosť tvrdí, že vytvorené zariadenie je dvakrát toľko ako IBM a Google Quantum Systems, v priebehu niekoľkých minút pri riešení úloh, pre ktoré by bežné počítače potrebovali tisícročia. Honeywell Development je pôsobivý s rekordným ukazovateľom výkonu 64 kvantových zväzkov. Jadro systému je oceľová guľa Veľkosť basketbalu, ochladená tekutým héliom na teplotu -262,7 ° C. Obsahuje pasce iónov vytvorených z atómov, zastavujú pohyb pod vplyvom nízkych teplôt a sú regulované laserovými impulzmi.

Prečo potrebujete kvantový počítač

Rýchle spracovanie veľkých dátových polí pomocou nových technológií môže pomôcť vyriešiť veľa problémov a ovplyvniť rôzne oblasti. Napríklad KC za pár sekúnd sa bude vysporiadať s rozkladom čísel pozostávajúcich z veľkého počtu znakov pre jednoduché faktory (samotný proces nie je komplikovaný, ale vyžaduje veľké časové náklady, tu je založená moderná kryptografia) a tiež vyriešiť množstvo podobných problémov. Okrem toho je technológia vhodná aj na modelovanie zložitých situácií, vrátane výpočtu fyzikálnych vlastností prvkov na molekulárnej úrovni.

Hlavné oblasti aplikácie kvantových počítačov:

• globálna optimalizácia;
• Modelovanie molekúl DNA;
• vytváranie nových materiálov;
• tvorba drog;
• zlepšenie strojového učenia;
• Úlohy kryptografie a šifrovania (vrátane hackerských šifrovacích algoritmov a získania prístupu k akejkoľvek informáciám).

V tomto štádiu sa kvantové počítače vyznačujú zložitosťou výroby a nestability práce, takže doteraz je možné vyvinúť iba systémy s vysokým výkonom, uväznené pre jeden algoritmus a sú navrhnuté pre veľmi úzky kruh úloh.

Aký je rozdiel medzi kvantovým počítačom z pravidelného

Po dobu 30 rokov od koncepcie „kvantových výpočtov“ umožnil vedecký vývoj počítačových systémov tohto typu stať sa realitou, aj keď neprístupný pre bežného používateľa. Kvantové počítače sú založené na jedinečnom správaní, ktoré sa zásadne líši od práce štandardných, známych strojov pre nás a sú opísané kvantovou mechanikou.

Zariadenia sú schopné vyriešiť matematické problémy v priebehu niekoľkých sekúnd, ktorých riešenie na bežnom počítači by túžilo po miliardách rokov. Podľa spoločnosti Google, kvantový stroj Sycamore na viac ako tri minúty dokončil výpočty, nad ktorými by štandardný superpočítač by mal zmiznúť 10 000 rokov - nazýva sa to hlasný výraz „kvantová nadradenosť“.

Obvyklý počítač, s ktorým je každý moderný človek známy, ako aj smartfón, tablet alebo laptop, informácie v bitoch, ktoré akceptujú hodnotu 0 alebo 1, a môžete predložiť akékoľvek informácie, či už ide o text alebo obrázok, položky a Jednotky. Základný rozdiel a výhoda kvantového počítača v používanej operačnej jednotke nazývaná kocka (alebo kvantový bit). Kubitmi môže byť v stave neistoty, inými slovami, byť súčasne v rôznych stavoch analogicky s mačkou Schrödinger (fenomén superpozície).

Kvantový počítač je mnohokrát rýchlejší a výkonnejší ako obvykle, zatiaľ čo nie je vhodný pre väčšinu každodenných úloh, pretože jeho princíp prevádzky bude veľmi odlišný.

Aký je počítač budúcnosti

Teraz podrobnejšie zvážme, z čoho sa systém High -tech Systém pozostáva z. Ako sme už zistili, minimálna jednotka informácií o bežnom počítači je trochu, ktorá má hodnotu 1 alebo 0 (zapnuté alebo vypnuté), v kvantovom počítači - to sú kocky, ktoré môžu brať všetky hodnoty. Súčasne kvantové častice závisia od merania, čo znamená, že nedostatok informácií o kocke až do okamihu jej merania, proces merania tiež ovplyvňuje hodnotu kvantového bitu, čo sa môže zdať zvláštne, ale to je presne prípad.

Vďaka tejto vlastnosti kociek (simultánny pobyt vo všetkých podmienkach), až kým sa zmerala častica, počítač okamžite prekoná pravdepodobné možnosti riešenia v dôsledku dostupného spojenia medzi kockymi. Rozhodnutie je teda známe hneď po zadaní počiatočných údajov, to znamená, že superpozícia určuje súbežnosť výpočtov, ktoré občas urýchľujú fungovanie algoritmov.

Zariadenie kvantového počítača obsahuje:

• Správa počítača;
• generátor pulzov ovplyvňujúci kocky;
• štátny register;
• CPU;
• Meracie zariadenie.

Na prácu medzi atómami sa poskytuje kvantové pripojenie a čím viac sa krovia kocky, tým menej bude stabilita systému. V prípade kvantovej nadradenosti nad štandardným počítačom bude vyžadovať najmenej 49 kociek av tomto prípade je stabilita systému už sporná. Ak sa vytvoria početné závislosti, môžu ich ovplyvniť akékoľvek vonkajšie vplyvy.

Kvôli krehkosti vzťahov KC, pozostávajúcich z niekoľkých hlavných úrovní, zahŕňa chladenie atómov takmer absolútnu nulu, čo vám umožňuje chrániť pred vonkajšími procesmi, z tohto dôvodu zariadenie s ochranou kvantového procesora zaberá veľký objem priestor.

Princíp prevádzky KK

Obvyklá schéma práce počítačov, notebookov, smartfónov alebo tabliet využívajúcich digitálny princíp je založená na používaní klasických algoritmov, ktoré sa radikálne líši od princípu prevádzky kvantového počítača. Pravidelný počítač teda vykazuje rovnaký výsledok, bez ohľadu na to, koľkokrát na spustenie výpočtu, možnosti sa vypočítajú postupne.

Kvantový počítač používa úplne iný - pravdepodobný princíp prevádzky. V istom zmysle systém už obsahuje všetky možné riešenia. Výsledkom výpočtov je najpravdepodobnejšia odpoveď a nie jednoznačná, zatiaľ čo každé následné spustenie kvantového algoritmu, pravdepodobnosť získania správnej odpovede rastie, čo znamená, že po 3-4 rýchlom behu si môžete byť istí, že sme prišli k správne rozhodnutie, napríklad šifrovací kľúč.

V kvantových systémoch, ktoré vo svojej práci používajú kocky, so zvýšením počtu častíc, rastie exponenciálne a počet hodnôt spracovaných súčasne.

Keď hovoríme o tom, ako funguje kvantový počítač, stojí za zmienku o spojení kociek. V prítomnosti niekoľkých kociek v systéme bude zmena v jednom tiež znamenať zmenu vo zvyšku častíc. Výpočtové výkony sa dosahuje paralelnými výpočtami.

Napriek investíciám do multimiónov -kvantových technológií sa vyvíjajú pomerne pomaly. Je to kvôli veľkému počtu ťažkostí, s ktorými sa vedci museli stretnúť vo výskumnom procese, vrátane potreby vybudovať sarkofágy s nízkym povrchom s maximálnou izoláciou fotoaparátu s procesorom z akýchkoľvek možných vonkajších vplyvov na zachovanie kvantových vlastností systému. Vedci majú navyše úlohu vyriešiť chyby, pretože kvantové procesy a výpočty majú pravdepodobnostnú povahu a nemôžu byť sto percent pravdivé.

Konštrukcia stabilných systémov nie je ani zďaleka ideálne a pri implementácii kvantového počítača na fyzickej úrovni sa používa niekoľko riešení pomocou rôznych technológií. Vytvorenie úplného univerzálneho kvantového počítača teda je stále v budúcnosti, aj keď nie tak ďaleko, ako sa zdalo pred piatimi rokmi. Najväčšie spoločnosti ako IBM, Google, Intel, Microsoft sa zaoberajú jeho tvorbou, ktoré veľmi prispeli k rozvoju technológií, ako aj niektorým štátom, pre ktoré má táto otázka strategický význam.