Datamaskinberegning hjelper oss å gjøre det vi ikke vil eller ikke kan gjøre hovedsakelig på grunn av kompleksitet, på grunn av sannsynligheten for ufrivillige feil og på grunn av tiden. For eksempel, heve et tall til den 128. graden i sinnet.

Formålet med og bruk av en kvantecomputer.

Hva er en kvantecomputer?

Den kraftigste kvantecomputeren (QC) er - eller, snarere, ville være - en helt annen mekanisme, forskjellig fra alt som noensinne er skapt av mennesket. De kraftigste serverne i dag ser ut som bare en liten del av hva en fullverdig kvantecomputer i siste instans kan gjøre.

Enkelt sagt er målet med forskning innen kvantemåling å finne måten å akselerere utførelsen av lange bølgeinstruksjoner. Det ville være galt å si at CC kjører programmer raskere enn en PC eller x86-server. "Programmet" for QC er en helt annen kodingsordre enn noensinne eksisterende for en binær prosessor. Etter fødselen av datamaskiner ble det utført komplekse fysiske beregninger som i 1940-årene hjalp USA til å skape en atombombe. Etter oppfinnelsen av transistoren ble dimensjonene til disse systemene betydelig redusert. Så kom ideen om parallelle prosessorer å jobbe på oppgaver samtidig.

Quantum computing er bare det neste trinnet. Det er mange problemer at moderne datamaskiner krever lang tid å løse, for eksempel å løse et lineært system av ligninger, optimalisere parametere for støttevektorer, finne den korteste banen gjennom en vilkårlig seksjon eller søke i den ustrukturerte listen. Dette er ganske abstrakte problemer nå, men hvis du vet litt om algoritmer eller programmering, kan du se hvor nyttig dette kan være. For eksempel ble grafikkprosessorer (GPUer) oppfunnet for det eneste formålet å gjengi trekanter og deretter fusjonere dem til en to- eller tredimensjonal verden. Og nå er Nvidia et milliard dollar selskap. Er det noen teknologier for kvantemåling eller noen av dens historiske derivater, som folk nå finner god bruk? Med andre ord, hva gjør en kvante faktisk og til hvem tjener den direkte?

Hva er en kvantecomputer for?

Navigasjon. Dette er en av de viktigste bruksområdene til kvante datamaskiner. GPS-systemet kan ikke fungere hvor som helst på planeten, spesielt under vann. QC krever at atomer blir overkjølt og suspendert i en tilstand som gjør dem spesielt følsomme. I et forsøk på å kapitalisere på dette, prøver konkurrerende lag av forskere å utvikle en slags kvanteaccelerometer som kan gi svært nøyaktige bevegelsesdata. De viktigste bidrag til utviklingen av næringen gjør det franske laboratoriet for fotonikk og nanovitenskap. Et godt eksempel på dette er et forsøk på å lage en hybridkomponent som kombinerer en akselerometer med en klassisk en og bruker deretter et høypassfilter for å trekke klassiske data fra kvante data. Resultatet, hvis implementert, vil være et ekstremt nøyaktig kompass som vil eliminere forskyvningen og driften av skalfaktoren, vanligvis forbundet med gyroskopiske komponenter.

Seismikk. Den samme ekstreme følsomheten kan brukes til å oppdage nærvær av olje- og gassforekomster, samt potensiell seismisk aktivitet på steder der konvensjonelle sensorer ennå ikke er blitt brukt. I juli 2017 viste QuantIC hvordan et kvante gravimeter oppdager tilstedeværelsen av dypt skjulte objekter ved å måle svingninger i et tyngdefelt. Hvis en slik enhet er laget ikke bare praktisk, men også bærbar, mener teamet at det kan bli uvurderlig i et tidlig varslingssystem for å forutsi seismiske hendelser og tsunamier. Farmasi. I forgrunnen er forskning i kampen mot sykdommer som Alzheimers sykdom og multippel sklerose; forskere bruker programvare som simulerer oppførselen til kunstige antistoffer på molekylært nivå.

Fysikk. Dette er faktisk grunnen til selve eksistensen av konseptet. Under sin tale i 1981 ved Caltech, foreslo professor Richard Feynman, far til quantumelektrodynamikk (QED), at den eneste måten å bygge en vellykket simulering av den fysiske verden på kvantumnivå er en maskin som overholder lovene for kvantfysikk og mekanikk. Det var under denne talen som professor Feynman forklarte, og resten av verden innså at det ikke ville være nok for en datamaskin å generere et sannsynlighetstabell og hvordan å kaste terningene. Videre, for å oppnå resultater som fysikerne selv ikke ville kalle apokriske, ville det kreve en mekanisme som oppførte seg i samme vene som den oppførelsen han hadde til hensikt å etterligne.

Maskininnlæring. Hovedtema for supportere er at slike systemer kan tilpasses til å "studere" statlige mønstre i store parallelle bølger, og ikke i etterfølgende skanninger. Ordinær matematikk kan beskrive et sett med sannsynlige resultater i form av vektorer i en vill konfigurasjonsplass. Dekoding. Her er endelig det gjennombruddet som kastet det første sterke lyset på slike beregninger. Det som gjør krypteringskoder så kompliserte, selv for moderne klassiske datamaskiner, er at de er basert på ekstremt stort antall faktorer som krever en overdreven mengde tid å gjette ved matchende metode. En fungerende QC må isolere og identifisere slike faktorer i løpet av få minutter, noe som gjør RSA-kodingssystemet effektivt utelatt.

Kryptering. Konseptet, kalt nøkkelnøkkelfordeling (QKD), gir et teoretisk håp om at de typer offentlige og private nøkler vi bruker i dag for å kryptere meldinger, kan erstattes av nøkler som er gjenstand for entanglementeffekter. I teorien vil enhver tredjepart som sprakk nøkkelen og prøvde å lese meldingen umiddelbart ødelegge meldingen for alle. Selvfølgelig kan dette være nok. Men QKD-teorien er basert på en stor antagelse som ennå ikke har blitt testet i den virkelige verden: at verdiene som er oppnådd ved hjelp av inntrappede qubits, er seg selv entangled og utsatt for effekter uansett hvor de går.

Hva er forskjellen mellom en kvantecomputer og en vanlig?

En klassisk datamaskin utfører beregninger med biter som er 0 ("av") og 1 ("på"). Det bruker transistorer til å behandle informasjon i form av sekvenser av nuller og såkalte datamaskin binære språk. Flere transistorer, flere behandlingsalternativer - dette er hovedforskjellen. QC bruker kvantemekanikkloven. Akkurat som en klassisk datamaskin som bruker nuller og dem. Disse tilstandene kan nås i partikler på grunn av deres indre vinkelmoment, kalt spinn. To tilstander 0 og 1 kan representeres i bakpartiklene. For eksempel representerer en urvisende rotasjon 1, og en mot klokka representerer 0. Fordelen med å bruke QC er at en partikkel kan være i flere tilstander samtidig. Dette fenomenet heter superposisjon. På grunn av dette fenomenet kan QC samtidig nå tilstand 0 og 1. Dermed er det i en klassisk datamaskin uttrykt i form av ett tall 0 eller 1. QC bruker utdata som er beskrevet som 0 og 1 samtidig, noe som gir større beregningsevne.

Hvordan gjør en kvantecomputer

Quantum computing er beregning ved hjelp av kvantemekaniske fenomener som superposition og entanglement. QC er en enhet som utfører quantum computing og består av mikroprosessorer. En slik datamaskin er helt forskjellig fra binære digitale elektroniske datamaskiner basert på transistorer og kondensatorer. Mens konvensjonelle digitale beregninger krever at dataene blir kodet inn i binære tall (biter), som hver er alltid i en av to spesifikke tilstander (0 eller 1), bruker kvanteberegning biter eller qubits som kan være i en superposisjon. Enheten til quantum Turing-maskinen er en teoretisk modell av en slik datamaskin og er også kjent som universell QC. Området med kvantemåling ble startet av verkene til Paul Benioff og Yuri Manin i 1980, Richard Feynman i 1982 og David Deutsch i 1985.

Prinsippet om kvantecomputeren

Siden 2018 er prinsippet om bruk av kvante datamaskiner fortsatt i sin barndom, men eksperimenter har blitt gjennomført der kvanteberegningsoperasjoner ble utført med et svært lite antall kvantebiter. Både praktisk og teoretisk forskning pågår, og mange nasjonale regjeringer og militære byråer finansierer forskning på kvantemåling i ytterligere anstrengelser for å utvikle kvante datamaskiner for sivil, næringsliv, handel, miljø og nasjonale sikkerhetsmål, som kryptanalyse. Storskalige kvante datamaskiner kan teoretisk sett arbeide for å løse visse problemer mye raskere enn noen klassiske datamaskiner som til og med bruker de beste algoritmer til dags dato, for eksempel heltallfaktorisering ved hjelp av Shore-algoritmen (som er en kvantealgoritme) og modellering av kvantesettet av systemlegemer.

Det er kvantehandlinger, som Simon algoritmen, som går raskere enn noen mulig probabilistisk klassisk algoritme. En klassisk datamaskin kan i prinsippet (med eksponentielle ressurser) modellere en kvantealgoritme, da kvanteberegning ikke bryter med kirke-turing-oppgaven. På den annen side kan kvante datamaskiner effektivt løse problemer som ikke er praktisk mulig på klassiske datamaskiner.