De la superpoziție la impactul din lumea reală
În 1981, fizicianul american și laureatul Nobel, Richard Feynman, a susținut o prelegere la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT), lângă Boston, în care a conturat o idee revoluționară. Feynman a sugerat că fizica ciudată a mecanicii cuantice ar putea fi utilizată pentru a efectua calcule.
S -a născut câmpul de calcul cuantic. În cei 40 de ani în plus de atunci, a devenit un domeniu intens de cercetare în informatică. În ciuda anilor de dezvoltare frenetică, fizicienii nu au construit încă computere cuantice practice care sunt potrivite pentru utilizarea de zi cu zi și condițiile normale (de exemplu, multe computere cuantice funcționează la temperaturi foarte scăzute). Întrebările și incertitudinile rămân în continuare despre cele mai bune metode de a atinge această etapă.
Explicator: Ce este calculul cuantic?
Ce este exact calculul cuantic și cât de aproape suntem de a -i vedea să se utilizeze pe scară largă? Să ne uităm mai întâi la calculul clasic, tipul de calcul pe care ne bazăm astăzi, cum ar fi laptopul pe care îl folosesc pentru a scrie această piesă.
Nota editorului:
Autorul invitat Domenico Vicinanza este profesor asociat de sisteme inteligente și științe de date la Universitatea Anglia Ruskin. Domeniile de expertiză ale lui Domenico includ tehnologia audio și muzicală, inginerie electrică și electronică și a lucrat ca asociat științific la CERN timp de șapte ani. Acest articol este republicat din conversație sub o licență Creative Commons.
Calculatoarele clasice procesează informațiile folosind combinații de „biți”, cele mai mici unități de date. Aceste biți au valori de 0 sau 1. Tot ceea ce faceți pe computer, de la scrierea e -mailurilor până la răsfoirea web -ului, este posibil prin procesarea combinațiilor acestor biți în șiruri de zero și altele.
Calculatoarele cuantice, pe de altă parte, folosesc biți cuantici sau qubits. Spre deosebire de biții clasici, qubit -urile nu reprezintă doar 0 sau 1. Datorită unei proprietăți numite Superpoziție cuantică, Qubits poate fi în mai multe state simultan. Aceasta înseamnă că un qubit poate fi 0, 1, sau ambele în același timp. Aceasta este ceea ce oferă computerelor cuantice capacitatea de a procesa simultan cantități masive de date și informații.
Imaginați -vă că puteți explora fiecare soluție posibilă la o problemă simultan, în loc de o dată la un moment dat. Te -ar permite să -ți navighezi drumul printr -un labirint încercând simultan toate căile posibile în același timp pentru a găsi cea potrivită. Prin urmare, calculatoarele cuantice sunt incredibil de rapide la găsirea de soluții optime, cum ar fi identificarea celei mai scurte căi, cel mai rapid mod.
Gândiți -vă la problema extrem de complexă de reprogramare a zborurilor companiei aeriene după o întârziere sau un incident neașteptat. Acest lucru se întâmplă cu regularitatea în lumea reală, dar soluțiile aplicate pot să nu fie cele mai bune sau optime. Pentru a rezolva răspunsurile optime, calculatoarele standard ar trebui să ia în considerare, una câte una, toate combinațiile posibile de mișcare, redirecționare, întârziere, anulare sau grupare, zboruri.
În fiecare zi, există mai mult de 45.000 de zboruri, organizate de peste 500 de companii aeriene, care conectează peste 4.000 de aeroporturi. Această problemă ar dura ani de zile pentru a rezolva un computer clasic.
Pe de altă parte, un computer cuantic ar putea să încerce toate aceste posibilități simultan și să lase cea mai bună configurație să apară organic. Qubit -urile au, de asemenea, o proprietate fizică cunoscută sub numele de înțelegere. Când se încurcă qubit -urile, starea unui qubit poate depinde de starea altuia, indiferent cât de departe ar fi acestea.
Acesta este un lucru care, din nou, nu are nicio omolog în calculul clasic. Îmbinarea permite computerelor cuantice să rezolve anumite probleme exponențial mai rapid decât pot calculatoare tradiționale.
Vizualizări opuse: Google spune că aplicațiile comerciale de calcul cuantic vor ajunge în cinci ani – între timp, CEO -ul NVIDIA, Jensen Huang
O întrebare comună este dacă computerele cuantice vor înlocui complet computerele clasice sau nu. Răspunsul scurt este nu, cel puțin nu în viitorul previzibil. Calculatoarele cuantice sunt incredibil de puternice pentru rezolvarea problemelor specifice – cum ar fi simularea interacțiunilor dintre diferite molecule, găsirea celei mai bune soluții din multe opțiuni sau tratarea criptării și decriptării. Cu toate acestea, acestea nu sunt potrivite pentru fiecare tip de sarcină.
Calculatoarele clasice procesează un calcul la un moment dat într -o secvență liniară și urmează algoritmi (seturi de reguli matematice pentru îndeplinirea unor sarcini de calcul particulare) concepute pentru a fi utilizate cu biți clasici care sunt fie 0 sau 1. Acest lucru le face extrem de previzibile, robuste și Mai puțin predispus la erori decât mașinile cuantice. Pentru nevoile de calcul de zi cu zi, cum ar fi procesarea textelor sau navigarea pe internet, calculatoarele clasice vor continua să joace un rol dominant.
Există cel puțin două motive pentru asta. Primul este practic. Construirea unui computer cuantic care poate rula calcule fiabile este extrem de dificilă. Lumea cuantică este incredibil de volatilă, iar qubiturile sunt ușor perturbate de lucrurile din mediul lor, cum ar fi interferența din radiațiile electromagnetice, ceea ce le face predispuse la erori.
Faceți cunoștință cu Willow: cipul nostru cuantic de ultimă generație. Este primul cip cuantic care arată reducerea exponențială a erorilor ca scala de qubits, deschizând calea pentru computere cuantice cu cuantic tolerant la scară largă. Scufundați -vă în → https://t.co/lr1vkzk1qt pic.twitter.com/8vkixq694u
– Google cuantum AI (@googlequantumai) 9 decembrie 2024
Al doilea motiv constă în incertitudinea inerentă în tratarea cu qubits. Deoarece qubit -urile sunt în superpoziție (nu sunt nici 0 sau 1) nu sunt la fel de previzibile ca biții utilizați în calculul clasic. Prin urmare, fizicienii descriu qubits și calculele lor în ceea ce privește probabilitățile. Aceasta înseamnă că aceeași problemă, folosind același algoritm cuantic, rulați de mai multe ori pe același computer cuantic ar putea returna o soluție diferită de fiecare dată.
Pentru a aborda această incertitudine, algoritmii cuantici sunt de obicei rulați de mai multe ori. Rezultatele sunt apoi analizate statistic pentru a determina soluția cea mai probabilă. Această abordare permite cercetătorilor să extragă informații semnificative din calculele cuantice inerent probabilistice.
Din punct de vedere comercial, dezvoltarea calculului cuantic este încă în etapele sale incipiente, dar peisajul este foarte divers, cu o mulțime de companii noi care apar în fiecare an. Este fascinant să vedem că, pe lângă companii mari, consacrate, precum IBM și Google, se alătură celor noi, cum ar fi IQM, Pasqal și startup -uri precum Alice și Bob. Toți lucrează la realizarea computerelor cuantice mai fiabile, scalabile și accesibile.
În trecut, producătorii au atras atenția asupra numărului de qubits din calculatoarele lor cuantice, ca măsură a cât de puternică este mașina. Producătorii prioritizează din ce în ce mai mult modalitățile de a corecta erorile la care sunt predispuse computerele cuantice. Această schimbare este crucială pentru dezvoltarea de calculatoare cuantice tolerante la scară largă, deoarece aceste tehnici sunt esențiale pentru îmbunătățirea capacității lor.
Cel mai recent cip cuantic Google, Willow, a demonstrat recent progrese remarcabile în acest domeniu. Cu cât Google a folosit mai multe qubituri în Willow, cu atât a redus erorile. Această realizare marchează un pas semnificativ către construirea de computere cuantice relevante din punct de vedere comercial care pot revoluționa câmpuri precum medicina, energia și AI.
După mai bine de 40 de ani, calculul cuantic este încă la început, dar se așteaptă progrese semnificative în următorul deceniu. Natura probabilistică a acestor mașini reprezintă o diferență fundamentală între calculul cuantic și cel clasic. Este ceea ce le face fragile și greu de dezvoltat și de scară.
În același timp, este ceea ce le face un instrument foarte puternic pentru a rezolva problemele de optimizare, explorând mai multe soluții în același timp, mai rapid și mai eficient pe care le pot face calculatoarele clasice.
