Kako kvantna mehanika može promijeniti računanje

Kvantni kompjuter - budućnost kvantnog računanja ( Mičio Kaku ) (Lipanj 2019).

Anonim

Početkom srpnja Google je najavio da će proširiti svoje komercijalno dostupne usluge računalnih cloud computinga kako bi uključio kvantno računalstvo. Slična je usluga dostupna od IBM-a od svibnja. To nisu usluge većine redovitih ljudi koji će imati puno razloga za korištenje još. Ali stvaranje kvantnih računala lakše će pomoći državnim, akademskim i korporativnim istraživačkim grupama širom svijeta kako bi nastavili s proučavanjem sposobnosti kvantnog računanja.

Razumijevanje načina funkcioniranja tih sustava zahtijeva istraživanje različitih područja fizike od većine ljudi koji su upoznati. Iz svakodnevnog iskustva upoznajemo ono što fizičari nazivaju "klasičnom mehanikom" koji upravlja većinom svijeta kojeg možemo vidjeti vlastitim očima, kao što je ono što se događa kada automobil hitne zgrade, koji put kugla uzima kad je bačen i zašto teško je povući hladnjak preko pješčane plaže.

Kvantna mehanika, međutim, opisuje subatomsko područje - ponašanje protona, elektrona i fotona. Zakoni kvantne mehanike vrlo su različiti od klasične mehanike i mogu dovesti do neočekivanih i protuobitivnih rezultata, kao što je ideja da objekt može imati negativnu masu.

Fizičari širom svijeta - u vladinim, akademskim i korporacijskim istraživačkim skupinama - nastavljaju istraživati ​​implementaciju tehnologija temeljenih na kvantnoj mehanici u stvarnom svijetu. I računalni znanstvenici, uključujući mene, žele shvatiti kako se te tehnologije mogu koristiti za unapređivanje računalstva i kriptografije.

Kratak uvod u kvantnu fiziku

U našem redovnom životu navikli smo na stvari koje postoje u dobro definiranom stanju: Na primjer, žarulja je uključena ili isključena. Ali u kvantnom svijetu, objekti mogu postojati u onome što se naziva superpozicija stanja: Hipotetska žarulja atomske razine može istodobno biti i uključena i isključena. Ova neobična značajka ima važne posljedice za računanje.

Najmanja jedinica informacija u klasičnoj mehanici - dakle, klasična računala - je bit, koji može imati vrijednost od 0 ili 1, ali nikada ne istodobno. Kao rezultat toga, svaki bit može držati samo jedan dio informacija. Takvi bitovi, koji se mogu predstavljati kao električni impulsi, promjene u magnetskim poljima ili čak i fizička on-off preklopka, čine osnovu za sve izračunavanje, pohranu i komunikaciju u današnjim računalima i informacijskim mrežama.

Qubiti - kvantni bitovi - kvantni su ekvivalenti klasičnih bitova. Jedna temeljna razlika je da, zbog superpozicije, qubits mogu istodobno zadržati vrijednosti od 0 i 1. Fizičke realizacije qubita moraju biti u atomskoj skali: na primjer u centru elektrona ili polarizacije fotona.

Računanje s qubitsom

Druga je razlika u tome što klasični bitovi mogu biti operirani neovisno jedan o drugom: Premještanje malo na jednom mjestu nema utjecaja na bitove na drugim mjestima. Qubiti se, međutim, mogu postaviti pomoću kvantno-mehaničkog svojstva nazvanog zapleta, tako da su međusobno ovisni - čak i kad su daleko razdvojeni. To znači da operacije izvršene na jednom qubitu pomoću kvantnog računala mogu istodobno utjecati na više drugih qubita. Ova svojstva - slična, ali ne isto kao i paralelna obrada - mogu učiniti kvantno računanje puno brže nego u klasičnim sustavima.

Velika kvantna računala - to jest kvantna računala sa stotinama qubita - još ne postoje i izazivaju izgradnju jer zahtijevaju operacije i mjerenja na atomskoj skali. Na primjer, IBM kvantno računalo ima 16 qubits, a Google obećava 49-qubit kvantno računalo - što bi bilo zapanjujući napredak - do kraja godine. (Nasuprot tome, prijenosna računala trenutno imaju više gigabajta RAM-a, a gigabajt ima osam milijardi klasičnih bitova.)

Snažan alat

Bez obzira na teškoće izgradnje kvantnih računala, teoretičari nastavljaju istraživati ​​svoje potencijale. Godine 1994. Peter Shor je pokazao da kvantna računala mogu brzo riješiti složene matematičke probleme koji su temelj svih najčešće korištenih kriptografskih sustava javnog ključa, poput onih koji osiguravaju sigurne veze za web preglednike. Veliko kvantno računalo potpuno bi ugrozilo sigurnost interneta, kako to znamo. Kriptografi aktivno istražuju nove pristupa javnim ključima koji bi bili "kvantno otporni" barem onoliko koliko trenutno znaju.

Zanimljivo je da se zakoni kvantne mehanike mogu koristiti i za izradu kriptosustava koji su, u nekim čulima, sigurniji od klasičnih analoga. Na primjer, distribucija kvantne ključeve dopušta dvije strane da dijele tajnu bez prisluškivanja koja se može oporaviti pomoću klasičnih ili kvantnih računala. Ti sustavi - i drugi temeljeni na kvantnim računalima - mogu postati korisni u budućnosti, bilo široko ili u nišim aplikacijama. No, ključan je izazov uzimajući ih da rade u stvarnom svijetu i na velikim udaljenostima.

menu
menu