Κβαντική Υπολογιστική Επεξήγηση (όπως είστε 5-year-old)

Η ιδέα της "κβαντικής πληροφορικής" που έχει πρόσφατα γίνει ιογενής - χάρη σε έναν συγκεκριμένο πρωθυπουργό - είναι ένα από τα πολλά άγνωστα εδάφη της επιστήμης από εμάς μη επιστημονικές peeps.

Ο λόγος για τον οποίο οι περισσότεροι από εμάς δεν το έχουν ακούσει παρόλο που είναι γύρω για δεκαετίες, είναι αυτό για το μεγαλύτερο μέρος είναι θεωρητικό και εκείνοι που πειραματίζονταν σε αυτό στην αρχή ήταν πολύ hush-hush γι 'αυτό λόγω την ανάγκη για στρατιωτικό και εταιρικό απόρρητο.

Παρ 'όλα αυτά, τώρα γνωρίζουμε ότι υπάρχει ένας κβαντικός μηχανισμός και ένας υπολογιστικός συνδυασμός και ξαφνικά αυτό είναι μέσα στο πεδίο ενδιαφέροντος όλων. Αν δεν ξέρετε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής αλλά δεν θέλετε να αποχωρήσετε από το βρόχο, διαβάστε για να μάθετε γιατί είναι καλύτερο από τους παραδοσιακούς υπολογιστές που εργαζόμαστε σήμερα.

Παραδοσιακών Υπολογιστών και Bits

Οι υπολογιστές είναι ως επί το πλείστον ψηφιακά-ηλεκτρονικά και θα αλληλεπιδρούν με δεδομένα που αντιπροσωπεύονται σε δυαδικά ψηφία γνωστά ως δυαδικά ψηφία (0 και 1). Είτε εικόνες, κείμενο, ήχος ή οποιαδήποτε άλλα δεδομένα - είναι όλα αποθηκευμένα σε bits.

Φυσικά, οι δυαδικοί αριθμοί 0 και 1 μπορούν να είναι αντιπροσωπεύεται χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε οντότητα δύο κρατών όπως ένα νόμισμα (κεφάλι και ουρά) ή ένας διακόπτης (ενεργοποιημένος ή απενεργοποιημένος). Στους υπολογιστές, τα bits είναι τα παρουσία ή απουσία τάσης (1 ή 0), ή αλλαγή ή διατήρηση μαγνητικής κατεύθυνσης σε μαγνητικούς σκληρούς δίσκους.

Τα δεδομένα χειρίζονται με υπολογισμό των αποθηκευμένων δυφίων. Ο υπολογισμός γίνεται με λογικές πύλες οι οποίες συνήθως αποτελούνται από τρανζίστορ που ελέγχουν τη διέλευση του ηλεκτρονικού σήματος. Αν επιτρέπει στο σήμα να περάσει, είναι το bit 1 και αν το σήμα έχει διακοπεί, είναι 0.

Τα όρια των τρανζίστορ

Με το συνεχώς συρρικνούμενο μέγεθος τσιπ και τον αυξανόμενο αριθμό εξαρτημάτων, οι ηλεκτρονικές συσκευές μπορούν να έρθουν με εκατομμύρια τρανζίστορ που μπορούν να είναι τόσο μικρά όσο τα 7nm (που είναι 1000 φορές μικρότερα από τα ερυθρά αιμοσφαίρια και μόνο 20 φορές μεγαλύτερα από κάποια άτομα).

Το μέγεθος των τρανζίστορ μπορεί να συνεχίσει να συρρικνώνεται αλλά, τελικά, θα χτυπήσει ένα φυσικό όριο, όπου τα ηλεκτρόνια θα τούνουν μόνο μέσω αυτών και δεν θα υπάρχει έλεγχος της ηλεκτρονικής ροής σήματος.

Για την ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για ισχυρό υπολογισμό και μικρότερες συσκευές, ένα όριο μεγέθους σε ένα βασικό ηλεκτρονικό στοιχείο αποτελεί περιορισμό της προόδου. Οι επιστήμονες αναζητούν νέους τρόπους λαμβάνουν λιγότερο χρόνο και χώρο για τον υπολογισμό και την αποθήκευση δεδομένων, και ένας από τους τρόπους που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε είναι ο κβαντικός υπολογισμός.

Πτερύγια, Υπερπόθεση και Εμπλοκή

Ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιεί τα qubits αντί των δυαδικών ψηφίων για την αναπαραγωγή δεδομένων. Τα πτερύγια αντιπροσωπεύονται χρησιμοποιώντας κβαντικά σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και φωτόνια.

Τα κβαντικά σωματίδια έχουν ιδιότητες όπως η περιστροφή και η πόλωση που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαραγωγή δεδομένων. Για παράδειγμα, ένα qubit περιστρεφόμενο προς τα πάνω μπορεί να είναι 1 και προς τα κάτω 0.

Αλλά η δύναμη της κβαντικής πληροφορικής προέρχεται από το γεγονός ότι σε αντίθεση με τα δυαδικά ψηφία που είναι είτε 1 είτε 0, qubits μπορεί να είναι 1 και 0 ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ, λόγω μιας ιδιοκτησίας που ονομάζεται προσθήκη, όπου κβαντικά σωματίδια βρίσκονται σε πολλαπλές καταστάσεις Την ίδια στιγμή.

Αυτό αυξάνει την υπολογιστική ισχύ του qubit, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για το 1 και το 0 κατά τη διάρκεια του υπολογισμού και στο τέλος, μία φορά μετρημένος, γίνεται είτε 1 είτε 0.

Η ιδιότητα επικάλυψης μπορεί εύκολα να εξηγηθεί από ένα διάσημο πείραμα σκέψης που έγινε σε μια φανταστική γάτα από τον Schrödinger, Αυστριακό φυσικό.

Στον κβαντικό κόσμο, υπάρχει και μια άλλη ιδιότητα που μπορεί να αξιοποιηθεί στον υπολογισμό κβαντική εμπλοκή. Βασικά αναφέρεται ιδιότητες κβαντικών σωματιδίων που εμπλέκονται και εξαρτώνται το ένα από το άλλο και έτσι δεν μπορούν να αλλάξουν χωριστά.

Ενεργούν όπως ένα ενιαίο σύστημα με συνολική κατάσταση.

Ας υποθέσουμε ότι 2 qubits υφίστανται εμπλοκή, αν αλλάξει μία από τις συνθήκες του qubit, το άλλο θα αλλάξει επίσης. Αυτό οδηγεί σε πραγματική παράλληλη επεξεργασία ή υπολογισμό που μπορεί να μειώσει σημαντικά τον χρόνο υπολογισμών σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Δυσκολίες και χρήσεις

Υπάρχουν πολλά πρακτικά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν από τους επιστήμονες και τους μηχανικούς δημιουργώντας ένα ελεγχόμενο περιβάλλον για τα qubits και βρίσκοντας τρόπους χειρισμού των ιδιοτήτων τους, για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Αλλά όταν τελικά δημιουργούνται κβαντικοί υπολογιστές με υψηλή υπολογιστική ισχύ, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση προβλημάτων που διαφορετικά θα είχαν πάρτε πολύ χρόνο να συμπληρωθούν από τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Βρίσκοντας πρωταρχικούς παράγοντες μεγάλου αριθμού, το πρόβλημα των μετακινούμενων πωλητών για μεγάλο αριθμό πόλεων και άλλα παρόμοια προβλήματα απαιτούν έναν εκθετικό αριθμό συγκρίσεων για να πάρει αποτέλεσμαμικρό. Επίσης, η αναζήτηση σε κολοσσιαίες βάσεις δεδομένων εξακολουθεί να είναι μια πολύ χρονοβόρα διαδικασία για ακόμη και τρέχοντες ψηφιακούς υπολογιστές.

Αυτά τα θέματα μπορούν να αντιμετωπιστούν με κβαντικούς υπολογιστές, οι οποίοι μπορούν να λύσουν προβλήματα που μπορεί να χρειαστούν αιώνες στους παραδοσιακούς υπολογιστές, σε λίγα λεπτά.

(Η / Τ: IBM)