[ad_1]
Przewaga kwantowa jest kamieniem milowym w dziedzinie obliczeń kwantowych, do którego gorliwie dąży, gdy komputer kwantowy może rozwiązywać problemy, które są poza zasięgiem najpotężniejszych komputerów niekwantowych lub klasycznych.
Skala kwantowa odnosi się do skali atomów i cząsteczek, w której prawa fizyki, jakich doświadczamy, załamują się i stosuje się inny, sprzeczny z intuicją zestaw praw. Komputery kwantowe wykorzystują te dziwne zachowania do rozwiązywania problemów.
Istnieją pewne rodzaje problemów, które są niepraktyczne do rozwiązania przez klasyczne komputery, takich jak łamanie najnowocześniejszych algorytmów szyfrowania. Badania prowadzone w ostatnich dziesięcioleciach wykazały, że komputery kwantowe mogą potencjalnie rozwiązać niektóre z tych problemów. Jeśli uda się zbudować komputer kwantowy, który rzeczywiście rozwiąże jeden z tych problemów, będzie to oznaczało, że wykazał on przewagę kwantową.
Jestem fizykiem który bada kwantowe przetwarzanie informacji i kontrolę systemów kwantowych. Wierzę, że ta granica innowacji naukowych i technologicznych nie tylko obiecuje przełomowe postępy w obliczeniach, ale także reprezentuje szerszy wzrost technologii kwantowej, w tym znaczące postępy w kryptografii kwantowej i wykrywaniu kwantowym.
Źródło mocy obliczeń kwantowych
Centralnym elementem obliczeń kwantowych jest bit kwantowy, lub qubit. W przeciwieństwie do klasycznych bitów, które mogą znajdować się tylko w stanach 0 lub 1, qubit może znajdować się w dowolnym stanie, który jest kombinacją 0 i 1. Ten stan, w którym nie ma ani tylko 1, ani tylko 0, jest znany jako a superpozycja kwantowa. Z każdym dodatkowym kubitem liczba stanów, które mogą być reprezentowane przez kubity, podwaja się.
Ta właściwość jest często mylona ze źródłem mocy obliczeń kwantowych. Zamiast tego, sprowadza się ona do skomplikowanej interakcji superpozycji, interferencji oraz splątanie.
Interferencja polega na manipulowaniu kubitami w taki sposób, aby ich stany łączyły się konstruktywnie podczas obliczeń w celu wzmocnienia poprawnych rozwiązań i destrukcyjnie w celu stłumienia złych odpowiedzi. Konstruktywna interferencja ma miejsce, gdy szczyty dwóch fal, takich jak fale dźwiękowe lub fale oceaniczne, łączą się, tworząc wyższy szczyt. Interferencja destruktywna ma miejsce, gdy szczyt fali i dołek fali łączą się i wzajemnie znoszą. Algorytmy kwantowe, które są nieliczne i trudne do opracowania, tworzą sekwencję wzorców interferencji, które dają prawidłową odpowiedź na dany problem.
Splątanie ustanawia unikalną korelację kwantową między kubitami: Stan jednego z nich nie może być opisany niezależnie od pozostałych, bez względu na to, jak daleko od siebie znajdują się kubity. To właśnie Albert Einstein określił mianem „upiornego działania na odległość”. Kolektywne zachowanie splątania, zaaranżowane przez komputer kwantowy, umożliwia przyspieszenie obliczeń, które jest poza zasięgiem klasycznych komputerów.
Zastosowania obliczeń kwantowych
Obliczenia kwantowe mają szereg potencjalnych zastosowań, w których mogą przewyższać klasyczne komputery. W kryptografii komputery kwantowe stanowią zarówno szansę, jak i wyzwanie. Najsłynniejsze z nich to potencjał do odszyfrowania obecnych algorytmów szyfrowania, takich jak szeroko stosowany schemat RSA.
Jedną z konsekwencji jest to, że dzisiejsze protokoły szyfrowania muszą zostać przeprojektowane, aby były odporne na przyszłe ataki kwantowe. Ta świadomość doprowadziła do rozkwitu dziedziny kryptografia postkwantowa. Po długim procesie Narodowy Instytut Standardów i Technologii wybrał ostatnio cztery algorytmy odporne na kwanty i rozpoczął proces ich przygotowania, aby organizacje na całym świecie mogły ich używać w swoich technologiach szyfrowania.
Ponadto obliczenia kwantowe mogą znacznie przyspieszyć symulację kwantową: zdolność do przewidywania wyników eksperymentów działających w sferze kwantowej. Słynny fizyk Richard Feynman przewidział taką możliwość ponad 40 lat temu. Symulacja kwantowa oferuje potencjał dla znacznego postępu w chemii i materiałoznawstwie, pomagając w takich obszarach jak skomplikowane modelowanie struktur molekularnych w celu odkrywania leków i umożliwiając odkrywanie lub tworzenie materiałów o nowych właściwościach.
Innym zastosowaniem kwantowej technologii informacyjnej jest wykrywanie kwantowe: wykrywanie i pomiar właściwości fizycznych, takich jak energia elektromagnetyczna, grawitacja, ciśnienie i temperatura, z większą czułością i precyzją niż instrumenty niekwantowe. Czujniki kwantowe mają niezliczone zastosowania w dziedzinach takich jak monitorowanie środowiska, poszukiwania geologiczne, obrazowanie medyczne, oraz nadzór.
Inicjatywy takie jak rozwój kwantowego Internetu, który łączy komputery kwantowe, są kluczowymi krokami w kierunku połączenia świata obliczeń kwantowych i klasycznych. Sieć ta mogłaby być zabezpieczona za pomocą kwantowych protokołów kryptograficznych, takich jak kwantowa dystrybucja kluczy, która umożliwia ultra-bezpieczne kanały komunikacyjne, które są chronione przed atakami obliczeniowymi – w tym tymi wykorzystującymi komputery kwantowe.
Pomimo rosnącego zestawu zastosowań dla obliczeń kwantowych, opracowywanie nowych algorytmów, które w pełni wykorzystują przewagę kwantową – w szczególności w uczeniu maszynowym-pozostaje krytycznym obszarem trwających badań.
Zachowanie spójności i przezwyciężanie błędów
Dziedzina obliczeń kwantowych napotyka znaczące przeszkody w rozwoju sprzętu i oprogramowania. Komputery kwantowe są bardzo wrażliwe na wszelkie niezamierzone interakcje z otoczeniem. Prowadzi to do zjawiska dekoherencji, w którym kubity szybko degradują się do stanów 0 lub 1 klasycznych bitów.
Budowa wielkoskalowych kwantowych systemów obliczeniowych zdolnych do spełnienia obietnicy kwantowego przyspieszenia wymaga przezwyciężenia dekoherencji. Kluczem jest opracowanie skutecznych metod tłumienia i korygowania błędów kwantowych, obszar, na którym koncentrują się moje własne badania.
W obliczu tych wyzwań, obok ugruntowanych graczy z branży technologicznej, takich jak Google i IBM, pojawiły się liczne startupy zajmujące się sprzętem i oprogramowaniem kwantowym. To zainteresowanie ze strony branży, w połączeniu ze znacznymi inwestycjami ze strony rządów na całym świecie, podkreśla zbiorowe uznanie transformacyjnego potencjału technologii kwantowej. Inicjatywy te wspierają bogaty ekosystem, w którym współpracują środowiska akademickie i przemysłowe, przyspieszając postęp w tej dziedzinie.
Przewaga kwantowa w zasięgu wzroku
Obliczenia kwantowe mogą pewnego dnia być tak przełomowe, jak pojawienie się generatywna sztuczna inteligencja. Obecnie rozwój technologii obliczeń kwantowych znajduje się w kluczowym momencie. Z jednej strony, dziedzina ta wykazała już wczesne oznaki osiągnięcia wąsko wyspecjalizowanej przewagi kwantowej. Naukowcy z Google a później zespół badaczy w Chinach wykazał przewagę kwantową do generowania listy liczb losowych o określonych właściwościach. Mój zespół badawczy zademonstrował kwantowe przyspieszenie dla gry polegającej na zgadywaniu liczb losowych.
Z drugiej strony, istnieje namacalne ryzyko wejścia w „kwantową zimę”, okres zmniejszonych inwestycji, jeśli praktyczne wyniki nie zmaterializują się w najbliższym czasie.
Podczas gdy branża technologiczna pracuje nad zapewnieniem przewagi kwantowej w produktach i usługach w najbliższym czasie, badania akademickie nadal koncentrują się na badaniu podstawowych zasad leżących u podstaw tej nowej nauki i technologii. Te ciągłe badania podstawowe, napędzane przez entuzjastyczne kadry nowych i bystrych studentów, z którymi spotykam się niemal każdego dnia, zapewniają dalszy postęp w tej dziedzinie.
Ten artykuł został ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.
Image Credit: xx / xx
[ad_2]