Οι κβαντικοί υπολογιστές εμφανίζονται κάθε φορά ως αντικείμενα ενδιαφέροντος και ανησυχίας - επειδή παρουσιάζουν τόσο μεγάλες αυξήσεις στην υπολογιστική ισχύ και την ανησυχία, διότι μπορεί να σπάσουν όλη την τρέχουσα κρυπτογραφία μας. Δεν είναι πλέον θέμα "αν", αλλά "πότε". Το πρώτο μοντέλο εργασίας εμφανίστηκε το 1998, αλλά τα τελευταία χρόνια έχουν δει μια τεράστια αύξηση της εξουσίας. Εάν θέλετε, μπορείτε ακόμη και να έχετε πρόσβαση σε μία από τις κβαντικές μηχανές της IBM μέσω του Διαδικτύου αυτή τη στιγμή.

Το πιάσιμο? Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι πολύ χρήσιμοι ακόμα. Σήμερα απαιτούνται κάποιοι υψηλής ποιότητας επιστημονικοί εξοπλισμοί για να λειτουργήσουν, είναι δαπανηροί για την κατασκευή και συντήρηση και είναι καλόι μόνο σε συγκεκριμένα καθήκοντα. Η κατώτατη γραμμή είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές βρίσκονται σχεδόν στο σημείο να είναι καταπληκτικά επιστημονικά μηχανήματα, αλλά ποτέ δεν μπορούν να επιταχύνουν την παράδοση εικόνων γάτας από διακομιστές στο Internet στους οφθαλμούς σας.

"Επιστροφή στη δεκαετία του 1940, οι ερευνητές μόλις ανακαλύπτουν πώς να χρησιμοποιούν τους σωλήνες κενού ως απλοί διακόπτες. ... Αυτοί οι διακόπτες θα μπορούσαν στη συνέχεια να σχηματίσουν λογικές πύλες, οι οποίες θα μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν τα πρώτα λογικά κυκλώματα. Εκεί βρισκόμαστε τώρα με κβαντικούς επεξεργαστές. Έχουμε επαληθεύσει ότι λειτουργούν όλα τα στοιχεία. Το επόμενο βήμα είναι να σχεδιάσουμε το μικρότερο, αλλά και το πιο ενδιαφέρον κύκλωμα. "- Jungsang Kim, Duke University

Πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, δεν το διάβασα

Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι περίπλοκοι, οπότε αν ψάχνετε ακριβώς να πάρετε την ιδέα χωρίς να μπείτε στις λεπτομέρειες, αυτό είναι για σας.

  • Οι συμβατικοί επεξεργαστές δουλεύουν έχοντας πολλά μέρη που μπορούν να "γυριστούν" είτε σε θέση 0 είτε σε θέση 1.
  • Επικάλυψη: το σενάριο "γάτας Schrodinger": κάτι μπορεί να υπάρχει σε πολλαπλές καταστάσεις έως ότου παρατηρηθεί. Για κβαντικούς υπολογιστές αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αποθηκεύσει 0 και 1 ταυτόχρονα μέχρι να κληθεί να είναι το ένα ή το άλλο.
  • Κβαντική εμπλοκή: μια ιδιότητα που επιτρέπει στα κβαντικά σωματίδια να μιλάνε μεταξύ τους - ακόμα και σε αποστάσεις πολλών μιλίων, οι τυχόν αλλαγές σε ένα σωματίδιο θα επηρεάσουν και το άλλο. Αυτό επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να συνδυάζουν τσιπ "superpositioned" για να αυξάνουν εκθετικά την ταχύτητα και το χώρο αποθήκευσης. Δύο bytes μπορούν να αποθηκεύσουν μόνο ένα από τα παρακάτω: 0-0, 0-1, 1-0 ή 1-1. Δύο qubits μπορούν να αποθηκεύσουν όλα αυτά.
  • Qubits: Οι συμβατικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν bits και bytes. οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits. Αυτά είναι τα πράγματα που υπάρχουν στο αεροπλάνο μεταξύ 0 και 1 και είναι ό, τι όλοι προσπαθούν να μπλέξουν και να βάλουν σε μάρκες.
  • Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν είναι πολύ χρήσιμοι για τα καθημερινά υπολογιστικά πράγματα, αλλά θα είναι παράλογα καλοί σε κάποια πολύ περίπλοκα πράγματα.

Συμβατικοί επεξεργαστές

Οι συμβατικοί επεξεργαστές, όπως το τσιπ Intel ή AMD στον υπολογιστή σας, είναι βασικά αριθμομηχανές που ακολουθούν λογικές διαδρομές - παίρνουν μερικά δεδομένα και ένα σύνολο οδηγιών που τους λένε τι πρέπει να κάνουν (μαθηματικά, όπως η προσθήκη / πολλαπλασιασμός, η λογική, όπως AND / NOT) . Εκτελούν τη λειτουργία και στέλνουν το αποτέλεσμα για να αποθηκευτούν κάπου αλλού. Είναι τόσο απλό, μια είσοδος / αριθμός πηγαίνει, και μια έξοδος βγαίνει? Αν φαίνεται αφηρημένη, φανταστείτε ένα μαύρο κουτί που παίρνει οδηγίες και υλικά και εκτοξεύει ένα προϊόν. Αν έχετε επεξεργαστή 2, 4 GHz, ο υπολογιστής σας κάνει περίπου 2, 4 δισεκατομμύρια από αυτές τις λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο. Όσο περισσότεροι αριθμοί μπορείτε να βγείτε από τον επεξεργαστή σας ανά δευτερόλεπτο, τόσο πιο γρήγορα θα εκτελεστούν τα προγράμματα σας.

Σε επίπεδο υλικού, οι επεξεργαστές αποτελούνται από εκατομμύρια ή ακόμα και δισεκατομμύρια τρανζίστορ, τα οποία είναι ουσιαστικά μικροσκοπικά μικροδιακόπτες που συνεχώς μετακινούνται (δεν κινούνται, απλώς αλλάζουν τις καταστάσεις ηλεκτρικού φορτίου τους) για να αντιπροσωπεύουν μία από τις δύο καταστάσεις: 0 ή 1. Αυτά είναι διατεταγμένα σε λογικές πύλες, κρυφές μνήμες και άλλα φανταχτερά πράγματα στο τσιπ, αλλά το μόνο που πρέπει να γνωρίζουμε είναι ότι τα τρανζίστορ έχουν μόνο δύο πιθανές καταστάσεις: είναι πάντοτε ρυθμισμένες είτε σε 0 είτε σε 1, επιτρέποντας έναν υπολογισμό να γίνει σε μια στιγμή.

Συνοψίζοντας: οι συμβατικοί επεξεργαστές κάνουν δισεκατομμύρια πολύ απλές λειτουργίες πολύ γρήγορα χρησιμοποιώντας εκατομμύρια δισεκατομμύρια τρανζίστορ τα οποία είναι διατεταγμένα σε ορισμένα μοτίβα και ρυθμίζονται σε 0 ή 1, ανάλογα με τις οδηγίες.

Η γάτα του Schrodinger και η Superposition

Αντί να μπαίνεις κατευθείαν στα παξιμάδια και τα μπουλόνια, είναι καλύτερο να ξεκινήσεις με κάποια αρκετά φυσική. (Μην ανησυχείτε, δεν υπάρχει μαθηματικά.)

Η γάτα του Schrodinger είναι ένα από τα πιο διάσημα παραδείγματα της κβαντικής φυσικής και ασχολείται με την ιδέα της «υπερβολής». Είναι πολύ απλό: ένας επιστήμονας έχει ένα κουτί με μια γάτα μέσα. Η γάτα έχει 50% πιθανότητα να πεθάνει. (Δεν υπήρξαν ζημιές στη γάτα.) Ο επιστήμονας δεν άνοιξε το κιβώτιο, οπότε δεν γνωρίζει αν η γάτα είναι ζωντανή ή νεκρή.

Από αντικειμενική άποψη, η γάτα πρέπει να είναι είτε νεκρή είτε ζωντανή, αλλά από την άποψη της κβαντικής φυσικής, και οι δύο είναι αληθινοί, τουλάχιστον έως ότου ανοίξει το κουτί. Γιατί; Επειδή (για τους σκοπούς μας, τουλάχιστον, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι προσέγγισης) η μονάδα επεξεργασίας του επιστήμονα (ο εγκέφαλός του) δεν γνωρίζει ποια είναι η απάντηση εκτός από το ότι μπορεί να είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή γάτα. Θεωρητικά, ο επιστήμονας έχει προετοιμαστεί και για τις δυο δυνατότητες, οπότε όταν ανοίγει το κουτί, ο εγκέφαλός του λαμβάνει την εισροή (η γάτα είναι ζωντανή!) Και παράγει την προκαθορισμένη παραγωγή (ανακούφιση, κατά πάσα πιθανότητα).

"Όχι μόνο είναι το Σύμπαν ξένοτερο από όσο νομίζουμε, είναι πιο ξένο από όσο μπορούμε να το σκεφτούμε" - Werner Heisenberg

Αυτή είναι η υπέρθεση : η ιδέα ότι κάτι υπάρχει σε πολλαπλές καταστάσεις έως ότου παρατηρηθεί, μετρηθεί ή άλλως ενεργήσει. Πώς ισχύει αυτό για τους κβαντικούς υπολογιστές; Απλά αντικαταστήστε τον εγκέφαλο του επιστήμονα με έναν επεξεργαστή (μεταφορικά): γνωρίζει ήδη τις διάφορες δυνατότητες (η οδηγία θα μπορούσε να είναι είτε 0 είτε 1) και αποθηκεύει όλες τις δυνατότητες ταυτόχρονα. Όταν πρόκειται για την έξοδο, όμως, εξάγει ένα 0 ή ένα, ακριβώς όπως ένας κανονικός επεξεργαστής. Όλες οι δυνατότητες μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα, αλλά μπορεί να προκύψει μόνο μία έξοδος. Δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμο με μόνο δύο αριθμούς, αλλά μόλις το κλιμακώσετε μέχρι το σημείο όπου οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να υπολογίσουν δισεκατομμύρια δυνατότητες κάθε φορά, το δυναμικό αρχίζει να γίνεται προφανές.

Ως αναλογία, φανταστείτε να ρίχνετε ένα νόμισμα στον αέρα. Ενώ πετάει, συνεχώς περιστρέφεται μεταξύ κεφαλών και ουρών, ουσιαστικά κεφαλιών, ουρών και αμφότερων των κεφαλών και ουρών. Αυτό είναι που κάνει ο επεξεργαστής κβαντικού υπολογιστή και γι 'αυτό μπορεί να υπολογίσει σχεδόν κάθε πιθανό αποτέλεσμα αμέσως.

Κβαντική εμπλοκή

Τα πράγματα αρχίζουν να γίνονται πραγματικά ενδιαφέροντα εδώ. Αποδεικνύεται ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε ζεύγη και ότι κάθε μέλος του ζεύγους είναι μια κατοπτρική εικόνα του άλλου. Αυτή είναι η «κβαντική εμπλοκή». Αν συμβεί κάτι στο Σωματίδιο 1, θα υπάρξει μια αντίθετη αλλαγή στο Σωματίδιο 2. Ο Αϊνστάιν ονομάζεται αυτή η «τρομακτική δράση από απόσταση» εξαιτίας του πόσο περίεργη είναι αυτή η ιδιότητα. Οι στρατιωτικοί ερευνητές πειραματίζονται ακόμη και με το να το χρησιμοποιήσουν για να αντικαταστήσουν το ραντάρ - απλά πυροβολούν το μισό ζευγαρωμένο ζευγάρι επάνω στον ουρανό και να δουν τι συμβαίνει με τον συνεργάτη του εδώ για να καταλάβει εάν χτυπά ένα αεροπλάνο.

"Αν η κβαντική μηχανική δεν σας σοκάρει βαθιά, δεν έχετε καταλάβει ακόμα." - Niels Bohr

Αυτό είναι λίγο λυπημένο για να πάρει το κεφάλι σας γύρω, έτσι αρκεί να πούμε ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν την εμπλοκή για να συνδέσουν πολλαπλά "κβαντικά τρανζίστορ" ή "qubits" για να αυξήσουν το επίπεδο πολυπλοκότητας εκθετικά. Ένας υπολογιστής μπορεί να κοιτάξει την κατάσταση ενός qubit και στη συνέχεια να καταλάβει τι όλοι οι άλλοι είναι μέχρι και καθώς επίσης επειδή είναι μπλεγμένος.

Qubits

Αυτό είναι όπου το υλικό έρχεται μέσα. Qubits είναι, όπως τα συμβατικά κομμάτια υπολογιστή και bytes, η πιο βασική μονάδα αποθήκευσης κβαντικών πληροφοριών. Η μεγάλη διαφορά είναι ότι κάθε qubit υπάρχει, κατά κάποιον τρόπο, ως αμφότερα 0 και 1 ταυτόχρονα, τα οποία μπορούν να αναπαραχθούν σε τσιπ υπολογιστών με μερικούς διαφορετικούς τρόπους, από υπεραγωγοί υπεραγωγούς σε λέιζερ. Ο τελικός στόχος είναι ο ίδιος, όμως: πάρτε κάποιο είδος σωματιδίου για να υπάρξει σε αυτή την περίεργη κβαντική κατάσταση όπου είναι δύο πράγματα ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, μια μικροσκοπική λωρίδα υπερψυχόμενου μετάλλου μπορεί να αναπηδήσει από τα ηλεκτρόνια με πολύ μικρή αντίσταση, δημιουργώντας το δυναμικό για οποιαδήποτε κατάσταση αντί να κρατήσει το qubit σε μια κατάσταση.

Ένα καλό επόμενο βήμα είναι να μπλέξετε τα qubits, πράγμα που ουσιαστικά σημαίνει ότι πρέπει να τα συγχρονίσετε μέχρι την ίδια συχνότητα, ώστε να μπορούν να εργαστούν μαζί. Αυτό κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές πολύ πιο ισχυρό από το να πάρουν τα qubits εμπλοκή είναι αυτό που σας επιτρέπει να έχετε ένα ολόκληρο τσιπ τους που εργάζονται μαζί. Από μόνη της ένα qubit είναι αρκετά εντυπωσιακό, αλλά δεν κάνει τίποτα πάρα πολύ συναρπαστικό. Όταν είναι εμπλεγμένο με ένα άλλο qubit, μπορεί να αποθηκεύσει όλες τις πιθανές τιμές και των δύο qubits σε συνδυασμό: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, με 2 ^ 2 δυνατότητες. Αν εμπλέξετε τρία qubits, έχετε τώρα 2 ^ 3 δυνατότητες (8). Το τσιπ παγκόσμιου ρεκόρ από τον Ιούνιο του 2018 έχει 72 qubits που θα μπορούσαν, θεωρητικά, να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς σε δευτερόλεπτο, όπως ένας προσωπικός υπολογιστής, σε διάστημα μεγαλύτερη της εβδομάδας.

Για να γίνει αυτό λίγο πιο απλό: αν συγκρίνετε δύο συμβατικά δυαδικά ψηφία σε δύο qubits, η πιο αισθητή διαφορά είναι ότι δύο δυαδικά ψηφία μπορούν να είναι μόνο 0-0, 0-1, 1-0 ή 1-1 - μόνο ένας συνδυασμός δυαδικών Αποτελέσματα. Δύο qubits, ωστόσο, μπορούν να αποθηκεύσουν και τα τέσσερα αυτά ταυτόχρονα, και καθώς αναπτύσσονται εκθετικά, μερικά qubits πηγαίνουν πολύ πιο μακριά από μερικά κομμάτια. 3 μπλεγμένα τετράγωνα μπορούν να είναι 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 και 0- 1-0, ταυτόχρονα - συνεχίστε να αυξάνετε τη δύναμη κάθε φορά και καταλήγετε σε έναν υπολογιστή που μπορεί να αποθηκεύσει κάποιες πολύ πολύπλοκες δυνατότητες.

Σύντομα (για μερικά συγκεκριμένα πράγματα)

Έτσι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής: ένα μηχάνημα που γνωρίζει όλες τις απαντήσεις, αλλά δίνει μόνο εκείνο που ταιριάζει με την ερώτηση. Είναι ένα μηχάνημα κάμψης μυαλού, αλλά είναι χτισμένο και γίνεται όλο και μεγαλύτερο και τόσο γρήγορα που είναι δύσκολο να συμβαδίσει. Ίσως αναρωτιέστε πότε θα πάρετε ένα μικροσκοπικό υπο-αρκτικό καταψύκτη γεμάτο με τρομακτικές επιστήμες στον υπολογιστή σας, και η απάντηση είναι, δυστυχώς, όχι σύντομα. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα συμβεί ποτέ, αλλά αυτή τη στιγμή μπορεί να λειτουργήσει λίγο μέσα σε ένα εργαστήριο και ο πενταετής φορητός υπολογιστής σας μπορεί να νικήσει έναν κβαντικό υπολογιστή στα περισσότερα πράγματα. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι πολύ καλοί σε μερικά πράγματα, όμως, όπως:

  • Διακοπή κρυπτογράφησης: Δεν χρειάζεται να είστε ιδιοκτήτης του Bitcoin για να ανησυχείτε για την καταστροφή της κρυπτογράφησης. Είναι αυτό που κρατά σχεδόν τα πάντα στο Διαδίκτυο από το να είναι ευανάγνωστα σε οποιονδήποτε θέλει να πέσει και να ρίξει μια ματιά. Το Wi-Fi σας; Κρυπτογραφημένο. Πιστωτική κάρτα? Κρυπτογραφημένο. Η σπάσιμο της κρυπτογράφησης RSA θεωρείται αδύνατη με τους κανονικούς υπολογιστές, αλλά αυτό συμβαίνει επειδή δεν μπορούν να μαντέψουν αρκετά γρήγορα. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι εκπληκτικοί στην μαντέψουν. Ευτυχώς, η κβαντική εμπλοκή φαίνεται πως θα μπορούσε να προσφέρει έναν νέο τρόπο κρυπτογράφησης των πραγμάτων.
  • Αναζήτηση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων: Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να ρίξουν μια ματιά στα δεδομένα, να αποθηκεύσουν όλες τις απαντήσεις και να απαντήσουν αμέσως στην ερώτησή σας. Πείτε ότι έχετε μια τυχαία λίστα αριθμών και γνωρίζετε ότι ο αριθμός 193.201 εμφανίζεται κάπου μέσα σε αυτό. Ένας συμβατικός υπολογιστής πρέπει να περνάει από όλους τους αριθμούς για να το βρει, αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής γνώριζε πού ήταν πριν το ρωτήσετε.
  • Μοντελοποίηση εξαιρετικά σύνθετων σεναρίων: Χημικές δομές, προβλήματα φυσικής, πρόγνωση καιρού μαζικά πολύπλοκα συστήματα με πολλές πιθανές εκβάσεις - εκεί βρίσκεται το κβαντικό υπολογισμό. Επειδή μπορεί να υπάρχει σε τόσες πολλές πιθανές καταστάσεις ταυτόχρονα, μπορεί να αναπαράγει την πραγματική πολυπλοκότητα του μεταβλητού φυσικού κόσμου (ο οποίος είναι ο ίδιος σε μια κβαντική κατάσταση)

"Σε λιγότερο από δέκα χρόνια, οι κβαντικοί υπολογιστές θα αρχίσουν να ξεπερνούν τους καθημερινούς υπολογιστές, οδηγώντας σε ανακαλύψεις στην τεχνητή νοημοσύνη, στην ανακάλυψη νέων φαρμακευτικών προϊόντων και πέραν αυτών. Η πολύ γρήγορη υπολογιστική ισχύς που δίνουν οι κβαντικοί υπολογιστές έχει τη δυνατότητα να διαταράξει τις παραδοσιακές επιχειρήσεις και να προκαλέσει την ασφάλεια του κυβερνοχώρου μας. Οι επιχειρήσεις πρέπει να είναι έτοιμες για ένα κβαντικό μέλλον επειδή έρχονται. "- Jeremy O'Brien, Πανεπιστήμιο του Bristol

Οι κβαντικοί υπολογιστές, όπως υπάρχουν σήμερα, μοιάζουν να είναι κυρίως μηχανές επίλυσης προβλημάτων, βελτιστοποιώντας τις αλυσίδες εφοδιασμού, τροφοδοτώντας την τεχνητή νοημοσύνη, προβλέποντας τον καιρό, παίζοντας στο χρηματιστήριο κλπ. IBM, Intel, D-Wave, Google και άλλες εταιρείες παράγουν ήδη εκδόσεις αυτών των μηχανών και αναζητούν τρόπους για να γίνουν πιο πρακτικοί και χρησιμοποιήσιμοι.

Ένα σημαντικό εμπόδιο, όμως, είναι ότι δεδομένου ότι τα qubits βασίζονται στον υπολογισμό τόσων πολλών δυνατοτήτων, οι κβαντικοί υπολογιστές παίρνουν τα πράγματα λάθος μερικές φορές. Οι ερευνητές εργάζονται για τον καθορισμό αυτού, αλλά είναι ένας ακόμα λόγος για τον οποίο πιθανότατα δεν θα έχετε έναν κβαντικό υπολογιστή που να αντικαθιστά τον πολύ πιο μηχανικό (και συνεπώς ακριβή) επεξεργαστή σας.

Συμπέρασμα: Σύγχυση, αλλά αυτό είναι εντάξει

"Αυτό είναι το ένα μέρος της Microsoft, όπου έβαλαν διαφάνειες που πραγματικά δεν καταλαβαίνω. Ξέρω πολλή φυσική και πολλά μαθηματικά. Αλλά το ένα μέρος όπου παρουσιάζουν διαφάνειες και είναι ιερογλυφικά, είναι κβαντικό. "- Bill Gates

Πάρε την άνεση σε αυτό: Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν ιδέα πώς τα πράγματα μέσα στον υπολογιστή τους δουλεύουν, ακόμα και αυτά που έχουν μια ιδέα μάλλον δεν καταλαβαίνουν τα πάντα γι 'αυτό. Το καλύτερο για την εξειδίκευση του τρόπου που κάνουμε είναι ότι δεν χρειάζεται να γνωρίζετε πώς λειτουργεί ο επεξεργαστής σας για να κάνετε εκπληκτικά πράγματα μαζί του και το ίδιο θα ισχύει και για τους κβαντικούς υπολογιστές. Η βασική διαφορά είναι ότι ενώ το Intel i7 είναι αρκετά τακτοποιημένο, η μάθηση για αυτό πιθανώς δεν θα σας κάνει να αμφισβητήσετε την ίδια τη φύση της πραγματικότητας.