Роз'яснення квантових обчислень (як і 5-річний)

Концепція "Квантових обчислень", яка нещодавно проходить вірусно - завдяки певному прем'єр-міністру - є одна з численних незвіданих територій науки нами ненауковими писками.

Причина, по якій більшість з нас ще не чули про це, незважаючи на те, що вона існує протягом десятиліть, це здебільшого це теоретично і тих, хто експериментував на ньому на початку були дуже тихими про це обумовлено необхідність у військовій та корпоративній таємниці.

Тим не менш, тепер ми знаємо, що існує комбінація квантової механіки та обчислювальної техніки, і це раптом всередині інтересів всіх. Якщо ви не знаєте, що таке квантовий комп'ютер, але не хочете, щоб його залишили поза циклом, читайте далі, щоб дізнатися, чому це краще, ніж традиційні комп'ютери, з якими ми сьогодні працюємо..

Традиційних комп'ютерів і бітів

Комп'ютери в основному цифрові та електронні взаємодіють з даними, представленими двійковими цифрами відомі як біти (0 і 1). Будь то зображення, текст, аудіо чи будь-які інші дані - все це зберігається в бітах.

Фізично двійкові числа 0 і 1 можуть бути представлені за допомогою будь-якого дводержавного утворення як монета (голова і хвіст) або перемикач (увімкнення або вимкнення). У комп'ютерах - біти наявність або відсутність напруги (1 або 0), або зміна або збереження магнітного напрямку в магнітних жорстких дисках.

Дані обробляються шляхом обчислення збережених бітів. Обчислення здійснюється логічними воротами, які зазвичай складаються з транзисторів, які контролюють проходження електронного сигналу. Якщо це дозволяє сигналу пройти, це біт 1, і якщо сигнал відключений, це 0.

Межі транзисторів

Завдяки зменшенню розміру мікросхеми та збільшенню кількості компонентів, електронні пристрої можуть поставлятися з мільйонами транзисторів, які можуть бути як 7nm (що в 1000 разів менше, ніж червоні кров'яні клітини і лише в 20 разів більше, ніж деякі атоми).

Розмір транзисторів може продовжувати скорочуватися, але в кінцевому підсумку, вони потраплять у фізичну межу, де електрони просто пройдуть тунель не буде контролю над потоком електронного сигналу.

Для постійно зростаючої потреби в потужних обчисленнях і менших пристроях, обмеження розміру базового електронного компонента є обмеженням прогресу. Вчені шукають нові способи займе менше часу та простору для обчислення та зберігання даних, і одним із способів, яким ми можемо скористатися, є квантові обчислення.

Кубіти, суперпозиція і заплутаність

Квантові обчислення використовують кубіти замість бітів для представлення даних. Кубіти представлені за допомогою квантових частинок електрони і фотони.

Квантові частинки володіють властивостями, такими як спін і поляризація, які можуть бути використані для представлення даних. Наприклад, обертання кубіту вгору може бути 1 і вниз 0.

Але сила квантових обчислень виходить з того, що на відміну від бітів, які є або 1, або 0, кубіти можуть бути 1 і 0 одночасно, через назву власності суперпозиція, де квантові частинки знаходяться в декількох станах в той самий час.

Це збільшує обчислювальну потужність кубіту, оскільки воно може використовуватися як для 1, так і для 0 під час обчислення і в кінці, один раз вимірюється, вона стає або 1, або 0.

Властивість суперпозиції можна легко пояснити відомим експериментом, зробленим на уявному коті Шредінгером, австрійським фізиком.

У квантовому світі існує ще одна властивість, яку можна використовувати в обчисленні квантова заплутаність. Це в основному відноситься до властивості квантових частинок, які заплутуються і стають залежними один від одного і, таким чином, не можна змінювати окремо.

Вони діють так єдина система з загальним станом.

Припустимо, 2 кубіти піддаються переплутуванню, якщо змінюється одне з станів кубіту, а інше також змінюється. Це призводить до реальної паралельної обробки або обчислень, що може значно скоротити час обчислення в порівнянні з традиційними комп'ютерами.

Труднощі та використання

Є багато практичних перешкод, яких потрібно подолати вченими та інженерами створення контрольованого середовища для кубітів і пошук способів маніпулювання їх властивостями, для досягнення бажаного результату.

Але як тільки квантові комп'ютери з високою обчислювальною потужністю, нарешті, будуть створені, вони можуть бути використані для вирішення проблем, які в іншому випадку займе дуже багато часу завершення традиційних комп'ютерів.

Пошук простих чинників великих чисел, проблема торговця подорожами для великої кількості міст та інші подібні проблеми для отримання результату потрібно експоненційне число порівняньs. Крім того, пошук за колосальними базами даних все ще є дуже трудомістким процесом для навіть сучасних цифрових комп'ютерів.

Ці питання можна вирішити за допомогою квантових комп'ютерів, які можуть вирішувати проблеми, які можуть зайняти століття в традиційних комп'ютерах, за лічені хвилини.

(H / T: IBM)