Vysvetlenie kvantovej výpočtovej techniky (ako ste 5-ročný)

Koncept "Quantum Computing", ktorý sa nedávno stal virálnym - vďaka niektorému premiérovi - je jedno z mnohých neuznaných oblastí vedy, ktoré nám nevedia.

Dôvod, pre ktorý to väčšina z nás zatiaľ nepočul, napriek tomu, že je to po celé desaťročia, je to z väčšej časti je to teoretické a tých, ktorí na ňom experimentovali na začiatku boli veľmi ticho o tom kvôli potrebu vojenského a firemného tajomstva.

Napriek tomu vieme, že existuje kombinácia kvantovej mechaniky a výpočtovej techniky a zrazu je to v rámci záujmu každého človeka. Ak neviete, čo je kvantový počítač, ale nechcete, aby bol vynechaný zo slučky, prečítajte si, prečo je to lepšie ako tradičné počítače, s ktorými dnes pracujeme.

Tradičné počítače a bity

Počítače sú väčšinou digitálne-elektronické a budú interagovať s údajmi reprezentovanými v binárnych číslach známe ako bity (0 a 1). Či už ide o obrázky, text, zvuk alebo iné údaje - všetko je uložené v bitoch.

Fyzicky môžu byť binárne čísla 0 a 1 zastúpená pomocou akéhokoľvek subjektu s dvoma štátmi ako minca (hlava a chvost) alebo vypínač (zapnutý alebo vypnutý). V počítačoch sú bity súbory prítomnosť alebo neprítomnosť napätia (1 alebo 0), alebo zmena alebo zachovanie magnetického smeru v magnetických pevných diskoch.

Údaje sa manipulujú pomocou výpočtu uložených bitov. Výpočty sa vykonávajú pomocou logických brán, ktoré sú zvyčajne vytvorené z tranzistorov, ktoré riadia priechod elektronického signálu. Ak to umožňuje, aby signál prešiel, je to bit 1 a ak je signál odpojený, je to 0.

Limity tranzistorov

S stále sa zmenšujúcou veľkosťou čipov a narastajúcim počtom komponentov môžu elektronické zariadenia prichádzať s miliónmi tranzistorov, ktoré môžu byť také malé ako 7nm (čo je 1000 krát menšie ako červené krvinky a iba 20 krát väčšie ako niektoré atómy).

Veľkosť tranzistorov sa môže aj naďalej zmenšovať, ale nakoniec zasiahne fyzickú hranicu, v ktorej budú elektróny jednoducho tunelovať a nebude existovať žiadna kontrola elektronického toku signálu.

Pre stále rastúcu potrebu silného výpočtu a menších zariadení, obmedzenie veľkosti základnej elektronickej súčiastky predstavuje obmedzenie pokroku. Vedci hľadajú nové spôsoby trvať menej času a priestoru na výpočet a uchovávanie údajov, a jeden zo spôsobov, ktorými môžeme použiť, je kvantové výpočty.

Qubits, Superposition a Entanglement

Quantum computing používa qubits namiesto bitov na reprezentáciu dát. Qubity sú reprezentované pomocou kvantových častíc, ako je elektróny a fotóny.

Kvantové častice majú vlastnosti ako spin a polarizácia, ktoré môžu byť použité na reprezentáciu údajov. Napríklad qubit spinning up môže byť 1 a smerom dole 0.

Ale schopnosť kvantového počítača pochádza z toho, že na rozdiel od bitov, ktoré sú buď 1 alebo 0, qubits môže byť 1 a 0 zároveň, kvôli majetku nazvanému superpozície, kde sú kvantové častice sú vo viacerých štátoch v rovnakom čase.

Tým sa zvyšuje výpočtová sila kvbitu, pretože sa dá použiť ako pri výpočte 1, tak pri výpočte a na konci raz merané, stane sa buď 1 alebo 0.

Vlastnosť superpozície sa dá ľahko vysvetliť slávnym myšlienkovým experimentom, ktorý sa uskutočnil na imaginárnej mačke Schrödingerom, rakúskym fyzikom.

V kvantovom svete existuje aj iná vlastnosť, ktorú možno využiť v oblasti výpočtovej techniky kvantové zapletanie. V podstate sa to týka vlastnosti kvantových častíc, ktoré sa zamotajú a byť navzájom závislí a preto nemožno meniť samostatne.

Fungujú ako jediný systém s celkovým stavom.

Povedzme, že 2 qubits podliehajú spleteniu, ak sa zmení jeden zo stavu qubitov, druhý sa zmení. To vedie k skutočnému paralelnému spracovaniu alebo výpočtovej technike, ktorá môže výrazne znížiť výpočtový čas v porovnaní s tradičnými počítačmi.

Ťažkosti a využitie

Existuje veľa praktických prekážok, ktoré musia vedci a inžinieri prekonať vytváranie kontrolovaného prostredia pre qubits a nájsť spôsoby, ako manipulovať s ich vlastnosťami, aby sa dosiahol požadovaný výsledok.

Ale akonáhle sú konečne vytvorené kvantové počítače s vysokou výpočtovou silou, môžu sa použiť na riešenie problémov, ktoré by inak mohli trvať veľmi dlho ktoré majú byť doplnené tradičnými počítačmi.

Hľadanie prvotných faktorov veľkého počtu, problém cestujúceho predajcu pre veľké množstvo miest a iné podobné problémy vyžadujú exponenciálny počet porovnaní, aby získali výsledoks. Tiež hľadanie v kolosálnych databázach je stále veľmi časovo náročný proces aj pre súčasné digitálne počítače.

Tieto problémy je možné riešiť pomocou kvantových počítačov, ktoré dokážu vyriešiť problémy, ktoré môžu trvať centrá v tradičných počítačoch, za niekoľko minút.

(H / T: IBM)