Razvoj Kvantnega Računalnika

2023 Avtor: Hannah Pearcy | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-08-25 03:39

Če želite opisati kvantni računalnik in njegove zmožnosti, se včasih sliši, kot da opisujete magijo - ker v kvantni domeni naše razumevanje fizike ne velja več. Če želite vsaj na začetku razumeti kvantne računalnike, si najprej oglejte klasične računalnike: Računalnik temelji na najmanjših elektronskih vezjih, ki so vgrajena v mikročipe, tako imenovana integrirana vezja (IC), ki vsebujejo aktivne in pasivne komponente, kable in tranzistorji - drobna elektronska stikala in najmanjša funkcionalna enota v računalniku.

Zakaj tranzistorjev ne moremo zmanjšati?

Tranzistor deluje kot stikalo: uporablja napetostne potenciale, da predstavlja stanje - bodisi 0 ali 1, najmanjšo binarno enoto v računalniku, tako imenovani bit. Tranzistorji so povezani skupaj, da ustvarijo logična vrata. Povezana ta logična vrata lahko izvajajo najpreprostejše aritmetične in shranjevalne operacije. Ta preprosta vezja zadostujejo za izvajanje zelo zapletenih aplikacij, ki jih današnji sodobni računalniki lahko dosežejo.

Da bi dosegli večjo učinkovitost, se računalniška tehnologija že desetletja miniatizira. Danes so tranzistorji nepredstavljivo majhni na le 10 nanometrov - 18 milijard tranzistorjev se prilega na čip, ki meri dva do dva centimetra.

Toda zdaj je dosežena fizična meja miniaturnosti. Po eni strani sedanje metode izdelave z uporabo ultravijolične svetlobe ne zadostujejo več za proizvodnjo še manjših tranzistorjev. In na drugi strani imajo tranzistorji, ki imajo velikost le nekaj atomov, čudne fizične pogoje, ki po našem mnenju ne bi smeli biti možni: Čeprav fizična ovira v tranzistorju lahko prepreči napredovanje elektronov, to počnejo v tem majhnem obsegu preiti oviro. Ta učinek tunelov se imenuje tudi kvantni mehanski učinek in preprečuje nadaljnje miniaturiziranje klasičnih računalnikov.

Toda raziskovalci želijo izkoristiti ta učinek za razvoj tako imenovanih kvantnih računalnikov.

Kako deluje kvantni računalnik?

V kvantnih računalnikih najmanjša enota informacij ni bit, ampak kvantni bit ali kbit. Klasični bit ima jasno opredeljeno stanje 1 ali 0. Qubit pozna tudi stanja 1 in 0, vendar v nasprotju s konvencionalnim bitjem ima qubit hkrati oba stanja, zato ni omejen na eno stanje. Ta lastnost se imenuje superpozicija.

In tu postane vznemirljivo: stanje superpozicije se vzdržuje le, dokler ne opazimo kbita. Vendar v trenutku, ko je določeno stanje kitov, prevzame jasno določeno stanje - 1 ali 0 - z določeno verjetnostjo.

Tudi tukaj je jasna računalniška moč kvantnih računalnikov: V klasičnem računalniku so lahko z enim bitjem zastopane štiri različne kombinacije (00, 11, 10, 01), med katerimi lahko izbiramo - s kbitom pa lahko vse štiri kombinacije uporabimo hkrati postati. Poleg tega njihova superpozicija omogoča, da kiti izvajajo vzporedne aritmetične operacije - in vsak dodatni kbit se pomnoži, če je to eksponencialno.

Druga izjemna lastnost kvantnih računalnikov je zapletanje. Dva prepletena qubita imata povezavo med seboj - ne glede na razdaljo. Celo več tisoč kilometrov kubit brez časovne zamude prevzame stanje svojega zapletenega qubita.

Kako izračuna kvantni računalnik?

Kot smo že opisali, klasični računalniki za logične izračune uporabljajo logična vrata. V kvantnih računalnikih se uporabljajo tako imenovana kvantna vrata, in čeprav se ta vrata zelo razlikujejo, je mogoče izvesti iste aritmetične operacije - s prelomno razliko, da lahko kvantni računalnik te izračune izvaja hkrati.

Kaj lahko naredi kvantni računalnik

Šifriranje: Ta zmožnost lahko dejansko ogrozi našo varnost IT, zlasti pri trenutnih kriptografskih metodah šifriranja. Primarna faktorizacija je običajna enkripcija in velja za zelo varno. Število nastane z množenjem več pravih števil. Za obnovitev prvotnih prvotnih številk bi sedanji računalniki potrebovali 100.000 let. Ker lahko kvantni računalniki vzporedno izvajajo aritmetične operacije, bi to šifriranje lahko razbili v nekaj minutah s tako imenovanim algoritmom Shor. To bi vključevalo šifriranje platform za e-trgovino, ponudbe v oblaku, e-bančništvo, IoT sisteme in vse, kar se v šifrirani obliki posreduje po internetu.

Dobra novica je, da kvantni računalniki omogočajo tudi novo vrsto šifriranja, kvantno kriptografijo. Kljub temu varnostni strokovnjaki že danes opozarjajo na razmišljanje o možnih kvantnih računalnikih v prihodnosti - zlasti z občutljivimi podatki, ki so bili shranjeni desetletja, kot so bančni podatki, obstaja tveganje, da bo prihod kvantnih računalnikov hitro pokvaril staro šifriranje.

Baze podatkov: Druga uporaba kvantnih računalnikov je iskanje v velikanskih bazah podatkov z algoritmom Grover. Medtem ko klasični računalnik z vnosom išče vnos v bazo podatkov, lahko kvantni računalnik zaradi svoje superpozicije vnose hitreje skenira.

Simulacije: Tudi zelo kompleksne simulacije, denimo iz same kvantne tehnologije ali iz zapletenih molekulskih struktur, lahko koristijo kvantno tehnologijo, saj običajni računalniki tu dosegajo svoje meje.

Tehnologija je na kratko pojasnila

Razvoj dvigala Einstein

Kakšno je trenutno stanje kvantnih računalnikov?

Tako raziskovalne institucije kot podjetja trenutno gradijo kvantne računalnike, čeprav se tukaj še vedno uporabljajo povsem različne arhitekture. Google in IBM ločeno gradita kvantni računalnik, ki temelji na superprevodnih tračnih resonatorjih. Qubit je oblak elektronov znotraj mikrovalovnega oscilatorja. Ta se ohladi na 15 millikelvin, kar je skoraj nič. Josephsonov kontakt ponuja možnost kvantnega tuneliranja in s prilagajanjem frekvence oscilatorja se lahko kvidi prepletajo in lahko uporabljajo kvantna vrata.

Google je lani povzročil občutek, ko je predstavil svoj prvi kvantni računalnik, ki je v nekaj minutah opravil izračun, za katerega so tradicionalni računalniki dejansko potrebovali 10.000 let. Ta izračun je bil opravljen s 53 kubiki. Naslednji korak želi Google implementirati čip z 1.000 kubitov - vendar količina kitov ni edini odločilni dejavnik za računalniško moč, kbiti morajo biti tudi visoko kakovostni, da imajo nizko stopnjo napak.

Kako pomembni bodo kvantni računalniki postali za našo prihodnost, za zdaj skoraj ni mogoče reči. Raziskave kvantnega računalnika so še vedno v povojih. Ni verjetno, da bodo nadomestili naše klasične računalnike, toda v katero smer gre razvoj in kakšen bo naslednji kvantni preskok - v tem smislu Janusova beseda, ker je fizični kvantni preskok nekaj drobnega in majhnega - negotov.