Квантовите компютри се появяват от време на време като обекти на интерес и загриженост - интерес, защото те предлагат такова огромно увеличение на изчислителната мощ и загриженост, защото те просто биха могли да разрушат цялата ни текуща криптография. Това вече не е въпрос на "ако", обаче, а на "кога". Първият работен модел се появи през 1998 г., но през последните няколко години се наблюдава огромно увеличение на властта. Ако искате, можете дори да имате достъп до една от квантовите машини на IBM по интернет в момента.

Уловът? Квантовите компютри все още не са много полезни. Понастоящем те изискват да функционират някои висококачествени научни съоръжения, да се изграждат и поддържат скъпо и са подходящи само за определени задачи. Долната линия е, че квантовите компютри са почти в точката на това, че са невероятни научни машини, но никога няма да ускорят доставката на снимки на котки от интернет сървърите до очните ви топки.

"През 40-те години на миналия век изследователите просто откриват как да използват вакуумни тръби като прости ключове. ... Тези ключове могат да образуват логически порти, които могат да бъдат свързани заедно, за да образуват първите логически схеми. Това е мястото, където сме в момента с квантовите процесори. Ние проверихме, че всички компоненти работят. Следващата стъпка е да се създаде най-малката, но най-интересна схема. "- Jungsang Kim, Duke University

Твърде дълго, не прочетох

Квантовите компютри са сложни, така че ако просто искате да получите идеята, без да влезете в детайлите, това е за вас.

  • Конвенционалните процесори работят, като имат много малки части, които могат да бъдат "обърнати" на позиция 0 или 1.
  • Суперпозиция: сценарий на "котката на Шрьодингер": нещо може да съществува в множество състояния, докато не бъде наблюдавано. За квантовите компютри това означава, че той може да съхранява 0 и 1 едновременно, докато бъде призован да бъде един или друг.
  • Квантовото заплитане: собственост, която позволява на квантовите частици да се разговарят един с друг - дори на разстояния на много километри, всяка промяна, направена на една частица, ще се отрази и на другата. Това позволява на квантовите компютри да комбинират "суперпозиционирани" чипове, за да увеличат експоненциално скоростта и пространството за съхранение. Два байта могат да съхраняват само едно от следните: 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1. Две qubits могат да съхраняват всички тези.
  • Qubits: Конвенционалните компютри използват бита и байтовете; квантовите компютри използват qubits. Това са нещата, които съществуват в самолета между 0 и 1 и те са това, което всеки се опитва да се заплита и да постави чипове.
  • Квантовите компютри не са много полезни за всекидневните изчислителни неща, но те ще бъдат невероятно добри в някои много сложни неща.

Конвенционални процесори

Конвенционалните процесори, като чипа Intel или AMD във вашия компютър, са по същество калкулатори, които следват логически пътища - получават някои данни и набор от инструкции, които им казват какво да правят (математика, като добавяне / умножаване, логика, като AND / NOT), Те изпълняват операцията и изпращат резултата, който се съхранява някъде другаде. Това е толкова просто, вход / номер отива и изход излиза; ако изглежда абстрактно, просто си представете черна кутия, която приема инструкции и материали и изплюва продукт. Ако имате 2.4 GHz процесор, компютърът ви върши около 2.4 милиарда от тези операции в секунда. Колкото повече номера можете да излезете от процесора си в секунда, толкова по-бързо ще се изпълняват програмите Ви.

На хардуерно ниво процесорите се състоят от милиони или дори милиарди транзистори, които са по същество малки превключватели, които непрекъснато се превключват (те не се движат, просто променят състоянията си на електрически заряд), за да представляват една от двете състояния: 0 или 1.Те са подредени в логически порти, кеш и други фантастични неща на чипа, но единственото нещо, което трябва да знаем е, че транзисторите имат само две възможни състояния: те винаги са настроени на 0 или 1, което позволява едно изчисление да се направи в даден момент.

За да обобщим: конвенционалните процесори извършват милиарди много прости операции много бързо, като използват милиони / милиарди транзистори, подредени по определени модели и зададени на 0 или 1, в зависимост от инструкциите.

Котката и супозицията на Шрьодингер

Вместо да се вмъквате направо в гайките и болтовете, най-добре е да започнете с някаква доста външна физика. (Не се безпокойте, няма математика.)

Котката на Шрьодингер е един от най-известните примери за квантова физика и се занимава с идеята за "суперпозиция". Това е доста просто: учен има кутия с котка вътре. Котката има 50% шанс да умре. (Никакви котки не са пострадали при създаването на тази илюстрация.) Ученият не е отворил кутията, така че не знае дали котката е жива или мъртва.

От обективна гледна точка, котката трябва да е мъртва или жива, но от гледна точка на квантовата физика, и двете са верни, поне докато кутията бъде отворена. Защо? Тъй като (поне за нашите цели, има много различни начини да се доближим до това) единицата за обработка на учените (неговият мозък) не знае какъв е отговорът, освен че може да бъде или жива, или мъртва котка. На теория ученият се е подготвил за двете възможности, така че когато отвори кутията, мозъкът му получава приноса (котката е жива!) И произвежда предварително изчислената продукция (вероятно релеф).

"Не само, че Вселената е по-странна, отколкото мислим, тя е по-странна, отколкото можем да мислим." - Вернер Хайзенберг

Това е суперпозиция : идеята, че нещо съществува в множество състояния, докато не бъде наблюдавано, измерено или по друг начин извършено. Как това се отнася за квантовите компютри? Просто заменете мозъка на учения с процесор (метафорично): той вече знае различните възможности (инструкцията може да бъде за 0 или за 1) и съхранява всички възможности едновременно. Що се отнася до изхода, обаче, той извежда 0 или 1, точно като нормален процесор. Всички възможности могат да съществуват едновременно, но може да се появи само един изход. Това не е особено полезно само с две числа, но след като го размерите до точката, където квантовите компютри могат да изчислят милиони възможности в даден момент, потенциалът започва да става очевиден.

Като аналогия, представете си, че хвърляте монета във въздуха. Докато летят, той непрекъснато се върти между главите и опашките, като глави, опашки и глави и опашки. Това е, което прави процесорът на квантовия компютър, и затова може да изчисли почти всички възможни резултати незабавно.

Квантово заплитане

Нещата стават наистина интересни тук. Оказва се, че квантовите частици могат да съществуват по двойки и че всеки член на двойката е огледален образ на другия. Това е "квантово заплитане". Ако нещо се случи с Частица 1, в Частица 2 ще настъпи противоположна промяна. Айнщайн нарече това "призрачно действие от разстояние", заради колко странно е това свойство. Военните изследователи дори експериментират с използването му за замяна на радара - просто изстрелват половината от заплетената двойка в небето и виждат какво се случва с партньора си тук, за да разбере дали се е ударил в самолет.

"Ако квантовата механика не ви е шокирала, все още не сте я разбрали." - Нилс Бор

Това е малко намиране на мисълта да се върне на главата, така че е достатъчно да се каже, че квантовите компютри могат да използват заплитане, за да свържат множество "квантови транзистори" или "qubits", за да увеличат нивото на сложност експоненциално. Един компютър може да погледне състоянието на един qubit и след това да разбере какво всички останали са до, тъй като те са заплетени.

Qubits

Това е мястото, където хардуерът идва. Qubits са, като конвенционалните компютърни бита и байтове, най-основната единица за съхранение на квантова информация. Голямата разлика е, че всеки qubit съществува в известен смисъл като едновременно 0 и 1 едновременно, които могат да бъдат възпроизведени на компютърни чипове по няколко различни начина, от суперколираните свръхпроводници до лазерите. Крайната цел е същата, все пак: да получите някакъв вид частици, които да съществуват в това странно квантово състояние, където това са две неща наведнъж. Например, малка ивица от суперохладен метал може да излъчва електрони наоколо с много малко съпротивление, създавайки потенциал за всяка държава, вместо да държи qubit в едно състояние.

Следващата стъпка е да се заплитате на qubits, което по същество означава, че трябва да ги синхронизирате до същата честота, за да могат да работят заедно. Това прави квантовите компютри много по-мощни, тъй като получаването на qubits вплетени е това, което ви позволява да имате цял чип от тях работят заедно. Самият той е доста впечатляващ, но не прави нищо прекалено вълнуващо. Когато е свързан с друг qubit, обаче, той може да съхранява всички възможни стойности и на двата qubits комбинирани: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, с 2 ^ 2 възможности. Ако заплитате три qubits, сега имате 2 ^ 3 възможности (8). Световният чип от юни 2018 г. има 72 qubits, които на теория биха могли да изпълнят колкото се може повече изчисления в секунда, колкото в продължение на повече от седмица биха могли да бъдат персонални компютри.

За да направите това малко по-просто: Ако сравнявате две конвенционални бита с две qubits, най-забележимата разлика е, че две бита могат да бъдат само 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1 - само една комбинация от двоични резултати. Две qubits, обаче, могат да съхраняват всичките четири от тях едновременно и тъй като те растат експоненциално, няколко qubits отиват много по-далеч от няколко бита. 3 заплетени qubits могат да бъдат 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 и 0- 1-0, едновременно - пазете мащабирането на една мощност наведнъж и завършвате с компютър, който може да съхранява някои много сложни възможности.

Очаквайте скоро (за няколко конкретни неща)

Така че това е квантов компютър: машина, която знае всички отговори, но само дава тази, която съответства на въпроса. Това е машина за намиране на ум, но тя е построена и става все по-голяма и по-добра толкова бързо, че е трудно да се справи. Може да се чудите кога ще получите в компютъра си малък суб-арктически фризер, пълен с ужасяваща наука, и за съжаление скоро не е отговорът. Това не означава, че никога няма да се случи, но в момента тя почти може да функционира само в една лаборатория и вашият петгодишен лаптоп може да победи най-много квантов компютър. Квантовите компютри ще бъдат много добри в някои неща, все пак, като:

  • Прекъсване на криптирането: Не е нужно да притежавате Bitcoin, за да се притеснявате, че криптирането ще се разпадне. Това е, което държи почти всичко в Интернет от това да бъде открито четиво за всеки, който иска да се впусне и да погледне. Вашият Wi-Fi? Шифрован. Кредитна карта? Шифрован. Прекъсването на криптирането на RSA се смята за невъзможно при нормални компютри, но това е просто защото те не могат да се досетят достатъчно бързо. Квантовите компютри са невероятни при познаване. За щастие, квантовото заплитане изглежда, че може да осигури нов начин за криптиране на нещата.
  • Търсенето на огромни количества данни: Квантовите компютри могат да преглеждат данните, да съхраняват всички отговори и да отговорят незабавно на въпроса ви. Кажете, че имате произволен списък с номера и знаете, че номер 193, 201 се намира някъде в него. Конвенционален компютър трябва да премине през всички номера, за да го намери, но квантов компютър знае къде е бил, преди да попитате.
  • Моделиране на изключително сложни сценарии: Химически структури, физически проблеми, прогнозиране на времето масивно сложни системи с много възможни резултати - това е мястото, където квантовите изчисления блестят. Тъй като тя може да съществува в толкова много възможни състояния наведнъж, тя може да възпроизведе реалната сложност на променливия натурален свят (който сам по себе си е в квантово състояние)

"За по-малко от десет години квантовите компютри ще започнат да надминават ежедневните компютри, което ще доведе до пробиви в изкуствения интелект, откриването на нови фармацевтични продукти и извън тях. Много бързата изчислителна мощ, предоставена от квантовите компютри, има потенциала да наруши традиционните бизнеси и да предизвика предизвикателства пред киберсигурността ни. Бизнесът трябва да е готов за квантово бъдеще, защото идва. "- Джереми О'Брайън, университет в Бристол

Квантовите компютри, тъй като понастоящем съществуват, изглеждат като най-вече машини за решаване на проблеми, оптимизиране на веригите за доставки, захранване на изкуствен интелект, прогнозиране на времето, игра на фондовия пазар и т.н. IBM, Intel, D-Wave, Google и други компании вече произвеждат версии на тези машини и търсят начини да ги направят по-практични и използваеми.

Едно важно препятствие обаче е, че тъй като qubits са изградени върху изчисляването на толкова много възможности, квантовите компютри понякога повреждат нещата. Изследователите работят върху това, но това е още една причина, поради която най-вероятно няма да разполагате с квантов компютър, който да замести вашия много по-механичен (и следователно точен) процесор.

Заключение: Объркване, но това е добре

"Това е едната част на Microsoft, където те поставят слайдове, които наистина не разбирам. Знам много физика и много математика. Но единственото място, където се слагат слайдове и е йероглифи, това е квант. "- Бил Гейтс

Почувствайте комфорт в това: Повечето хора нямат представа как работят нещата в компютъра си, а дори и тези, които имат идея, вероятно не разбират всичко за него. Най-доброто нещо за специализиране в начина, по който правим е, че не е нужно да знаете как работи процесорът ви, за да направите невероятни неща с него, и същото ще бъде вярно и за квантовите компютри. Основната разлика е, че докато вашият Intel i7 е доста чист, научаването за него вероятно няма да ви накара да поставяте под съмнение самата същност на реалността.