Τι είναι το κβαντικό πλεονέκτημα; Ένας επιστήμονας κβαντικών υπολογιστών εξηγεί ένα ορόσημο που πλησιάζει που σηματοδοτεί την άφιξη εξαιρετικά ισχυρών υπολογιστών

By | December 2, 2023

Το κβαντικό πλεονέκτημα είναι το ορόσημο προς το οποίο εργάζεται πυρετωδώς ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών, όπου ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει προβλήματα που είναι πέρα ​​από τους ισχυρότερους μη κβαντικούς ή κλασσικούς υπολογιστές.

Το Quantum αναφέρεται στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων όπου οι νόμοι της φυσικής καθώς τους βιώνουμε καταρρέουν και εφαρμόζεται ένα διαφορετικό, αντίθετο-διαισθητικό σύνολο νόμων. Οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται αυτές τις περίεργες συμπεριφορές για να λύσουν προβλήματα.

Υπάρχουν ορισμένοι τύποι προβλημάτων που δεν είναι πρακτικό να επιλύσουν οι κλασικοί υπολογιστές, όπως η παραβίαση αλγορίθμων κρυπτογράφησης τελευταίας τεχνολογίας. Η έρευνα των τελευταίων δεκαετιών έχει δείξει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να λύσουν ορισμένα από αυτά τα προβλήματα. Εάν είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένας κβαντικός υπολογιστής που λύνει πραγματικά ένα από αυτά τα προβλήματα, θα έχει αποδείξει το κβαντικό πλεονέκτημα.

Είμαι φυσικός που μελετά την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών και τον έλεγχο των κβαντικών συστημάτων. Πιστεύω ότι αυτό το σύνορο της επιστημονικής και τεχνολογικής καινοτομίας όχι μόνο υπόσχεται πρωτοποριακές προόδους στην πληροφορική, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης μια ευρύτερη άνοδο της κβαντικής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων σημαντικών προόδων στην κβαντική κρυπτογραφία και την κβαντική ανίχνευση.

Η πηγή της κβαντικής υπολογιστικής ισχύος

Κεντρικό στοιχείο στον κβαντικό υπολογισμό είναι το κβαντικό bit ή qubit. Σε αντίθεση με τα κλασικά bit, τα οποία μπορούν να βρίσκονται μόνο σε καταστάσεις 0 ή 1, ένα qubit μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση που είναι κάποιος συνδυασμός 0 και 1. Αυτή η κατάσταση ούτε μόνο 1 ούτε μόνο 0 είναι γνωστή ως κβαντική υπέρθεση. Με κάθε επιπλέον qubit διπλασιάζεται ο αριθμός των καταστάσεων που μπορούν να αναπαρασταθούν από τα qubit.

Αυτή η ιδιότητα συχνά συγχέεται με την πηγή της κβαντικής υπολογιστικής ισχύος. Αντίθετα, όλα καταλήγουν σε μια περίπλοκη αλληλεπίδραση υπέρθεσης, παρεμβολής και εμπλοκής.

Η παρέμβαση περιλαμβάνει τον χειρισμό των qubits έτσι ώστε οι καταστάσεις τους να συνδυάζονται εποικοδομητικά κατά τη διάρκεια των υπολογισμών για να ενισχύσουν τις σωστές λύσεις και καταστροφικά για να καταστείλουν λάθος απαντήσεις. Οι εποικοδομητικές παρεμβολές είναι αυτό που συμβαίνει όταν οι κορυφές δύο κυμάτων – όπως τα ηχητικά κύματα ή τα κύματα του ωκεανού – συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια υψηλότερη κορυφή. Οι καταστροφικές παρεμβολές είναι αυτό που συμβαίνει όταν μια αιχμή κύματος και μια κοιλότητα κύματος συνδυάζονται και αλληλοεξουδετερώνονται. Οι κβαντικοί αλγόριθμοι, οι οποίοι είναι λίγοι και δύσκολο να επινοηθούν, καθιερώνουν μια ακολουθία μοτίβων παρεμβολών που παράγουν τη σωστή απάντηση σε ένα πρόβλημα.

Η διαπλοκή δημιουργεί μια μοναδική κβαντική συσχέτιση μεταξύ των qubits: η κατάσταση του ενός δεν μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από τα άλλα, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ των qubits. Αυτό είναι αυτό που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν απέρριψε ως «απόκοσμη δράση εξ αποστάσεως». Η συλλογική συμπεριφορά της εμπλοκής, ενορχηστρωμένη μέσω ενός κβαντικού υπολογιστή, επιτρέπει υπολογιστικές επιταχύνσεις που είναι πέρα ​​από την προσιτότητα των κλασικών υπολογιστών.

Εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών

Ο κβαντικός υπολογιστής έχει μια σειρά από πιθανές χρήσεις όπου μπορεί να ξεπεράσει τους κλασικούς υπολογιστές. Στην κρυπτογραφία, οι κβαντικοί υπολογιστές αντιπροσωπεύουν ταυτόχρονα μια ευκαιρία και μια πρόκληση. Το πιο γνωστό είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να σπάσουν τους τρέχοντες αλγόριθμους κρυπτογράφησης, όπως το ευρέως χρησιμοποιούμενο σχήμα RSA.

Μια συνέπεια αυτού είναι ότι τα τρέχοντα πρωτόκολλα κρυπτογράφησης πρέπει να επανασχεδιαστούν για να είναι ανθεκτικά σε μελλοντικές κβαντικές επιθέσεις. Αυτή η αναγνώριση οδήγησε στο αναπτυσσόμενο πεδίο της μετα-κβαντικής κρυπτογραφίας. Μετά από μια μακρά διαδικασία, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας επέλεξε πρόσφατα τέσσερις αλγόριθμους ανθεκτικούς στα κβαντικά και ξεκίνησε τη διαδικασία προετοιμασίας τους ώστε οι οργανισμοί σε όλο τον κόσμο να μπορούν να τους χρησιμοποιούν στην τεχνολογία κρυπτογράφησης τους.

Επιπλέον, ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να επιταχύνει δραματικά την κβαντική προσομοίωση: την ικανότητα πρόβλεψης του αποτελέσματος των πειραμάτων που λειτουργούν στον κβαντικό τομέα. Ο διάσημος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν φαντάστηκε αυτή τη δυνατότητα πριν από περισσότερα από 40 χρόνια. Η κβαντική προσομοίωση προσφέρει τη δυνατότητα για σημαντικές προόδους στη χημεία και την επιστήμη των υλικών, βοηθώντας σε τομείς όπως η πολύπλοκη μοντελοποίηση μοριακών δομών για ανακάλυψη φαρμάκων και επιτρέποντας την ανακάλυψη ή τη δημιουργία υλικών με νέες ιδιότητες.

Μια άλλη χρήση της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών είναι η κβαντική ανίχνευση: ανίχνευση και μέτρηση φυσικών ιδιοτήτων όπως η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, η βαρύτητα, η πίεση και η θερμοκρασία με μεγαλύτερη ευαισθησία και ακρίβεια από τα μη κβαντικά όργανα. Η κβαντική ανίχνευση έχει πολυάριθμες εφαρμογές σε τομείς όπως η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η γεωλογική εξερεύνηση, η ιατρική απεικόνιση και η επιτήρηση.

Πρωτοβουλίες όπως η ανάπτυξη ενός κβαντικού Διαδικτύου που διασυνδέει τους κβαντικούς υπολογιστές είναι κρίσιμα βήματα για τη γεφύρωση του κόσμου των κβαντικών και κλασικών υπολογιστών. Αυτό το δίκτυο θα μπορούσε να προστατευτεί χρησιμοποιώντας κβαντικά κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, όπως η διανομή κβαντικού κλειδιού, που επιτρέπει εξαιρετικά ασφαλή κανάλια επικοινωνίας που προστατεύονται από υπολογιστικές επιθέσεις – συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές.

Παρά το αυξανόμενο σύνολο εφαρμογών για τους κβαντικούς υπολογιστές, η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων που εκμεταλλεύονται πλήρως το κβαντικό πλεονέκτημα –ιδιαίτερα στη μηχανική μάθηση– παραμένει ένας κρίσιμος τομέας της συνεχιζόμενης έρευνας.

Μείνετε συνεπείς και ξεπεράστε τα λάθη

Ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών αντιμετωπίζει σημαντικά εμπόδια στην ανάπτυξη υλικού και λογισμικού. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι σε τυχόν ακούσιες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους. Αυτό οδηγεί στο φαινόμενο της αποσυνοχής, όπου τα qubits υποβαθμίζονται γρήγορα στις καταστάσεις 0 ή 1 των κλασικών bit.

Η κατασκευή μεγάλης κλίμακας συστημάτων κβαντικών υπολογιστών ικανών να εκπληρώσουν την υπόσχεση για κβαντική επιτάχυνση απαιτεί να ξεπεραστεί η αποσυνοχή. Το κλειδί είναι η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων για την καταστολή και τη διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων, έναν τομέα στον οποίο επικεντρώνεται η έρευνά μου.

Αντιμετωπίζοντας αυτές τις προκλήσεις, πολυάριθμες startups κβαντικού υλικού και λογισμικού έχουν αναδυθεί μαζί με καταξιωμένους παίκτες της βιομηχανίας τεχνολογίας, όπως η Google και η IBM. Αυτό το ενδιαφέρον του κλάδου, σε συνδυασμό με σημαντικές επενδύσεις από κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο, υπογραμμίζει τη συλλογική αναγνώριση του μετασχηματιστικού δυναμικού της κβαντικής τεχνολογίας. Αυτές οι πρωτοβουλίες ενθαρρύνουν ένα πλούσιο οικοσύστημα όπου ο ακαδημαϊκός κόσμος και η βιομηχανία συνεργάζονται, επιταχύνοντας την πρόοδο σε αυτόν τον τομέα.

Εμφανίζεται κβαντικό πλεονέκτημα

Ο κβαντικός υπολογισμός θα μπορούσε μια μέρα να είναι τόσο ενοχλητικός όσο η άφιξη της γενετικής τεχνητής νοημοσύνης. Επί του παρόντος, η ανάπτυξη της τεχνολογίας κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται σε μια κρίσιμη συγκυρία. Πρώτον, το πεδίο έχει ήδη δείξει πρώιμα σημάδια ότι έχει επιτύχει ένα στενά εξειδικευμένο κβαντικό πλεονέκτημα. Ερευνητές της Google και αργότερα μια ομάδα ερευνητών στην Κίνα επέδειξαν κβαντικό πλεονέκτημα στη δημιουργία μιας λίστας τυχαίων αριθμών με ορισμένες ιδιότητες. Η ερευνητική μου ομάδα έδειξε μια κβαντική επιτάχυνση για ένα παιχνίδι εικασίας τυχαίων αριθμών.

Από την άλλη πλευρά, υπάρχει απτός κίνδυνος εισόδου σε έναν «κβαντικό χειμώνα», μια περίοδο μειωμένων επενδύσεων, εάν τα πρακτικά αποτελέσματα δεν υλοποιηθούν βραχυπρόθεσμα.

Ενώ η βιομηχανία της τεχνολογίας εργάζεται για να προσφέρει κβαντικά πλεονεκτήματα σε προϊόντα και υπηρεσίες βραχυπρόθεσμα, η ακαδημαϊκή έρευνα παραμένει εστιασμένη στη διερεύνηση των θεμελιωδών αρχών που στηρίζουν αυτή τη νέα επιστήμη και τεχνολογία. Αυτή η συνεχιζόμενη βασική έρευνα, που τροφοδοτείται από ενθουσιώδη στελέχη λαμπρών νέων φοιτητών του είδους που συναντώ σχεδόν καθημερινά, διασφαλίζει ότι το πεδίο θα συνεχίσει να προοδεύει.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation, έναν ανεξάρτητο, μη κερδοσκοπικό οργανισμό ειδήσεων που σας παρέχει αξιόπιστα γεγονότα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το The Conversation είναι αξιόπιστες ειδήσεις από ειδικούς. Δοκιμάστε τα δωρεάν ενημερωτικά δελτία μας.

Το έγραψε: Daniel Lidar, Πανεπιστήμιο Νότιας Καλιφόρνια.

Δείτε περισσότερες πληροφορίες:

Ο Daniel Lidar λαμβάνει χρηματοδότηση από NSF, DARPA, ARO και DOE.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *