Czym jest informatyka kwantowa i dlaczego zależy od niej przyszłość Ziemi?

Moc obliczeniowa osiąga punkt krytyczny. Jeśli będziemy nadal podążać za trendem obowiązującym od czasu wprowadzenia komputerów, do 2040 r. Nie będziemy w stanie zasilać wszystkich maszyn świata, chyba że uda nam się złamać obliczenia kwantowe.

jak naprawić pikselowane zdjęcia online

Komputery kwantowe obiecują większe prędkości i solidniejsze zabezpieczenia niż ich klasyczny odpowiednik, a naukowcy od dziesięcioleci starają się stworzyć komputer kwantowy.

Co to jest kwant i jak nam pomaga?

Obliczenia kwantowe różnią się od klasycznych obliczeń jednym fundamentalnym sposobem - sposobem przechowywania informacji. Obliczenia kwantowe w pełni wykorzystują dziwną właściwość mechaniki kwantowej, zwaną superpozycją. Oznacza to, że jedna „jednostka” może pomieścić znacznie więcej informacji niż jej odpowiednik znajdujący się w klasycznych komputerach.

Informacje są przechowywane w „ bity „W stanie” 1 „Lub” 0 , ”Jak włącznik światła, który się włącza lub wyłącza. Z kolei informatyka kwantowa może obejmować jednostkę informacji, która może być „ 1 , ”„ 0 , ”Lub a superpozycja dwóch stanów .

Pomyśl o superpozycji jak o kuli. „ 1 „Jest napisane na biegunie północnym, a„ 0 „Jest napisane na południu - dwa klasyczne bity. Jednak bit kwantowy (lub kubit) można znaleźć w dowolnym miejscu między biegunami.

Bity kwantowe, które mogą być włączane i wyłączane w tym samym czasie, zapewniają rewolucyjny, wysokowydajny paradygmat, w którym informacje są przechowywane i przetwarzane w bardziej wydajny sposób - powiedział dr. Kuei-Lin Chiu do Alphr w 2017 r. Dr Chiu był badaczem zachowań mechaniki kwantowej materiałów w Massachusetts Institute of Technology.

Możliwość przechowywania znacznie większej ilości informacji w jednej jednostce oznacza, że ​​obliczenia kwantowe mogą być szybsze i bardziej energooszczędne niż komputery, których używamy obecnie. Dlaczego więc jest to tak trudne do osiągnięcia?

Tworzenie kubitów

Kubity, kręgosłup komputera kwantowego, są trudne do wykonania, a po ustaleniu są jeszcze trudniejsze do kontrolowania. Naukowcy muszą zmusić je do interakcji w określony sposób, który działałby w komputerze kwantowym.

Do ich budowy naukowcy próbowali wykorzystać materiały nadprzewodzące, jony trzymane w pułapkach jonowych, pojedyncze atomy obojętne oraz cząsteczki o różnym stopniu złożoności. Jednak zmuszanie ich do przechowywania informacji kwantowych przez długi czas okazuje się trudne.

Zobacz powiązane Jak zbudować własny komputer

W ostatnich badaniach naukowcy z MIT opracowali nowe podejście, wykorzystując klaster prostych cząsteczek zbudowanych z zaledwie dwóch atomów jako kubity.

Używamy ultrazimnych cząsteczek, jak powiedział Alphr w 2017 roku profesor Martin Zwierlein, główny autor artykułu, „kubity”. Cząsteczki były od dawna proponowane jako nośniki informacji kwantowej, z bardzo korzystnymi właściwościami w porównaniu z innymi układami, takimi jak atomy, jony, kubity nadprzewodzące itd. Tutaj po raz pierwszy pokazujemy, że takie informacje kwantowe można przechowywać przez dłuższy czas w gazie złożonym z ultrazimnych cząsteczek. Oczywiście ewentualny komputer kwantowy będzie musiał również wykonać obliczenia, na przykład wymusić wzajemną interakcję kubitów, aby zrealizować tak zwane bramki. Zwierlein kontynuował: Ale najpierw musisz pokazać, że możesz nawet zatrzymać informacje kwantowe i właśnie to zrobiliśmy.

Kubity utworzone w MIT utrzymywały informacje kwantowe dłużej niż poprzednie próby, ale wciąż tylko przez jedną sekundę. Te ramy czasowe mogą wydawać się krótkie, ale w rzeczywistości są one tysiąc razy dłuższe niż porównywalny eksperyment, który przeprowadzono, wyjaśnił Zwierlein.

Niedawno naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii dokonali znaczącego przełomu w dążeniu do obliczeń kwantowych. Wynaleźli nowy typ kubitu zwanego kubitem typu flip-flop, który wykorzystuje elektron i jądro atomu fosforu. Są sterowane sygnałem elektrycznym zamiast magnetycznym, co ułatwia ich dystrybucję. Kubit typu „flip-flop” działa poprzez odciągnięcie elektronu od jądra za pomocą pola elektrycznego, tworząc dipol elektryczny.

Więcej niż kubity

Jednak naukowcy muszą odkryć nie tylko kubity. Muszą również określić materiał, z którego będą pomyślnie wykonane kwantowe chipy komputerowe.

Chiu papier , opublikowany wcześniej w 2017 roku, odkrył ultracienkie warstwy materiałów, które mogłyby stanowić podstawę kwantowego chipa obliczeniowego. Chiu powiedział do Alphr: Interesującą rzeczą w tych badaniach jest to, w jaki sposób wybieramy odpowiedni materiał, dowiadujemy się o jego wyjątkowych właściwościach i wykorzystujemy jego zalety do budowy odpowiedniego kubitu.

Prawo Moore'a przewiduje, że gęstość tranzystorów w chipach krzemowych podwaja się w przybliżeniu co 18 miesięcy, powiedział Chiu dla Alphr. Jednak te stopniowo kurczące się tranzystory ostatecznie osiągną niewielką skalę, w której mechanika kwantowa odgrywa ważną rolę.

Prawo Moore'a, do którego odniósł się Chiu, to termin komputerowy opracowany przez współzałożyciela Intela, Gordona Moore'a w 1970 roku. Zgodnie z nim ogólna moc obliczeniowa komputerów podwaja się mniej więcej co dwa lata. Jak twierdzi Chiu, gęstość chipów maleje - problem, na który kwantowe chipy komputerowe mogą potencjalnie rozwiązać.

Czy obliczenia kwantowe to najlepsze oprogramowanie typu vaporware?

Co to jest Vaporware?

Na wypadek, gdybyś nigdy nie słyszał o tym terminie waporyzacja , jest to zasadniczo produkt związany z oprogramowaniem, który jest reklamowany, ale nie jest jeszcze dostępny lub prawdopodobnie nigdy nie będzie dostępny. Przykładem jest oprogramowanie, które było szeroko sprzedawane, ale nigdy nie ujrzało światła dziennego.

Pomimo, że ludzie od dziesięcioleci optymistycznie przewidują wpływ komputerów kwantowych oraz różne postępy w środowiskach biznesowych i badawczych, jak blisko jesteśmy spełnienia marzenia o komputerach kwantowych? Czy ta sytuacja jest zapowiedzią przyszłego oprogramowania do waporyzacji, czy może się przydać?

Zagłębiamy się w rzeczywistość informatyki kwantowej w innym artykule. Podsumowując, komputer kwantowy prawdopodobnie wykona bardzo nierealistyczne obliczenia szybciej niż konwencjonalny komputer w ciągu najbliższego roku lub dwóch. Nie będzie to jednak prosty proces i nie będzie tani ani korzystny dla zwykłych konsumentów.