× Κλείσε
Πίστωση: Pixabay/CC0 Δημόσιος τομέας
Το κβαντικό πλεονέκτημα είναι το βήμα προς το οποίο εργάζεται διακαώς ο κβαντικός υπολογιστής, όπου ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει προβλήματα που είναι πέρα από την εμβέλεια των πιο ισχυρών μη κβαντικών ή κλασσικών υπολογιστών.
Το κβαντικό αναφέρεται στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων, όπου οι νόμοι της φυσικής καθώς τους βιώνουμε καταρρέουν και εφαρμόζεται ένα διαφορετικό, αντίθετο σύνολο νόμων. Οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται αυτές τις περίεργες συμπεριφορές για να λύσουν προβλήματα.
Υπάρχουν ορισμένοι τύποι προβλημάτων που δεν μπορούν να επιλυθούν από κλασικούς 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 ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να κατασκευαστεί για να λύσει πραγματικά οποιοδήποτε από αυτά τα προβλήματα, θα έχει αποδείξει ένα 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 δεν υπόσχεται μόνο επαναστατικές 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 δύναμης των κβαντικών υπολογιστών
Το κβαντικό bit, ή qubit, βρίσκεται στην καρδιά του κβαντικού υπολογισμού. Σε αντίθεση με τα συμβατικά bit, τα οποία μπορούν να βρίσκονται μόνο σε καταστάσεις 0 ή 1, ένα qubit μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε κατάσταση που είναι συνδυασμός 0 και 1. Αυτή η κατάσταση που δεν περιέχει μόνο 1 ούτε μόνο 0 είναι γνωστή ως η ονομασία 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 ισχύος του κβαντικού υπολογισμού. Μάλλον, είναι ένα πολύπλοκο παιχνίδι 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 εμφανίζονται όταν οι κορυφές δύο κυμάτων, όπως τα ηχητικά κύματα ή τα κύματα του ωκεανού, συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια υψηλότερη κορυφή. Οι καταστροφικές παρεμβολές συμβαίνουν όταν η κορυφή και το κατώτατο κύμα συνδυάζονται και αλληλοεξουδετερώνονται. Οι κβαντικοί αλγόριθμοι, λίγοι σε αριθμό και δύσκολο να σχεδιαστούν, καθιερώνουν μια ακολουθία μοτίβων παρεμβολών που δίνουν 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 που τα χωρίζει. Αυτό είναι που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ονόμασε «απόκοσμη δράση από απόσταση». Η συλλογική συμπεριφορά της εμπλοκής, ενορχηστρωμένη από έναν κβαντικό υπολογιστή, επιτρέπει επιταχύνσεις υπολογισμού πέρα από την εμβέλεια των κλασικών υπολογιστών.
Εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών
Ο κβαντικός υπολογιστής έχει πολλές πιθανές χρήσεις στις οποίες 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 αυτής της κατάστασης είναι ότι τα τρέχοντα πρωτόκολλα κρυπτογράφησης πρέπει να επανασχεδιαστούν για να αντιστέκονται σε μελλοντικές κβαντικές επιθέσεις. Αυτή η αναγνώριση οδήγησε στο ακμάζον πεδίο της μετα-κβαντικής κρυπτογραφίας. Μετά από μια μακρά διαδικασία, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας επέλεξε πρόσφατα τέσσερις αλγόριθμους ανθεκτικούς στα κβαντικά και άρχισε να τους προετοιμάζει ώστε οι οργανισμοί σε όλο τον κόσμο να μπορούν να τους χρησιμοποιούν στην τεχνολογία κρυπτογράφησης τους.
Επιπλέον, ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την κβαντική προσομοίωση: την ικανότητα πρόβλεψης του αποτελέσματος των πειραμάτων που διεξάγονται στον κβαντικό τομέα. Ο διάσημος φυσικός Richard Feynman εξέτασε αυτή την πιθανότητα 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 πολλές 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 την προσέγγιση του κόσμου του κβαντικού και του κλασικού υπολογισμού. Αυτό το δίκτυο θα μπορούσε να ασφαλιστεί χρησιμοποιώντας κβαντικά κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, όπως η διανομή κβαντικών κλειδιών, τα οποία επιτρέπουν εξαιρετικά ασφαλή κανάλια επικοινωνίας που προστατεύονται από επιθέσεις υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές.
Παρά την αυξανόμενη σειρά εφαρμογών για 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 πολύ ευαίσθητοι σε οποιαδήποτε ακούσια αλληλεπίδραση με το περιβάλλον τους. Αυτό οδηγεί στο φαινόμενο της αποσυνοχής, όπου τα qubits υποβαθμίζονται γρήγορα προς τις καταστάσεις 0 ή 1 των κλασικών bit.
Η κατασκευή μεγάλης κλίμακας συστημάτων κβαντικών υπολογιστών ικανών να εκπληρώσουν την υπόσχεση για κβαντικές επιταχύνσεις απαιτεί να ξεπεραστεί η αποσυνοχή. Το κλειδί είναι η ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων για την αφαίρεση και τη διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων, έναν τομέα στον οποίο επικεντρώνεται η δική μου έρευνα.
Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι προκλήσεις, πολλές startups κβαντικού υλικού και λογισμικού έχουν αναδυθεί μαζί με καθιερωμένους 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 έτσι την πρόοδο στον τομέα.
Κβαντικό πλεονέκτημα εν όψει
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 ένα κρίσιμο σημείο καμπής. Από τη μία πλευρά, αυτό το πεδίο έχει ήδη δείξει τα πρώτα σημάδια ενός στενά εξειδικευμένου κβαντικού πλεονεκτήματος. Ερευνητές της Google και αργότερα μια ομάδα ερευνητών στην Κίνα απέδειξαν το κβαντικό πλεονέκτημα της δημιουργίας μιας λίστας τυχαίων αριθμών με ορισμένες ιδιότητες. Η ερευνητική μου ομάδα έδειξε 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.
Καθώς η βιομηχανία της τεχνολογίας προσπαθεί να προσφέρει κβαντικό πλεονέκτημα σε προϊόντα και υπηρεσίες βραχυπρόθεσμα, η ακαδημαϊκή έρευνα παραμένει επικεντρωμένη στη μελέτη των θεμελιωδών αρχών πίσω από αυτή τη νέα επιστήμη και τεχνολογία. Αυτή η συνεχής βασική έρευνα, που τροφοδοτείται από ενθουσιώδη στελέχη νέων και έξυπνων μαθητών του τύπου που συναντώ σχεδόν καθημερινά, διασφαλίζει ότι το πεδίο θα συνεχίσει να προοδεύει.