Kvantarvuti töö kontseptsioon ja põhimõte

Kvantarvuti teema on hiljuti muutunud väga populaarseks ja läbimurrest tehnoloogias ei taheta, kuid mitte nii kaua aega tagasi oli teadusuuringute edu kvantarvutuste valdkonnas midagi paljudest väljamõeldistest. Uued mõisted tungisid infovoolu ja nüüd mitte vähem kui tehisintellekt ja masinõpe. Ehkki uuringud on läbi viidud mitte esimesel kümnendil, oli see arengute osas eriti viljakas ja sündmuste jõukas oli eelmisel aastal, kui IBM näitas maailmale esimest kommertslikku kvantarvutit ja Google teatas kvant -paremuse saavutamisest.

Revolutsioonilised avastused kaasaegses füüsikas, mis tagas arvutustehnoloogiate uue arendamise voor, võivad ilma liialdamiseta muuta ja viia inimkonnani tohutu kasu kasutamise korral. Kui olete sellest teemast huvitatud ja soovite mõista, millised on kvantarvutid, mis põhimõttel nad töötavad ja miks neid üldse vaja on, siis räägime sellest materjalist võimalikult selgelt, ilma mehaanika ja kvantmaailma struktuur.

Mis on kvantarvuti

Täna on juba kahtlus, kas on olemas kvantarvuti, seal pole ühtegi. Kui kuni viimase ajani oli see ainult teadlaste fantaasia vili, on temast saanud täiesti käegakatsutav objekt ja näeme, milline näeb süsteemi praktiline rakendamine välja.

Kui räägite lihtsas mõttes, mis on kvantarvuti, siis see on arvutitehnoloogia vahend, mis kasutab oma töös kvantmehaanika seadusi. Masin täidab teatud ülesandeid tõhusamalt kui lihtne arvuti, mis salvestab andmeid bittides.

KK kasutab kvantialgoritme, mis kasutavad selliseid efekte nagu superpositsioon ja kvant segadus. Arvutuste jaoks kasutatakse kuubikuid (kvantosakesi), mis on võimelised olema korraga kahes tingimuses. See tähendab, et kui bit võtab vastu ühe kahest võimalikust väärtusest- 0 või 1, siis on kuup nii 0 kui ka 1 korraga, mis võimaldab KC-l andmeid töödelda ja teha matemaatilisi ülesandeid tuhandeid kordi tavapärasest kiiremini. Ta ei pea kombinatsioone sorteerima, nagu ka superarvuti, kvantsüsteem. Vastus arvutatakse välgukiiruse abil. Need võimalused avavad teed tänapäeval võimatute probleemide lahendamiseks või suuri ajakulusid nõuavad.

Uue põlvkonna arvutite loomise ajalugu pärineb kaugetest 1981. aastal, kui nad rääkisid esmakordselt kvantsüsteemide kasutamisest arvutamiseks. Siis oli see veel kaugel füüsilisest rakendamisest, KK esimene töötav algoritm ilmus alles 1994. aastal ja esimene 2-kubis masin loodi 1998. aastal Berkeley California ülikoolis Berkeley ülikoolis. Aastakümneid on eksperimentaalseid proove loonud erinevate riikide teadlaste rühmad, kuid IBM ja Google on saavutanud selle valdkonna suurimad õnnestumised.

Juhtivate ettevõtete võistlus on täies hoos. 2020. aasta juunis sai Honeywell sõnumi, et tänaseks on loodud kõige võimsam kvantarvuti. Ettevõte väidab, et loodud seade on kaks korda rohkem kui IBM ja Google Quantum Systems, mõne minutiga lahendusülesanded, mille jaoks tavalised arvutid vajaksid aastatuhandeid. Honeywelli areng on muljetavaldav, kui rekordilise jõudluse näitaja on 64 kvantmahtu. Süsteemi südamik on korvpalli suurus terasesfäär, mis jahutatakse vedela heeliumi abil temperatuurini -262,7 ° C. See sisaldab aatomitest moodustatud ioonide lõkke, need peatavad liikumise madala temperatuuri mõjul ja neid kontrollivad laserimpulsid.

Miks vajate kvantarvutit

Suurte andmemassiivide kiire töötlemine uute tehnoloogiate abil aitab lahendada paljusid probleeme ja mõjutada mitmesuguseid valdkondi. Näiteks saab KC vaid mõne sekundiga hakkama numbrite lagunemisega, mis koosneb paljudest märkidest, lihtsate tegurite jaoks (protsess ise pole keeruline, kuid nõuab suuri ajakulusid, see on koht, kus tänapäevane krüptograafia põhineb) ja lahendada ka mitmeid sarnaseid probleeme. Lisaks sobib tehnoloogia ka raskete olukordade modelleerimiseks, sealhulgas elementide füüsikaliste omaduste arvutamiseks molekulaarsel tasandil.

Kvantarvutite peamised valdkonnad:

• globaalne optimeerimine;
• DNA molekulide modelleerimine;
• uute materjalide loomine;
• ravimite loomine;
• masinõppe parandamine;
• Krüptograafia ja krüptimise ülesanded (sealhulgas häkkimise krüptimise algoritmid ja juurdepääs igale teabele).

Selles etapis eristab kvantarvuteid töötootmise ja töö ebastabiilsuse keerukusega, nii et seni on võimalik arendada ainult kõrge jõudlusega süsteeme, vangistatud ühe algoritmi jaoks ja mis on mõeldud väga kitsa ülesannete ringi jaoks.

Mis vahe on kvantarvuti vahel tavalisest

30 aastat pärast kvantarvutuste mõistet võimaldasid teaduslikud arengud seda tüüpi arvutussüsteemidele reaalsuseks, ehkki tavakasutaja jaoks kättesaamatu. Kvantarvutid põhinevad ainulaadsel käitumisel, mis erineb põhimõtteliselt standardse töö, tuttavate masinate tööst ja mida kirjeldab kvantmehaanika.

Seadmed on võimelised lahendama matemaatilisi probleeme mõne sekundiga, mille lahendus tavalises arvutis oleks juba miljardeid aastaid igatsenud. Google'i andmetel on Sycamore Quantum Machine enam kui kolm minutit lõpule viinud arvutused, mille jooksul standardne superarvuti oleks hukkunud 10 000 aastat - seda nimetatakse valjuks terminiks "kvant -paremus".

Tavaline arvuti, millega iga kaasaegne inimene on tuttav, samuti nutitelefon, tahvelarvuti või sülearvuti, bittide teave, mis aktsepteerivad väärtust 0 või 1, ja saate esitada kogu teavet, olgu see siis tekst või pilt, olema üksused ja üksused ja ühikud. Kasutatava tööseadme kvantarvuti põhimõtteline erinevus ja eelis, mida nimetatakse kuubiks (või kvantbitiks). Cubit võib olla ebakindluses, teisisõnu, olla samal ajal erinevates olekutes, analoogia abil Schrödingeri kassiga (superpositsiooni nähtus).

Kvantarvuti on tavapärasest mitu korda kiirem ja võimsam, samas kui see ei sobi enamiku igapäevaste ülesannete jaoks, kuna selle tööpõhimõte on väga erinev.

Kuidas on tuleviku arvuti

Vaatame nüüd üksikasjalikumalt, millest koosneb kõrgetehnoloogiasüsteem. Nagu oleme juba teada saanud, on tavalises arvutis olev minimaalne teabeühik natuke, mille väärtus on 1 või 0 (sisse või välja lülitatud), kvantarvutis - need on kuubikud, mis võivad võtta kõik väärtused. Samal ajal sõltuvad kvantosakesed mõõtmisest, mis tähendab kuubi kohta teabe puudumist kuni selle mõõtmise hetkeni, mõõtmisprotsess mõjutab ka kvantbiti väärtust, mis võib tunduda kummaline, kuid see on täpselt nii.

Tänu sellele kuubikute omadusele (samaaegne viibimine kõigis tingimustes) kuni osakese mõõtmiseni, ületab arvuti koheselt tõenäoliste lahendusvalikute, mis on tingitud kuubikute vahelisest ühendusest. Seega on otsus tuntud kohe, kui algsed andmed sisestati, see tähendab, et superpositsioon määrab arvutuste paralleelsuse, mis kiirendab algoritmide toimimist kohati.

Kvantarvuti seade sisaldab:

• Arvuti haldamine;
• kuubikuid mõjutav impulsigeneraator;
• Riiklik register;
• PROTSESSOR;
• Kuukuga mõõteseade.

Aatomite vahel töötamiseks on esitatud kvantühendus ja mida rohkem kuubikuid seob, seda vähem on süsteemi stabiilsus. Kvant paremuse saavutamiseks tavalise arvuti kaudu nõuab see vähemalt 49 kuubikut ja sel juhul on süsteemi stabiilsus juba kõne all. Kui luuakse arvukalt sõltuvusi, võivad kõik välised mõjutused neid mõjutada.

KC -suhete hapruse tõttu, mis koosneb mitmest peamisest tasemest ruum.

KK toimimise põhimõte

Digitaalse põhimõtet kasutavate arvutite, sülearvutite, nutitelefonide või tahvelarvutite töö tavaline skeem põhineb klassikaliste algoritmide kasutamisel, mis erineb radikaalselt kvantarvuti toimimise põhimõttest. Niisiis, tavaline arvuti näitab sama tulemust, sõltumata sellest, mitu korda arvutuse käivitamiseks arvutatakse suvandid järjestikku.

Kvantarvuti kasutab täiesti erinevat - tõenäosuslikku operatsiooni põhimõtet. Teatud mõttes sisaldab süsteem juba kõiki võimalikke lahendusi. Arvutuste tulemus on kõige tõenäolisem vastus ja mitte ühemõtteline, samas kui iga järgneva kvantialgoritmi käivitamine kasvab õige vastuse saamiseks tõenäosus, et pärast 3-4 kiiret jooksu võite olla kindel, et jõuame selle juurde Õige otsus näiteks krüptimisvõti.

Kvantsüsteemides, mis kasutavad oma töös kuubikuid, suureneb osakeste arv, kasvab see hüppeliselt ja samaaegselt töödeldud väärtuste arv.

Rääkides sellest, kuidas kvantarvuti töötab, tasub mainida kuubikute ühendamist. Mitme kuubiku juuresolekul süsteemis kaasneb muutus ühes ka ülejäänud osakeste muutmisega. Arvutusvõimsus saavutatakse paralleelsete arvutuste abil.

Hoolimata mitme miljoni investeeringutest, arenevad kvanttehnoloogiad üsna aeglaselt. See on tingitud paljudest raskustest, millega teadlased pidid uurimisprotsessis kokku puutuma, sealhulgas vajadus ehitada madala temperatuuriga sarkofaagid, mille kaamera maksimaalne isolatsioon protsessoriga on võimalike väliste mõjudega, et säilitada süsteemi kvantomadused. Lisaks on teadlastel vigade lahendamise ülesanne, kuna kvantprotsessidel ja arvutustel on tõenäosuslik olemus ja see ei saa olla sada protsenti tõene.

Stabiilsete süsteemide ehitamine pole ka kaugeltki ideaalne ja kvantarvuti füüsilisel tasandil rakendamisel kasutatakse mitmeid erinevaid tehnoloogiaid kasutavaid lahendusi. Nii et täieliku universaalse kvantarvuti loomine on endiselt tulevikus, ehkki mitte niipalju kui viis aastat tagasi tundus. Suurimad ettevõtted nagu IBM, Google, Intel, Microsoft tegelevad selle loomisega, mis on andnud suure panuse tehnoloogia arendamisse, samuti mõned olekud, mille jaoks see teema on strateegilise tähtsusega.