Við höfum heyrt um skammtatölvur í að minnsta kosti nokkur ár. En hvað er það? Til hvers er skammtatölva? Í dag snýst þetta allt um það í einföldum orðum.
Skammtafræði tölvu er uppfinning sem margir vísindamenn binda miklar vonir við og búast við að hún muni hafa jákvæð áhrif á þróun vísinda. Hins vegar er mjög erfitt að skilja hvernig skammtaeðlisfræði virkar. Sumir eðlisfræðingar efast jafnvel um hvort núverandi "skammtatölvur" eigi að heita það. Stærsta hindrunin í notkun skammtatölvunar er sá mikli fjöldi villna sem verða fyrir áhrifum af jafnvel minnstu breytingum á umhverfi skammtavéla. Hingað til hefur okkur ekki enn tekist að nýta möguleika skammtabita á fullnægjandi hátt. Í dag ætlum við að reyna að komast að því hvað er sérstakt við þessa skammtabita?
Eru skammtatölvur til?
Kjarni hvers alvöru vísindamanns er að treysta ekki og athuga allan tímann. Ég minntist einmitt þessara orða þegar ég var enn nemandi. Og oftar en einu sinni gekk hann úr skugga um réttmæti þessarar setningar. Þetta á líka við um "skammtatölvur". Af hverju vitnaði ég í nafnið á þessum tölvum? Við skulum komast að því.
Skammtatölvur eru mjög flókið viðfangsefni en ég mun reyna að gera það eins einfalt og hægt er og tala um þær á aðgengilegan hátt. Jafnvel í dag geta vísindamenn, eðlisfræðingar og verkfræðingar deilt um þá spurningu sem virðist vera einföld hvort starfandi skammtatölva sé til einhvers staðar í heiminum. „En hvernig, þegar allt kemur til alls, fyrirtæki eins og IBM stæra sig af skammtatölvum!“ – gæti einhver sagt. Og hann mun hafa rétt fyrir sér. Það er enn opin spurning hvort IBM hafi raunverulega búið til skammtatölvu eða einfaldlega kallað tækið „skammtatölvu“.
Þegar einn vinur minn biður mig um að útskýra í einföldum orðum hvernig skammtatölvur eru frábrugðnar þeim tölvum sem við eigum að venjast, þá nota ég venjulega einfaldan samanburð. Ef klassísku tölvurnar okkar (ss PC, fartölvur það snjallsímar) eru kerti, þá eru skammtatölvur ljósaperur. Tilgangur beggja er sá sami - fyrir glóperur og kerti er það ljósgeislun og fyrir tölvur er það til útreikninga. Hins vegar er markmiðinu í báðum tilfellum allt öðruvísi náð og niðurstaðan önnur. Einfaldlega sagt, skammtatölva er ekki bara endurbætt útgáfa af nútíma tölvum, rétt eins og ljósapera er ekki bara stærra kerti. Þú getur ekki búið til ljósaperu með því að gera kerti betri og betri. Ljósaperan er öðruvísi tækni, byggt á dýpri vísindalegum skilningi. Sömuleiðis er skammtatölva ný tegund tækja sem byggir á skammtaeðlisfræði og rétt eins og ljósaperan breytti samfélaginu geta skammtatölvur haft áhrif á marga þætti í lífi okkar, þar á meðal öryggisþarfir, heilsugæslu og jafnvel internetið.
Svo, ef við höldum okkur við samanburð á tölvum við ljósaperur, þá hefur „quantum Joseph Swan“ (höfundur fyrstu virku glóperunnar) ekki enn birst og hingað til eru vísindin að reyna, í einföldum orðum, að gera "eitthvað rautt og heitt" með því að athuga hversu mikið það glóir. Við þekkjum nokkrar fræðilegar undirstöður þess hvernig skammtatölvur virka, en það eru miklar hindranir fyrir þróun þeirra sem enn bíða úrlausnar.
Rannsóknamiðstöðvar og fyrirtæki um allan heim stunda frekari prófanir og rannsóknir og sérfræðingar á sviði skammtaeðlisfræði eru sammála um að sköpun fullvirkra skammtavéla sem við getum notað til að ná markmiðum sem ómögulegt er að ná á þessu stigi mun augljóslega líða tugum. ára.
Ég tel, og margir vísindamenn eru sammála mér, að vélarnar sem nú eru kallaðar skammtatölvur eigi alls ekki skilið slíkt nafn. Þeir skortir getu til að framkvæma útreikninga eða leysa vandamál sem við getum ekki leyst á eðlilegan, klassískan hátt.
Við höfum ekki enn náð því marki af tækniþróun okkar að við myndum geta búið til skammtavél sem myndi leysa vandamál sem eru óaðgengileg klassískum tölvum um þessar mundir. Auðvitað tala Google eða IBM um einhverja eða aðra útreikninga sem erfitt væri að gera á klassískan hátt, en í augnablikinu eru þeir ekki sannfærandi.
Lestu líka: Kína er líka fús til að kanna geiminn. Svo hvernig gengur þeim?
Hvað er skammtafræði?
Hvað er "skammtafræði" eiginlega? Það er ekki líkamlegur hlutur. Hugtakið „skammtafræði“ er notað í eðlisfræði til að lýsa minnsta mögulega broti af einhverju. Þannig að þú getur haft "kraftskammta", "tímaskammta" eða "agnaskammta". Eftir þessa leið munum við komast að hugtökum eins og „skammtaeðlisfræði“ og „skammtafræði“, það er að segja greinar vísinda sem fjalla um minnstu mögulegu víxlverkanir eða kerfi - á stigi atóma og jafnvel einstakra kvarka.
Og nú erum við komin að qubit (skammtabita), það er að segja „minnstu og óskiptanlegu einingu skammtaupplýsinga“. Á sama tíma komum við líka að fyrsta atriðinu, sem segir okkur um líkindi og mun á því hvernig klassískar tölvur (nota bita) og skammtatölvur (nota qubita) framkvæma útreikninga.
Í klassískum tölvum er hver upplýsingahluti geymdur sem röð af einum og núllum. Slíkar upplýsingar eru skynjaðar og túlkaðar af tölvu, leikjatölvu, snjallsíma, snjallúr það snjallsjónvarp, svipað og þær aðgerðir sem eru gerðar á þessum upplýsingum. Hvort sem við erum að skoða frímyndir, spjalla við vini, spila nýjasta leikinn eða framkvæma háþróaða dulmálsútreikninga, þá gerist allt í tvíundarkerfi þar sem eru 0 eða 1 og ekkert annað. Reyndar er það meira eins og klassískt já eða nei.
Hversu óhagkvæmt þetta kerfi er kemur í ljós þegar við náum takmörkunum. Og hvort sem við verðum uppiskroppa með pláss á snjallsímunum okkar fyrir aðra sjálfsmynd eða vísindamenn eru að reyna að búa til stærðfræðileg líkön af þróun heimsfaraldurs, þá er vandamálið að það eru of mörg núll og eitt, og úrræðin til að geyma þau og krafturinn til að reikna þær eru ekki tiltækar.
Qubit leysir þetta vandamál. Þessi upplýsingahluti notar eiginleika skammtaeðlisfræðinnar sem gerir henni kleift að vera í svokallaðri yfirsetningu. Qubit getur tekið hvaða gildi sem er á milli 0 og 1. Það hefur eiginleika alls litrófsins og getur haft gildi eins og 15 prósent núll og 85 prósent eitt. Fræðilega séð gerir þetta þér kleift að vista miklu meiri upplýsingar eða flýta fyrir útreikningum. En á sama tíma koma upp mörg vandamál sem erfitt er að stjórna og jafnvel skilja.
Annar eiginleiki skammtatölva, sem gerir kleift að auka mælikvarða á tölvuafli, er notkun skammtaflækju. Þetta er ástand þar sem tveir qubitar eru tengdir hver öðrum og í hvert skipti sem við fylgjumst með öðrum þeirra verður hinn í nákvæmlega sama ástandi. Entanglement gerir kleift að flokka qubits í enn skilvirkari einingar til að skrá og vinna úr upplýsingum.
Lestu líka: Hverjir eru biohackers og hvers vegna flísa þeir sjálfviljugir sig?
Skammtafræðibúnaður
Skammtatölva samanstendur af þremur meginhlutum: svæði til að geyma qubitana, aðferð til að senda merki til qubitanna og klassísk tölva til að keyra forrit og senda leiðbeiningar.
Skammtaefnið sem myndar qubita er viðkvæmt og afar viðkvæmt fyrir umhverfisáhrifum. Fyrir sumar qubit geymsluaðferðir er einingunni sem hýsir qubitana haldið við hitastig nálægt algjöru núlli til að hámarka samhengi þeirra. Aðrar gerðir af qubit geymsla nota lofttæmishólf til að lágmarka titring og koma á stöðugleika í qubitunum.
Það eru ýmsar aðferðir til að senda merki til qubita, svo sem örbylgjuofnar, leysir og rafspenna.
Til þess að koma á eðlilegri starfsemi skammtatölva er nauðsynlegt að leysa mörg vandamál. Stórt vandamál með skammtatölvum er villuleiðrétting og skalning (bæta við fleiri qubitum) eykur tíðni þeirra enn frekar. Vegna þessara takmarkana er skammtatölva á borðinu þínu enn fjarlæg framtíð, en skammtatölvur í atvinnuskyni gætu orðið fáanlegar í náinni framtíð. Við skulum tala um þetta nánar.
Vandamál skammtatölva
Samt sem áður eiga skammtatölvur við eitt stórt vandamál. Það er að segja, vísindamenn eiga í miklum vandræðum með notkun þeirra, vegna þess að, þökk sé sérstökum eiginleikum þeirra, þurfa qubitar nægilega rólegt umhverfi til að geta lesið nákvæmlega hvaða gögn sem er úr þeim. Sérhvert, jafnvel minnsta brot, mun gera það ómögulegt að lesa upplýsingarnar nákvæmlega.
Þegar um klassískar tölvur var að ræða spilaði svipað vandamál einnig mikilvægu hlutverki í fortíðinni, en í dag er það svo ómerkilegt að það gleymist oft jafnvel í akademískum vísindum. Við erum að tala um villuhlutfall. Það er vísir sem ákvarðar hversu mikið hlutfall bita eða qubita upplýsinga getur skemmst. Þetta getur td gerst þegar ofspenna eða aðrar truflanir verða.
Fyrir klassísk tæki eru villulíkur um það bil einn til 1017 smá Þegar um skammtatölvur er að ræða er þetta enn ein af nokkrum hundruðum. Og þetta er í aðstæðum þar sem skammtatölvur vinna við einangruðustu aðstæður og við hitastig upp á -272 gráður á Celsíus, þ.e.a.s. aðeins yfir algjöru núlli. Allar hitasveiflur, breytingar á rafsegulsviðinu og jafnvel hreyfingar eyðileggja allan útreikninginn.
Annað vandamál er „óstöðugleiki“ skammtaástanda. Í hvert sinn sem við mælum eða viljum trufla skammtaástand fer það aftur í eina af tveimur stöðum, núll og einn. Í þessu tilviki mun skammtaástandið rotna. Þetta ferli er kallað skammtafræðileg samhengi.
Hugsaðu um þetta svona: skammtatölva er hæfur stærðfræðingur sem framkvæmir flókna útreikninga og niðurstöður hennar eru á bilinu 0 til 1 milljón. Við erum aftur á móti barn sem skilur bara að eitthvað getur verið of mikið eða of lítið. Alltaf þegar stærðfræðingur gæti haft mismunandi niðurstöður, eins og 356 eða 670,23, samkvæmt skilningi okkar á heiminum væri hver þessara niðurstöður flokkuð sem fáar (1) eða margar (846), án þess að skilgreina sérstakan mun á þessu tvennu. Þetta er skammtafræðilegt samhengi. Eina leiðin til að gera réttan útreikning er að tryggja stærðfræðivinnuna áður en henni er lokið.
Lestu líka: Hvað mun þrautseigja og hugvit gera á Mars?
Í hvað munum við nota skammtatölvur?
Í dag vaknar sú spurning til hvers megi nota skammtatölvur, rétt eins og fyrir 20 árum, í hvað sé hægt að nota snjallsíma. Auðvitað eru nú þegar til nokkrar áætlanir og forsendur, en áhugaverðustu leiðbeiningarnar um notkun qubita munu líklega koma í ljós þegar skammtatölvur verða útbreiddar.
Dulritun er eitt vinsælasta svið þar sem skammtafræði er oftast notuð. Málið er að þetta verður aðferð til að senda upplýsingar á mjög öruggan hátt og öryggið byggist ekki á því hversu flókið tölvuferli er, heldur eðlisfræðilögmálum, sem gefur traust á því að ákveðnir hlutir séu einfaldlega ómögulegir. Og á þessari stundu verður ómögulegt að hlusta, njósna, hakka.
Öryggi í þessu tilfelli er tryggt með mjög eðlisfræðilegum eiginleikum qubits, sem, eins og ég útskýrði áðan, hætta að sýna yfirsetningareiginleika um leið og þeir sjást. Þannig að allar tilraunir til að stöðva eða jafnvel afrita kóðuðu skilaboðin munu einfaldlega eyða þeim.
Skammtatölvur gætu líka gert okkur kleift að skilja náttúrulega ferla betur. „Óreiðu“ ofursetningar endurspeglar mun betur hvernig, til dæmis, stökkbreytingar í DNA, og þar með þróun sjúkdóma og þróunar. Skammtatölvur eru þegar notaðar í dag til að búa til ný lyf.
Kannski er skynsamlegt að tala um notkun skammtatölva til gagnaflutninga. Já, einmitt fjarflutningur gagna, og hugsanlega einstaklings. Við munum geta fjarfært upplýsingar frá stað til stað án þess að flytja þær líkamlega. Það hljómar eins og fantasía, en það er mögulegt, vegna þess að þessi flæði skammtaagna getur flækst í tíma og rúmi, þannig að breyting á einni ögn getur haft áhrif á aðra, og þetta skapar farveg fyrir fjarflutning. Þetta hefur þegar verið sýnt fram á í rannsóknarstofum og gæti verið hluti af skammtaneti framtíðarinnar. Við höfum ekki slíkt net ennþá, en sumir vísindamenn eru nú þegar að vinna að þessum möguleikum, líkja eftir skammtakerfi í skammtatölvu. Þeir hafa þegar þróað og innleitt áhugaverðar nýjar samskiptareglur, svo sem fjarskipti milli netnotenda og skilvirkan gagnaflutning og jafnvel örugga atkvæðagreiðslu.
Einnig skal tekið fram að nota ætti skammtatölvur til að líkja eftir ýmsum aðstæðum og finna lausnir á vandamálum, þar á meðal lyfjum og bóluefnum. Til dæmis, meðan á heimsfaraldri eins og kransæðavírnum stendur, þegar þörf er á hraðari útreikningum og útreikningum valkosta. Hér er hægt að nota möguleikann á skammtalíkönum, sem ekki er hægt að framkvæma á klassískri tölvu. Þegar nýr sjúkdómur kemur fram tekur ferlið við að finna lækningu um 15 ár og getur kostað allt að 2,6 milljarða dollara. Í sumum sjúkdómum er nauðsynlegt að sía í gegnum milljónir sameinda til að finna aðeins hundruð efnilegra einstaklinga sem líklegt er að verði gjafar. Síðan, meðan á prófun stendur, falla um það bil 99% sameindanna meðal annars vegna rangrar hegðunar og sýnatökutakmarkana. Þetta er þar sem skammtatölvur myndu koma til sögunnar.
Og þetta eru enn aðeins nokkrar af frábærum hugmyndum um hvað hægt er að ná með skammtaeðlisfræði. Eins og er, tekst okkur að einhverju leyti að temja sér duttlungafulla karakter hennar, en öll þróun er enn á byrjunarstigi. Það er enn langt í land að búa til alvöru skammtatölvu og fjöldanotkun hennar, en framfarir standa ekki í stað. Þess vegna muntu kannski eftir um það bil tíu ár lesa þessa grein með hjálp skammtatölvu og brosa niðurlægjandi.
Lestu líka:
Allt þetta, muellimin bize nútíma minnistæki