Datorberäkning hjälper oss att göra vad vi inte vill eller inte kan göra främst på grund av komplexitet på grund av sannolikheten för ofrivilliga fel och på grund av tiden. Till exempel, höja ett nummer till 128: e graden i sinnet.

Syftet med och användning av en kvantdator.

Vad är en kvantdator?

Den mest kraftfulla quantumdatorn (QC) är - eller snarare skulle vara - en helt annan mekanism, som skiljer sig från allt som någonsin skapats av människan. De mest kraftfulla servrarna ser idag ut som en liten del av vad en fullfjädrad kvantdator kan slutligen göra.

Enkelt uttryckt är målet med forskning inom kvantkalkylering att upptäcka sätt att påskynda utförandet av långvågsinstruktioner. Det skulle vara fel att säga att CC kör program snabbare än en PC eller x86-server. "Programmet" för QC är en helt annan kodningsordning än någonsin existerande för en binär processor. Efter datorns födelse utfördes komplexa fysiska beräkningar, som på 1940-talet hjälpte USA att skapa en atombom. Efter transistorns uppfinning reducerades dimensionerna för dessa system avsevärt. Därefter kom idén om parallella processorer som arbetar med uppgifter samtidigt.

Quantum computing är bara nästa steg. Det finns många problem att moderna datorer kräver lång tid att lösa, till exempel att lösa ett linjärt system av ekvationer, optimera parametrar för stödvektorer, hitta den kortaste vägen genom en godtycklig sektion eller söka på den ostrukturerade listan. Det här är ganska abstrakta problem nu, men om du vet lite om algoritmer eller programmering kan du se hur användbart det här kan vara. Som ett exempel uppfanns grafikprocessorer (GPU) för det enda syftet att göra trianglar och sedan slå samman dem i en två- eller tredimensionell värld. Och nu är Nvidia ett miljarder dollarföretag. Finns det några tekniker för kvantkalkylering eller några av dess historiska derivat, vilka människor tycker nu bra? Med andra ord, vad gör en kvant faktiskt och vem tjänar den direkt?

Vad är en kvantdator för?

Navigation. Detta är en av de viktigaste användningarna av kvantdatorer. GPS-systemet kan inte fungera någonstans på planeten, särskilt under vatten. QC kräver att atomer är superkylda och suspenderade i ett tillstånd som gör dem särskilt känsliga. I ett försök att dra nytta av detta försöker konkurrerande lag av forskare utveckla en slags kvanteaccelerometer som kan ge mycket noggrann rörelseinformation. De viktigaste bidragen till industrins utveckling gör det franska laboratoriet för fotonik och nanovetenskap. Ett livligt exempel på detta är ett försök att skapa en hybridkomponent som kombinerar en accelerometer med en klassisk och använder sedan ett högpassfilter för att subtrahera klassiska data från kvantdata. Resultatet, om det implementeras, kommer att vara en extremt noggrann kompass som eliminerar förskjutningen och driften av skalfaktorn, vanligen förknippad med gyroskopiska komponenter.

Seismologi. Samma extrema känslighet kan användas för att detektera närvaro av olje- och gasavlagringar samt potentiell seismisk aktivitet på platser där konventionella sensorer ännu inte har använts. I juli 2017 visade QuantIC hur en quantum gravimeter detekterar närvaron av djupt dolda föremål genom att mäta svängningar i ett gravitationsfält. Om en sådan anordning tillverkas inte bara praktisk, men också bärbar, anser teamet att det kan bli ovärderligt i ett tidigt varningssystem för att förutsäga seismiska händelser och tsunamier. Pharmaceuticals. I förgrunden är forskning i kampen mot sjukdomar som Alzheimers sjukdom och multipel skleros; forskare använder programvara som simulerar beteendet hos artificiella antikroppar på molekylär nivå.

Fysik. Detta är faktiskt orsaken till konceptets existens. Under sitt tal 1981 vid Caltech-professorn Richard Feynman, fadern för kvantelektrodynamik (QED), föreslog att det enda sättet att bygga en framgångsrik simulering av den fysiska världen på kvantnivå är en maskin som lyder i kvantfysik och mekanik. Det var under detta tal som professor Feynman förklarade och resten av världen insåg att det inte skulle räcka för att en dator skulle skapa en sannolikhetstabell och hur man rullade tärningarna. För att få resultat som fysikerna själva inte skulle kalla apokriska skulle det krävas en mekanism som bete sig i samma åder som beteendet som han tänkte efterlikna.

Maskininlärning. Den främsta teorin om supportrar är att sådana system kan anpassas för att "studera" statliga mönster i stora parallella vågor, och inte i efterföljande skanningar. Vanlig matematik kan beskriva en uppsättning sannolika resultat i form av vektorer i ett vildkonfigurationsutrymme. Avkodning. Här är slutligen det genombrott som slog det första ljusa ljuset på sådana beräkningar. Vad som gör krypteringskoderna så komplexa, även för moderna klassiska datorer, är att de bygger på extremt stort antal faktorer som kräver en överdriven tid att gissa enligt matchningsmetoden. Ett fungerande QC måste isolera och identifiera sådana faktorer inom några minuter, vilket gör RSA-kodningssystemet effektivt föråldrat.

Kryptering. Konceptet, kallat quantum key distribution (QKD), ger ett teoretiskt hopp om att de typer av offentliga och privata nycklar som vi använder idag för att kryptera meddelanden kan ersättas med nycklar som är föremål för entanglementeffekter. I teorin kan någon tredje part som knäckte nyckeln och försökte läsa meddelandet omedelbart förstöra meddelandet för alla. Det kan givetvis vara tillräckligt. Men QKD-teorin bygger på ett enormt antagande som ännu inte har testats i den verkliga världen: att de värden som erhållits med hjälp av entangled qubits är själva intrasslade och utsatta för effekter var de än går.

Vad är skillnaden mellan en kvantdator och en vanlig?

En klassisk dator utför beräkningar med hjälp av bitar som är 0 ("av") och 1 ("på"). Det använder transistorer för att bearbeta information i form av sekvenser av nollor och så kallade dator binära språk. Fler transistorer, fler bearbetningsalternativ - det här är den största skillnaden. QC använder kvantmekanikens lagar. Precis som en klassisk dator som använder nollor och sådana. Dessa tillstånd kan nås i partiklar på grund av deras inre vinkelmoment, kallad spinning. Två tillstånd 0 och 1 kan representeras i bakpartiklarna. Exempelvis representerar en rattvis rotation 1 och en moturs representerar 0. Fördelen med att använda QC är att en partikel kan vara i flera tillstånd samtidigt. Detta fenomen kallas superposition. På grund av detta fenomen kan QC samtidigt nå tillståndet 0 och 1. Sålunda i en klassisk dator uttrycks information i form av ett tal 0 eller 1. QC använder utdata som beskrivs som 0 och 1 samtidigt, vilket ger större beräkningskraft.

Hur gör en kvantdator

Quantum computing är beräkning med kvantmekaniska fenomen som superposition och entanglement. QC är en enhet som utför kvantkalkylering och består av mikroprocessorer. En sådan dator är helt annorlunda än binära digitala elektroniska datorer baserade på transistorer och kondensatorer. Medan konventionella digitala beräkningar kräver att data kodas in i binära siffror (bitar), som var och en alltid finns i en av två specifika tillstånd (0 eller 1), använder kvantberäkning bitar eller qubits som kan vara i en superposition. Enheten hos quantum Turing-maskinen är en teoretisk modell av en sådan dator och är även känd som universell QC. Området för kvantberäkning startades av verk av Paul Benioff och Yuri Manin 1980, Richard Feynman 1982, och David Deutsch 1985.

Principen för kvantdatorn

Sedan 2018 är verksamhetsgraden för kvantdatorer fortfarande i sin spädbarn, men experiment har utförts i vilka kvantberäkningsoperationer utfördes med ett mycket litet antal kvantbitar. Både praktisk och teoretisk forskning pågår, och många nationella regeringar och militära byråer finansierar forskning om kvantkalkylering i ytterligare ansträngningar för att utveckla kvantdatorer för civila, affärs-, handels-, miljö- och nationella säkerhetsmål, såsom kryptanalys. Storskaliga kvantdatorer kan teoretiskt fungera för att lösa vissa problem mycket snabbare än några klassiska datorer som använder till och med de bästa algoritmerna hittills, till exempel integerfaktorisering med Shore-algoritmen (som är en kvantalgoritm) och modellering av kvantsatsen av systemkroppar.

Det finns kvantåtgärder, som Simon algoritmen, som löper snabbare än någon möjlig probabilistisk klassisk algoritm. En klassisk dator kan i princip (med exponentiella resurser) modellera en kvantalgoritm, eftersom kvantkalkylering inte strider mot kyrkans Turing-uppsats. Å andra sidan kan kvantdatorer effektivt kunna lösa problem som inte är praktiskt möjligt på klassiska datorer.