О квантним рачунарима слушамо најмање неколико година. Али шта је то? Чему служи квантни рачунар? Данас је све о томе једноставним речима.
Куантум рачунар је проналазак у који многи истраживачи полажу велике наде, очекујући да ће позитивно утицати на развој науке. Међутим, веома је тешко разумети како квантна физика функционише. Неки физичари чак сумњају да ли садашње „квантне компјутере” треба тако назвати. Највећа препрека у коришћењу квантног рачунарства је велики број грешака на које утичу и најмање промене у окружењу квантних машина. До сада још нисмо успели да у потпуности искористимо потенцијал квантних битова. Данас ћемо покушати да сазнамо шта је посебно код ових квантних битова?
Да ли квантни рачунари постоје?
Суштина сваког правог научника је да не верује и да све време проверава. Сетио сам се ових речи још као студент. И више пута се уверио у исправност ове фразе. Ово важи и за „квантне рачунаре”. Зашто сам цитирао називе ових рачунара? Хајде да сазнамо.
Квантни рачунари су веома сложена тема, али покушаћу да је учиним што једноставнијом и причам о њима на приступачан начин. Чак и данас, научници, физичари и инжењери могу да расправљају о наизглед једноставном питању да ли квантни рачунар који ради негде у свету постоји. „Али како се, уосталом, компаније попут ИБМ-а хвале квантним рачунарима!“ – може неко рећи. И биће у праву. Остаје отворено питање да ли је ИБМ заиста створио квантни рачунар или је једноставно назвао свој уређај „квантним рачунаром“.
Када ме неко од мојих пријатеља замоли да једноставним речима објасним по чему се квантни рачунари разликују од рачунара на које смо навикли, обично користим једноставно поређење. Ако наши класични рачунари (нпр ПЦ, преносни рачунари то паметни телефони) су свеће, онда су квантни рачунари сијалице. Сврха оба је иста – за лампе са жарном нити и свеће, то је емисија светлости, а за рачунаре, за прорачуне. Међутим, у оба случаја циљ се постиже потпуно другачије, а резултат је другачији. Једноставно речено, квантни рачунар није само побољшана верзија модерних рачунара, као што сијалица није само већа свећа. Не можете створити сијалицу тако што ћете све боље и боље радити. Сијалица је другачија технологиа, заснован на дубљем научном разумевању. Исто тако, квантни рачунар је нова врста уређаја заснована на квантној физици, и баш као што је сијалица променила друштво, квантни рачунари могу утицати на многе аспекте наших живота, укључујући безбедносне потребе, здравствену заштиту, па чак и интернет.
Дакле, ако се држимо поређења рачунара са сијалицама, онда се „квантни Џозеф Свон” (творац прве функционалне сијалице са жарном нити) још није појавио, а наука до сада покушава, једноставним речима, да направи "нешто црвено и вруће" проверавањем, колико светли. Знамо неке од теоретских основа како квантни рачунари функционишу, али постоје огромне препреке њиховом развоју које тек чекају да буду решене.
Истраживачки центри и компаније широм света спроводе даља испитивања и истраживања, а стручњаци из области квантне физике сагласни су да ће стварање потпуно функционалних квантних машина које можемо користити за постизање циљева које је у овој фази немогуће остварити очигледно прећи десетине године.
Верујем, а многи научници ће се сложити са мном, да машине које се тренутно називају квантни компјутери уопште не заслужују такав назив. Недостаје им способност да изводе прорачуне или решавају проблеме које не можемо да решимо на нормалан, класичан начин.
Још нисмо достигли толики степен нашег технолошког развоја да бисмо могли да направимо квантну машину која би решавала проблеме који су тренутно недоступни класичним рачунарима. Наравно, Гугл или ИБМ говоре о неким или другим изведеним прорачунима које би било тешко извести на класичан начин, али тренутно нису убедљиви.
Прочитајте такође: Кина је такође жељна истраживања свемира. Па како им иде?
Шта је квант?
Шта је уопште "квант"? То није физички објекат. Термин "квант" се користи у физици да опише најмањи могући део нечега. Дакле, можете имати "квант силе", "квант времена" или "квант честице". Идући овим путем, доћи ћемо до појмова као што су „квантна физика” и „квантна механика”, односно гране науке које се баве најмањим могућим интеракцијама или системима – на нивоу атома, па чак и појединачних кваркова.
И сада смо стигли до кубита (квантног бита), односно „најмање и недељиве јединице квантне информације“. Истовремено долазимо и до прве тачке, која нам говори о сличностима и разликама у томе како класични рачунари (који користе битове) и квантни рачунари (користећи кубите) врше прорачуне.
У класичним рачунарима, свака информација се чува као низ јединица и нула. Такве информације перципирају и тумаче рачунар, конзола, паметни телефон, паметни сат то Смарт ТВ, слично операцијама које се изводе над овим информацијама. Било да гледамо фотографије са одмора, ћаскамо са пријатељима, играмо најновију игру или вршимо напредне криптографске прорачуне, све се дешава у бинарном систему где постоје 0 или 1 и ништа више. У ствари, то је више као класично да или не.
Колико је овај систем неефикасан види се када достигнемо његове границе. И без обзира да ли нам понестане простора на паметним телефонима за још један селфи или научници покушавају да створе математичке моделе развоја пандемије, проблем је у томе што има превише нула и јединица, ресурса за њихово складиштење и моћи да се израчунајте да нису доступни.
Кубит решава овај проблем. Ова информација користи својства квантне физике која јој омогућавају да остане у такозваној суперпозицији. Кубит може имати било коју вредност између 0 и 1. Има својства целог спектра и може имати вредности као што су 15 процената нула и 85 процената један. Теоретски, ово вам омогућава да уштедите много више информација или убрзате прорачуне. Али истовремено се јавља много проблема које је тешко контролисати, па чак и разумети.
Још једна карактеристика квантних рачунара, која омогућава додатно скалирање рачунарске снаге, је употреба квантног заплета. Ово је стање у коме су два кубита повезана један са другим, и сваки пут када посматрамо један од њих, други ће бити у потпуно истом стању. Ентанглемент омогућава да се кубити групишу у још ефикасније јединице за снимање и обраду информација.
Прочитајте такође: Ко су биохакери и зашто се добровољно чипују?
Квантна опрема
Квантни рачунар се састоји од три главна дела: области за складиштење кубита, методе за пренос сигнала до кубита и класичног рачунара за покретање програма и слање инструкција.
Квантни материјал који чини кубите је деликатан и изузетно осетљив на утицаје околине. За неке методе складиштења кубита, јединица у којој се налазе кубити одржава се на температури близу апсолутне нуле како би се максимизирала њихова кохерентност. Друге врсте складиштења кубита користе вакуумску комору да би минимизирале вибрације и стабилизовале кубитове.
Постоје различите методе преноса сигнала до кубита, као што су микроталаси, ласери и електрични напон.
Да би се успоставио нормалан рад квантних рачунара, потребно је решити многе проблеме. Главни проблем са квантним рачунарима је исправљање грешака, а скалирање (додавање више кубита) додатно повећава њихову фреквенцију. Због ових ограничења, квантни лични рачунар на вашем столу је још увек далека будућност, али комерцијални квантни рачунари могу постати доступни у блиској будућности. Хајде да разговарамо о овоме детаљније.
Проблеми квантних рачунара
Међутим, квантни рачунари имају један огроман проблем. Односно, научници имају огроман проблем са њиховом употребом, јер, захваљујући својим посебним својствима, кубитима је потребно довољно мирно окружење да би могли тачно да прочитају било који податак из њих. Сваки, чак и најмањи прекршај ће онемогућити тачно читање информација.
У случају класичних рачунара, сличан проблем је такође играо важну улогу у прошлости, али је данас толико безначајан да се често занемарује чак иу академској науци. Говоримо о стопи грешке. То је индикатор који одређује који део битова или кубита информација може бити оштећен. То се може десити, на пример, у време пренапона или других сметњи.
За класичне уређаје, вероватноћа грешке је приближно један до 1017 мало У случају квантних рачунара, ово је још увек један од неколико стотина. И то у ситуацији када квантни рачунари раде у најизолованијим условима и на температури од -272 степена Целзијуса, односно нешто изнад апсолутне нуле. Било какве температурне флуктуације, промене у електромагнетном пољу, па чак и кретање уништавају цео прорачун.
Други проблем је "нестабилност" квантних стања. Сваки пут када меримо или желимо да пореметимо квантно стање, оно се враћа у једну од две позиције, нулу и један. У овом случају, квантно стање ће се распасти. Овај процес се назива квантна декохеренција.
Размислите о томе овако: квантни рачунар је вешт математичар који изводи сложене прорачуне, а његови резултати су између 0 и 1 милион. Ми смо, пак, дете које само разуме да нешто може бити превише или премало. Кад год би математичар могао имати различите резултате, као што је 356 или 670,23, према нашем схватању света сваки од ових резултата би био класификован као неколико (1) или много (846), без дефинисања посебне разлике између та два. Ово је квантна декохеренција. Једини начин да се направи тачан прорачун је да се гарантује математички рад пре него што се заврши.
Прочитајте такође: Шта ће истрајност и домишљатост на Марсу?
За шта ћемо користити квантне рачунаре?
Данас се поставља питање за шта могу да се користе квантни рачунари, као и пре 20 година, за шта све може да се користи паметни телефон. Наравно, већ постоје неки планови и претпоставке, али ће најзанимљивији правци употребе кубита вероватно постати јасни када квантни рачунари постану широко распрострањени.
Криптографија је једна од најпопуларнијих области у којој се квантно рачунарство најчешће користи. Ствар је у томе што ће то бити метод преношења информација на веома безбедан начин, а безбедност се не заснива на сложености рачунарских процеса, већ на законима физике, који ће дати поверење да су неке ствари једноставно немогуће. И у овом тренутку биће немогуће слушати, шпијунирати, хаковати.
Сигурност у овом случају је загарантована самим физичким својствима кубита, који, као што сам раније објаснио, престају да показују карактеристике суперпозиције чим се посматрају. Дакле, сваки покушај пресретања или чак копирања кодиране поруке ће је једноставно уништити.
Квантни рачунари нам такође могу омогућити да боље разумемо природне процесе. "Хаос" суперпозиције много боље одражава начин, на пример, мутација у ДНК, а самим тим и развој болести и еволуције. Квантно рачунарство се већ данас користи за стварање нових лекова.
Можда има смисла говорити о употреби квантних рачунара за телепортацију података. Да, управо телепортација података, а можда и особе. Моћи ћемо да телепортујемо информације са места на место без њиховог физичког преноса. Звучи као фантазија, али је могуће, јер се ова флуидност квантних честица може заплести у времену и простору, тако да промена једне честице може утицати на другу, а то ствара канал за телепортацију. Ово је већ показано у лабораторијама и могло би бити део квантног интернета будућности. Такву мрежу још немамо, али неки научници већ раде на овим могућностима, симулирајући квантну мрежу на квантном рачунару. Већ су развили и имплементирали занимљиве нове протоколе, попут телепортације између корисника мреже и ефикасног преноса података, па чак и сигурног гласања.
Такође треба рећи да квантне компјутере треба користити за симулацију различитих ситуација и проналажење решења проблема, укључујући лекове и вакцине. На пример, током пандемије попут коронавируса, када је потребно брже израчунавање и израчунавање опција. Овде можете користити могућност квантног моделирања, које се не може извести на класичном рачунару. Када се појави нова болест, процес проналажења лека траје око 15 година и може коштати до 2,6 милијарди долара. Код неких болести, потребно је филтрирати милионе молекула да би се идентификовале само стотине перспективних појединаца који ће вероватно постати донатори. Затим, током тестирања, отприлике 99% молекула се испусти због, између осталог, погрешног предвиђања понашања и ограничења узорковања. Ту би квантни рачунари дошли до изражаја.
А ово су још увек само неке од дивних идеја о томе шта се може постићи коришћењем квантне физике. Тренутно успевамо донекле да укротимо њен хировити карактер, али су сви развоји још увек на почетном нивоу. Стварање правог квантног рачунара и његова масовна примена је још доста далеко, али напредак не мирује. Стога ћете можда за десетак година читати овај чланак уз помоћ квантног рачунара и снисходљиво се смејати.
Прочитајте такође:
Цоцх саг олун, муеллимин бизе савремени меморијски уређаји