ควอนตัมคอมพิวเตอร์: มันบ้า

(ภาพที่ไม่เกี่ยวข้องอย่างสมบูรณ์ซึ่งดูดีเพื่อดึงดูดความสนใจ)

เราเคยได้ยินเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมมาระยะหนึ่งแล้ว แต่อะไรคือสิ่งที่เกินจริง คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นวิธีที่เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม (อุปกรณ์ที่คุณใช้ในการอ่านโพสต์นี้) ดังนั้นพวกเขาจะทำให้คอมพิวเตอร์ปัจจุบันของเราล้าสมัยหรือไม่

ไม่ฉันไม่คิดอย่างนั้น หน่วยประมวลผลควอนตัมจะพัฒนาเป็นประเภทของหน่วยประมวลผลกลางซึ่งจะอยู่ร่วมกับซีพียูปกติเพื่อช่วยในงานที่ใช้ประโยชน์จากความเท่าเทียมกันของควอนตัม งั้นมาถึงจุดนี้แล้วควอนตัมคอมพิวเตอร์จึงไม่เร็วกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิคในทุกกรณี? ไม่พวกเขาไม่ได้

ดังนั้นควอนตัมขนานคืออะไรและคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างไรหากต้องการทราบว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จากการขนานควอนตัมเราต้องรู้ก่อนว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิคแก้ปัญหาได้อย่างไร

สมมติว่าเรามีเขาวงกตแบบนี้

(เขาวงกต)

คอมพิวเตอร์คลาสสิครับมือกับวิธีแก้ปัญหานี้ได้อย่างไร (แบบง่าย)

  • เลือกเส้นทางเริ่มต้น
  • พยายามย้ายไปทางซ้ายขวาหรือไปข้างหน้า (ไม่ใช่ถอยหลัง)
  • ตรวจสอบว่าคุณอยู่นอกเขาวงกต
  • หากคุณไม่ได้อยู่ข้างนอกทำซ้ำขั้นตอนที่ 1
  • หากวิธีเดียวที่จะเคลื่อนที่ไปข้างหลังคือติดกับคุณ
  • ทำเครื่องหมายเส้นทางว่าไม่ถูกต้องและทำซ้ำขั้นตอนตั้งแต่ต้นโดยหลีกเลี่ยงขั้นตอนที่นำไปสู่เส้นทางที่ไม่ถูกต้อง
  • ในที่สุดเราจะเลือกเส้นทางที่ถูกต้องโดยการบังคับใช้วิธีของเราผ่านโซลูชันแต่ละตัว

ใช้เวลานานมาก วิธีหนึ่งที่จะทำให้กระบวนการนี้เร็วขึ้นคือการใช้แกน CPU หลายแกนเพื่อตรวจสอบเส้นทางหลายเส้นทางในเวลาเดียวกันทำให้สามารถเพิ่มขนาดเชิงเส้นตามสัดส่วนของจำนวนแกน CPU ไม่ได้ แต่ความเร็วสูงสุดที่คุณสามารถทำได้ขึ้นอยู่กับจำนวนของแกนประมวลผล คุณมีแนวโน้มที่จะอยู่ที่ประมาณ 4-16 ในกรณีส่วนใหญ่

คุณสามารถลองใช้ GPU ที่มี 1,000–4,000 คอร์ในการตรวจสอบเส้นทาง 4000 พร้อมกันเพื่อให้ได้ความเร็วที่ดียิ่งขึ้น แต่ถ้าคุณมีเส้นทางที่เป็นไปได้หลายล้านเส้นทางมันจะยากมากสำหรับโปรเซสเซอร์ทั่วไปที่จะแก้ปัญหาเขาวงกต ไม่มีแกนสำหรับการเร่งความเร็ว ดังนั้นตัวประมวลผลควอนตัมจะแก้เขาวงกตอย่างไร

มันง่ายมากที่ตัวประมวลผลควอนตัมไม่ได้ถูก จำกัด โดยไม่มีแกนหลักที่สามารถใช้ประโยชน์จากความเท่าเทียมกันของควอนตัมในการตรวจสอบทุกเส้นทางในครั้งเดียวมันฟังดูบ้าคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำได้อย่างไรวิธีตรวจสอบเส้นทางหลายเส้นทางในเวลาเดียวกัน เวลาทำเช่นนี้โดยใช้การซ้อนทับ

Qubits: ปริมาณควอนตัมของบิตปกติ

คอมพิวเตอร์ทั่วไปทำการคำนวณโดยใช้บิตซึ่งสามารถเก็บสถานะที่ไม่ซ้ำกันสองแห่งได้ทั้ง 0 หรือ 1 แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จาก qubits ซึ่งสามารถเป็น 0 และ 1 ในเวลาเดียวกันได้ไหม

บิตคลาสสิกกับ Qubit

พวกเราส่วนใหญ่อาจได้เรียนรู้ว่าหน่วยสสาร (อิเล็กตรอน) ขนาดเล็กมากแสดงคุณสมบัติของสสารทั้งคลื่นซึ่งเป็นสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะ พวกมันแสดงคุณสมบัติของคลื่นและสสารพร้อมกันดังนั้นมันจึงมีอยู่จริงใน 2 สถานะที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน ควอนตัมบิตยังใช้การซ้อนทับและสามารถเป็น 1,0 และการซ้อนทับที่ 1 และ 0

ในบิตคลาสสิกแรงดันสูงหมายถึง 1 และแรงดันไฟฟ้าต่ำจะแสดงค่าเป็นศูนย์ซึ่งช่วยให้สามารถวัดค่าสถานะที่แตกต่างได้ใน qubits เราจะวัดสถานะการซ้อนทับได้อย่างไร

การทับซ้อน:” ดังนั้นคุณตายและมีชีวิตอยู่ในเวลาเดียวกันหรือไม่”

การซ้อนทับอย่างดีเป็นสถานะก่อนการวัดและไม่มีวิธีที่ดีกว่าการอธิบายโดยใช้การทดลองทางความคิดของ Schroedinger รุ่น "เรียบง่าย" Schroedinger ล็อคแมวของเขาในกล่องโลหะที่มีอะตอมของกัมมันตภาพรังสีตอนนี้มีโอกาส 50-50 ว่าอะตอมอาจได้รับการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและแมวก็ตายจากการเป็นพิษจากรังสีหรืออะตอมไม่ได้รับการสลายตัวและแมวมีชีวิตอยู่เพื่อบอกเล่าเรื่องราวเราสามารถรู้ได้ว่าแมวนั้นตายหรือมีชีวิตเมื่อเราเปิดกล่อง เป็นความน่าจะเป็นเท่ากับที่แมวกำลังตายหรือมีชีวิตอยู่เมื่อไม่ได้เปิดกล่องเราบอกว่าแมวนั้นมีทั้งตายและมีชีวิต (มีการซ้อนทับกัน) เมื่อไม่มีการเปิดกล่องและเปลี่ยนเป็นตายหรือมีชีวิตเมื่อคุณเปิดกล่อง นั่นคือถ้าคุณเปิดกล่องและพบว่าแมวตายมันไม่ได้ตายมาก่อน แต่เสียชีวิตในทันทีที่คุณเปิดกล่องเพื่อวัดผลลัพธ์ของการทดสอบ ในสาระสำคัญคุณฆ่าแมวเมื่อคุณเปิดกล่อง :( ให้ย้อนกลับและคิดเกี่ยวกับสิ่งที่เพิ่งเกิดขึ้นที่นี่

Qubits ใช้สถานะ superposition เพื่อให้ได้ควอนตัมแบบขนานตัวอย่างอื่น ๆ ที่จะช่วยให้เข้าใจแนวคิดคือการโยนเหรียญทดลองคุณควรโยนเหรียญผลลัพธ์ที่เป็นไปได้คือหัวหรือหาง (0 และ 1) เมื่อ คุณโยนเหรียญมีความน่าจะเป็นเท่ากับที่รัฐสุดท้ายสามารถเป็นหัวหรือก้อยซึ่งส่งผลให้เกิดการซ้อนทับของรัฐเมื่อเหรียญในมือของคุณเข้ามาในทันทีทันใดนั้นเรากำลังบังคับให้เหรียญออกจากสถานะการซ้อน หนึ่งอัน (หัวหรือหาง) เมื่อคุณได้รับหัวในโลกนี้มีโลกคู่ขนานที่ผลของเหรียญเป็นหางคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้แนวคิดโลกคู่ขนานนี้ในการคำนวณสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดของผลลัพธ์ในการคำนวณเดียวนี่คือวิธีที่เรา ใช้การควอนตัมแบบขนานเพื่อแก้ปัญหานั่นคือถ้าคอมพิวเตอร์คลาสสิคสามารถใช้บิตเดียวเพื่อแสดงสถานะเดียว . . . . . (0 หรือ 1) ในเวลา qubit สามารถเป็นตัวแทนของ 2 สถานะ (ทั้ง 0 และ 1) คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีสเกลกับไม่มีของ qubits เป็นอย่างไรถ้ามี 3 บิตคลาสสิกถูกใช้เพื่อแสดงไม่ใช่พวกเขาสามารถแสดงสถานะเดียวเช่น (000,001,010,111) ครั้งเดียว แต่ 3 qubit สามารถแทน 8 ของ รัฐที่เป็นไปได้ทั้งหมดพร้อมกันโดยใช้การซ้อนทับ (qqq ซึ่งแต่ละคิวสามารถเป็น 0 หรือ 1) ดังนั้นสิ่งที่ใช้คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิค 8 การคำนวณใช้ qubit เพียง 1 การคำนวณเมื่อไม่มี qubits เพิ่มข้อมูลซึ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพิ่มขึ้น 2 ^ n โดยที่ n คือจำนวน qubits.so ซึ่งแต่ละ qubit เพิ่มความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการประมวลผลข้อมูลเป็นสองเท่าตอนนี้เรากำลังเห็นการเพิ่มขึ้น 10-12 qubit ในแต่ละปีซึ่งแปลเป็น speedup ขนาด 1024 -4096 กว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ผลิตเมื่อปีที่แล้วซึ่งมีขนาดมหึมาเมื่อเทียบกับความเร็วสูงสุดที่เพิ่มขึ้นตามการคาดการณ์โดยกฎของมัวร์สำหรับซีพียู

ควอนตัมพัวพัน: "พลังแห่งความรักเร็วกว่าแสง"

อีกปรากฏการณ์หนึ่งที่เราใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการทำให้ยุ่งเหยิงถ้าเราเอา 2 อิเล็กตรอนและทำให้ยุ่งเหยิงพวกมันจะสัมพันธ์กันถ้าเราพยายามที่จะทำการเปลี่ยนแปลงในหนึ่งมันจะส่งผลกระทบต่ออิเล็กตรอนอื่นทันที สมมติว่าเราใช้อิเล็กตรอน 2 ตัวและเข้ายึดแล้วใช้ประตู cnot และเราวางมันไว้ในสถานะของการทับซ้อนและนำพวกเขาไปยังจุดสิ้นสุดของจักรวาลตอนนี้อิเล็กตรอนทั้งสองมีความน่าจะเป็นเท่ากับการหมุนตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา เราวัดอิเล็กตรอนและค้นหาการหมุนของมันการกระทำนี้จะเปลี่ยนการหมุนของอิเล็กตรอนที่พันกันไปในทิศทางตรงกันข้ามทันทีการกระทำนี้จะเร็วกว่าความเร็วแสง แต่ Einstein ทำนายว่าไม่มีอะไรสามารถเดินทางได้เร็วกว่าแสง เรียกการกระทำนี้เหมือนผีที่ระยะไกล

(เหมือนผี)

ดังนั้นคุณอาจจะคิดว่า "เทคโนโลยีการคำนวณควอนตัมนี้ดูเหมือนว่าอนาคตไม่มีทางที่ฉันจะสามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ตลอดเวลาในทศวรรษนี้" ไม่ผิดหรอกที่คุณสามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ในตอนนี้ คอมพิวเตอร์เพื่อคนจรจัดที่มี 5 qubits ณ ตอนนี้

การใช้งานจริงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการจำลองโปรตีนและการถอดรหัสแคร็กเกอร์กุญแจสำคัญในการเข้ารหัสคือปัจจัยสำคัญของจำนวนมากนั้นไม่สามารถแก้ไขได้จริงคุณสามารถสร้างจำนวนจากปัจจัยสำคัญโดยการคูณพวกเขา แต่คุณไม่สามารถสร้างปัจจัยสำคัญ กลับมาจากตัวเลขได้อย่างง่ายดายพยายามแก้ปัญหานี้โดยการรวมตัวที่เป็นไปได้ทั้งหมดทีละตัวซึ่งอาจใช้เวลามากกว่าอายุของจักรวาล แต่การมาถึงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเปลี่ยนเกมคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถผ่านทุกสิ่ง โซลูชั่นในครั้งเดียวโดยใช้ควอนตัมแบบขนานทำให้การเข้ารหัสที่ทันสมัยทั้งหมดไร้ประโยชน์ แต่ไม่ต้องกังวลหลังจากการมาถึงของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะมีการเข้ารหัสที่เรียกว่าการเข้ารหัสแบบควอนตัมหลังซึ่งเป็น uncrackable จริงแม้แต่กับคอมพิวเตอร์ควอนตัม

พบแอปพลิเคชันใหม่ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมทุกวันโดย IBM คาดการณ์ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะไปสู่กระแสหลักภายใน 5 ปีและดูเหมือนจะไม่มีเวลาที่ดีกว่าในการคำนวณควอนตัมมากกว่าตอนนี้ดังนั้นแทนที่จะรอ macbook ที่ใช้ควอนตัมของคุณ ประสบการณ์ IBM Q