Квантовите изчисления: настояще и бъдеще

13 ноември
Хуан Пабло Федерико, разработчик на DataArt
Квантовите изчисления: настояще и бъдеще
Според парадокса на Шрьодингер (1935) ако в запечатана кутия се постави котка, колба с отрова и радиоактивен източник., при наличие на радиоактивност, колбата се разбива, отделяйки отрова, която убива котката. Тълкуването на квантовата механика предполага, че след известно време котката ще бъде едновременно жива и мъртва. Но когато погледнете в кутията, виждате котка или жива, или мъртва, а не и двете едновременно. Това означава, че когато взаимодействаме с околната среда, ние променяме квантовите закони.

Знам, че всичко това звучи налудничево, но ви уверявам, че този парадокс постави крайъгълния камък в развитието на квантовата обработка на данни, с която сме запознати днес. Магията на квантовите изчисления се крие в концепциите за квантова механика, които могат да бъдат приложени за подобряване на производителността на обработката. Тук участват две ключови концепции: суперпозиция на състояния и квантово заплитане.

За да се разберат по-добре тези концепции, е необходимо да се помисли как работи традиционният компютър: Както знаем, при него бит е най-малката мерна единица, която съдържа единична двоична стойност, 1 или 0, с която могат да се извършват различни логически операции. Това е линейна връзка (n = n), тъй като броят на възможните състояния не зависи от броя на представените битове.

За разлика от това, квантовият бит не само приема стойностите 1 или 0 като нормален бит, но може да бъде и 1 И 0 (например 70% = 1 и 30% = 0) при 30%. Проблемът възниква, когато искате да прочетете стойността му: можете да получите само 1 или 0 (както в парадокса на Шрьодингер, споменат по-горе). При суперпозиция възможните състояния на изгледа нарастват експоненциално с увеличаването на броя на кубитите. По същия начин, с преплитането, можете да поддържате връзката на кубитите постоянна и операциите в един от тях влияят силно върху останалите.

Quantum graph

КВАНТОВИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ ДНЕС

Сега много компании инвестират част от бюджетите си в развитието на такъв тип технологии, опитвайки се постепенно да ги усъвършенстват, тоест да увеличат броя на qubits в квантовите процесори, които разработват. Съвременните квантови процесори с до 60 кубита изпълняват задачи за по-малко от 3 минути. За сравнение, най-мощният суперкомпютър, който имаме днес, ще отнеме 10 000 години, за да изпълни същите тези задачи. Освен това се очаква до 2023 г. да бъдат разработени процесори, съдържащи над 1000 кубита.

Тези събития са познати на мнозина като Втората квантова революция. Първата квантова революция бе тази, която отдавна бележи етапите на квантовата механика чрез поредица от задълбочени изследвания - но не непременно точни.

Друг важен момент са облачните квантови изчисления (Cloud Quantum Computing), където всеки, независимо къде се намира, може да изпраща задачи, които трябва да бъдат обработени в квантов процесор и незабавно да получат резултата, защото различни концепции се сливат: облачни изчисления, предаване и трансформация на информация от традиционни системи в квантови и обратното.

НЯКОИ ОБЛАСТИ, СВЪРЗАНИ С РАЗВИТИЕТО НА КВАНТОВИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ

• ИЗКУСТВЕН ИНТЕЛЕКТ

През втората половина на 20-ти век бяха разработени теоретични модели на ИИ, но след това те останаха във времето поради липсата на подходящи технологии. Изчислителната мощност нарасна значително и продължава да расте. Това позволява да се постигне значителен напредък, например с полезни приложения на финанси, маркетинг, медицина, логистика, авиация, биометрия и много други. Въпреки това, когато става въпрос за много сложни модели за прогнозиране и / или реконструиране на определени модели с висок процент на ефективност, все още има ограничения за изчисленията.

Добър пример тук е шахматна игра: трудно е да се победи робот противник, но няма такова нещо като 100% ефективен робот и това се дължи на голям брой променливи (10 ^ 50 възможни позиции). С развитието на квантовите изчислителни технологии обаче създаването на робот, способен да изчислява всички възможни позиции, престава да бъде утопия.

Освен това, експоненциалното нарастване на скоростта на обработка и възможните комбинации, които предлага квантовото изчисление, означава решаване на проблеми, които понастоящем не могат да бъдат решени, тъй като изискват огромна изчислителна мощ или нови открития, свързани с обработката на естествен език. Освен това можем да предоставим практически отговори на теоретични въпроси или дори на въпроси от научната фантастика.

• КРИПТОГРАФИЯ И КИБЕРСИГУРНОСТ

Струва си да се подчертае, че кубитите са по-добър вариант от битовете поради броя на различните комбинации - до точката, в която квантовата машина с 300 кубита може да представлява повече стойности от атомите във Вселената. По този начин криптираните файлове могат да бъдат декриптирани с груба сила за относително кратък период от време. Нужни са общности, отговорна за създаването и предлагането на пост-квантови алгоритми, за да се избегнат пробиви. Съществува дългосрочна потенциална заплаха за киберсигурноста, която трябва да бъде разгледана възможно най-скоро системите за сигурност се приведат в съответствие с новата парадигма.

• МАТЕМАТИКА

Както бе споменато по-горе, увеличената процесорна мощ може да превърне теоретичните концепции в реалност. Сега, когато всяка неочаквана и немислима граница на изчисление може да бъде надвишена, единствената граница е въображението на математиците. Например, бихме могли разрешим много от така наречените Проблеми на хилядолетието, като въпроса за равенството на класовете P и NP.

• АСТРОНОМИЯ

Първото човешко кацане на Луната е забележително събитие в историята, което бе постигнато отчасти благодарение на традиционните изчисления (дори с по-малка процесорна мощ, отколкото може да осигури конвенционалният домашен процесор). В този смисъл само можем да си представим до къде могат да ни отведат квантовите изчисления по отношение на космическите изследвани и астрономията.

• КВАНТОВА КОМУНИКАЦИЯ

Квантовата телепортация в космоса към момента звучи като научна фантастика. Теоретично обаче тази концепция обаче не е за изключване, но ще отнеме повече време за изпълнение от останалите горепосочени идеи. Това не означава, че концепцията е по-малко важна или по-малко реална. В бъдеще ще бъде изключително важно да се разгледат свойствата на квантовата механика и по-точно свойствата на квантовите изчисления, за да се разгърнат квантовите мрежи (обикновено наричани „квантов интернет“) като алтернативна телекомуникационна система. Идеята е да се свържат "квантовите възли", използвани като ретранслатори, за да се предаде съобщение от А до Б през възлите, подобно на сегашните концепции за телекомуникационните системи, но по-бързо и по-сигурно. За да се внедри тази нова технология и да постигнат детерминистични резултати при всяко предаване на информация, е необходимо презицно познаване на свойствата на квантовата механика.

КВАНТОВИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ НЯМА ДА ЗАМЕНЯТ ТРАДИЦИОННИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ

И накрая, трябва да се отбележи, че квантовите компютри се използват заедно с традиционните и новите няма да заменят старите - поне в средносрочен план, тъй като и двата подхода имат своите особености.

Всички признаци показват, че в ранните етапи на въвеждането на квантовата технология на пазара, по логични причини, ще се постави акцент върху нейната съвместимост с традиционните изчисления. Системите за съхранение на информация, софтуерните и хардуерните системи, които използваме към момента, се създават на базата на традиционната парадигма. В краткосрочен план се очаква „междинен софтуер“ да улесни този преход. По този начин задачите се обработват от квантови компютри, междинният софтуер преобразува резултатите от qubits в битове и информацията се изпраща до традиционните компютри в съвместима форма.