Квантова перевага: Фізик пояснює майбутнє комп’ютерів

Квантова перевага — це віха , над якою палко працює галузь квантових обчислень , коли квантовий комп’ютер може вирішувати проблеми, недоступні для найпотужніших неквантових або класичних комп’ютерів.

Квант відноситься до масштабу атомів і молекул, де закони фізики, як ми їх відчуваємо, порушуються, і застосовується інший, суперечливий набір законів. Квантові комп’ютери використовують цю дивну поведінку для вирішення проблем.

Є деякі типи проблем, які неможливо вирішити класичними комп’ютерами , як-от зламати найсучасніші алгоритми шифрування . Дослідження останніх десятиліть показали, що квантові комп’ютери можуть вирішити деякі з цих проблем.

Якщо можна створити квантовий комп’ютер, який дійсно вирішить одну з цих проблем, він продемонструє квантову перевагу.

Я фізик , який вивчає квантову обробку інформації та керування квантовими системами.

Я вважаю, що цей рубіж наукових і технологічних інновацій не тільки обіцяє новаторські досягнення в обчисленнях, але й являє собою ширший сплеск квантових технологій, включаючи значні досягнення в квантовій криптографії та квантовій сенсориці.

Джерело потужності квантових обчислень

Центральним у квантових обчисленнях є квантовий біт, або кубіт . На відміну від класичних бітів, які можуть перебувати лише в станах 0 або 1, кубіт може перебувати в будь-якому стані, який є деякою комбінацією 0 і 1. Цей стан не тільки 1 і не тільки 0 відомий як квантова суперпозиція . З кожним додатковим кубітом кількість станів, які можуть бути представлені кубітами, подвоюється.

Цю властивість часто помилково вважають джерелом потужності квантових обчислень. Натомість це зводиться до складної взаємодії суперпозиції, інтерференції та заплутування .

Втручання передбачає маніпулювання кубітами таким чином, щоб їхні стани конструктивно поєднувалися під час обчислень для посилення правильних рішень і деструктивно для придушення неправильних відповідей.

Конструктивна інтерференція – це те, що відбувається, коли піки двох хвиль – як звукові хвилі чи хвилі океану – поєднуються, створюючи вищий пік. Деструктивна інтерференція – це те, що відбувається, коли пік хвилі та спад хвилі поєднуються та нейтралізують одна одну.

Квантові алгоритми, яких небагато і важко розробити, встановлюють послідовність інтерференційних моделей, які дають правильну відповідь на проблему.

Заплутаність встановлює унікальну квантову кореляцію між кубітами: стан одного не можна описати незалежно від інших, незалежно від того, наскільки далеко один від одного знаходяться кубіти. Це те, що Альберт Ейнштейн відкинув як «моторошну дію на відстані».

Колективна поведінка Entanglement, організована квантовим комп’ютером, забезпечує прискорення обчислень, недосяжних для класичних комп’ютерів.

Застосування квантових обчислень

Квантові обчислення мають низку потенційних застосувань, де вони можуть перевершити класичні комп’ютери. У криптографії квантові комп’ютери створюють як можливість, так і виклик. Найвідоміше те, що вони мають потенціал для розшифровки поточних алгоритмів шифрування , таких як широко використовувана схема RSA .

Одним із наслідків цього є те, що сучасні протоколи шифрування потребують переробки, щоб бути стійкими до майбутніх квантових атак. Це визнання призвело до розвитку галузі постквантової криптографії .

Після тривалого процесу Національний інститут стандартів і технологій нещодавно вибрав чотири квантово-стійкі алгоритми та почав процес їх підготовки, щоб організації по всьому світу могли використовувати їх у своїх технологіях шифрування.

Крім того, квантові обчислення можуть значно пришвидшити квантове моделювання: можливість передбачити результати експериментів, що проводяться в квантовій сфері. Відомий фізик Річард Фейнман передбачив таку можливість більше 40 років тому.

Квантова симуляція пропонує потенціал для значного прогресу в хімії та матеріалознавстві, допомагаючи в таких сферах, як складне моделювання молекулярних структур для відкриття ліків і дозволяючи відкривати або створювати матеріали з новими властивостями.

Іншим застосуванням квантової інформаційної технології є квантове зондування : виявлення та вимірювання фізичних властивостей, таких як електромагнітна енергія, сила тяжіння, тиск і температура, з більшою чутливістю та точністю, ніж неквантові інструменти.

Квантове зондування має безліч застосувань у таких сферах, як моніторинг навколишнього середовища , геологічна розвідка , медична візуалізація та спостереження .

Такі ініціативи, як розробка квантового Інтернету, який об’єднує квантові комп’ютери, є вирішальними кроками до поєднання світів квантових і класичних обчислень.

Ця мережа може бути захищена за допомогою квантових криптографічних протоколів, таких як квантовий розподіл ключів , що забезпечує надбезпечні канали зв’язку, захищені від обчислювальних атак, у тому числі з використанням квантових комп’ютерів.

Попри зростаючий пакет прикладних програм для квантових обчислень, розробка нових алгоритмів, які повною мірою використовують квантові переваги, зокрема в машинному навчанні , залишається критичною сферою поточних досліджень.

Залишатися послідовним і долати помилки

Сфера квантових обчислень стикається зі значними перешкодами в розробці апаратного та програмного забезпечення. Квантові комп’ютери дуже чутливі до будь-яких ненавмисних взаємодій із середовищем. Це призводить до явища декогеренції, коли кубіти швидко деградують до станів 0 або 1 класичних бітів.

Створення великомасштабних квантових обчислювальних систем, здатних реалізувати обіцяне квантове прискорення, вимагає подолання декогеренції. Ключовим є розробка ефективних методів придушення та виправлення квантових помилок, області, на якій зосереджені мої власні дослідження .

Долаючи ці виклики, з’явилися численні стартапи з квантового апаратного та програмного забезпечення разом із відомими гравцями технологічної індустрії, такими як Google та IBM.

Цей галузевий інтерес у поєднанні зі значними інвестиціями урядів у всьому світі підкреслює колективне визнання трансформаційного потенціалу квантових технологій. Ці ініціативи сприяють створенню багатої екосистеми, де наукові та промислові кола співпрацюють, прискорюючи прогрес у цій галузі.

Поява квантової переваги

Квантові обчислення одного дня можуть стати такими ж руйнівними, як і поява генеративного ШІ . Зараз розвиток технологій квантових обчислень знаходиться на вирішальному етапі.

З одного боку, сфера вже показала ранні ознаки досягнення вузькоспеціалізованої квантової переваги. Дослідники з Google , а пізніше й група дослідників із Китаю продемонстрували квантову перевагу створення списку випадкових чисел із певними властивостями. Моя дослідницька група продемонструвала квантове прискорення гри на вгадування випадкових чисел .

З іншого боку, існує відчутний ризик вступу в «квантову зиму», період скорочення інвестицій, якщо практичних результатів не буде матеріалізовано найближчим часом.

У той час як індустрія технологій працює над наданням кількісних переваг у продуктах і послугах у найближчій перспективі, академічні дослідження залишаються зосередженими на дослідженні фундаментальних принципів, що лежать в основі цієї нової науки та технологій.

Ці постійні фундаментальні дослідження, які підживлюються ентузіазмом нових та талановитих студентів, з якими я стикаюся майже щодня, гарантують, що сфера продовжуватиме прогресувати.

Даніель Лідар , професор електротехніки, хімії та фізики та астрономії, Університет Південної Каліфорнії

Цю статтю перепубліковано з The Conversation . Прочитайте оригінальну статтю .