Quantencomputer bieten uns eine verlockende Vision unserer Zukunft. Sie werden die Zukunft mit Hochleistungsrechnern versorgen und möglicherweise sogar klassische Computer ersetzen. Trotz des Versprechens sind sie noch nicht allgemein verfügbar oder tatsächlich nützlich. Lassen Sie unsvielleicht in die "gruselige" Zukunft der Informatik eintauchen.
Im folgenden Artikel werden wir untersuchen, was sie sind, einen kleinen Teil ihrer Geschichte, potenzielle Anwendungen und natürlich ihre potenziellen kurzen Gegebenheiten ansprechen. Eine vollständige Bewertung dieses Feldes ist eindeutig nicht Gegenstand des folgenden TextesAber werfen wir einen kurzen Blick auf diese möglicherweise bahnbrechende Technologie.
Ich bin "da" Gesetz
1947 machte Howard Aiken eine kühne Vorhersage. Er erklärte, dass "nur sechs elektronische Digitalcomputer die Computeranforderungen der Vereinigten Staaten erfüllen würden". Springen Sie siebzig Jahre vorwärts und wir können klar sehen, dass dies etwas untertrieben warUnser Hunger nach Wissen und Verarbeitungsgeschwindigkeit hat diese bescheidene Schätzung deutlich übertroffen. Aiken hätte den Umfang der Datenverarbeitung, der für die moderne Welt erforderlich ist, niemals vorhersagen können. Seit dem Aufkommen des Internets, des Spielens und natürlich des Aufkommens der sozialen Medien haben wirkann eine so niedrige Schätzung verzeihen.
Moores Gesetz besagt, wir umschreiben, dass die Anzahl der Transistoren oder die Leistung eingeschaltet ist Mikroprozessoren verdoppelt sich alle 18 Monate und Mikroprozessoren zwischen 2020 und 2030 finden Schaltkreise auf einem Mikroprozessor, die auf atomarer Ebene gemessen werden. Heilige Kuh! Dies erfordert natürlich einen echten Quantensprung in der Technologie. Logischerweise erfordert dies QuantenComputer, die die Quanten- "Kraft" von Atomen und Molekülen nutzen, um Verarbeitungs- und Speicheraufgaben auszuführen.
Quantencomputer würden möglicherweise die erforderliche Rechenleistung bereitstellen, die die derzeitigen Computer auf Siliziumbasis bei weitem übertrifft. Klingt großartig, oder? Halten Sie Ihre Pferde dort, "Typ", wenn nur alles so einfach wäre. Quantencomputer sind möglicherweise nicht das Heilmittel-alle werden wir dazu gebracht zu glauben.
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Quantencomputer: Was sind sie?
Sie haben wahrscheinlich bereits eine Idee zu diesen Geräten, aber beginnen wir mit einer Definition :-
"Ein Computer, der die Quantenzustände subatomarer Teilchen zum Speichern von Informationen nutzt." - Englisches Oxford-Wörterbuch
Nun, das sagt uns alles, was wir wissen müssen, oder? Großartig, Sie können den Rest des Artikels überspringen.
Immer noch hier? Gut für Sie, für diejenigen von uns, die mehr nachfragen, lassen Sie uns etwas tiefer graben ...
Grundlegende Quantencomputer wurden bereits gebaut, um grundlegende Berechnungen durchzuführen. Tatsächliche praktische Beispiele sind leider noch Jahre entfernt. Die Ursprünge dieser mystischen Maschinen gibt es seit fast dem gesamten 20. Jahrhundert. Quantencomputer wurden erstmals vor etwa 30 Jahren theoretisiertvon Paul Benioff von der Argonne National Laboratory . Er theoretisierte 1981 erstmals die Quantentheorie für Computer. Er schlug vor, eine Turing-Maschine auf der Quantenskala zu erstellen. Tatsächlich basiert das derzeit verwendete Computergerät auf der Turing-Maschine!
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Turing Sie großartig expletiv einfügen
Alan Turing entwickelte seine berühmte Maschine in den 1930er Jahren. Dies war ist ein theoretisches Gerät, das aus einem nie endenden Band besteht, das in einzelne Teile oder Quadrate unterteilt ist. Jedes Segment hatte einen Wert von 1 oder 0 oder wurde natürlich belassenleer. Das Band wird von einem Gerät gelesen, das den "Code" übersetzt, um eine Reihe von Anweisungen bereitzustellen. Wir kennen dies heute als binär.
Bei einem Quanten- "Upgrade" dieses Geräts befindet sich das "Band" in einem Quantenzustand, ebenso wie das Lesegerät. Dies bedeutet, dass die Maschine entweder die Werte 1 oder 0 oder eine Überlagerung von 1 und 0 lesen kann. ÜberlagerungSie sagen? Nun, mein Freund, das bedeutet einfach, dass Sie entweder 1 oder 0 oder einen beliebigen Punkt zwischen den beiden oder beiden lesen können. Oh und gleichzeitig "booten"!
Aufgrund des Phänomens, dass ein Quantencomputer mehrere Zustände gleichzeitig enthalten kann, können sie um Größenordnungen leistungsfähiger sein als herkömmliche Computer.
Wie Quantencomputer funktionieren
Quantencomputer sind im Wesentlichen die Tatsache, dass im Quantenbereich die Dinge nicht so eindeutig sind, wie Sie es in unserer makroskopischen Welt erwarten würden. Subatomare Teilchen wie Elektronen und Photonen können gleichzeitig in Zuständen existieren, die wir normalerweise annehmen würdenSie schließen sich gegenseitig aus. Sie können sich tatsächlich an mehreren Orten gleichzeitig befinden. Im Fall von Photonen könnten sie beispielsweise zwei Arten von Polarisation aufweisen. In unserem täglichen Leben beobachten wir diese Art der Überlagerung aufgrund der beschriebenen Phänomene nie wirklichvon Erwin Schrödinger und seiner sadistischen Angewohnheit, Katzen in Kisten zu stecken. Bad Schrödinger!
Die seltsame und noch ungeklärte Beseitigung der Überlagerung, wenn Sie das System beobachten, beispielsweise wenn Sie versuchen, den Ort eines Elektrons zu messen, bietet ein fantastisches Potenzial für die Berechnung. Die Überlagerung befreit uns effektiv von binären Einschränkungen. Quantencomputer theoretischzumindest die Überlagerung ausnutzen.
Sie könnten denken, dass dies mit traditioneller Physik erreicht werden könnte, selbst wenn zwei gewöhnliche Bits gleichzeitig verwendet werden. Wenn dies der Fall wäre, wären Quantencomputer nicht so beeindruckend, oder? In einem System mit mehr als einem Qubit müssen Sie sich daran erinnerndass jede einzelne Komponente nicht wirklich unabhängig von der nächsten ist. Sie sind tatsächlich verwickelt. Wenn Sie eines von zwei verschränkten Qubits messen oder beobachten, erhalten Sie einen Wert. Aber ... Sie erhalten auch gleichzeitig den WertDie Partikel müssen sich nicht einmal an derselben Stelle befinden. Einstein nannte die Verschränkung einmal "gruselige Aktion in der Ferne". Das folgende Video von Veritasium gibt uns einen guten Überblick über Quantencomputer, viel Spaß.
Maschine bauen
Das Erstellen eines Quantencomputers wird keine leichte Aufgabe sein. Obwohl das Erstellen traditioneller Bits in klassischen Computern für uns heutzutage eine Selbstverständlichkeit ist, ist das Erstellen von Qubits alles andere als einfach.
Wir sind uns noch nicht sicher, wie ein Qubit am besten hergestellt werden kann. Die Techniken unterscheiden sich vom Einfangen von Ionen, Elektronen oder anderen subatomaren Partikeln. Andere schlagen die Verwendung von Supraleitern zur Herstellung mikroskopischer Quantenschaltungen vor. Andere haben die Verwendung von Photonen und Komplexen vorgeschlagenoptische Vorrichtung zur Herstellung der erforderlichen "Hardware".
Unabhängig davon, welchen Weg wir einschlagen oder sogar eine Kombination aus allen dreien, haben sie alle etwas sehr Wichtiges gemeinsam. Sie sind alle derzeit im kleinen Maßstab plausibel, aber im großen Maßstab schwer zu realisieren. Bis dieses Problem gelöst ist, sind Quantencomputerderzeit begrenzt.
Die Haupthürde, die es zu überwinden gilt, ist die sogenannte Quantendekohärenz. Quantensysteme müssen im Wesentlichen vom Rest der Welt um sie herum isoliert werden, um zu funktionieren. Winzige Wechselwirkungen führen dazu, dass das gesamte System dekohäriert und auf a zusammenbrichtbinärer Zustand. Dies ist nicht nur auf das Hauptsystem beschränkt, sondern auch auf seine Gubbins. Quantentore, Kernspins von Qubits und Gittervibrationen können beispielsweise auch Dekohärenz-Effekte hervorrufen. Ah Mann, wie können wir das lösen?wir könnten uns für eine akzeptable Fehlerrate entscheiden, oder vielmehr für das Maß an Dekohärenz, mit dem wir gerne "leben". Dann entwerfen wir den Rest von dort aus.
Obwohl dies selbst bei geringer Fehlerrate keine perfekte Lösung ist, erhalten wir dennoch den größeren Vorteil des Quantencomputers. Es ist ein Kompromiss.
Entwirrung auflösen
Verschränkung bedeutet, dass Sie die Beschreibungen der einzelnen Qubits nicht einfach aneinanderreihen können. Sie müssen alle Korrelationen zwischen ihnen beschreiben. Wenn Sie die Anzahl der Qubits erhöhen, nehmen die relativen Korrelationen exponentiell zu. Bei n Qubits nehmen die Korrelationen zuDies bedeutet, dass es schnell "explodiert". Wenn Sie ein System mit nur 300 Qubits beschreiben möchten, erreichen Sie eine Reihe möglicher Korrelationen, die die Anzahl der Atome im bekannten sichtbaren Universum überschreiten! Heilige Kuh.
Können Sie sich eine Reihe von Möglichkeiten vorstellen, die so groß sind? Sie konnten es einfach nicht bewältigen, die in einem solchen System enthaltenen Informationen mit klassischen Bits aufzuschreiben. Ein Computer, der mit Qubits betrieben wird, könnte Aufgaben ausführen, auf die ein klassischer digitaler Computer wahrscheinlich nie hoffen könntezu erreichen. Das Potenzial ist enorm und aufregend.
Klingt fantastisch, oder? Es gibt jedoch ein Problem. Jeder "Leser" oder Algorithmus würde Daten von überlagerten Qubits als Eingabe verwenden. Die Ausgabe würde sich jedoch auch in einem Quantenzustand befinden. Diese Informationen ändern sich auch, wenn Sie versuchen, sie zu beobachtenes! "Die Natur zieht hier einen Trick", sagt Richard Jozsa ein Pionier des Quantencomputers an der Universität von Cambridge.
"Sie aktualisiert einen Quantenzustand, erlaubt Ihnen dann aber nicht, alle Informationen abzurufen."
Die Lösung von Quantum Computing besteht darin, Methoden bereitzustellen, mit denen so viele Informationen wie möglich aus dem Unbeobachtbaren gewonnen werden können.
Mit gutem Beispiel vorangehen
Jedes Rechengerät ist abhängig von Algorithmen um Berechnungen durchzuführen und Programme zu befolgen. Richard Jozsa und David Deutsch haben ein Beispiel für einen Algorithmus für Quantencomputer entwickelt. Seine Aufgabe ist etwas seltsam, aber nehmen Sie ihn mit. Um dies zu erklären, stellen wir uns eine Reihe von Menschen vor, die darauf warten, ein Tor zu betretenmit einem Veranstaltungsort mit begrenzter Kapazität. Den Eingang wird von einem kräftigen Sicherheitsbeamten überwacht, der Ihren Eintritt einfach anhand Ihres vorab zugewiesenen Armbandes ermöglicht. Jedes Armband hat Zeichenfolgen mit drei Nullen oder Einsen.
Es befinden sich 8 Personen in der Warteschlange oder zwei hoch 3. Jeder der "Gäste" hat eine eindeutige Folge von Nullen und Einsen an den jeweiligen Armbändern. Der Wachmann zeichnet seine Entscheidungen auf, indem er einem bestimmten Bit eine 1 zuweist.Zeichenfolge, wenn er sich entscheidet, jemanden einzulassen, oder eine 0, wenn er dies nicht tut. Dies wird als boolesche Funktion bezeichnet. Dies ist eine Regel, die einer Bitzeichenfolge eine 0 oder 1 zuweist. Sie sind die Grundvoraussetzung der Informatik.
Wir wissen nicht, was der Wachmann für jede Person entscheiden wird, aber wir wissen, dass er auf seine Weise eingestellt ist. Er lässt entweder jeden herein oder er lässt genau die Hälfte der Menschen herein. Ihre Aufgabe ist es nicht, was zu findenpassiert jeder Person, aber ob die Wache gut gelaunt ist und alle rein lässt oder nur die Hälfte von ihnen. Wie viele Werte der Booleschen Funktion der Wache müssen wir also nachschlagen, um herauszufinden, in welcher Stimmung die Wache ist?
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Ein klassischer Computer müsste mindestens fünf Mal auf die Armbänder schauen, um sich ein Bild von der endgültigen Entscheidung zu machen. Selbst wenn Sie sich die ersten vier Armbänder ansehen und sie mit einer 1 versehen sind, können Sie nicht sicher sein, ob dies der Fall istNur die Hälfte oder alle warten. Sie benötigen daher einen fünften Armbandwert. Mit einem Quantencomputer können Sie die Werte für alle acht gleichzeitig nachschlagen und benötigen nur eine Suchfunktion.
"Für die Kosten für das einmalige Ausführen des Programms mit dieser lustigen Überlagerungseingabe haben Sie irgendwie alle [Werte auf einmal] berechnet", erklärt Jozsa.
Der Vorteil von Quantencomputern gegenüber klassischen Computern wird noch deutlicher, wenn in unserem obigen Beispiel immer mehr Menschen anwesend sind. Mit einer Zeile von 2 n Einzelpersonen und ein klassischer Computer würden 2 benötigen n-1 +1 mal. Dies würde exponentiell wachsen, wie Sie sich vorstellen können. Ein Quantencomputer muss dies nur einmal tun.
Wie bereits erwähnt, gibt es ein Problem, das wir mit Quantencomputern und unserem obigen Szenario lösen müssen. Ihre acht gleichzeitig nachgeschlagenen Werte werden in einem Quantenzustand codiert, den wir nicht direkt lesen können. Jede Messung der Werte würde störenZum Glück versuchen wir nicht herauszufinden, was mit jedem Einzelnen passieren wird. Wir müssen nur herausfinden, ob der Wachmann gut oder schlecht gelaunt ist.
"Das ist nur eine Ja-Nein-Frage", erklärt Jozsa. "Es ist eine kleine Menge an Informationen über viele Werte."
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Kartenhaus
Jozsa und Deutsch zeigen uns, dass es eine Möglichkeit gibt, eine zusätzliche Operation an unseren Quantenzustandsdaten durchzuführen. Ein Schritt, der die einfache Information, nach der wir suchen, genau an die richtigen Stellen neckt, an denen wir sie lesen können. Es ist ein bisschen wieEin Kartenhaus, das einstürzt, sobald Sie es betrachten. Wir können es nie in seiner vollen Pracht sehen, aber wenn es genau richtig gebaut wäre, könnten wir es aus dem zusammengebrochenen Haufen wieder aufbauen.
Selbst einfache Muster oder Strukturen in Systemen mit mehreren Komponenten eines klassischen Computers haben oft keine andere Wahl, als alle, viele Komponenten einzeln zu bewerten. Ein Quantencomputer kann nicht alle gleichzeitig bewertenObwohl Sie nicht alle Werte einzeln lesen können, können Sie genügend Informationen extrahieren, um ein größeres Bild zu erhalten.
Jozsa und Deutsch haben diesen Algorithmus 1992 entwickelt. Es war der erste, von dem nachgewiesen werden konnte, dass er viel schneller funktioniert als jeder frühere Algorithmus, der für dieselbe Aufgabe entwickelt wurde. Interessanterweise sind diese beiden Herren keine Quanteningenieure, die in einem Labor arbeiten, sondern Theoretikerarbeiteten kombinierten mathematischen Formalismus für Quantenmechanik und theoretisches Rechnen, um herauszufinden, was beide erreichen können. Dies ist derzeit rein theoretisch, da wir noch keine vollwertige Maschine gebaut haben.
Werden Quantencomputer klassische Computer ersetzen?
Bei all dem Hype und dem Fett für den mentalen Ellbogen, das auf diese Technologie angewendet wird, kann es am Ende alles fruchtlos sein. Wir können möglicherweise nicht feststellen, ob die Berechnungsergebnisse des Quantencomputers überhaupt die richtige Antwort liefern. Eh? Wie?
Quantencomputer können Berechnungen in Tagen oder Stunden durchführen, die ein normaler Computer Tausende von Jahren in Anspruch nehmen würde. Einige Antworten, die er liefert, sind überprüfbar, z. B. wenn ein komplizierter kryptografischer Schlüssel damit überprüft werden könnte z. B. Ver- und Entschlüsseln einer Nachricht. Aber andere müssen möglicherweise "im Glauben" genommen werden. Im Wesentlichen werden Quantencomputer wahrscheinlich für komplexe Probleme verwendet, für die wir einfach keine Bestätigungsmethode haben können. Wie würden wir die Berechnungen und überprüfen?Ergebnisse?
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Überprüfen der Ergebnisse
Wissenschaftler an der Universität Wien haben jedoch den Rücken von Quantencomputern. Sie haben eine Technik namens "Blind Quantum Computing" entwickelt, die möglicherweise helfen kann. Sie ist ziemlich einfach und beinhaltet mathematische Fallen, die Zwischenschritte in der Berechnung sind und vor dem Ausführen vorhergesagt werden könnenWenn diese vorhergesagten Fallen zu diesem Zeitpunkt nicht mit dem tatsächlichen Ergebnis übereinstimmen, stimmt etwas mit dem gesamten Prozess nicht. Anstatt den gesamten Prozess zu überprüfen, "probieren" wir ihn einfach an bestimmten Punkten aus. Ein bisschen wie bei der Qualitätskontrolle ineine Produktionslinie.
Dieses Team hat gezeigt, dass die Technik mit vier Qubit-Systemen zumindest im kleinen Maßstab funktionieren kann. Mit diesen kleineren Einheiten können größere Sekundär- oder Hauptcomputer überprüft werden. Das Team behauptet auch, dass diese skalierbar und verwendbar sindauf Computern mit Hunderten von Qubits. Es gibt jedoch einen Haken :-
"Wie fast alle aktuellen Quantencomputerexperimente hat dies derzeit den Status eines unterhaltsamen Demonstrations-Proof-of-Concept und nicht alles, was bisher direkt nützlich ist", erklärte Scott Aaronson vom Massachusetts Institute of Technology.
Ist es eingeschaltet?
Das Problem besteht nicht nur darin, die Ergebnisse zu überprüfen, sondern auch herauszufinden, ob die Maschine überhaupt funktioniert. Derzeit verfügbare "Quantencomputer" wurden nicht tatsächlich so funktioniert, wie sie sollenEffekt, basierend auf der Theorie, in der Hoffnung, dass es funktioniert und die Ergebnisse beurteilen.
Dies wirft offensichtlich eine ganze "Lastwagenladung" von Problemen auf. In erster Linie kann das Erreichen der Ausgabe unübersichtlich sein. Das Codieren der Maschine ist ebenfalls sehr schwierig. Quantencomputer liefern naturgemäß eher probabilistische als bestimmte oder absolute Antworten. Dies könnte der Fall seinbedeuten, dass für viele Lösungen die Antwort möglicherweise nicht unbedingt richtig ist und wir sie mehrmals wiederholen müssten. Spülen und wiederholen, bis die "richtige" Antwort klar ist. Klingt ein wenig wie eine alte Wahrsagerei.
Dies bedeutet dann, dass es je nach Problem möglicherweise keinen großen Vorteil gibt, einen Quantencomputer gegenüber einem herkömmlichen zu verwenden. Die Nutzung der Leistungsfähigkeit der Quantenmechanik würde sicherlich die Geschwindigkeit verbessern, mit der wir Lösungen sammeln.Forscher konnten dies nur für eine sehr kleine Anzahl von Problemen tun. Zum Beispiel, um Primfaktoren mit sehr großen Zahlen zu finden. Ziemlich cool, wenn Sie so etwas mögen, und sehr nützlich für die Kryptographie, aber das ist ein wenig begrenzt.
Fazit
Wenn wir jemals vollwertige Quantencomputer bauen könnten, wären sie von unschätzbarem Wert, wenn es darum geht, große Zahlen zu berücksichtigen, und zum Beispiel zum Dekodieren und Kodieren von Nachrichten. Wenn wir heute einen bauen könnten, wären Informationen über die Sicherheit des Internets ernsthaft gefährdetVerschlüsselungsmethoden wären im Vergleich zu den Entschlüsselungsfähigkeiten des Quantencomputers nicht zweckmäßig.
Das Suchen und Abfragen von Datenbanken würde in einem Bruchteil der Zeit durchgeführt, die herkömmliche Computer benötigen, um dieselben Aufgaben auszuführen. Quantencomputer könnten natürlich auch dazu verwendet werden, unser Verständnis der Quantenmechanik zu verbessern und zukünftige verbesserte Quantencomputer zu entwerfen.
Dieses Gebiet steckt noch in den Kinderschuhen und viele Wissenschaftler glauben, dass ein funktionierendes Jahr noch Jahre entfernt ist. Nützliche Maschinen müssen mindestens mehrere Dutzend Qubits umfassen, um reale Probleme lösen zu können und daher lebensfähig zu sein.
Wenn wir herausfinden können, woraus Qubits tatsächlich hergestellt werden sollen, wie die Maschine vor Störungen durch die Außenwelt geschützt werden kann, ob die Maschine funktioniert und ob die Ausgänge sinnvoll sind, bieten uns diese Computer sicherlich einige interessante Funktionendie Zukunft. Wenn das nicht genug wäre, werden wir wahrscheinlich Prüfer oder "Pausen" benötigen, um zu überprüfen, ob die Berechnungen ordnungsgemäß ausgeführt werden, und um unser Vertrauen in die endgültige Ausgabe zu verbessern. Also kein Druck.
In erster Linie werden wir wahrscheinlich Quantencomputer sehen, die herkömmliche Maschinen für Aufgaben wie Verschlüsselung und verschlüsselte Nachrichten ersetzen. Sie werden wahrscheinlich Orte in anderen Sicherheitsformen wie Schlüsselformen haben, vielleicht für Autos und unsere Häuser.Ein Austausch herkömmlicher Computer im Maßstab ist wahrscheinlich unwahrscheinlich. Was auch immer die Zukunft für Quantencomputer bereithält, wird wahrscheinlich einen nicht unerheblichen Teil ausmachen.
Quellen : HowStuffWorks , Plus Magazin , Gizmodo