Quantencomputer bieten uns eine verlockende Vision unserer Zukunft. Sie werden die Zukunft mit Hochleistungsrechnen versorgen und vielleicht sogar klassische Computer ersetzen. Trotz des Versprechens sind sie noch nicht weit verbreitet oder tatsächlich nützlichin die "gruselige" Zukunft der Informatik eintauchen, vielleicht.
Im folgenden Artikel werden wir untersuchen, was sie sind, ein wenig von ihrer Geschichte, möglichen Anwendungen und natürlich werden wir ihre potenziellen kurzen Spenden ansprechen. Eine vollständige Bewertung dieses Bereichs würde den Rahmen des folgenden Textes eindeutig sprengenaber werfen wir einen kurzen Blick auf diese potenziell bahnbrechende Technologie.
Ich bin "da" Gesetz
1947 machte Howard Aiken eine kühne Vorhersage. Er sagte, dass "nur sechs elektronische Digitalcomputer den Computerbedarf der Vereinigten Staaten decken würden". Wenn wir siebzig Jahre vorwärts springen, können wir deutlich sehen, dass dies eine Untertreibung war. Unser Hunger nach Wissen und Verarbeitungsgeschwindigkeit hat diese bescheidene Schätzung bei weitem übertroffen. Aiken hätte niemals vorhersagen können, wie viel Datenverarbeitung für die moderne Welt erforderlich ist. Vom Aufkommen des Internets, des Gamings und natürlich des Aufkommens der sozialen Medien haben wirkann eine so niedrige Schätzung verzeihen.
Das Mooresche Gesetz besagt, wir paraphrasieren, dass die Anzahl der Transistoren oder der Leistung an Mikroprozessoren wird sich alle verdoppeln 18 Monate und Mikroprozessoren zwischen 2020 und 2030 werden Schaltkreise auf einem Mikroprozessor finden, die auf der atomaren Skala gemessen werden. Heilige Kuh! Dies erfordert eindeutig, dass wir einen echten, ähm, Quantensprung in der Technologie machen. Logischerweise erfordert dies QuantenComputer, die die Quanten-„Kraft“ von Atomen und Molekülen nutzen, um Verarbeitungs- und Speicheraufgaben auszuführen.
Quantencomputer würden möglicherweise die erforderliche verbesserte Rechenleistung liefern, die aktuelle siliziumbasierte Computer bei weitem übertreffen wird. Klingt großartig, oder? Halten Sie Ihre Pferde dort "Fella", wenn nur alles so einfach wäre. Quantencomputer sind möglicherweise nicht das Heilmittel.-alles, was wir glauben machen.
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Quantencomputer: Was sind sie?
Du hast wahrscheinlich schon eine Vorstellung von diesen Geräten, aber fangen wir mit einer Definition an:-
"Ein Computer, der die Quantenzustände subatomarer Teilchen nutzt, um Informationen zu speichern." - Englisches Oxford-Wörterbuch
Nun, das sagt uns alles, was wir wissen müssen, oder? Toll, du kannst den Rest des Artikels überspringen.
Noch hier? Gut für dich, für diejenigen von uns, die neugieriger sind, lass 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 für den größten Teil des 20. Jahrhunderts. Quantencomputer wurden erstmals vor etwa 30 Jahren theoretisiertvon Paul Benioff von derArgonne National Laboratory. Er theoretisierte 1981 zum ersten Mal die Quantentheorie, wie sie auf Computer angewendet wird. Er schlug vor, dass wir eine Turing-Maschine entwickeln könnten, die auf der Quantenskala arbeitet. Tatsächlich basiert das Computergerät, das Sie gerade verwenden, auf der Turing-Maschine!
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Turing dich großartig Kraftausdruck einfügen
Alan Turing entwickelte seine berühmte Maschine in den 1930er Jahren. Dies war ist ein theoretisches Gerät, das aus einem endlosen Band besteht, das in diskrete Abschnitte oder Quadrate unterteilt ist. Jedes Segment hatte einen Wert von 1 oder 0 oder blieb natürlich übrigleer. Das Band wird von einem Gerät gelesen, das den "Code" übersetzt, um eine Reihe von Anweisungen bereitzustellen. Wir kennen dies heute als binär. Dies bedeutet, dass wir uns etwas kurz verkaufen, wie sich herausstellt, gut in der Theorie.
In einem Quanten-"Upgrade" dieses Geräts existiert das "Band" in einem Quantenzustand, ebenso wie das Lesegerät. Das bedeutet, dass die Maschine entweder die Werte 1 oder 0 oder eine Überlagerung von 1 und 0 lesen kann. SuperpositionSagen Sie? 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 "to boot"!
Aufgrund des Phänomens, dass ein Quantencomputer mehrere Zustände gleichzeitig enthalten kann, haben sie das Potenzial, um Größenordnungen leistungsfähiger zu sein als herkömmliche Computer.
Wie Quantencomputer funktionieren
Quantum Computing ist im Wesentlichen die Tatsache, dass die Dinge im Quantenbereich nicht so klar sind, wie man es in unserer makroskopischen Welt erwarten würde. Subatomare Teilchen wie Elektronen und Photonen können gleichzeitig in Zuständen existieren, die wir normalerweise für möglich haltensich gegenseitig ausschließen. Sie können faktisch an mehreren Orten gleichzeitig sein. Im Fall von Photonen zum Beispiel könnten sie 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 bisher ungeklärte Eliminierung der Superposition, sobald man das System beobachtet, beispielsweise wenn man versucht, den Ort eines Elektrons zu messen, bietet ein fantastisches Potenzial für die Berechnung. Superposition befreit uns effektiv von binären Beschränkungen. Quantencomputer, theoretischNutzen Sie zumindest die Überlagerung.
Man könnte meinen, dass dies mit traditioneller Physik erreicht werden könnte, sogar mit zwei gewöhnlichen Bits gleichzeitig. Wenn dies der Fall wäre, sind Quantencomputer nicht so beeindruckend, oder? In einem System mit mehr als einem Qubit müssen Sie sich daran erinnerndass jede einzelne Komponente nicht unabhängig von der nächsten ist. Sie sind tatsächlich verschränkt. Wenn Sie eines von zwei verschränkten Qubits messen oder beobachten, erhalten Sie einen Wert. Aber.... Sie erhalten auch gleichzeitig den Wertdes anderen. Die Teilchen müssen nicht einmal an derselben Stelle sein. Einstein nannte die Verschränkung einmal "spukhafte Fernwirkung". Das folgende Video von Veritasium gibt uns einen guten Überblick über Quantencomputer, viel Spaß.
Maschine bauen
Einen Quantencomputer zu bauen wird keine leichte Aufgabe sein. Obwohl der Bau traditioneller Bits in klassischen Computern für uns mittlerweile selbstverständlich ist, ist die Herstellung von Qubits alles andere als einfach.
Wir sind uns noch nicht sicher, wie ein Qubit am besten hergestellt werden kann. Die Techniken variieren vom Einfangen von Ionen, Elektronen oder anderen subatomaren Teilchen. Andere schlagen die Verwendung von Supraleitern vor, um mikroskopische Quantenschaltungen herzustellen. Andere haben die Verwendung von Photonen und Komplexen vorgeschlagenoptisches Gerät zur Herstellung der benötigten "Hardware".
Egal welchen Weg wir gehen oder sogar eine Kombination aus allen dreien, sie alle haben etwas sehr Wichtiges gemeinsam. Sie sind derzeit alle im Kleinen plausibel, aber im Großen schwer zu realisieren. Bis dieses Problem gelöst ist, sind Quantencomputer esderzeit eingeschränkt.
Die größte Hürde, 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. Jede winzige Wechselwirkungen führt dazu, dass das gesamte System dekohiert und auf einbinären Zustand. Dies ist nicht nur auf das Hauptsystem beschränkt, sondern auch auf seine Gubbins. Quantentore, Kernspins von Qubits und Gitterschwingungen zum Beispiel können auch Dekohärenzeffekte einführen. Ah Mann, wie könnten wir das also lösen?wir könnten uns für eine akzeptable Fehlerrate entscheiden, oder besser gesagt, mit wie viel Dekohärenz wir gerne "leben" und dann den Rest von dort aus gestalten.
Obwohl auch bei kleiner Fehlerrate keine perfekte Lösung ist, haben wir immer noch den größeren Vorteil des Quantencomputers. Es ist ein Kompromiss.
Entwirrung der Verschränkung
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 einer Anzahl von n Qubits wachsen die Korrelationenexponentiell. Das heißt, es "explodiert" schnell. Wollte man ein System von nur 300 Qubits beschreiben, so erreicht man eine Reihe möglicher Korrelationen, die die Zahl der Atome im bekannten sichtbaren Universum übersteigt! Heilige Kuh.
Können Sie sich so viele Möglichkeiten vorstellen? Sie kommen einfach nicht damit zurecht, die in einem solchen System enthaltenen Informationen mit klassischen Bits "aufzuschreiben". Ein Computer, der auf Qubits läuft, könnte Aufgaben erledigen, auf die ein klassischer Digitalcomputer wahrscheinlich nie hoffen könntezu erreichen. Das Potenzial ist enorm und spannend.
Klingt fantastisch, oder? Es gibt jedoch ein Problem. Jeder "Leser" oder Algorithmus würde Daten von überlagerten Qubits als Eingabe verwenden. Aber die Ausgabe wäre auch in einem Quantenzustand. Solche Informationen ändern sich auch, wenn Sie versuchen, zu beobachten"Die Natur macht hier einen Trick", sagt Richard Jozsa, ein Pionier des Quantencomputings an der University of Cambridge.
"Sie aktualisiert einen Quantenzustand, aber dann erlaubt sie dir nicht, alle Informationen zu erhalten."
Die Lösung von Quantum Computing besteht darin, Methoden bereitzustellen, um so viele Informationen wie möglich aus dem Unbeobachtbaren zu gewinnen.
Mit gutem Beispiel vorangehen
Jedes Rechengerät verlässt sich auf Algorithmen um Berechnungen durchzuführen und Programmen zu folgen. Richard Jozsa und David Deutsch haben ein Beispiel für einen Algorithmus für Quantencomputer entwickelt. Seine Aufgabe ist etwas seltsam, aber haben Sie Verständnis. Stellen wir uns zur Erklärung eine Schlange von Menschen vor, die darauf warten, ein Tor zu betretenmit einem Veranstaltungsort mit begrenzter Kapazität. Der Eingang wird von einem kräftigen Sicherheitsbeamten beaufsichtigt, der Ihnen den Einlass einfach auf der Grundlage Ihres vorab zugewiesenen Armbands ermöglicht. Jedes Armband hat Zeichenfolgen aus 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 ihren jeweiligen Armbändern. Der Wachmann zeichnet seine Entscheidungen auf, indem er einem bestimmten Bit eine 1 zuordnet.string, wenn er beschließt, jemanden hereinzulassen, oder eine 0, wenn er es nicht will. Dies wird als boolesche Funktion bezeichnet, eine Regel, die einem Bit-String eine 0 oder 1 zuweist. Sie sind das Grundnahrungsmittel der Informatik.
Wir wissen nicht, was der Wächter für jede Person entscheiden wird, aber wir wissen, dass er auf seine Weise festgelegt ist. Er lässt entweder alle herein oder er wird genau die Hälfte der Leute hereinlassen. Ihre Aufgabe ist es nicht, was zu findenpassiert jedem, aber ob der Wächter gut gelaunt ist und alle reinlässt oder nur die Hälfte. Wie viele Werte der Booleschen Funktion des Wächters müssen wir also nachschlagen, um herauszufinden, in welcher Stimmung der Wächter ist?
Weitersuchen
Ein klassischer Computer müsste sich die Armbänder mindestens fünfmal ansehen, um eine Vorstellung von der letztendlichen Entscheidung zu bekommen. Selbst wenn man sich die ersten vier Armbänder anschaut und sie eine 1 hatten, kann man sich nicht sicher sein, ob das entsprichtnur die Hälfte oder alle wartenden Personen. Sie benötigen daher einen fünften Armbandwert. Mit einem Quantencomputer können Sie die Werte für alle acht gleichzeitig nachschlagen und benötigen nur eine Nachschlagefunktion.
"Für die Kosten, das Programm einmal mit dieser lustigen Überlagerungseingabe auszuführen, haben Sie irgendwie alle [Werte auf einmal] berechnet", erklärt Jozsa.
Der Vorteil von Quantencomputern gegenüber klassischen Computern wird in unserem Beispiel oben noch deutlicher, wenn es immer mehr Menschen gibt. Mit einer Linie von 2n Einzelpersonen und ein klassischer Computer bräuchten 2n-1+1 mal. Dies würde exponentiell wachsen, wie Sie sich vorstellen können. Ein Quantencomputer muss dies nur einmal tun.
Wie bereits erwähnt, müssen wir mit Quantencomputern und unserem obigen Szenario ein Problem lösen. Ihre acht gleichzeitig nachgeschlagenen Werte werden in einem Quantenzustand codiert, den wir nicht direkt lesen können. Jede Messung der Werte würde störenzum Glück für uns, aber wir versuchen nicht herauszufinden, was mit jedem einzelnen passiert, wir müssen nur herausfinden, ob der Wachmann gute oder schlechte Laune hat.
"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 die Möglichkeit gibt, eine zusätzliche Operation an unseren Quantenzustandsdaten durchzuführen. Ein Schritt, der die einfachen Informationen, die wir suchen, an die richtigen Stellen bringt, an denen wir sie lesen können. Es ist ein bisschen wieein Kartenhaus, das beim Anblick einstürzen wird. Wir können es nie in seiner vollen Pracht sehen, aber wenn es richtig gebaut wäre, könnten wir es aus dem eingestürzten Haufen wieder aufbauen.
Selbst einfache Muster oder Strukturen in Systemen aus mehreren Komponenten eines klassischen Computers haben oft keine andere Wahl, als alle, gut viele Komponenten einzeln zu bewerten. Ein Quantencomputer nicht, er kann alle gleichzeitig auswertenObwohl 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, der nachweislich viel schneller funktioniert als jeder frühere Algorithmus, der für dieselbe Aufgabe entwickelt wurde. Interessanter ist, dass diese beiden Herren keine Quanteningenieure sind, die in einem Labor arbeiten, sondern Theoretiker. Ihrekombinierten mathematischen Formalismus für Quantenmechanik und theoretisches Rechnen, um herauszufinden, was sie 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 mentalen Ellenbogenfett, das auf diese Technologie angewendet wird, kann es am Ende alles fruchtlos sein. Wir können möglicherweise nicht sagen, ob die Berechnungsergebnisse des Quantencomputers überhaupt die richtige Antwort liefern. Wie?
Quantencomputer könnten in Tagen oder Stunden Berechnungen durchführen, für die ein normaler Computer Tausende von Jahren brauchen würde. Einige Antworten, die er liefert, werden überprüfbar sein, wie beispielsweise ein komplizierter kryptografischer Schlüssel könnte mit ihm überprüft werden Verschlüsseln und Entschlüsseln einer Nachricht, sagen wir. Aber andere müssen möglicherweise "auf Vertrauen" genommen werden. Im Wesentlichen werden Quantencomputer wahrscheinlich für komplexe Probleme verwendet, für die wir einfach keine Bestätigungsmethode haben. Wie würden wir die Berechnungen überprüfen undErgebnisse?
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Ergebnisse überprüfen
Wissenschaftler der Universität Wien haben jedoch den Rücken von Quantencomputern. Sie haben eine Technik namens "blindes Quantencomputing" entwickelt, die möglicherweise helfen kann. Es ist ziemlich einfach und beinhaltet mathematische Fallen, die Zwischenschritte in der Berechnung sind, die vor der Ausführung vorhergesagt werden könnenWenn diese vorhergesagten Fallen zu diesem Zeitpunkt nicht mit dem tatsächlichen Ergebnis übereinstimmen, dann stimmt etwas mit dem gesamten Prozess nicht. Anstatt den gesamten Prozess zu überprüfen, "sampeln" wir ihn einfach punktuell. Ein bisschen wie die Qualitätskontrolle in qualityeine Produktionslinie.
Dieses Team demonstrierte, dass die Technik zumindest im kleinen Maßstab mit Vier-Qubit-Systemen funktionieren kann. Diese kleineren Einheiten können verwendet werden, um größere Sekundär- oder Hauptcomputer zu verifizieren. Das Team behauptet auch, dass diese skalierbar sind und verwendet werden könntenauf Computern mit Hunderten von Qubits. Es gibt jedoch einen Haken:-
"Wie fast alle aktuellen Quantencomputing-Experimente hat dies derzeit eher den Status eines unterhaltsamen Demonstrations-Proof-of-Concepts als alles, was bisher direkt nützlich ist", erklärte Scott Aaronson vom Massachusetts Institute of Technology.
Ist es an?
Das Problem besteht nicht nur darin, die Ergebnisse zu überprüfen, sondern auch herauszufinden, ob die Maschine überhaupt funktioniert. Derzeit verfügbare "Quantencomputer" sind nicht wirklich so verifiziert, wie sie sollen. Sie sind, inEffekt, basierend auf der Theorie, in der Hoffnung, dass es funktioniert und die Ergebnisse zu beurteilen.
Dies wirft offensichtlich eine ganze "LKW-Ladung" von Problemen auf. In erster Linie kann das Erzielen der Ausgabe chaotisch sein. Die Codierung der Maschine ist auch sehr schwierig. Quantencomputer liefern naturgemäß eher wahrscheinliche als definitive oder absolute Antworten. Dies könntebedeutet, dass die Antwort bei vielen Lösungen nicht unbedingt richtig ist und wir sie mehrmals wiederholen müssten. Spülen und wiederholen, bis die "richtige" Antwort klar ist. Klingt ein wenig nach alter Weissagung.
Das bedeutet also, dass die Verwendung eines Quantencomputers je nach Problemstellung möglicherweise keinen großen Vorteil gegenüber einem herkömmlichen hat. Die Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der Quantenmechanik würde sicherlich die Geschwindigkeit verbessern, mit der wir Lösungen finden. Bis heuteForscher konnten dies nur für eine sehr kleine Reihe von Problemen tun, zum Beispiel das Finden von Primfaktoren sehr großer Zahlen. Ziemlich cool, wenn Sie so etwas mögen, und sehr nützlich für die Kryptographie, aber das ist ein wenig begrenzt.
Schlussfolgerung
Wenn wir jemals vollwertige Quantencomputer bauen könnten, wären sie von unschätzbarem Wert für die Faktorisierung großer Zahlen und zum Beispiel hervorragend für das Dekodieren und Kodieren von Nachrichten. Wenn wir heute einen bauen könnten, wären die Informationen über die Sicherheit des Internets ernsthaft gefährdet. Unser derzeitigesVerschlüsselungsmethoden wären im Vergleich zu den Entschlüsselungsmöglichkeiten des Quantencomputings nicht geeignet.
Datenbanksuche und -abfragen würden in einem Bruchteil der Zeit durchgeführt, die herkömmliche Computer für die gleichen Aufgaben benötigen. Quantencomputer könnten natürlich auch dazu beitragen, unser Verständnis der Quantenmechanik voranzutreiben und zukünftige verbesserte Quantencomputer zu entwickeln.
Dieses Feld steckt noch in den Kinderschuhen und viele Wissenschaftler glauben, dass ein funktionsfähiges noch Jahre entfernt ist. Nützliche Maschinen müssen mindestens mehrere Dutzend Qubits haben, um reale Probleme lösen zu können und daher lebensfähig zu sein.
Wenn wir herausfinden können, woraus wir eigentlich Qubits machen, wie wir die Maschine vor Störungen der Außenwelt schützen können, die Funktionsfähigkeit der Maschine überprüfen und die Ausgaben verstehen können, werden uns diese Computer sicherlich einige interessante Fähigkeiten bietendie Zukunft. Wenn das nicht genug wäre, werden wir wahrscheinlich Checker oder "Breaks" brauchen, um zu überprüfen, ob die Berechnungen so laufen, wie sie sollten und unser Vertrauen in die endgültige Ausgabe zu verbessern. Also kein Druck.
Zunächst werden wir wahrscheinlich Quantencomputer sehen, die herkömmliche Maschinen für Aufgaben wie Verschlüsselung und verschlüsselte Nachrichten ersetzen. Sie werden wahrscheinlich in anderen Sicherheitsformen wie Schlüsselformen Platz finden, vielleicht für Autos und unser Zuhause.Eine flächendeckende Ablösung konventioneller Computer ist wahrscheinlich unwahrscheinlich.
Quellen: HowStuffWorks, Plus-Magazin, Gizmodo