מחשוב קוונטי: זה משוגע

(תמונה לא רלוונטית לחלוטין שנראית מגניבה כדי לעורר תשומת לב)

שמענו על מחשוב קוונטי כבר לא מעט זמן, אבל על מה ההייפ. מחשבים קוונטיים הם הרבה יותר מהירים מהמחשבים הקלאסיים (המכשיר בו אתה משתמש בכדי לקרוא את הפוסט הזה) אז הם הולכים להפוך את המחשבים הנוכחיים שלנו למיושנים?

לא, אני לא חושב כך. מעבד קוונטי יתפתח להיות מעין מעבד משותף שישכון לצד מעבד רגיל כדי לסייע לו במשימות המנצלות את ההקבלה הקוונטית. אז בואו נגיע לנקודה כאן, אז מחשבים קוונטיים אינם מהירים יותר ממחשבים קלאסיים בכל המקרים? לא הם לא.

אז מהי הקבלה קוונטית ואיך מחשב קוונטי יכול לעשות בה שימוש. כדי לדעת כיצד מחשב קוונטי מנצל את ההקבלה הקוונטית עלינו לדעת תחילה כיצד מחשב קלאסי פותר בעיה.

נניח שיש לנו מבוך כזה

(מבוך)

כיצד מחשב קלאסי מתמודד עם פיתרון זה (מפושט)

  • בחר מסלול ראשוני
  • נסה לנוע שמאלה, ימינה או קדימה (לא אחורה)
  • בדוק שאתה נמצא מחוץ למבוך
  • אם אינך בחוץ, חזור על שלב 1
  • אם הדרך היחידה לנוע היא לאחור אתה לכוד.
  • סמן את המסלול כלא חוקי וחזור על השלבים מההתחלה תוך הימנעות מהצעדים המובילים לצירים לא חוקיים.
  • לבסוף אנו בוחרים את המסלול הנכון על ידי איכיפה ברורה של דרכנו בכל פתרון

זה זמן רב. אחת הדרכים להדק תהליך זה היא באמצעות ליבות מעבד מרובות לבדיקת בו זמנית מסלולי טיול מרובים בו זמנית ומאפשרים סולם מידות ליניארי ללא מספר ליבות המעבד. אבל המהירות המקסימלית שיכולה להיות תלויה במספר לא של ליבות מעבד. יש לך אשר נוטים להיות בסביבות 4–16 ברוב המקרים.

אתה יכול לנסות להשתמש ב- GPU שיש לו 1000–4000 ליבות כדי לבדוק 4000 מסלולים בו זמנית כדי להשיג מהירות טובה בהרבה. אבל מה אם יש לך מיליון מסלולים אפשריים, קשה מאוד למעבדים רגילים לפתור את המבוך מכיוון שהוא תלוי בו מספר הליבות להאצה. אז איך מעבד קוונטי יפתור את המבוך?

זה פשוט מאוד שמעבד קוונטי לא מוגבל על ידי מספר הליבות שהוא יכול לנצל את ההקבלה הקוונטית כדי לבדוק כל מסלול בנסיעות אחדות. זה נשמע מטורף. איך מחשב קוונטי עושה את זה, איך הוא יכול לבדוק מספר מסלולים באותו דבר זמן זה עושה זאת על ידי שימוש בסופרפוזיציה.

קוביות: המקבילה הקוונטית של ביטים רגילים

מחשבים רגילים מבצעים חישובים באמצעות ביטים שיכולים לאחסן שני מצבים ייחודיים או 0 או 1, אבל מחשבים קוונטיים משתמשים בקוביטים שיכולים להיות 0 ו -1 בו זמנית, נכון?

ביט קלאסי לעומת קוביט

רובנו אולי נודע לנו שיחידות חומר קטנות מאוד (אלקטרונים) מציגות את המאפיינים של שנינו מנופפים בחומר, שהם שני מצבים נבדלים. ובכן הם מראים את המאפיינים של גל וחומר בו זמנית, כך שהם ממש קיימים בשני מצבים נפרדים בו זמנית. ביט קוונטי משתמש גם בסופרפוזיציה ויכול להיות 1.0 וסופרפוזיציה של 1 ו -0.

בקטעים קלאסיים מתח גבוה מציין 1 ומתח נמוך מציין אפס שמאפשר למדוד את המצבים הנבדלים. ברובב ביטחון כיצד ניתן למדוד את מצב העל-superposition?

סופרפוזיציה: "אז אתה מת וחי באותו זמן?"

ובכן סופרפוזיציה היא מצב לפני המדידה ואין דרך טובה יותר להסביר את זה מאשר באמצעות גרסה "מפושטת" של ניסוי המחשבה של שרדינגר. שרדינגר נעל את החתול שלו בתיבה מתכתית עם אטום רדיואקטיבי. עכשיו יש סיכוי 50-50 שהאטום עשוי לעבור התפוררות רדיואקטיבית והחתול מת לאחר מכן מהרעלת קרינה או שהאטום לא עובר התפוררות והחתול חי כדי לספר את הסיפור. אנחנו רק יכולים לדעת אם החתול מת או חי כשאנחנו פותחים את התיבה אבל כמו שם היא הסתברות שווה שהחתול מת או חי כאשר התיבה לא נפתחת, אנו אומרים שהחתול הוא גם מת וגם חי (סופרפוזיציה) כאשר התיבה לא נפתחת והופכת למתה או חיה כשאתה פותח את התיבה , כלומר אם אתה פותח את הקופסה ומצאת את החתול מת, הוא לא היה מת לפני כן, אלא מת ברגע שפתחת את התיבה כדי למדוד את תוצאות הניסוי. במהותם הרגת את החתול כשפתחת את התיבה :(. נרתע אחורה ולחשוב מה בדיוק קרה כאן.

קוביטס משתמשים במצבי העל כדי להשיג הקבלה קוונטית. דוגמא אחרת שתעזור לתפוס את המושג היא ניסוי של השלכת מטבעות. נניח שאתה צריך לזרוק מטבע, התוצאה האפשרית היא ראש או זנב (0 ו -1), כאשר אתה זורק את המטבע יש סבירות שווה שהמצב הסופי יכול להיות ראש או זנב שמביא ל superposition של מצב. כאשר המטבע סוף סוף נוחת בידך ברגע זה, אנו מכריחים את המטבע מתוך מצב superposition למובחן אחד (ראש או זנב). כשמגיעים ראש בעולם הזה יש עולם מקביל בו התוצאה של המטבע הייתה זנב. מחשב קוונטי יכול להשתמש במושג העולם המקביל הזה כדי לחשב את כל המצבים התוצאה האפשרית בחישוב אחד. כך אנו השתמש במקבילות קוונטית כדי לפתור בעיות. זה אם מחשב קלאסי יכול להשתמש בסיבית אחת כדי לייצג מצב יחיד. . . . . . (0 או 1) בזמן שקוביט יכול לייצג 2 מצבים (גם 0 וגם 1). כיצד סולמות מחשב קוונטיים עם מספר הקווטים זה די מרתק. אם יש 3 ביטים קלאסיים משמשים לייצוג של לא, הם יכולים לייצג רק מדינה אחת למשל (000,001,010,111) וכו 'זמן אבל 3 קילוביט יכול לייצג 8 של כל המצבים האפשריים בו זמנית משתמשים בסופרפוזיציה (qqq שבה כל q יכול להיות 0 או 1) אז מה לוקח מחשב קלאסי 8 חישובים לוקח חישוב של קווביט 1 בלבד. כאשר מספר הקיטביטים מגדילים את הנתונים שממחשב קוונטי מגדיל באופן אקספוננציאלי כמו 2 ^ n כאשר n הוא מספר הקיטביטים. כך שכל רווח קבוע מגדיל את הקיבולת של מחשב קוונטי לעיבוד נתונים מכפילה, אנו רואים כעת עלייה של 10-12 קילוביט בכל שנה המתורגמת להאצה בעוצמה 1024-4096 מאשר מחשב קוונטי שהופק בשנה הקודמת, שהוא ענק לעומת העלייה במהירות שיא שחזתה החוק של מור עבור מעבדים.

הסתבכות קוונטית: "כוח האהבה מהיר יותר מאור"

תופעה נוספת בה אנו משתמשים במחשבים קוונטיים היא הסתבכות. אם ניקח 2 אלקטרונים ונסבך אותם אז הם קשורים זה לזה אם אנו מנסים לעשות שינוי באחד מהם זה ישפיע מייד על האלקטרון האחר. נניח שאנחנו לוקחים 2 אלקטרונים ומסתבכים ואז משתמשים בשער cnot ואנחנו מכניסים אותם למצב של סופרפוזיציה ולקחת אותם לקצות היקום. עכשיו לשני האלקטרונים יש סבירות שווה להיות בכיוון השעון או בסיבוב נגד כיוון השעון. אנו מודדים אלקטרון ומוצאים את הסיבוב שלו, פעולה זו על שינוי מיידי משנה את סיבוב האלקטרון האחר הסבוך לכיוון ההפוך. פעולה מיידית זו מהירה יותר ממהירות האור, אך איינשטיין חזה ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר מאור. אז הוא קרא לפעולה המפחידה הזו מרחוק.

(אכן מפחיד)

אז אולי אתה חושב "טכנולוגיית המחשוב הקוונטית הזו נראית כל כך עתידנית, אין דרך שאוכל להשתמש במחשב קוונטי בכל עת בעשור הזה." לא, אתה טועה אתה יכול להשתמש במחשב קוונטי ברגע זה .IBM מספק לך קוונטית אמיתית מחשב להתעסק איתו עם 5 קוביות ביט

היישומים האמיתיים של מחשבים קוונטיים הם בסימולציה של חלבון והצפנת פיצוח. המפתח להצפנה הוא שגורמי הפריים של מספר גדול מאוד הם כמעט בלתי ניתנים לפיתוק. תוכלו לייצר את המספר מגורמי הפריים על ידי הכפלתם אך אינכם יכולים לייצר את גורמי הפריים. חזרה מהמספר בקלות. ניסיונות לפתור את זה היו על ידי איכוף אכזרי של כל השילובים האפשריים אחד אחד שיכול לקחת יותר זמן מגיל היקום. אבל הגעתם של מחשבים קוונטיים תשנה את המשחק, מחשבים קוונטיים יכולים לעבור את כל פתרונות בבת אחת תוך שימוש במקבילות קוונטית והופכים את כל ההצפנה המודרנית לחסרת תועלת. אבל אל תדאגו לאחר הגעתם של מחשבים קוונטיים הייתה קיימת קריפטוגרפיה הנקראת קריפטוגרפיה פוסט-קוונטית, שהיא כמעט בלתי ניתנת לבריאה אפילו למחשבי קוונטים.

יישומים חדשים של מחשבים קוונטיים נמצאים בכל יום, כאשר יבמ מנבא כי מחשבים קוונטיים יעברו לזרם המרכזי תוך 5 שנים ונראה כי אין זמן טוב יותר להיכנס למחשוב קוונטי מאשר עכשיו. אז במקום לחכות לספר ה- MacBook המונע על הקוונטים, נסה זאת ב IBM Q ניסיון