Het werkingsprincipe en de reikwijdte van een kwantumcomputer

Computer computing helpt ons om te doen wat we niet willen of niet kunnen doen, vooral vanwege de complexiteit, vanwege de kans op onvrijwillige fouten en vanwege de tijd. Bijvoorbeeld het verhogen van een getal naar de 128e graad in de geest.

Het doel en gebruik van een kwantumcomputer.

Wat is een kwantumcomputer?

De krachtigste kwantumcomputer (QC) is - of liever gezegd - een heel ander mechanisme, anders dan alles wat de mens ooit heeft gecreëerd. De krachtigste servers van vandaag zien eruit als slechts een klein deel van wat een volwaardige quantumcomputer uiteindelijk kan doen.

Eenvoudig gezegd is het doel van onderzoek op het gebied van quantum computing het ontdekken van de middelen om de uitvoering van langegolfinstructies te versnellen. Het zou verkeerd zijn om te zeggen dat CC programma's sneller uitvoert dan een pc of x86-server. Het "programma" voor QC is een geheel andere codeervolgorde dan ooit bestaat voor een binaire processor. Na de geboorte van computers werden complexe fysieke berekeningen uitgevoerd, die in de jaren 1940 de Verenigde Staten hielpen een atoombom te maken. Na de uitvinding van de transistor waren de afmetingen van deze systemen aanzienlijk verminderd. Toen ontstond het idee dat parallelle processors gelijktijdig aan taken werkten.

Quantum computing is slechts de volgende stap. Er zijn veel problemen die moderne computers veel tijd nodig hebben om op te lossen, bijvoorbeeld het oplossen van een lineair stelsel van vergelijkingen, het optimaliseren van parameters voor ondersteuningsvectoren, het vinden van het kortste pad door een willekeurige sectie of het doorzoeken van de ongestructureerde lijst. Dit zijn nu vrij abstracte problemen, maar als je iets over algoritmen of programmeren weet, kun je zien hoe nuttig dit kan zijn. Grafische processors (GPU's) zijn bijvoorbeeld uitgevonden met als enig doel driehoeken weer te geven en vervolgens samen te voegen tot een twee- of driedimensionale wereld. En nu is Nvidia een miljardenbedrijf. Zijn er technologieën voor quantumcomputing of een paar van de historische afgeleide producten die mensen nu goed gebruiken? Met andere woorden, wat doet een quantum eigenlijk en aan wie dient het direct?

Waar is een kwantumcomputer voor?

Navigatie. Dit is een van de belangrijkste toepassingen van quantumcomputers. Het GPS-systeem kan nergens ter wereld werken, vooral onder water. QC vereist dat atomen onderkoeld en opgeschort worden in een toestand die ze bijzonder gevoelig maakt. In een poging om hiervan te profiteren, proberen concurrerende teams van wetenschappers een soort quantum-accelerometer te ontwikkelen die zeer nauwkeurige bewegingsgegevens kan leveren. De belangrijkste bijdragen aan de ontwikkeling van de industrie vormen het Franse laboratorium voor fotonica en nanowetenschappen. Een levendig voorbeeld hiervan is een poging om een ​​hybride component te creëren die een accelerometer combineert met een klassieke en vervolgens een hoogdoorlaatfilter gebruikt om klassieke gegevens van kwantumgegevens af te trekken. Het resultaat, indien geïmplementeerd, is een uiterst nauwkeurig kompas dat de verplaatsing en afwijking van de schaalfactor elimineert, meestal geassocieerd met gyroscopische componenten.

Seismologie. Dezelfde extreme gevoeligheid kan worden gebruikt om de aanwezigheid van olie- en gasafzettingen te detecteren, evenals potentiële seismische activiteit op plaatsen waar conventionele sensoren nog niet zijn gebruikt. In juli 2017 liet QuantIC zien hoe een quantum gravimeter de aanwezigheid detecteert van diep verborgen objecten door oscillaties te meten in een zwaartekrachtveld. Als een dergelijk apparaat niet alleen praktisch, maar ook draagbaar is, gelooft het team dat het van onschatbare waarde kan zijn in een systeem voor vroegtijdige waarschuwing voor het voorspellen van seismische gebeurtenissen en tsunami's. Pharmaceuticals. Op de voorgrond is onderzoek in de strijd tegen ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en multiple sclerose; wetenschappers gebruiken software die het gedrag van kunstmatige antilichamen op moleculair niveau simuleert.

Physics. Dit is eigenlijk de reden voor het bestaan ​​zelf van het concept. Tijdens zijn toespraak in 1981 op Caltech, stelde professor Richard Feynman, de vader van de kwantumelektrodynamica (QED), dat de enige manier om een ​​succesvolle simulatie van de fysieke wereld op het kwantumniveau te bouwen, een machine is die gehoorzaamt aan de wetten van de kwantumfysica en mechanica. Het was tijdens deze toespraak dat professor Feynman uitlegde, en de rest van de wereld besefte dat het niet genoeg zou zijn voor een computer om een ​​waarschijnlijkheidstabel te genereren en hoe de dobbelstenen te werpen. Bovendien, om resultaten te verkrijgen die de natuurkundigen zelf niet apocrief zouden noemen, zou een mechanisme nodig hebben dat zich op dezelfde manier gedroeg als het gedrag dat hij wilde imiteren.

Machine learning. De belangrijkste theorie van supporters is dat dergelijke systemen kunnen worden aangepast om statuspatronen in enorme parallelle golven te "bestuderen", en niet in opeenvolgende scans. Conventionele wiskunde kan een reeks waarschijnlijke resultaten in de vorm van vectoren in een wildconfiguratieruimte beschrijven. Decodering. Hier is tenslotte de doorbraak die het eerste heldere licht op dergelijke berekeningen wierp. Wat encryptiecodes zo complex maakt, zelfs voor moderne klassieke computers, is dat ze gebaseerd zijn op extreem grote aantallen factoren die een excessieve hoeveelheid tijd vergen om te raden door de koppelingsmethode. Een werkende QC moet dergelijke factoren binnen een paar minuten isoleren en identificeren, waardoor het RSA-coderingssysteem daadwerkelijk achterhaald is.

Encryptie. Het concept, quantum key distribution (QKD) genoemd, geeft een theoretische hoop dat de typen publieke en private sleutels die we tegenwoordig gebruiken om berichten te coderen, kunnen worden vervangen door sleutels die onderhevig zijn aan verstrengelingseffecten. In theorie zou elke derde partij die de sleutel heeft gekraakt en heeft geprobeerd het bericht te lezen, het bericht onmiddellijk voor iedereen vernietigen. Natuurlijk is dit misschien genoeg. Maar de QKD-theorie is gebaseerd op een enorme veronderstelling die nog moet worden getest in de echte wereld: dat de waarden die worden verkregen met behulp van verstrengelde qubits, zelf verstrikt zijn en onderhevig zijn aan effecten, waar ze ook gaan.

Wat een quantumcomputer anders maakt dan normaal

Een klassieke computer voert berekeningen uit met bits die 0 ("uit") en 1 ("aan") zijn. Het gebruikt transistors om informatie te verwerken in de vorm van reeksen nullen en zogenaamde computer binaire talen. Meer transistors, meer verwerkingsopties - dit is het grootste verschil. QC gebruikt de wetten van de kwantummechanica. Net als een klassieke computer die nullen en enen gebruikt. Deze toestanden kunnen worden bereikt in deeltjes als gevolg van hun intern impulsmoment, ook wel spin genoemd. Twee toestanden 0 en 1 kunnen in de rugdeeltjes worden weergegeven. Een rotatie met de klok mee vertegenwoordigt bijvoorbeeld 1 en tegen de klok in staat 0. Het voordeel van het gebruik van QC is dat een deeltje tegelijkertijd in meerdere toestanden kan zijn. Dit fenomeen wordt superpositie genoemd. Vanwege dit fenomeen kan QC tegelijkertijd toestand 0 en 1 bereiken. In een klassieke computer wordt informatie uitgedrukt in één cijfer 0 of 1. QC gebruikt uitgangen die tegelijkertijd worden beschreven als 0 en 1, wat een groter rekenvermogen oplevert.

Hoe werkt een quantumcomputer

Quantum computing is gebaseerd op kwantummechanische verschijnselen zoals superpositie en verstrengeling. QC is een apparaat dat quantumcomputing uitvoert en bestaat uit microprocessors. Zo'n computer is compleet anders dan binaire digitale elektronische computers op basis van transistoren en condensatoren. Terwijl conventionele digitale berekeningen vereisen dat de gegevens worden gecodeerd in binaire cijfers (bits), die elk altijd in een van twee specifieke toestanden (0 of 1) zijn, gebruikt quantumberekening bits of qubits die zich in een superpositie kunnen bevinden. Het apparaat van de quantum Turing-machine is een theoretisch model van een dergelijke computer en staat ook bekend als de universele QC. Het gebied van quantum computing is begonnen in 1980 door de werken van Paul Benioff en Yuri Manin, Richard Feynman in 1982 en David Deutsch in 1985.

Het principe van de kwantumcomputer

Sinds 2018 staat het werkingsprincipe van kwantumcomputers nog in de kinderschoenen, maar er zijn experimenten uitgevoerd waarbij quantum-computationele operaties werden uitgevoerd met een zeer klein aantal quantumbits. Zowel praktisch als theoretisch onderzoek is aan de gang en veel nationale regeringen en militaire instanties financieren onderzoek op het gebied van quantum computing bij aanvullende inspanningen om kwantumcomputers te ontwikkelen voor civiele, zakelijke, handels-, milieu- en nationale veiligheidsdoelen, zoals cryptanalyse. Grootschalige quantumcomputers zouden theoretisch kunnen werken om bepaalde problemen veel sneller op te lossen dan klassieke computers die tot nu toe zelfs de beste algoritmen gebruiken, zoals integer-factorisatie met behulp van het Shore-algoritme (dat een kwantumalgoritme is) en het modelleren van de kwantumset van systeeminstellingen.

Er zijn kwantumacties, zoals het Simon-algoritme, die sneller lopen dan enig mogelijk probabilistisch klassiek algoritme. Een klassieke computer kan in principe (met exponentiële bronnen) een kwantumalgoritme modelleren, omdat quantum computing de Church-Turing-these niet schendt. Aan de andere kant kunnen kwantumcomputers problemen die niet praktisch mogelijk zijn op klassieke computers effectief oplossen.