ควอนตัมคอมพิวเตอร์: คำจำกัดความวิธีการใช้งานและตัวอย่าง

ควอนตัมคอมพิวเตอร์คืออะไร?

ควอนตัมคอมพิวเตอร์เป็นพื้นที่ของวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่ใช้หลักการของทฤษฎีควอนตัม ทฤษฎีควอนตัมอธิบายพฤติกรรมของพลังงานและวัสดุในระดับอะตอมและอะตอม

การคำนวณควอนตัมใช้อนุภาค subatomic เช่นอิเล็กตรอนหรือโฟตอน ควอนตัมบิตหรือ qubits อนุญาตให้อนุภาคเหล่านี้มีอยู่ในมากกว่าหนึ่งสถานะ (เช่น 1 และ 0) ในเวลาเดียวกัน

ในทางทฤษฎี Qubits ที่เชื่อมโยงสามารถ "ใช้ประโยชน์จากการรบกวนระหว่างสถานะควอนตัมที่มีลักษณะคล้ายคลื่นเพื่อทำการคำนวณที่อาจใช้เวลาหลายล้านปี"

คอมพิวเตอร์คลาสสิกวันนี้ใช้กระแสไฟฟ้าแรงกระตุ้น (1 และ 0) ในลักษณะไบนารีเพื่อเข้ารหัสข้อมูลเป็นบิต สิ่งนี้ จำกัด ความสามารถในการประมวลผลของพวกเขาเมื่อเทียบกับการคำนวณควอนตัม

ประเด็นสำคัญ

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้ปรากฏการณ์ในฟิสิกส์ควอนตัมเพื่อสร้างวิธีการคำนวณใหม่
การคำนวณควอนตัมเกี่ยวข้องกับ qubits
ซึ่งแตกต่างจากบิตคอมพิวเตอร์ปกติซึ่งอาจเป็น 0 หรือ 1 สามารถมี qubit ในสถานะหลายมิติ
พลังของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเติบโตอย่างทวีคูณด้วย qubits มากขึ้น
คอมพิวเตอร์คลาสสิกที่เพิ่มบิตมากขึ้นสามารถเพิ่มพลังงานได้อย่างเป็นเส้นตรงเท่านั้น

ทำความเข้าใจกับการคำนวณควอนตัม

สาขาการคำนวณควอนตัมเกิดขึ้นในปี 1980 มันถูกค้นพบว่าปัญหาการคำนวณบางอย่างสามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยอัลกอริทึมควอนตัมมากกว่ากับคู่คลาสสิกของพวกเขา

การคำนวณควอนตัมมีความสามารถในการกลั่นกรองผ่านความเป็นไปได้จำนวนมากและแยกโซลูชันที่เป็นไปได้เพื่อแก้ไขปัญหาและความท้าทายที่ซับซ้อน ในกรณีที่คอมพิวเตอร์คลาสสิกเก็บข้อมูลเป็นบิตที่มี 0s หรือ 1s คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ qubits Qubits มีข้อมูลในสถานะควอนตัมที่มีส่วนร่วม 0 และ 1 ในแบบหลายมิติ

ศักยภาพในการคำนวณขนาดใหญ่และขนาดตลาดที่คาดการณ์ไว้สำหรับการใช้งานได้ดึงดูดความสนใจของ บริษัท ที่โดดเด่นที่สุดบางแห่งสิ่งเหล่านี้รวมถึง IBM, Microsoft, Google, ระบบ D-Waves, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen และ Amgen

การใช้และประโยชน์ของการคำนวณควอนตัม

การคำนวณควอนตัมสามารถมีส่วนร่วมอย่างมากต่อสาขาความปลอดภัยการเงินกิจการทหารและข่าวกรองการออกแบบยาและการค้นพบการออกแบบการบินและอวกาศสาธารณูปโภค (ฟิวชั่นนิวเคลียร์) การออกแบบพอลิเมอร์การเรียนรู้ของเครื่องจักร, ปัญญาประดิษฐ์ (AI),ข้อมูลขนาดใหญ่ค้นหาและการผลิตดิจิทัล

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถใช้เพื่อปรับปรุงการแบ่งปันข้อมูลที่ปลอดภัย หรือเพื่อปรับปรุงเรดาร์และความสามารถในการตรวจจับขีปนาวุธและเครื่องบิน อีกพื้นที่หนึ่งที่คาดว่าการคำนวณควอนตัมจะช่วยได้คือสภาพแวดล้อมและรักษาความสะอาดของน้ำด้วยเซ็นเซอร์เคมี

นี่คือประโยชน์บางอย่างที่อาจเกิดขึ้นจากการคำนวณควอนตัม:

สถาบันการเงินอาจสามารถใช้ควอนตัมคอมพิวเตอร์เพื่อออกแบบพอร์ตการลงทุนที่มีประสิทธิภาพและมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับลูกค้ารายย่อยและสถาบัน พวกเขาสามารถมุ่งเน้นไปที่การสร้างเครื่องจำลองการซื้อขายที่ดีขึ้นและปรับปรุงการตรวจจับการฉ้อโกง
อุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพสามารถใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อพัฒนายาใหม่และการดูแลทางการแพทย์ที่มีเป้าหมายทางพันธุกรรม นอกจากนี้ยังสามารถใช้พลังงานการวิจัย DNA ขั้นสูงมากขึ้น
เพื่อความปลอดภัยออนไลน์ที่แข็งแกร่งขึ้นการคำนวณควอนตัมสามารถช่วยออกแบบการเข้ารหัสข้อมูลที่ดีขึ้นและวิธีการใช้สัญญาณแสงเพื่อตรวจจับผู้บุกรุกในระบบ
การคำนวณควอนตัมสามารถใช้ในการออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเครื่องบินที่ปลอดภัยและระบบการวางแผนการจราจร

40%

ร้อยละของ บริษัท ขนาดใหญ่ที่วางแผนจะสร้างความคิดริเริ่มเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมภายในปี 2568 ตามการวิจัยของการ์ตเนอร์

คุณสมบัติของการคำนวณควอนตัม

การซ้อนทับและพัวพันเป็นคุณสมบัติสองประการของฟิสิกส์ควอนตัมซึ่งใช้การคำนวณควอนตัม พวกเขาช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถจัดการการทำงานที่ความเร็วสูงกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไปและมีการใช้พลังงานน้อยกว่ามาก

การซ้อนทับ

ตามที่ IBM มันเป็นสิ่งที่ Qubit สามารถทำได้มากกว่าสิ่งที่น่าทึ่ง QBIT วางข้อมูลควอนตัมที่มีอยู่ในสถานะของการซ้อนทับ นี่หมายถึงการรวมกันของการกำหนดค่าที่เป็นไปได้ทั้งหมดของ Qubit "กลุ่มของ qubits ในการซ้อนทับสามารถสร้างพื้นที่การคำนวณที่ซับซ้อนหลายมิติปัญหาที่ซับซ้อนสามารถแสดงได้ในรูปแบบใหม่ในพื้นที่เหล่านี้"

ความพัวพัน

สิ่งกีดขวางนั้นเป็นส่วนสำคัญในการคำนวณควอนตัม คู่ของ qubits สามารถทำให้กลายเป็นเข้าไปพัวพัน ซึ่งหมายความว่าทั้งสอง qubits นั้นมีอยู่ในสถานะเดียว ในสถานะดังกล่าวการเปลี่ยนหนึ่ง Qubit ส่งผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งอื่นโดยตรงในลักษณะที่คาดการณ์ได้

อัลกอริทึมควอนตัมได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ประโยชน์จากความสัมพันธ์นี้เพื่อแก้ปัญหาที่ซับซ้อน ในขณะที่เพิ่มจำนวนบิตเป็นสองเท่าในคอมพิวเตอร์คลาสสิกเพิ่มพลังการประมวลผลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าการเพิ่ม qubits ส่งผลให้เกิดการเพิ่มขึ้นของการใช้พลังงานและความสามารถในการคำนวณ

ความอึกทึกครึกโครม

Decoherence เกิดขึ้นเมื่อพฤติกรรมควอนตัมของ qubits สลายตัว สถานะควอนตัมสามารถถูกรบกวนได้ทันทีโดยการสั่นสะเทือนหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ สิ่งนี้อาจทำให้ Qubits หลุดออกจากการซ้อนทับและทำให้เกิดข้อผิดพลาดปรากฏในการคำนวณ เป็นสิ่งสำคัญที่ qubits จะได้รับการปกป้องจากการรบกวนดังกล่าวโดยตัวอย่างเช่นเครื่องแช่แข็ง supercooled ฉนวนและห้องสูญญากาศ

ข้อ จำกัด ของการคำนวณควอนตัม

ควอนตัมคอมพิวเตอร์มีศักยภาพมหาศาลสำหรับการพัฒนาและการแก้ปัญหาในหลายอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตามในปัจจุบันมีข้อ จำกัด

Decoherence หรือ Decay อาจเกิดจากการรบกวนเพียงเล็กน้อยในสภาพแวดล้อม qbit สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดการล่มสลายของการคำนวณหรือข้อผิดพลาด ตามที่ระบุไว้ข้างต้นคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะต้องได้รับการปกป้องจากสัญญาณรบกวนภายนอกทั้งหมดในระหว่างขั้นตอนการคำนวณ
การแก้ไขข้อผิดพลาดในระหว่างขั้นตอนการคำนวณยังไม่สมบูรณ์ ที่ทำให้การคำนวณอาจไม่น่าเชื่อถือ เนื่องจาก Qubits ไม่ใช่บิตข้อมูลดิจิตอลพวกเขาจึงไม่สามารถได้รับประโยชน์จากโซลูชันการแก้ไขข้อผิดพลาดทั่วไปที่ใช้โดยคอมพิวเตอร์คลาสสิก
การดึงผลลัพธ์การคำนวณสามารถทำให้ข้อมูลเสียหายได้ การพัฒนาเช่นอัลกอริทึมการค้นหาฐานข้อมูลเฉพาะที่ทำให้มั่นใจได้ว่าการวัดการวัดจะทำให้สถานะควอนตัม decohere เป็นคำตอบที่ถูกต้อง
การเข้ารหัสความปลอดภัยและควอนตัมยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่
การขาด qubits ป้องกันไม่ให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ชีวิตจนถึงศักยภาพในการใช้งานที่มีผลกระทบ นักวิจัยยังไม่ได้ผลิตมากกว่า 128 ณ ปี 2019

ตามที่ผู้นำพลังงานระดับโลก Iberdola "คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องไม่มีความดันบรรยากาศแทบจะไม่อุณหภูมิแวดล้อมใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (-273 ° C) และฉนวนจากสนามแม่เหล็กของโลกเพื่อป้องกันไม่ให้อะตอมเคลื่อนที่ชนกันหรือโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อม"

"นอกจากนี้ระบบเหล่านี้ทำงานเป็นระยะเวลาสั้น ๆ เท่านั้นเพื่อให้ข้อมูลเสียหายและไม่สามารถจัดเก็บได้ทำให้ยากต่อการกู้คืนข้อมูล"

คอมพิวเตอร์ควอนตัมกับคอมพิวเตอร์คลาสสิก

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีโครงสร้างพื้นฐานมากกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก พวกเขาไม่มีหน่วยความจำหรือโปรเซสเซอร์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมทั้งหมดใช้เป็นชุดของ superconducting qubits

คอมพิวเตอร์ควอนตัมและคอมพิวเตอร์คลาสสิกประมวลผลข้อมูลที่แตกต่างกัน คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ qubits เพื่อเรียกใช้อัลกอริทึมควอนตัมหลายมิติ กำลังการประมวลผลของพวกเขาเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อมีการเพิ่ม qubits โปรเซสเซอร์แบบคลาสสิกใช้บิตเพื่อใช้งานโปรแกรมต่าง ๆ พลังงานของพวกเขาเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่อมีการเพิ่มบิตมากขึ้น คอมพิวเตอร์คลาสสิกมีพลังคอมพิวเตอร์น้อยกว่ามาก

คอมพิวเตอร์คลาสสิกดีที่สุดสำหรับงานประจำวันและมีอัตราความผิดพลาดต่ำ คอมพิวเตอร์ควอนตัมเหมาะสำหรับงานในระดับที่สูงขึ้นเช่นการจำลองการวิเคราะห์ข้อมูล (เช่นสำหรับการทดลองทางเคมีหรือยา) สร้างแบตเตอรี่ประหยัดพลังงาน พวกเขายังสามารถมีอัตราความผิดพลาดสูง

คอมพิวเตอร์คลาสสิกไม่ต้องการการดูแลพิเศษ พวกเขาอาจใช้พัดลมภายในพื้นฐานเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนสูงเกินไป โปรเซสเซอร์ควอนตัมจะต้องได้รับการปกป้องจากการสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยและจะต้องทำให้เย็นมาก จะต้องใช้ superfluids ที่ระบายความร้อนด้วยวัตถุประสงค์นั้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีราคาแพงและยากต่อการสร้างมากกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก

สำคัญ

ในปี 2562 Google แสดงให้เห็นถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ปัญหาได้ในไม่กี่นาทีที่ต้องใช้คอมพิวเตอร์คลาสสิก 10,000 ปี

คอมพิวเตอร์ควอนตัมในการพัฒนา

Google

Google ใช้จ่ายหลายพันล้านดอลลาร์เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมภายในปี 2572 บริษัท เปิดวิทยาเขตในแคลิฟอร์เนียที่เรียกว่า Google AI เพื่อช่วยให้บรรลุเป้าหมายนี้ เมื่อพัฒนาแล้ว Google สามารถเปิดใช้บริการควอนตัมคอมพิวเตอร์ผ่านคลาวด์

IBM

ไอบีเอ็มวางแผนที่จะมีคอมพิวเตอร์ควอนตัม 1,000-QUBIT ภายในปี 2566 ตอนนี้ IBM อนุญาตให้เข้าถึงเครื่องจักรสำหรับองค์กรวิจัยมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการที่เป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายควอนตัม

Microsoft

Microsoft ให้ บริษัท เข้าถึงเทคโนโลยีควอนตัมผ่านแพลตฟอร์ม Azure Quantum

คนอื่น

มีความสนใจในการคำนวณควอนตัมและเทคโนโลยีจาก บริษัท ที่ให้บริการทางการเงินเช่น JPMorgan Chase และ Visa

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ในแง่ที่ง่ายที่สุดคืออะไร?

การคำนวณควอนตัมเกี่ยวข้องกับการคำนวณที่ทำโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัม เมื่อเปรียบเทียบกับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมที่ทำโดยคอมพิวเตอร์คลาสสิกคอมพิวเตอร์ควอนตัมควรจะสามารถเก็บข้อมูลได้มากขึ้นและใช้งานได้ด้วยอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น สิ่งนี้แปลว่าการแก้ปัญหาที่ซับซ้อนมากเร็วขึ้น

การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมยากแค่ไหน?

การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้เวลานานและมีราคาแพงมาก Google ทำงานเกี่ยวกับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาหลายปีแล้วและใช้เงินหลายพันล้านดอลลาร์ คาดว่าจะมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมพร้อมภายในปี 2572ในเดือนพฤศจิกายน 2565 Google ประกาศระบบ 433-Qubit ตามมาในอีกหนึ่งปีต่อมาโดย IBM ประกาศ Condor ซึ่งเป็นโปรเซสเซอร์ QuBit Quantum ของ SuperConducting 1,121 ตัว ในเวลานั้นไอบีเอ็มวางแผนงาน 2033 โดยบอกว่ามันเล็งไปที่ Blue Jay ซึ่งเป็นระบบที่สามารถดำเนินการประตูหนึ่งพันล้านผ่าน 2,000 Qubits ภายในปี 2576

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีราคาเท่าไหร่?

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีค่าใช้จ่ายพันล้านในการสร้าง อย่างไรก็ตามในปี 2020 เทคโนโลยีเซินเจิ้นสปินเจนของจีนวางแผนที่จะขายคอมพิวเตอร์ควอนตัมเดสก์ท็อป 5,000 ดอลลาร์ให้กับผู้บริโภคสำหรับโรงเรียนและวิทยาลัย เมื่อปีที่แล้วมันเริ่มขายคอมพิวเตอร์ควอนตัมในราคา $ 50,000

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเร็วแค่ไหน?

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเร็วกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกหรือซูเปอร์คอมพิวเตอร์หลายเท่า คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ Google ในการพัฒนา Sycamore ได้รับการกล่าวขานว่ามีการคำนวณใน 200 วินาทีเมื่อเทียบกับ 10,000 ปีที่หนึ่งในคอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลกคือการประชุมสุดยอดของ IBM จะใช้เวลาในการแก้ปัญหาIBM โต้แย้งการเรียกร้องของ Google โดยกล่าวว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถแก้ปัญหาการคำนวณได้ใน 2.5 วัน ถึงกระนั้นก็ช้ากว่าเครื่องควอนตัมของ Google 1,000 เท่า

บรรทัดล่าง

การคำนวณควอนตัมนั้นแตกต่างจากการคำนวณแบบคลาสสิกมาก มันใช้ qubits ซึ่งสามารถเป็น 1 หรือ 0 ในเวลาเดียวกัน คอมพิวเตอร์คลาสสิกใช้บิตซึ่งสามารถเป็น 1 หรือ 0 เท่านั้น

เป็นผลให้การคำนวณควอนตัมเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น คาดว่าจะใช้ในการแก้ปัญหาความหลากหลายที่ซับซ้อนและคุ้มค่ามาก

ในขณะที่มีข้อ จำกัด ในเวลานี้มันก็พร้อมที่จะทำงานโดย บริษัท ที่มีพลังสูงหลายแห่งในอุตสาหกรรมมากมาย