ความได้เปรียบเชิงควอนตัม: นักฟิสิกส์อธิบายอนาคตของคอมพิวเตอร์

ความได้เปรียบเชิงควอนตัมคือเหตุการณ์สำคัญในสาขาคอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังทำงานอย่างแรงกล้าที่กจำนวนคอมพิวเตอร์สามารถแก้ปัญหาที่อยู่ไกลเกินเอื้อมของคอมพิวเตอร์ที่ไม่ใช่ควอนตัมหรือคอมพิวเตอร์คลาสสิก

ควอนตัมหมายถึงขนาดของอะตอมและโมเลกุลที่กฎของฟิสิกส์ในขณะที่เราพบว่าพวกเขาพังทลายลงและมีการใช้กฎหมายที่แตกต่างกันคอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมแปลก ๆ เหล่านี้เพื่อแก้ปัญหา

มีปัญหาบางอย่างที่เป็นใช้งานไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิกในการแก้ปัญหาเช่นการแตกล้ำสมัยการเข้ารหัสอัลกอริทึม การวิจัยในทศวรรษที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพในการแก้ปัญหาเหล่านี้

หากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสร้างได้จริง ๆ แล้วแก้ปัญหาอย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้จะแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบเชิงควอนตัม

ฉันนักฟิสิกส์ผู้ที่ศึกษาการประมวลผลข้อมูลควอนตัมและการควบคุมระบบควอนตัม

ฉันเชื่อว่าพรมแดนของนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนี้ไม่เพียง แต่สัญญาว่าจะมีความก้าวหน้าในการคำนวณ แต่ยังแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีควอนตัมรวมถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในการเข้ารหัสควอนตัมและการตรวจจับควอนตัม

แหล่งที่มาของพลังงานของควอนตัมคอมพิวเตอร์

ศูนย์กลางของการคำนวณควอนตัมคือบิตควอนตัมหรือคริสตจักร- ซึ่งแตกต่างจากบิตคลาสสิกซึ่งสามารถอยู่ในสถานะของ 0 หรือ 1 เท่านั้น, qubit สามารถอยู่ในสถานะใด ๆ ที่มีการรวมกันของ 0 และ 1 สถานะนี้ไม่เพียงแค่ 1 หรือเพียง 0 เป็นที่รู้จักกันว่า aการซ้อนควอนตัม- ทุก Qubit เพิ่มเติมจำนวนรัฐที่สามารถแสดงโดย qubits เป็นสองเท่า

คุณสมบัตินี้มักจะเข้าใจผิดว่าเป็นแหล่งพลังงานของการคำนวณควอนตัม แต่มันลงมาเพื่อการรวมกันของการซ้อนทับที่สลับซับซ้อนการรบกวนและความพัวพัน-

การรบกวนเกี่ยวข้องกับการจัดการ qubits เพื่อให้รัฐของพวกเขารวมกันอย่างสร้างสรรค์ในระหว่างการคำนวณเพื่อขยายการแก้ปัญหาที่ถูกต้องและทำลายล้างเพื่อระงับคำตอบที่ผิด

การรบกวนที่สร้างสรรค์คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อยอดเขาสองคลื่น - เช่นคลื่นเสียงหรือคลื่นมหาสมุทร - รวมกันเพื่อสร้างจุดสูงสุดที่สูงขึ้น การรบกวนการทำลายล้างคือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นสูงสุดและรางคลื่นรวมและยกเลิกซึ่งกันและกัน

อัลกอริทึมควอนตัมซึ่งมีน้อยและยากที่จะคิดกำหนดลำดับของรูปแบบการรบกวนที่ให้คำตอบที่ถูกต้องกับปัญหา

ความพัวพันสร้างความสัมพันธ์ควอนตัมที่ไม่เหมือนใครระหว่าง qubits: สถานะของหนึ่งไม่สามารถอธิบายได้อย่างอิสระจากผู้อื่นไม่ว่าจะอยู่ห่างกันมากแค่ไหน นี่คือสิ่งที่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ถูกไล่ออกอย่างมีชื่อเสียงว่าเป็น "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล"

พฤติกรรมโดยรวมของสิ่งกีดขวางที่จัดทำผ่านคอมพิวเตอร์ควอนตัมช่วยให้การคำนวณความเร็วในการคำนวณที่อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของคอมพิวเตอร์คลาสสิก

คนและศูนย์ - และทุกอย่างในระหว่าง - การคำนวณควอนตัม

แอปพลิเคชันของการคำนวณควอนตัม

การคำนวณควอนตัมมีช่วงของการใช้งานที่มีศักยภาพซึ่งสามารถทำได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิก ในการเข้ารหัสคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีทั้งโอกาสและความท้าทาย มีชื่อเสียงมากที่สุดพวกเขามีศักยภาพในการถอดรหัสอัลกอริทึมการเข้ารหัสปัจจุบันเช่นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายโครงการ RSA-

ผลที่ตามมาอย่างหนึ่งคือโปรโตคอลการเข้ารหัสของวันนี้จำเป็นต้องได้รับการปรับโครงสร้างใหม่ให้ทนต่อการโจมตีควอนตัมในอนาคต การรับรู้นี้นำไปสู่สนามที่กำลังขยายตัวการเข้ารหัสโพสต์-ควอนตัม-

หลังจากกระบวนการที่ยาวนานสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติเพิ่งเลือกอัลกอริทึมที่ทนควอนตัมสี่ตัวและได้เริ่มกระบวนการเตรียมพวกเขาเพื่อให้องค์กรต่างๆทั่วโลกสามารถใช้พวกเขาในเทคโนโลยีการเข้ารหัสของพวกเขา

นอกจากนี้การคำนวณควอนตัมสามารถเพิ่มความเร็วในการจำลองควอนตัมได้อย่างมาก: ความสามารถในการทำนายผลลัพธ์ของการทดลองที่ทำงานในขอบเขตควอนตัม นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียง Richard Feynmanจินตนาการถึงความเป็นไปได้นี้มากกว่า 40 ปีที่ผ่านมา

การจำลองควอนตัมนำเสนอศักยภาพในการพัฒนาวิชาเคมีและวัสดุวิทยาศาสตร์การช่วยเหลือในพื้นที่เช่นการสร้างแบบจำลองที่ซับซ้อนของโครงสร้างโมเลกุลสำหรับการค้นพบยาและช่วยให้การค้นพบหรือสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติใหม่

การใช้เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมอีกครั้งคือการตรวจจับควอนตัม: การตรวจจับและการวัดคุณสมบัติทางกายภาพเช่นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าแรงโน้มถ่วงแรงดันและอุณหภูมิที่มีความไวและความแม่นยำมากกว่าเครื่องมือที่ไม่ใช่ควอนตัม

การตรวจจับควอนตัมมีแอปพลิเคชันมากมายในสาขาเช่นการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม-การสำรวจทางธรณีวิทยา-การถ่ายภาพทางการแพทย์และการเฝ้าระวัง-

ความคิดริเริ่มเช่นการพัฒนาอินเทอร์เน็ตควอนตัมที่เชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นขั้นตอนสำคัญในการเชื่อมโยงโลกควอนตัมและโลกคอมพิวเตอร์คลาสสิก

เครือข่ายนี้สามารถรักษาความปลอดภัยโดยใช้โปรโตคอลการเข้ารหัสควอนตัมเช่นการกระจายคีย์ควอนตัมซึ่งช่วยให้ช่องทางการสื่อสารที่ปลอดภัยเป็นพิเศษซึ่งได้รับการป้องกันจากการโจมตีด้วยการคำนวณ-รวมถึงช่องที่ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม

แม้จะมีชุดแอปพลิเคชันที่เพิ่มขึ้นสำหรับการคำนวณควอนตัม แต่การพัฒนาอัลกอริทึมใหม่ที่ใช้ประโยชน์จากความได้เปรียบควอนตัมอย่างเต็มที่โดยเฉพาะในการเรียนรู้ของเครื่องจักร- ยังคงเป็นพื้นที่สำคัญของการวิจัยอย่างต่อเนื่อง

เซ็นเซอร์ควอนตัมต้นแบบที่พัฒนาโดยนักวิจัย MIT สามารถตรวจจับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใด ๆ -Guoqing Wang-CC BY-NC-ND-

อยู่ต่อไปและการเอาชนะข้อผิดพลาด

ฟิลด์ควอนตัมคอมพิวเตอร์เผชิญกับอุปสรรคสำคัญในการพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความไวสูงต่อการโต้ตอบที่ไม่ได้ตั้งใจกับสภาพแวดล้อมของพวกเขา สิ่งนี้นำไปสู่ปรากฏการณ์ของ decoherence ซึ่ง qubits ลดลงอย่างรวดเร็วเป็น 0 หรือ 1 สถานะของบิตคลาสสิก

การสร้างระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่สามารถส่งมอบตามสัญญาของการเร่งความเร็วควอนตัมต้องเอาชนะ decoherence กุญแจสำคัญคือการพัฒนาวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการระงับและแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมพื้นที่การวิจัยของฉันมุ่งเน้นไปที่-

ในการนำทางความท้าทายเหล่านี้ฮาร์ดแวร์ควอนตัมและซอฟต์แวร์สตาร์ทอัพจำนวนมากได้เกิดขึ้นพร้อมกับผู้เล่นในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีที่ได้รับการยอมรับอย่าง Google และ IBM

ความสนใจของอุตสาหกรรมนี้รวมกับการลงทุนที่สำคัญจากรัฐบาลทั่วโลกตอกย้ำการรับรู้โดยรวมเกี่ยวกับศักยภาพการเปลี่ยนแปลงของเทคโนโลยีควอนตัม ความคิดริเริ่มเหล่านี้ส่งเสริมระบบนิเวศที่หลากหลายซึ่งสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรมทำงานร่วมกันเร่งความคืบหน้าในสาขานี้

ความได้เปรียบเชิงควอนตัมเข้ามาในมุมมอง

วันหนึ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจจะก่อกวนเหมือนการมาถึงของAI Generative- ปัจจุบันการพัฒนาเทคโนโลยีการคำนวณควอนตัมเป็นช่วงหัวเลี้ยวหัวต่อที่สำคัญ

ในอีกด้านหนึ่งสนามได้แสดงสัญญาณเริ่มต้นแล้วว่าได้รับประโยชน์จากควอนตัมที่มีความเชี่ยวชาญอย่างแคบนักวิจัยที่ Googleและต่อมาทีมนักวิจัยในประเทศจีนแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบเชิงควอนตัมสำหรับการสร้างรายการหมายเลขสุ่มด้วยคุณสมบัติบางอย่าง ทีมวิจัยของฉันแสดงให้เห็นถึงการเร่งความเร็วควอนตัมสำหรับเกมที่คาดเดาจำนวนสุ่ม-

ในทางกลับกันมีความเสี่ยงที่เป็นรูปธรรมในการเข้าสู่ "ควอนตัมฤดูหนาว" ระยะเวลาของการลงทุนที่ลดลงหากผลลัพธ์ที่ได้รับในทางปฏิบัติล้มเหลวในระยะเวลาอันใกล้

ในขณะที่อุตสาหกรรมเทคโนโลยีกำลังทำงานเพื่อส่งมอบความได้เปรียบเชิงควอนตัมในผลิตภัณฑ์และบริการในระยะเวลาอันใกล้การวิจัยทางวิชาการยังคงมุ่งเน้นไปที่การตรวจสอบหลักการพื้นฐานที่สนับสนุนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีใหม่นี้

การวิจัยขั้นพื้นฐานอย่างต่อเนื่องนี้เกิดขึ้นจากกลุ่มนักศึกษาใหม่และสดใสที่มีความกระตือรือร้นในประเภทที่ฉันพบเกือบทุกวันทำให้มั่นใจได้ว่าสนามจะดำเนินต่อไป

Daniel Ledaศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าเคมีและฟิสิกส์และดาราศาสตร์มหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ซ้ำจากบทสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-