Pojasnjeno: Kaj je kvantna premoč?

Kvantna premoč je mejnik, ki so ga v računalništvu že dolgo iskali, zdaj pa je Google objavil, da ga je dosegel. Pogled na znanost, ki stoji za konceptom, in kaj je bilo v resnici doseženo in koliko je ostalo.

Sestavni del Googlovega kvantnega računalnika v laboratoriju Santa Barbara, Kalifornija, ZDA. (Fotografija prek Reutersa)

Ta teden je Google objavil, da je dosegel preboj, imenovan kvantno prevlado v računalništvo. Kaj to pomeni in zakaj je pomembno?

Torej, kaj je kvantna premoč?

To je izraz, ki ga je leta 2012 predlagal John Preskill, profesor teoretične fizike na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo. Opisuje točko, kjer lahko kvantni računalniki naredijo stvari, ki jih klasični računalniki ne morejo. V Googlovem primeru so raziskovalci na kalifornijski univerzi v Santa Barbari trdili, da so razvili procesor, ki je za izračun, ki bi klasičnemu računalniku potreboval 10.000 let, potreboval 200 sekund.

Toda kaj je kvantni računalnik?

Naši tradicionalni računalniki delujejo na podlagi zakonov klasične fizike, natančneje z uporabo pretoka električne energije. Po drugi strani kvantni računalnik skuša izkoristiti zakone, ki urejajo obnašanje atomov in subatomskih delcev. V tem majhnem obsegu mnogi zakoni klasične fizike prenehajo veljati in pridejo v poštev edinstveni zakoni kvantne fizike.

Razvoj takšnega računalnika je bil cilj znanstvenikov že skoraj štiri desetletja. Leta 1981 je fizik Richard Feynman zapisal: Poskušanje računalniške simulacije fizike se mi zdi odličen program za sledenje ... Narava ni klasična ... in če želite narediti simulacijo narave, je bolje naredi ga kvantno mehansko, in zaboga, to je čudovit problem, ker ni videti tako enostavno.

Kakšno razliko bi imela takšna simulacija?

Gre za hitrost obdelave. Poglejmo si, kako klasični računalnik obdeluje informacije. Biti informacij so shranjeni kot 0 ali 1. Vsak niz takšnih števk (bitni nizi) predstavlja edinstven znak ali navodilo; na primer 01100001 predstavlja male črke a.

V kvantnem računalniku so informacije shranjene v kvantnih bitih ali kubitih. In kubit je lahko hkrati 0 in 1. Kvantna fizika vključuje koncepte, ki jih celo fiziki opisujejo kot čudne. Za razliko od klasične fizike, v kateri lahko predmet obstaja na enem mestu hkrati, kvantna fizika proučuje verjetnosti, da je predmet na različnih točkah. Obstoj v več stanjih se imenuje superpozicija, razmerja med temi stanji pa prepletenost.

Večje kot je število kubitov, večja je količina informacij, shranjenih v njih. V primerjavi z informacijami, shranjenimi v enakem številu bitov, se informacije v kubitih eksponentno povečajo. To je tisto, zaradi česar je kvantni računalnik tako močan. In vendar je, kot je leta 2012 zapisal Caltechov Preskill, gradnja zanesljive kvantne strojne opreme zahtevna zaradi težav pri natančnem nadzoru kvantnih sistemov.

Sundar Pichai z enim od Googlovih kvantnih računalnikov v laboratoriju Santa Barbara, Kalifornija, ZDA. (Fotografija prek Reutersa)

Je to tisto, kar je Google dosegel?

Raziskovalci so pokazali, česa je sposoben kvantni računalnik. S Sycamoreom, Googlovim kvantnim računalnikom, so zgradili arhitekturo 54 kubitov. Medtem ko eden od teh ni uspel, je bilo ostalih 53 kubitov zapletenih v stanje superpozicije.

Ekipa je sestavila naključno zaporedje približno 1000 operacij. Vsakič, ko so nato zagnali ta naključni algoritem, bi kvantni računalnik ustvaril bitni niz.

Zdaj je večja verjetnost, da se bodo pojavili nekateri bitni nizi kot drugi, in mogoče je ugotoviti, kateri so bolj verjetni. Vendar pa je bolj zapleteno naključno kvantno vezje, težje je za klasični računalnik identificirati verjetnejše bitne nize - in težava je eksponentno rasla. Prevlado so dosegli, ko so dokazali, da je kvantni procesor potreboval le 200 sekund za izračun super kompleksnega naključnega algoritma, medtem ko bi najhitrejši superračunalnik potreboval 10.000 let, je Google povedal v e-poštnem sporočilu.

Preberite tudi | Kvantna premoč v računalništvu: Test opravljen, uporaba v resničnem svetu je daleč stran

Torej, kaj koristi to?

Nič, kar zadeva praktične aplikacije. Opravljena naloga ni zelo pomembna za ta mejnik; veliko bolj gre za dejstvo, da se je mejnik sploh zgodil, je zapisano v Googlovem e-poštnem sporočilu. Kot analogijo je navedel brata Wright: da bi dokazali, da je letalstvo možno, ni bilo toliko pomembno, kam je letalo namenjeno, kje je vzletelo in pristalo, ampak da je sploh lahko letelo.

Ali so vsi prepričani?

IBM je oporekal Googlovi trditvi, da njegovega kvantnega izračuna ni mogoče izvesti s tradicionalnim računalnikom. IBM je v objavi na blogu trdil, da bi lahko izračun, ki so ga opisali Googlovi raziskovalci, dosegel z obstoječim računalnikom v manj kot dveh dneh in pol, ne v 10.000 letih.

Mimogrede, sam IBM je v četrtek zahteval preboj v kvantnem izračunu. Njegovi raziskovalci so naredili preboj pri nadzoru kvantnega obnašanja posameznih atomov, s čimer so pokazali vsestranski nov gradnik za kvantno računanje, je IBM objavil na svoji spletni strani. Članek je objavljen v reviji Science. Googlove raziskave se pojavljajo v Nature.

Ne zamudite razloženega | Dushyant Chautala: Ta 31-letni 'buda' se povezuje z vsemi, starejšimi od svojih let

Kaj je naslednje?

Znanstveniki želijo izboljšati svoje delo, vključno z odkrivanjem in odpravljanjem napak. Univerza Kalifornije v Santa Barbari je ugotovila, da je raziskava že dosegla zelo resnično orodje za generiranje naključnih števil. Naključne številke so lahko uporabne na različnih področjih – vključno z zaščito šifriranih ključev za dešifriranje, kar bi lahko predstavljalo težavo za vlade.

Kvantni računalniki bi lahko nekega dne povzročili velik napredek v znanstvenih raziskavah in tehnologiji. Med področji, ki bi lahko pridobili, so umetna inteligenca in nove terapije z zdravili. Vse to pa je daleč.

Delite S Prijatelji: