Познавательное видео о квантовых компьютерах и пределах технологического прогресса



  Поделиться в Facebook   Рассказать ВКонтакте

Где находится физический предел технологического прогресса, и можем ли мы его избежать? На этот вопрос ответит новое видео от Kurzgesagt, созданное при поддержке Академии наук Австралии. Вас ждёт простое и увлекательное разъяснение о квантовых компьютерах и их применении.

На протяжении большей части нашей истории, человеческие технологии состояли из наших мозгов, огня и острых палок. Огонь и острые палки превратились в электростанции и ядерное оружие, но самые большие изменения претерпели наши мозги.

С 1960-х годов наши машинные мозги становились всё лучше и лучше, позволяя компьютерам уменьшаться и одновременно становиться сильнее. Но скоро этот процесс достигнет своего физического предела. Размеры компьютеров приближаются к размерам атомов.

Чтобы понять, почему это плохо, нужно разобраться в основах. Компьютер состоит из очень простых компонентов, делающих простые вещи и представляющих данные, способы их обработки и управляющие механизмы.

Компьютерные чипы сосотят из модулей, состоящих из логических вентилей, состоящих из транзисторов. Транзистор — самое простое устройство обработки данных, по сути, переключатель, который может закрыть или открыть путь для информации. Информация состоит из битов, которые могут равняться нулю или единице. Комбинации битов используются для представления более сложной информации. Транзисторы образуют логические вентили, который тоже довольно просты. Например, вентиль И подаёт на выход единицу, если на все входы подана единица, и нуль иначе. Комбинации логических вентилей наконец-то образуют осмысленные модули, скажем, для сложения чисел. Научившись складывать, мы сможем также и умножать, а научившись умножать, мы можем делать всё, что угодно.

Поскольку все основные операции проще, чем математика в первом классе, компьютер можно представить как группу семилетних детей, отвечающих на простые математические вопросы. Достаточно большая группа детей может посчитать всё, что угодно, от астрофизики до Зельды.

Но детали становятся всё меньше и меньше, и всё усложняет квантовая физика. По сути, транзистор — это электрический переключатель. Электричество — это электроны, перемещающиеся из одного места в другое, так что переключатель — это проход, который может останавливать электроны.

Сегодня транзисторы имеют размер около 14 нм, что примерно в 8 раз меньше диаметра вируса ВИЧ и в 500 раз меньше эритроцита.Когда транзисторы станут размером лишь с несколько атомов, электроны смогут просто перепрыгнуть на другую сторону закрытого прохода с помощью процесса, называемого квантовым туннелированием. В квантовом мире физика работает иначе, чем в привычном нам предсказуемом мире, а традиционные компьютеры перестают работать. Мы приближаемся к физическому препятствию на пути технологического прогресса. Чтобы решить эту задачу, учёные пытаются обратить эти необычные квантовые явления в свою пользу, для чего они строят квантовые компьютеры.

В обычных компьютерах, наименьшая единица информации — бит. В квантовых компьютерах используются кубиты, которые тоже могут принимать одно из двух значений. Кубит может быть любой двухуровненной квантовой системой, такой как спин в магнитном поле или один фотон. Нуль и единица — возможные состояния такой системы, например, горизонтальная или вертикальная поляризация фотона.

В квантовом мире кубит не обязан быть только в одном состоянии; он может одновременно быть в любом соотношении обоих состояний. Это называется суперопизиция. Но как только вы проверите его состояние, скажем, пропустив фотон через фильтр, он должен определиться с вертикальной или горизонтальной поляризацией. Так что если за ним не наблюдать, кубит находится в суперпозиции вероятностей нуля и единицы, и нельзя узнать, чем он окажется. Но как только его измерят, он схлапывается в одно из определённых состояний.

Суперпозиция меняет всё. Четыре классических бита имеют 2 в 4-й степени возможных конфигураций. Всего 16, из которых можно выбрать лишь одну. Однако четыре кубита в суперпозиции могут одновременно быть во всех 16 комбинациях! Это количество растёт экспоненциально с количеством кубитов. Уже 20 кубитов могут хранить миллион значений одновременно.

Очень странное и контринтуитивное свойство кубитов — запутанность, тесная связь, при которой каждый кубит мгновенно реагирует на изменение состояния другого кубита, как бы далеко они ни находились. Это значит, что, если измерять лишь один запутанный кубит, можно узнать о свойствах другого, не глядя на него.

Манипуляция кубитов также всё усложняет. Обычный логический вентиль принимает простой набор вводов и производит один определённый вывод. Квантовый вентиль манипулирует ввод из суперпозиций, меняет вероятности и выдаёт в результате другую суперпозицию. Так что квантовый компьютер создаёт кубиты, с помощью квантовых вентилей запутывает их и меняет вероятности, затем измеряет результат, тем самым схлапывая суперпозиции в конкретные последовательности нулей и единиц.

Это значит, что вы проделываете все вычисления, возмодные в вашей системе, одновременно. В конце вы сможете измерить только один результат, и он лишь с какой-то вероятностью окажется тем, который вам нужен, так что вам может быть нужно его перепроверить.

Но если хитрым образом использовать суперпозицию и запутанность, вычисление можно сделать экспоненциально более эффективным, чем на обычном компьютере. Так что даже если квантовые компьютеры и не заменят домашние, в некоторых областях они их значительно превосходят.

Одна из таких областей — поиск в базах данных. Чтобы найти что-либо в базе данных, обычному компьютеру придётся перебирать все записи. Квантовому алгоритму понядобится лишь квадратный корень из этого времени, что для крупных баз данных существенно.

Самое знаменитое применение квантовых компьютеров — уничтожение IT-безопасности. В настоящее время ваше посещение интернета, email и онлайн-банков защищается системой шифрования, при которой вы раздаёте всем свой открытый ключ, позволяющий шифровать сообщения, которые сможете расшифровать только вы. Проблема в том, что по открытому ключу, оказывается, можно вычислить ваш секретный ключ. К счастью, необходимые для этого вычисления на обычном компьютере занимают годы проб и ошибок. Но квантовый компьютер сделает это с лёгкостью.

Ещё одно замечательное применение квантовых компьютеров — симуляции. Симуляции квантового мира требуют много ресурсов, и даже для более крупных структур, вроде молекул, симуляции получаются неточными.

Так почему бы не симулировать квантовую физику с помощью квантовой физики? Квантовые симуляции могут открыть много нового про белки, что сильно поможет медицине.

Пока что мы не знаем, станут ли квантовые компьютеры всего лишь специализированным средством или огромной технологической революцией.


Похожее ...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *