Объяснение квантовых вычислений (как и вам 5 лет)

Концепция «Квантовых вычислений», которая в последнее время становится вирусной, благодаря некоему премьер-министру, одна из многих неизведанных нами наук о науке..

Причина, по которой большинство из нас еще не слышали об этом, несмотря на то, что он существует уже несколько десятилетий, заключается в том, что по большей части это теоретический и те, кто экспериментировал на нем в начале были очень закрыты об этом из-за необходимость военной и корпоративной тайны.

Тем не менее, теперь мы знаем, что комбинация квантовой механики и вычислений существует, и внезапно это становится предметом интересов каждого. Если вы не знаете, что такое квантовый компьютер, но не хотите оставаться в стороне, читайте дальше, чтобы узнать, почему он лучше, чем традиционные компьютеры, с которыми мы работаем сегодня..

Традиционных компьютеров и бит

Компьютеры в основном цифрово-электронные и будут взаимодействовать с данными, представленными в двоичных цифрах известный как биты (0 и 1). Будь то изображения, текст, аудио или любые другие данные - все это хранится в битах.

Физически двоичные числа 0 и 1 могут быть представлены с использованием любого двух государств как монета (голова и хвост) или переключатель (вкл или выкл). В компьютерах биты являются наличие или отсутствие напряжения (1 или 0) или изменение или сохранение магнитного направления в магнитных жестких дисках.

Данные обрабатываются путем вычисления хранимых битов. Вычисления выполняются логическими элементами, которые обычно состоят из транзисторов, которые контролируют прохождение электронного сигнала. Если он пропускает сигнал, то это бит 1, а если сигнал обрезается, это 0.

Пределы транзисторов

С постоянно уменьшающимся размером микросхемы и растущим числом компонентов электронные устройства могут поставляться с миллионами транзисторов размером до 7 нм (что в 1000 раз меньше, чем у эритроцитов, и только в 20 раз больше, чем у некоторых атомов)..

Размер транзисторов может продолжать уменьшаться, но в конечном итоге они достигнут физического предела, когда электроны будут проходить сквозь них и не будет никакого контроля над потоком электронного сигнала.

Для постоянно растущей потребности в мощных вычислениях и небольших устройствах, ограничение размера базового электронного компонента - это ограничение прогресса. Ученые ищут новые способы, которые занимает меньше времени и места для вычисления и хранения данных, и один из способов, которыми мы можем использовать, это квантовые вычисления.

Кубиты, Суперпозиция и Запутывание

Квантовые вычисления используют кубиты вместо битов для представления данных. Кубиты представлены с использованием квантовых частиц, таких как электроны а также фотоны.

Квантовые частицы обладают такими свойствами, как спин и поляризация, которые можно использовать для представления данных. Например, кубит, вращающийся вверх, может быть равен 1, а нисходящий - 0..

Но сила квантовых вычислений проистекает из того факта, что в отличие от битов, которые равны 1 или 0, кубиты могут быть 1 и 0 одновременно, из-за свойства под названием суперпозиция, где квантовые частицы находятся в нескольких штатах в то же время.

Это увеличивает вычислительную мощность кубита, поскольку он может использоваться как для 1, так и для 0 во время вычисления и в конце, один раз измеренный, становится либо 1, либо 0.

Свойство суперпозиции можно легко объяснить известным мысленным экспериментом, проведенным на воображаемом коте австрийским физиком Шредингером..

В квантовом мире есть еще одно свойство, которое можно использовать в вычислительной технике. квантовая запутанность. Это в основном относится к свойства квантовых частиц, которые запутываются а также стать зависимыми друг от друга и, таким образом, не может быть изменен отдельно.

Они действуют как единая система с общим состоянием.

Скажем, 2 кубита запутываются, если одно из состояний кубита будет изменено, другое тоже изменится. Это приводит к реальной параллельной обработке или вычислениям, которые могут значительно сократить время вычислений по сравнению с традиционными компьютерами..

Трудности и использование

Ученые и инженеры преодолевают много практических препятствий, таких как создание контролируемой среды для кубитов а также найти способы манипулировать своими свойствами, добиться желаемого результата.

Но как только квантовые компьютеры с высокой вычислительной мощностью наконец созданы, их можно использовать для решения проблем, которые иначе займет очень много времени быть дополненным традиционными компьютерами.

Поиск главных факторов больших чисел, проблема коммивояжера для большого количества городов и другие подобные проблемы требуется экспоненциальное количество сравнений, чтобы получить результатs. Кроме того, поиск в колоссальных базах данных все еще очень трудоемкий процесс даже для современных цифровых компьютеров..

Эти проблемы могут быть решены с помощью квантовых компьютеров, которые могут решить проблемы, которые могут занять века на традиционных компьютерах, в считанные минуты.

(H / T: IBM)