El concepto y el principio del trabajo de una computadora cuántica

El tema de una computadora cuántica se ha vuelto muy popular recientemente, y hablar de un avance en la tecnología no disminuye, pero no hace mucho tiempo, el éxito de la investigación en el campo de los cálculos cuánticos fue algo de una serie de ficción. Nuevos términos irrumpieron en un flujo de información y ahora no menos bien que la inteligencia artificial y el aprendizaje automático. Aunque la investigación se realizó no durante la primera década, fue especialmente fructífera en términos de desarrollos y el rico para los eventos fue el año pasado, cuando IBM mostró al mundo la primera computadora cuántica comercial, y Google anunció el logro de la superioridad cuántica.

Los descubrimientos revolucionarios en la física moderna, que aseguraron una nueva ronda de desarrollo de las tecnologías informáticas, pueden sin exagerar cambiar el mundo y traer a la humanidad enormes beneficios con el uso adecuado. Si está interesado en este tema y desea comprender qué son las computadoras cuánticas, por el principio que funcionan y por qué son necesarios, entonces en este material hablaremos de esto lo más claramente posible, sin profundizar en el estudio de la cuánta. mecánica y la estructura del mundo cuántico.

¿Qué es una computadora cuántica?

Hoy ya hay una duda de si hay una computadora cuántica, no hay. Si hasta hace poco era solo el fruto de la fantasía de los científicos, ahora se ha convertido en un objeto completamente tangible, y podemos ver cómo se ve la implementación práctica del sistema.

Si habla en términos simples, qué es una computadora cuántica, entonces este es un medio de tecnología informática que utiliza las leyes de la mecánica cuántica en su trabajo. La máquina realiza ciertas tareas de manera más eficiente que una computadora simple que almacena datos en bits.

KK utiliza algoritmos cuánticos que usan efectos como la superposición y la confusión cuántica. Para los cálculos, se utilizan cubos (partículas cuánticas), capaces de estar en dos condiciones a la vez. Es decir, si el bit acepta uno de los dos valores posibles: 0 o 1, entonces el cubo es 0 y 1 al mismo tiempo, lo que permite al KC procesar datos y realizar tareas matemáticas miles de veces más rápido de lo habitual. No necesita resolver las combinaciones, como lo hace, incluida una supercomputadora, un sistema cuántico. La respuesta se calcula por la velocidad del rayo. Estas oportunidades abren la forma de resolver problemas que son imposibles hoy en día o que requieren grandes costos de tiempo.

La historia de la creación de computadoras de nueva generación se remonta a la distancia en 1981, cuando hablaron por primera vez sobre el uso de sistemas cuánticos para los cálculos. Entonces todavía estaba lejos de la implementación física, el primer algoritmo de trabajo para el KK apareció solo en 1994, y la primera máquina de 2 cúbicas se creó en 1998 en la Universidad de California en Berkeley. Durante décadas, las muestras experimentales han sido creadas por grupos de científicos de diferentes países, pero IBM y Google han logrado los mayores éxitos en este campo.

La raza de las compañías líderes está en pleno apogeo. En junio de 2020, Honeywell recibió un mensaje de que la computadora cuántica más potente se ha creado para hoy. La compañía afirma que el dispositivo creado es el doble que IBM y Google Quantum Systems, en cuestión de minutos las tareas de resolución, para las cuales las computadoras ordinarias necesitarían milenios. El desarrollo de Honeywell es impresionante con un indicador de rendimiento récord de 64 volúmenes cuánticos. El núcleo del sistema es una esfera de acero del tamaño de un baloncesto, enfriado por medio de helio líquido a una temperatura de -262.7 ° C. Contiene trampas de iones formados a partir de átomos, detienen el movimiento bajo la influencia de bajas temperaturas y están controladas por pulsos láser.

¿Por qué necesitas una computadora cuántica?

El procesamiento rápido de grandes matrices de datos utilizando nuevas tecnologías puede ayudar a resolver muchos problemas y afectar una variedad de áreas. Por ejemplo, el KC en solo unos segundos lidiará con la descomposición de los números que consisten en una gran cantidad de signos, para factores simples (el proceso en sí no es complicado, pero requiere grandes costos de tiempo, aquí es donde se basa la criptografía moderna) , y también resuelve una serie de problemas similares. Además, la tecnología también es adecuada para modelar situaciones difíciles, incluido el calcular las propiedades físicas de los elementos a nivel molecular.

Las principales áreas de aplicación de computadoras cuánticas:

• optimización global;
• Modelado de moléculas de ADN;
• creación de nuevos materiales;
• creación de drogas;
• Mejora del aprendizaje automático;
• Tareas de criptografía y cifrado (incluidos los algoritmos de cifrado de piratería y obtener acceso a cualquier información).

En esta etapa, las computadoras cuánticas se distinguen por la complejidad de la producción y la inestabilidad del trabajo, por lo que hasta ahora es posible desarrollar solo sistemas de alto rendimiento, encarcelados para un solo algoritmo y diseñado para un círculo muy estrecho de tareas.

¿Cuál es la diferencia entre una computadora cuántica de un regular?

Durante 30 años desde el concepto de "cálculos cuánticos", los desarrollos científicos permitieron que los sistemas informáticos de este tipo se hicieran realidad, aunque inaccesibles para un usuario ordinario. Las computadoras cuánticas se basan en un comportamiento único, que es fundamentalmente diferente del trabajo de máquinas estándar y familiares para nosotros y se describe mediante mecánica cuántica.

Los dispositivos son capaces de resolver problemas matemáticos en cuestión de segundos, cuya solución en una computadora ordinaria habría sido anhelada por miles de millones de años. Según Google, la máquina cuántica de Sycamore durante más de tres minutos ha completado los cálculos sobre los cuales la supercomputadora estándar habría caducado 10,000 años, esto se llama un término fuerte "superioridad cuántica".

La computadora habitual con la que cada persona moderna es familiar, así como un teléfono inteligente, tableta o computadora portátil, información en bits que aceptan el valor de 0 o 1, y puede presentar cualquier información, ya sea texto o imagen, elementos e elementos y artículos unidades. La diferencia fundamental y la ventaja de la computadora cuántica en la unidad operativa utilizada, llamada cubo (o bit cuántico). CUBIT puede estar en un estado de incertidumbre, en otras palabras, estar en diferentes estados al mismo tiempo, por analogía con el gato de Schrödinger (fenómeno de superposición).

La computadora cuántica es muchas veces más rápida y más poderosa de lo habitual, mientras que no es adecuada para la mayoría de las tareas cotidianas, ya que su principio de operación será muy diferente.

¿Cómo es una computadora del futuro?

Ahora consideremos con más detalle de qué consiste el sistema de alta tecnología. Como ya lo hemos descubierto, la unidad mínima de información en la computadora ordinaria es un poco que toma un valor de 1 o 0 (encendido o apagado), en una computadora cuántica, estos son cubos que pueden tomar todos los valores. Al mismo tiempo, las partículas cuánticas dependen de la medición, lo que significa la falta de información sobre el cubo hasta el momento de su medición, el proceso de medición también afecta el valor del bit cuántico, lo que puede parecer extraño, pero este es exactamente el caso.

Gracias a esta propiedad de los cubos (estadía simultánea en todas las condiciones), hasta que se midiera la partícula, la computadora supera instantáneamente las opciones de solución probables debido a la conexión disponible entre los cubos. Por lo tanto, la decisión se conoce tan pronto como se ingresaron los datos iniciales, es decir, la superposición determina la paralelidad de los cálculos, que acelera el funcionamiento de los algoritmos a veces.

El dispositivo de la computadora cuántica incluye:

• Administración de la computadora;
• generador de pulso que afecta a los cubos;
• registro estatal;
• UPC;
• Dispositivo de medición de Cubet.

Para trabajar entre los átomos, se proporciona una conexión cuántica y cuantos más lazos se formen los cubos, menor será la estabilidad del sistema. Para la superioridad cuántica sobre una computadora estándar, requerirá al menos 49 cubos, y en este caso la estabilidad del sistema ya está en duda. Cuando se crean numerosas dependencias, cualquier influencia externa puede influir en ellas.

Debido a la fragilidad de las relaciones KC, que consta de varios niveles principales, incluye el enfriamiento de átomos a cero casi absoluto, lo que le permite proteger de procesos externos, por esta razón, el dispositivo con la protección del procesador cuántico ocupa un gran volumen del espacio.

El principio de operación del KK

El esquema habitual del trabajo de computadoras, computadoras portátiles, teléfonos inteligentes o tabletas que utilizan el principio digital se basa en el uso de algoritmos clásicos, que es radicalmente diferente del principio de funcionamiento de la computadora cuántica. Por lo tanto, una computadora regular mostrará el mismo resultado, independientemente de cuántas veces ejecutar el cálculo, las opciones se calculan secuencialmente.

La computadora cuántica utiliza un principio de operación completamente diferente:. En cierto sentido, el sistema ya contiene todas las soluciones posibles. El resultado de los cálculos es la respuesta más probable, y no inequívoco, mientras que cada lanzamiento posterior del algoritmo cuántico, la probabilidad de obtener la respuesta correcta crece, lo que significa que después de 3-4 Run Run puede estar seguro de que llegamos al decisión correcta, por ejemplo, la clave de cifrado.

En los sistemas cuánticos que usan cubos en su trabajo, con un aumento en el número de partículas, crece exponencialmente y el número de valores procesados ​​simultáneamente.

Hablando sobre cómo funciona la computadora cuántica, vale la pena mencionar la conexión de los cubos. En presencia de varios cubos en el sistema, un cambio en uno también implicará un cambio en el resto de las partículas. La potencia informática se logra mediante cálculos paralelos.

A pesar de las inversiones multimillonarias, las tecnologías cuánticas se están desarrollando bastante lentamente. Esto se debe a una gran cantidad de dificultades que los científicos tuvieron que encontrar en el proceso de investigación, incluida la necesidad de construir sarcófagos de baja temperatura con el aislamiento máximo de la cámara con un procesador de cualquier posible influencia externa para preservar las propiedades cuánticas del sistema. Además, los investigadores tienen la tarea de resolver errores, ya que los procesos y cálculos cuánticos tienen una naturaleza probabilística y no pueden ser cien por ciento verdaderas.

La construcción de sistemas estables también está lejos del ideal, y al implementar una computadora cuántica a nivel físico, se utilizan varias soluciones que utilizan diferentes tecnologías. Por lo tanto, la creación de una computadora cuántica universal de pleno derecho todavía está en el futuro, aunque no tan lejos como parecía hace cinco años. Las compañías más grandes como IBM, Google, Intel, Microsoft se dedican a su creación, que han hecho una gran contribución al desarrollo de la tecnología, así como a algunos estados para los cuales este problema es de importancia estratégica.