Vývoj Kvantového Počítače

Pokud chcete popsat kvantový počítač a jeho schopnosti, někdy to zní, jako byste popisovali kouzlo - protože v kvantové doméně naše chápání fyziky již neplatí. Abychom pochopili kvantové počítače alespoň na začátku, měli bychom se nejprve podívat na klasické počítače: Počítač je založen na nejmenších elektronických obvodech, které jsou zasazeny do mikročipů, tzv. Integrovaných obvodů (IC), které obsahují aktivní a pasivní komponenty, kabely a tranzistory - malé elektronické spínače a nejmenší funkční jednotka v počítači.

Proč tranzistory nemohou být menší

Tranzistor funguje jako přepínač: používá k vyjádření stavu napěťové potenciály - buď 0 nebo 1, nejmenší binární jednotka v počítači, tzv. Bit. Tranzistory jsou vzájemně propojeny a vytvářejí logické brány. Tyto logické brány propojené dohromady mohou provádět nejjednodušší aritmetické a ukládací operace. Tyto jednoduché obvody jsou dostatečné k provádění vysoce složitých aplikací, které mohou dnešní moderní počítače dosáhnout.

Pro dosažení vyššího výkonu byla počítačová technologie po celá desetiletí miniaturizována. Dnes jsou tranzistory nepředstavitelně malé pouhých 10 nanometrů - 18 miliard tranzistorů se vejde na čip měřící dva až dva centimetry.

Nyní však bylo dosaženo fyzického limitu miniaturizace. Na jedné straně současné výrobní metody využívající ultrafialové světlo již nestačí k výrobě ještě menších tranzistorů. A na druhé straně, tranzistory, které mají pouze několik atomů, mají podivné fyzikální podmínky, které by podle našeho názoru neměly být možné: Ačkoli fyzická bariéra v tranzistoru může zabránit elektronům v postupu, dělají to v tomto malém měřítku překonat bariéru. Tento efekt tunelu se také nazývá kvantový mechanický efekt a zabraňuje klasickým počítačům, aby byly dále miniaturizovány.

Vědci však chtějí využít tohoto efektu k vývoji tzv. Kvantových počítačů.

Jak funguje kvantový počítač?

V kvantových počítačích není nejmenší jednotkou informace bit, ale kvantový bit nebo zkráceně qubit. Klasický bit má jasně definovaný stav 1 nebo 0. Quit také zná stavy 1 a 0, ale na rozdíl od konvenčního bitu má qubit oba stavy současně, takže není omezen na jeden stav. Tato vlastnost se nazývá superpozice.

A tady je to vzrušující: Stav superpozice je udržován pouze tak dlouho, dokud není pozorován qubit. Ve chvíli, kdy je stanoven stav qubits, nabývá s určitou pravděpodobností jasně definovaný stav - 1 nebo 0 -.

Výpočtový výkon kvantových počítačů je zde také jasný: V klasickém počítači lze reprezentovat čtyři různé kombinace (00, 11, 10, 01) s jedním bitem, z nichž si lze vybrat - ale s rychlostí lze všechny čtyři kombinace použít současně. stát se. Navíc jejich superpozice umožňuje qubitsům provádět paralelní aritmetické operace - a každý další qubit se exponenciálně násobí.

Druhou pozoruhodnou vlastností kvantových počítačů je zapletení. Dvě propletené qubity mají mezi sebou spojení - bez ohledu na jejich vzdálenost. I přes tisíce kilometrů převezme qubit stav svého zapleteného qubit bez jakéhokoli časového zpoždění.

Jak počítá kvantový počítač?

Jak již bylo popsáno, klasické počítače používají pro výpočty logické brány. V kvantových počítačích se používají tzv. Kvantové brány, a ačkoli se tyto brány výrazně liší, lze provádět stejné aritmetické operace - s průlomovým rozdílem, že kvantový počítač dokáže tyto výpočty provádět současně.

Co může kvantový počítač udělat

Šifrování: Tato schopnost může ve skutečnosti představovat hrozbu pro naše zabezpečení IT, zejména pro současné kryptografické metody šifrování. Hlavní faktorizace je běžné šifrování a je považována za velmi bezpečnou. Číslo se vytvoří vynásobením několika prvočísel. Obnovení původních prvočísel by současným počítačům trvalo 100 000 let. Protože kvantové počítače mohou provádět aritmetické operace paralelně, byly by schopny toto šifrování rozbít během několika minut pomocí takzvaného algoritmu Shor. To by zahrnovalo šifrování platforem elektronického obchodování, cloudové nabídky, elektronické bankovnictví, systémy IoT a vše, co je přenášeno v šifrované podobě na internetu.

Dobrou zprávou je, že kvantové počítače také umožňují nový typ šifrování, kvantovou kryptografii. Odborníci na bezpečnost však již dnes varují, aby přemýšleli o možných kvantových počítačích v budoucnosti - zejména s citlivými daty, která byla uložena po celá desetiletí, jako jsou například bankovní údaje, existuje riziko, že příchod kvantových počítačů rychle rozbije staré šifrování.

Databáze: Další aplikací kvantových počítačů je vyhledávání v gigantických databázích pomocí algoritmu Grover. Zatímco klasický počítač prohledává položku databáze po záznamu, kvantový počítač může položky díky své superpozici skenovat mnohem rychleji.

Simulace: Kvantová technologie může mít prospěch iu velmi složitých simulací, například samotné kvantové technologie nebo složitých molekulárních struktur, protože konvenční počítače zde dosahují svých limitů.

Technologie stručně vysvětlena

Vývoj výtahu Einstein

Jaký je aktuální stav kvantových počítačů?

Výzkumné instituce i společnosti v současné době staví kvantové počítače, i když se zde stále používají úplně jiné architektury. Google a IBM samostatně vytvářejí kvantový počítač založený na supravodivých páskových rezonátorech. Qubit je elektronový mrak uvnitř mikrovlnného oscilátoru. To se ochladí na 15 milikelvinů, což je téměř nula. Josephsonův kontakt nabízí možnost kvantového tunelování a úpravou frekvence oscilátoru lze křižovatky prokládat a použít kvantové brány.

V loňském roce Google způsobil senzaci představením svého prvního kvantového počítače, který provedl výpočet v minutách, který tradiční počítače skutečně trvalo 10 000 let. Tento výpočet byl proveden s 53 qubits. Jako další krok, Google chce implementovat čip s 1 000 qubits - množství qubits však není jediným rozhodujícím faktorem pro výpočetní výkon, qubits musí být také vysoké kvality, aby měly nízkou chybovost.

O tom, jak důležité budou kvantové počítače pro naši budoucnost, lze v tuto chvíli jen stěží říci. Výzkum na kvantovém počítači je stále v plenkách. Je nepravděpodobné, že nahradí naše klasické počítače, ale ve kterém směru se vývoj vyvíjí a jaký bude další kvantový skok - v tomto kontextu Janusovo slovo, protože fyzický kvantový skok je něco malého a malého - je nejistý.