מחשבים קוונטיים נמצאים כאן. הם מסובך וכנראה לא יהפוך את הטלפון שלך מהר יותר

מחשבים קוונטיים צצים מדי פעם, כאובייקטים של עניין ודאגה - עניין משום שהם מעלים עליות אדירות כאלה בכוח המחשוב ובדאגה משום שהם עלולים פשוט לשבור את כל הקריפטוגרפיה הנוכחית שלנו. אין זו עוד שאלה של "אם", אלא של "מתי". מודל העבודה הראשון הופיע ב -1998, אך בשנים האחרונות חלה עליה מסיבית בכוח. אם אתה רוצה, אתה יכול אפילו לגשת לאחד המכונות הקוונטיות של יבמ באמצעות האינטרנט עכשיו.

המלכוד? מחשבים קוונטיים הם עדיין לא מאוד שימושי. הם דורשים כיום כמה ציוד מדעי ברמה גבוהה לתפקד, הם יקרים לבנות ולתחזק, והם טובים רק במשימות ספציפיות. השורה התחתונה היא כי מחשבים קוונטיים הם כמעט עד כדי להיות מכונות מדעיות מדהימות, אבל הם אף פעם לא ממש להאיץ את המסירה של תמונות חתול משרתי אינטרנט את העיניים.

"בשנות ה -40, החוקרים רק גילו כיצד להשתמש בצינורות ואקום כמתגים פשוטים. ... בוררים אלה יכולים אז ליצור שערים לוגיים, אשר יכול להיות מקושרים יחד כדי ליצור את מעגלים לוגיים הראשון. זה המקום שבו אנחנו נמצאים עכשיו עם מעבדים קוונטיים. יש לנו אימות כי כל הרכיבים לעבוד. השלב הבא הוא להנדס את המעגל הקטן ביותר, אך המעניין ביותר האפשרי. "- יונגסנג קים, אוניברסיטת דיוק

יותר מדי זמן, לא קראתי

מחשבים קוונטיים הם מסובכים, אז אם אתה רק מחפש לקבל את הרעיון בלי להיכנס לפרטים, זה בשבילך.

• מעבדים קונבנציונלי עבודה על ידי הרבה חלקים קטנים שיכולים להיות "התהפך" או 0 או 1 עמדה.
• סופרפוזיציה: תרחיש "חתול של שרדינגר": משהו יכול להתקיים במספר מדינות עד שהוא נצפה. עבור מחשבים קוונטיים זה אומר שהוא יכול לאחסן 0 ו 1 בו זמנית עד שהוא נקרא להיות אחד או את השני.
• התנגשות קוונטית: מאפיין המאפשר לחלקיקים קוונטיים לדבר זה עם זה - גם על פני מרחקים של קילומטרים רבים, כל שינוי שנעשה על חלקיק אחד ישפיע גם על השני. זה מאפשר מחשבים קוונטיים לשלב שבבים "superpositioned" כדי להגדיל באופן אקספוננציאלי מהירות שטח אחסון. שני בתים יכולים לאחסן רק אחת מהפעולות הבאות: 0-0, 0-1, 1-0 או 1-1. שני qubits יכול לאחסן את כל אלה.
• Quits: מחשבים קונבנציונליים להשתמש ביטים בתים; מחשבים קוונטיים להשתמש qubits. אלה הדברים שקיימים על המטוס בין 0 ל 1, והם מה שכולם מנסים להסתבך ולשים על הצ 'יפס.
• מחשבים קוונטיים הם לא מאוד שימושי עבור היומיומי מחשוב דברים, אבל הם הולכים להיות טוב בטירוף כמה דברים מורכבים מאוד.

מעבדים קונבנציונליים

מעבדים קונבנציונליים, כמו שבב Intel או AMD במחשב, הם למעשה מחשבונים שעוקבים אחרי נתיבים לוגיים - הם מקבלים נתונים וקבוצת הוראות המסבירה להם מה לעשות (מתמטיקה, כמו הוספה / הכפלה, לוגיקה, כמו ו- / NOT) . הם מבצעים את הפעולה ולשלוח את התוצאה כדי להיות מאוחסן במקום אחר. זה פשוט, קלט / מספר נכנס, פלט יוצא; אם זה נראה מופשט, רק לדמיין קופסה שחורה שלוקח הוראות וחומרים ויורק מוצר. אם יש לך מעבד 2.4GHZ, המחשב שלך עושה כ -2.4 מיליארד פעולות אלה לשנייה. את המספרים יותר אתה יכול לקבל את המעבד לשנייה, מהר יותר את התוכניות שלך יהיה לבצע.

ברמת החומרה, המעבדים מורכבים ממיליונים או אפילו מיליארדי טרנזיסטורים, שהם למעשה מתגים קטנים זעירים הנעים כל הזמן (הם אינם זזים, רק משנים את מצב המטען החשמלי שלהם) כדי לייצג אחת משתי מדינות: 0 או 1. אלה מסודרים בשערי ההיגיון, במטמון ובדברים מהודרים אחרים על השבב, אבל הדבר היחיד שאנחנו צריכים לדעת הוא שלטרנזיסטורים יש רק שתי מצבים אפשריים: הם תמיד נקבעים ל -0 או ל -1, ומאפשרים חישוב אחד ל ייעשה בכל פעם.

לסיכום: מעבדים קונבנציונליים עושים מיליארדים של פעולות פשוטות מאוד מהר מאוד באמצעות מיליונים / מיליארדי טרנזיסטורים מסודרים בדפוסים מסוימים מוגדר או 0 או 1, בהתאם להוראות.

חתול וסופרפוזיציה של שרדינגר

במקום להיכנס ישר לתוך האגוזים ואת הברגים, עדיף להתחיל עם כמה פיזיקה יפה שם בחוץ. (אל תדאג, אין מתמטיקה).

החתול של שרדינגר הוא אחת הדוגמאות המפורסמות ביותר לפיסיקה קוונטית, והוא עוסק ברעיון של "סופרפוזיציה". זה די פשוט: למדען יש קופסה עם חתול בפנים. לחתול יש סיכוי של 50% למות. (חתולים לא נפגעו בהמחשה זו). המדען לא פתח את הקופסא, ולכן הוא אינו יודע אם החתול חי או מת.

מבחינה אובייקטיבית, החתול חייב להיות מת או חי, אבל מנקודת מבט קוונטית בפיזיקה, שניהם נכונים, לפחות עד שהקופסה נפתחת. למה? כי (למטרותינו, לפחות, יש הרבה דרכים שונות להתקרב לכך) יחידת העיבוד של המדען (המוח שלו) אינה יודעת מהי התשובה, אלא שזה יכול להיות חתול חי או מת. בתיאוריה, המדען התכונן לשתי האפשרויות, כך שכאשר הוא פותח את הקופסה, מוחו מקבל את הקלט (החתול חי!) ומייצר את התפוקה המוקדמת (הקלה, מן הסתם).

"לא רק היקום זר ממה שאנחנו חושבים, הוא זר יותר ממה שאנחנו יכולים לחשוב." - ורנר הייזנברג

זהו סופרפוזיציה : הרעיון שקיים משהו במצבים מרובים עד שהוא נצפה, נמדד או פועל אחרת. כיצד זה חל על מחשבים קוונטיים? רק להחליף את המוח של המדען עם מעבד (מטאפורית): הוא כבר יודע את האפשרויות השונות (ההוראה יכולה להיות עבור 0 או 1), והוא מאחסן את כל האפשרויות בו זמנית. כאשר מדובר פלט, אם כי, זה פלטי 0 או 1, בדיוק כמו מעבד רגיל. כל האפשרויות יכולות להתקיים בו זמנית, אבל רק פלט אחד יכול להופיע. זה לא שימושי במיוחד עם רק שני מספרים, אבל ברגע שאתה בקנה מידה זה עד לנקודה שבה מחשבים קוונטיים יכול לחשב מיליארדי אפשרויות בכל פעם, הפוטנציאל מתחיל להיות ברור.

אנלוגיה, לדמיין לזרוק מטבע באוויר. בעוד הוא טס, הוא מסתובב ללא הרף בין ראשים וזנבות, ביעילות להיות ראשים, זנבות, ואת שני ראשים וזנבות. זה מה מעבד מחשב קוונטי עושה, ולכן זה יכול לחשב די הרבה כל תוצאה אפשרית באופן מיידי.

הסתבכות קוונטית

דברים מתחילים להיות מעניינים באמת כאן. מתברר כי חלקיקים קוונטיים יכולים להתקיים בזוגות וכי כל חבר של הצמד הוא תמונת ראי של האחר. זהו "הסתבכות קוונטית". אם יקרה משהו לחלקיקים 1, יתרחש שינוי הפוך בחלקיקים 2. איינשטיין קרא לזה "פעולה מפחידה מרחוק" בגלל כמה מוזר זה רכוש. חוקרים צבאיים אפילו מתנסים בשימוש בו כדי להחליף מכ"ם - רק לירות חצי זוג מסובך בשמים ולראות מה קורה השותף שלה כאן כדי להבין אם זה פגע במטוס.

"אם מכניקת הקוונטים לא מזעזעת אותך עמוקות, עדיין לא הבנת אותה" - נילס בוהר

זה קצת כיפוף המוח כדי לקבל את הראש מסביב, כך די לומר כי מחשבים קוונטיים יכולים להשתמש בסבך כדי להתחבר מספר "טרנזיסטורים קוונטיים" או "qubits" כדי להגדיל את רמת המורכבות אקספוננציאלית. מחשב יכול להסתכל על מצב של קוביט אחד ולאחר מכן להבין מה כל האחרים הם עד גם כי הם מסובכים.

Qubits

זה המקום שבו החומרה נכנס. Qubits הם, כמו ביטים המחשב קונבנציונאלי בתים, היחידה הבסיסית של אחסון מידע קוונטי. ההבדל הגדול הוא שכל קוביט קיים, במובן מסוים, הן 0 ו 1 בו זמנית, אשר ניתן לשכפל על שבבי מחשב בכמה דרכים שונות, מן מוליכים supercooled לייזרים. המטרה הסופית היא זהה, אם כי: לקבל איזה חלקיק להתקיים במצב קוונטי מוזר שבו הוא שני דברים בבת אחת. לדוגמה, רצועה זעירה של מתכת supercooled יכול להקפיץ אלקטרונים מסביב עם התנגדות קטנה מאוד, יצירת פוטנציאל עבור כל מדינה ולא מחזיק את qubit במצב אחד.

צעד טוב הבא הוא לסבך את qubits, אשר בעצם אומר שאתה צריך לסנכרן את כולם עד תדר זהה, כך שהם יכולים לעבוד יחד. זה עושה מחשבים קוונטיים הרבה יותר חזק מאז מקבל את qubits מסובך הוא מה מאפשר לך שבב שלם של אותם עובדים יחד. על עצמה qubit הוא מרשים למדי, אבל זה לא עושה שום דבר מרגש מדי. כאשר זה מסובך עם קוביט אחר, אם כי, הוא יכול לאחסן את כל הערכים האפשריים של שני qubits בשילוב: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, עם 2 ^ 2 אפשרויות. אם אתה לסבך שלושה qubits, עכשיו יש לך 2 ^ 3 אפשרויות (8). שיא השבב העולמי של יוני 2018 יש 72 qubits אשר יכול, בתיאוריה, לבצע כמו חישובים רבים בשנייה כמו מחשב אישי יכול במשך יותר משבוע.

כדי להפוך את זה קצת יותר פשוט: אם להשוות שני סיביות קונבנציונאלי לשני qubits, ההבדל הבולט ביותר הוא כי שני סיביות יכול להיות רק 0-0, 0-1, 1-0, או 1-1 - רק שילוב אחד של בינארי תוצאות. שני qubits, לעומת זאת, יכול לאחסן את כל אלה ארבעה באותו זמן, ומאז הם גדלים אקספוננציאלית, כמה qubits הולך הרבה יותר מאשר כמה חתיכות. 3 qubits הסתבכו יכול להיות 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0, 0- 1-0, בו זמנית - לשמור על קנה המידה זה כוח אחד בכל פעם, ואתה בסופו של דבר עם מחשב שיכול לאחסן כמה אפשרויות מורכבות מאוד.

בקרוב (עבור כמה דברים ספציפיים)

אז זה מחשב קוונטי: מכונה שיודעת את כל התשובות, אבל רק נותנת את זה שמתאים לשאלה. זו מכונה של כיפוף מחשבות, אבל היא נבנתה, וזה הולך וגדל וטוב יותר מהר, שקשה לעמוד בקצב. ייתכן שאתה תוהה מתי אתה הולך לקבל מקפיא משנה ארקטי זעיר מלא מדע מפחיד במחשב שלך, והתשובה היא, למרבה הצער, לא בקרוב. זה לא אומר שזה לעולם לא יקרה, אבל עכשיו זה יכול להיות די הרבה לתפקד רק בתוך המעבדה, ואת המחשב הנייד בן החמש שלך יכול כנראה לנצח מחשב קוונטי על רוב הדברים. מחשבים קוונטיים יהיה טוב מאוד בכמה דברים, אם כי, כמו:

• שבירת הצפנה: אתה לא צריך להיות הבעלים של Bitcoin כדי להיות מודאג על הצפנה פירוק. זה מה שומר כל דבר באינטרנט כמעט מלהיות קריא בגלוי לכל מי שרוצה לרדת ולהעיף מבט. Wi-Fi שלך? מוצפן. כרטיס אשראי? מוצפן. שבירת RSA הצפנה נחשב בלתי אפשרי עם מחשבים רגילים, אבל זה רק כי הם לא יכולים לנחש מהר מספיק. מחשבים קוונטיים מדהימים בניחוש. למרבה המזל, הסתבכות קוונטית נראה כאילו זה עשוי לספק דרך חדשה להצפין דברים.
• חיפוש כמויות עצומות של נתונים: מחשבים קוונטיים יכולים להעיף מבט בנתונים, לאחסן את כל התשובות ולענות על השאלה שלך מיד. תגיד שיש לך רשימה אקראית של מספרים, ואתה יודע את המספר 193, 201 מתרחשת איפשהו בו. מחשב קונבנציונלי צריך לעבור את כל המספרים כדי למצוא אותו, אבל מחשב קוונטי ידע איפה זה היה אפילו שאל.
• דוגמנות תרחישים מורכבים ביותר: מבנים כימיים, בעיות בפיסיקה, חיזוי מזג האוויר מערכות מורכבות מאסיביות עם הרבה תוצאות אפשריות - זה המקום שבו מחשוב קוונטי זורחת. מכיוון שהיא יכולה להתקיים בכל כך הרבה מצבים אפשריים בבת אחת, היא יכולה לשכפל את המורכבות האמיתית של העולם הטבעי המשתנה (שהוא עצמו במצב קוונטי)

"תוך פחות מעשר שנים, מחשבים קוונטיים יתחילו לעלות על ביצועי המחשבים היומיומיים, שיובילו לפריצות דרך בתחום הבינה המלאכותית, גילוי תרופות חדשות ומעבר להן. כוח המחשוב המהיר שניתן על ידי מחשבים קוונטיים יש פוטנציאל לשבש עסקים מסורתיים לאתגר את האבטחה הקיברנטית שלנו. עסקים צריכים להיות מוכנים לעתיד קוונטי כי זה מגיע. "- ג 'רמי O'Brien, אוניברסיטת בריסטול

מחשבים קוונטיים כפי שהם קיימים כיום נראים כאילו הם יהיו בעיקר מכונות לפתרון בעיות, אופטימיזציה של שרשראות אספקה, הפעלת בינה מלאכותית, חיזוי מזג האוויר, משחק בבורסה וכו '. יבמ, אינטל, D-Wave, Google וחברות אחרות כבר לייצר גרסאות של מכונות אלה ומחקר דרכים להפוך אותם מעשי יותר שמיש.

משוכה משמעותית אחת, עם זאת, היא כי מאז qubits בנויים על חישוב כל כך הרבה אפשרויות, מחשבים קוונטיים טועים לפעמים. חוקרים עובדים על תיקון זה, אבל זה עוד סיבה למה אתה כנראה לא יהיה מחשב קוונטי החלפת מעבד הרבה יותר מכני שלך (ולכן מדויק).

מסקנה: בלבול, אבל זה בסדר

"זה החלק היחיד של מיקרוסופט, שם הם שמו שקופיות שאני באמת לא מבין. אני יודע הרבה פיזיקה והרבה מתמטיקה. אבל המקום היחיד שבו הניחו שקופיות וזה הירוגליפים, זה קוונטי ". - ביל גייטס

קח את זה בנוח: רוב האנשים אין לי מושג איך החומר בתוך המחשב שלהם עובד, ואפילו אלה שיש להם רעיון כנראה לא מבין הכל על זה. הדבר הטוב ביותר על המתמחה את הדרך בה אנו עושים הוא שאתה לא צריך להיות מושג איך המעבד שלך עובד כדי לעשות דברים מדהימים עם זה, וזה יהיה נכון עם מחשבים קוונטיים. ההבדל העיקרי הוא כי בעוד שלך אינטל i7 הוא די מסודר, ללמוד על זה כנראה לא יגרום לך לשאול את עצם טבעו של המציאות.