Το κβαντικό πλεονέκτημα είναι το ορόσημο προς το οποίο εργάζεται με ανυπομονησία ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών, όπου ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να λύσει προβλήματα που είναι πέρα από την εμβέλεια των πιο ισχυρών μη κβαντικών ή κλασσικών υπολογιστών.
Το κβαντικό αναφέρεται στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων στην οποία καταρρέουν οι νόμοι της φυσικής καθώς τους βιώνουμε και εφαρμόζεται ένα διαφορετικό, αντιδιαισθητικό σύνολο νόμων. Οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται αυτές τις περίεργες συμπεριφορές για να λύσουν προβλήματα.
Υπάρχουν ορισμένοι τύποι προβλημάτων που δεν μπορούν να λυθούν με τους κλασικούς υπολογιστές, όπως το σπάσιμο αλγορίθμων κρυπτογράφησης τελευταίας τεχνολογίας. Η έρευνα των τελευταίων δεκαετιών έχει δείξει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να λύσουν ορισμένα από αυτά τα προβλήματα. Εάν μπορεί να κατασκευαστεί ένας κβαντικός υπολογιστής που λύνει πραγματικά οποιοδήποτε από αυτά τα προβλήματα, θα έχει επιδείξει κβαντικό πλεονέκτημα.
Είμαι ένας φυσικός που εργάζεται στην κβαντική επεξεργασία πληροφοριών και τον έλεγχο των κβαντικών συστημάτων. Πιστεύω ότι αυτό το σύνορο της επιστημονικής και τεχνολογικής καινοτομίας υπόσχεται όχι μόνο πρωτοποριακές προόδους στην πληροφορική, αλλά αντιπροσωπεύει επίσης μια ευρύτερη άνοδο της κβαντικής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων σημαντικών προόδων στην κβαντική κρυπτογραφία και την κβαντική ανίχνευση.
Η πηγή της δύναμης των κβαντικών υπολογιστών
Στην καρδιά του κβαντικού υπολογισμού βρίσκεται το κβαντικό bit ή qubit. Σε αντίθεση με τα κλασικά bit, τα οποία μπορούν να έχουν μόνο καταστάσεις 0 ή 1, ένα qubit μπορεί να έχει οποιαδήποτε κατάσταση που είναι συνδυασμός 0 και 1. Αυτή η κατάσταση, που δεν είναι ούτε το 1 ούτε και το 0, ονομάζεται κβαντική υπέρθεση. Με κάθε επιπλέον qubit διπλασιάζεται ο αριθμός των καταστάσεων που μπορούν να αναπαρασταθούν από τα qubit.
Αυτή η ιδιότητα συχνά συγχέεται με την πηγή της ισχύος του κβαντικού υπολογισμού. Αντίθετα, εξαρτάται από μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση υπέρθεσης, παρεμβολής και εμπλοκής.
Η παρέμβαση περιλαμβάνει τον χειρισμό των qubits έτσι ώστε οι καταστάσεις τους να συνδυάζονται εποικοδομητικά κατά τη διάρκεια των υπολογισμών για να ενισχύσουν τις σωστές λύσεις και καταστροφικά για να καταστείλουν τις εσφαλμένες απαντήσεις. Οι εποικοδομητικές παρεμβολές εμφανίζονται όταν οι κορυφές δύο κυμάτων – όπως τα ηχητικά κύματα ή τα κύματα του ωκεανού – συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια υψηλότερη τιμή κορυφής. Οι καταστροφικές παρεμβολές συμβαίνουν όταν μια κορυφή κύματος και μια κοιλότητα κύματος συναντώνται και αλληλοεξουδετερώνονται. Οι κβαντικοί αλγόριθμοι, οι οποίοι είναι λίγοι και δύσκολο να αναπτυχθούν, δημιουργούν μια ακολουθία μοτίβων παρεμβολών που παράγουν τη σωστή απάντηση σε ένα πρόβλημα.
Η εμπλοκή δημιουργεί μια μοναδική κβαντική συσχέτιση μεταξύ των qubits: η κατάσταση ενός qubit δεν μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα από τα άλλα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι τα qubits το ένα από το άλλο. Αυτό είναι που ο Άλμπερτ Αϊνστάιν απέρριψε περίφημα ως «τρομακτική δράση από απόσταση». Η συλλογική συμπεριφορά της εμπλοκής που ενορχηστρώνεται από έναν κβαντικό υπολογιστή επιτρέπει υπολογιστικές ταχύτητες που δεν μπορούν να επιτευχθούν με τους κλασικούς υπολογιστές.
Εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών
Ο κβαντικός υπολογιστής έχει πολλές πιθανές χρήσεις όπου μπορεί να ξεπεράσει τους κλασικούς υπολογιστές. Στην κρυπτογραφία, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ταυτόχρονα ευκαιρία και πρόκληση. Το πιο γνωστό είναι ότι έχουν τη δυνατότητα να αποκρυπτογραφήσουν τους τρέχοντες αλγόριθμους κρυπτογράφησης, όπως το ευρέως χρησιμοποιούμενο σχήμα RSA.
Μια συνέπεια αυτού είναι ότι τα σημερινά πρωτόκολλα κρυπτογράφησης θα πρέπει να αναθεωρηθούν για να αντέχουν μελλοντικές κβαντικές επιθέσεις. Αυτή η συνειδητοποίηση οδήγησε στο αναπτυσσόμενο πεδίο της μετα-κβαντικής κρυπτογραφίας. Μετά από μια μακρά διαδικασία, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας επέλεξε πρόσφατα τέσσερις αλγόριθμους ανθεκτικούς στα κβαντικά και άρχισε να τους προετοιμάζει ώστε οι οργανισμοί σε όλο τον κόσμο να μπορούν να τους χρησιμοποιούν στην τεχνολογία κρυπτογράφησης τους.
Επιπλέον, ο κβαντικός υπολογισμός μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την κβαντική προσομοίωση: την ικανότητα πρόβλεψης του αποτελέσματος των πειραμάτων στον κβαντικό τομέα. Ο διάσημος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν φαντάστηκε αυτή τη δυνατότητα πριν από περισσότερα από 40 χρόνια. Η κβαντική προσομοίωση προσφέρει τη δυνατότητα για σημαντικές προόδους στη χημεία και την επιστήμη των υλικών, βοηθώντας σε τομείς όπως η πολύπλοκη μοντελοποίηση μοριακών δομών για την ανάπτυξη φαρμάκων και επιτρέποντας την ανακάλυψη ή τη δημιουργία υλικών με νέες ιδιότητες.
Μια άλλη εφαρμογή της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών είναι η κβαντική ανίχνευση: ανιχνεύει και μετρά φυσικές ιδιότητες όπως ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, βαρύτητα, πίεση και θερμοκρασία με μεγαλύτερη ευαισθησία και ακρίβεια από τα μη κβαντικά όργανα. Η κβαντική ανίχνευση έχει αμέτρητες εφαρμογές σε τομείς όπως η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η γεωλογική εξερεύνηση, η ιατρική απεικόνιση και η επιτήρηση.
Πρωτοβουλίες όπως η ανάπτυξη ενός κβαντικού Διαδικτύου που συνδέει κβαντικούς υπολογιστές είναι κρίσιμα βήματα προς τη σύνδεση του κβαντικού και του κλασικού κόσμου των υπολογιστών. Αυτό το δίκτυο θα μπορούσε να ασφαλιστεί χρησιμοποιώντας κβαντικά κρυπτογραφικά πρωτόκολλα, όπως η διανομή κβαντικού κλειδιού, επιτρέποντας εξαιρετικά ασφαλή κανάλια επικοινωνίας που προστατεύονται από επιθέσεις υπολογιστή – συμπεριλαμβανομένων αυτών που χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές.
Παρά το αυξανόμενο εύρος εφαρμογών για κβαντικούς υπολογιστές, η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων που εκμεταλλεύονται πλήρως το κβαντικό πλεονέκτημα – ιδιαίτερα στη μηχανική μάθηση – παραμένει ένας κρίσιμος τομέας της συνεχιζόμενης έρευνας.
Μείνετε συνεπείς και ξεπεράστε τα λάθη
Ο τομέας των κβαντικών υπολογιστών αντιμετωπίζει σημαντικά εμπόδια στην ανάπτυξη υλικού και λογισμικού. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι σε ακούσιες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους. Αυτό οδηγεί στο φαινόμενο της αποσυνοχής, στο οποίο τα qubit διασπώνται γρήγορα στις καταστάσεις 0 ή 1 των κλασικών bit.
Η κατασκευή συστημάτων κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας που μπορούν να ανταποκριθούν στην υπόσχεση της κβαντικής επιτάχυνσης απαιτεί να ξεπεραστεί η αποσυνοχή. Το κλειδί βρίσκεται στην ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων για την καταστολή και τη διόρθωση των κβαντικών σφαλμάτων, έναν τομέα στον οποίο επικεντρώνεται η δική μου έρευνα.
Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, πολυάριθμες startups κβαντικού υλικού και λογισμικού έχουν αναδυθεί μαζί με καθιερωμένους παίκτες της βιομηχανίας τεχνολογίας, όπως η Google και η IBM. Αυτό το ενδιαφέρον του κλάδου, σε συνδυασμό με σημαντικές επενδύσεις από κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο, υπογραμμίζει τη συλλογική αναγνώριση του μετασχηματιστικού δυναμικού της κβαντικής τεχνολογίας. Αυτές οι πρωτοβουλίες ενθαρρύνουν ένα πλούσιο οικοσύστημα στο οποίο ο ακαδημαϊκός κόσμος και η βιομηχανία συνεργάζονται, επιταχύνοντας την πρόοδο στον τομέα.
Το κβαντικό πλεονέκτημα εμφανίζεται
Ο κβαντικός υπολογισμός θα μπορούσε μια μέρα να είναι τόσο ενοχλητικός όσο η εισαγωγή της γενετικής τεχνητής νοημοσύνης. Επί του παρόντος, η ανάπτυξη της τεχνολογίας κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται σε κρίσιμο σημείο. Από τη μία πλευρά, το πεδίο έχει ήδη δείξει πρώιμα σημάδια για την επίτευξη ενός στενά εξειδικευμένου κβαντικού πλεονεκτήματος. Ερευνητές της Google και αργότερα μια ομάδα ερευνητών στην Κίνα απέδειξαν το κβαντικό πλεονέκτημα στη δημιουργία μιας λίστας τυχαίων αριθμών με ορισμένες ιδιότητες. Η ερευνητική μου ομάδα έδειξε κβαντική επιτάχυνση για ένα παιχνίδι εικασίας τυχαίων αριθμών.
Από την άλλη πλευρά, υπάρχει πραγματικός κίνδυνος να εισέλθουμε σε έναν «κβαντικό χειμώνα», μια περίοδο μειωμένων επενδύσεων εάν δεν πραγματοποιηθούν πρακτικά αποτελέσματα στο εγγύς μέλλον.
Καθώς η τεχνολογική βιομηχανία εργάζεται για να επιτύχει κβαντικά πλεονεκτήματα σε προϊόντα και υπηρεσίες στο εγγύς μέλλον, η ακαδημαϊκή έρευνα συνεχίζει να επικεντρώνεται στην εξέταση των θεμελιωδών αρχών που διέπουν αυτή τη νέα επιστήμη και τεχνολογία. Αυτή η συνεχής θεμελιώδης έρευνα, που καθοδηγείται από ενθουσιώδη στελέχη νέων και έξυπνων μαθητών, όπως αυτούς που συναντώ σχεδόν καθημερινά, διασφαλίζει ότι το πεδίο θα συνεχίσει να εξελίσσεται.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το The Conversation είναι αξιόπιστες ειδήσεις από ειδικούς. Δοκιμάστε το δωρεάν ενημερωτικό μας δελτίο.
Το έγραψε: Daniel Lidar, Πανεπιστήμιο Νότιας Καλιφόρνια.
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Daniel Lidar λαμβάνει χρηματοδότηση από NSF, DARPA, ARO και DOE.