Quantum Computing: Es ist verrückt

(völlig irrelevantes Bild, das cool aussieht, um Aufmerksamkeit zu erregen)

Wir haben schon seit einiger Zeit von Quantencomputern gehört, aber worum geht es bei dem Hype? Quantencomputer sind viel schneller als klassische Computer (das Gerät, mit dem Sie diesen Beitrag lesen). Werden sie unsere aktuellen Computer also veralten lassen?

Nein, das glaube ich nicht. Der Quantenprozessor würde sich zu einer Art Co-Prozessor entwickeln, der sich neben der normalen CPU befindet, um ihn bei Aufgaben zu unterstützen, die die Quantenparallelität nutzen. Kommen wir hier zum Punkt, also sind Quantencomputer nicht in allen Fällen schneller als klassische Computer? Nein, sind sie nicht.

Was ist also Quantenparallelität und wie kann ein Quantencomputer sie nutzen? Um zu wissen, wie ein Quantencomputer die Quantenparallelität nutzt, müssen wir zuerst wissen, wie ein klassischer Computer ein Problem löst.

Angenommen, wir haben so ein Labyrinth

(Matze)

Wie geht ein klassischer Computer mit dieser Lösung um (vereinfacht)

  • Wählen Sie eine erste Route
  • Versuchen Sie, sich nach links, rechts oder vorwärts zu bewegen (nicht rückwärts).
  • Überprüfen Sie, ob Sie sich außerhalb des Labyrinths befinden
  • Wenn Sie nicht draußen sind, wiederholen Sie Schritt 1
  • Wenn Sie sich nur rückwärts bewegen können, sind Sie gefangen.
  • Markieren Sie die Route als ungültig und wiederholen Sie die Schritte von Anfang an, wobei Sie die Schritte vermeiden, die zu ungültigen Routen führen.
  • Schließlich werden wir den richtigen Weg wählen, indem wir uns brutal durch jede einzelne Lösung zwingen

Dies ist sehr zeitaufwändig. Eine Möglichkeit, diesen Prozess zu beschleunigen, besteht darin, mehrere CPU-Kerne gleichzeitig zu verwenden, um mehrere Routen gleichzeitig zu überprüfen. Dies ermöglicht eine lineare Skalierung proportional zur Anzahl der CPU-Kerne. Die maximale Geschwindigkeit, die Sie erzielen können, hängt jedoch von der Anzahl der CPU-Kerne ab Sie haben, die in den meisten Fällen zwischen 4 und 16 liegen.

Sie können versuchen, eine GPU mit 1000 bis 4000 Kernen zu verwenden, um 4000 Routen gleichzeitig zu überprüfen, um eine viel bessere Beschleunigung zu erzielen. Wenn Sie jedoch über eine Million mögliche Routen verfügen, wird es für normale Prozessoren sehr schwierig, das Labyrinth zu lösen, da dies davon abhängt die Anzahl der Kerne für die Beschleunigung. Wie löst ein Quantenprozessor das Labyrinth?

Es ist sehr einfach, dass ein Quantenprozessor nicht durch die Anzahl der Kerne beschränkt ist, die die Quantenparallelität nutzen kann, um jede Route auf einmal zu überprüfen. Das klingt verrückt. Wie macht ein Quantencomputer dies, wie kann er mehrere Routen gleichzeitig überprüfen? Zeit? Dies geschieht unter Verwendung der Überlagerung.

Qubits: das Quantenäquivalent regulärer Bits

Normale Computer berechnen mit Bits, die zwei eindeutige Zustände entweder 0 oder 1 speichern können, aber Quantencomputer verwenden Qubits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können, oder?

Klassisches Bit gegen Qubit

Die meisten von uns haben vielleicht gelernt, dass sehr kleine Einheiten der Materie (Elektronen) die Eigenschaften beider Wellen und Materie aufweisen, die zwei unterschiedliche Zustände sind. Nun, sie zeigen die Eigenschaften von Welle und Materie gleichzeitig, so dass sie buchstäblich in zwei verschiedenen Zuständen gleichzeitig existieren. Ein Quantenbit verwendet ebenfalls eine Überlagerung und kann 1,0 und eine Überlagerung von 1 und 0 sein.

In klassischen Bits zeigt eine hohe Spannung 1 und eine niedrige Spannung eine Null an, wodurch die verschiedenen Zustände gemessen werden können. Wie können wir in Qubits den Überlagerungszustand messen?

Überlagerung: "Also bist du gleichzeitig tot und lebendig?"

Nun, Überlagerung ist ein Zustand vor der Messung, und es gibt keinen besseren Weg, dies zu erklären, als eine „vereinfachte“ Version von Schrödingers Gedankenexperiment zu verwenden. Schrödinger sperrte seine Katze in eine Metallbox mit einem radioaktiven Atom. Jetzt besteht eine Chance von 50 bis 50 dass das Atom radioaktiv zerfällt und die Katze anschließend an einer Strahlenvergiftung stirbt oder das Atom nicht zerfällt und die Katze lebt, um die Geschichte zu erzählen. Wir können nur wissen, ob die Katze tot oder lebendig ist, wenn wir die Schachtel öffnen, aber wie dort ist eine gleiche Wahrscheinlichkeit, dass die Katze tot oder lebendig ist, wenn die Kiste nicht geöffnet wird. Wir sagen, dass die Katze sowohl tot als auch lebendig ist (eine Überlagerung), wenn die Kiste nicht geöffnet ist, und sich beim Öffnen der Kiste in tot oder lebendig verwandelt Das heißt, wenn Sie die Schachtel öffnen und die Katze tot vorfinden, war sie vorher nicht tot, sondern starb in dem Moment, in dem Sie die Schachtel geöffnet haben, um das Ergebnis des Experiments zu messen. Im Wesentlichen haben Sie die Katze getötet, als Sie die Schachtel geöffnet haben :(. Lassen Sie uns zurückspulen und darüber nachdenken, was gerade hier passiert ist.

Qubits nutzen den Überlagerungszustand, um eine Quantenparallelität zu erreichen. Ein weiteres Beispiel, das zum Verständnis des Konzepts beiträgt, ist ein Münzwurfexperiment. Angenommen, Sie werfen eine Münze, das mögliche Ergebnis ist entweder Kopf oder Schwanz (0 und 1), wenn Wenn Sie die Münze werfen, besteht die gleiche Wahrscheinlichkeit, dass der Endzustand entweder Kopf oder Schwanz sein kann, was zu einer Überlagerung des Zustands führt. Wenn die Münze in diesem Moment endgültig in Ihrer Hand landet, zwingen wir die Münze aus einem Überlagerungszustand in einen bestimmten Zustand eine (entweder Kopf oder Schwanz). Wenn Sie einen Kopf in dieser Welt bekommen, gibt es eine Parallelwelt, in der das Ergebnis der Münze ein Schwanz war. Ein Quantencomputer kann dieses Parallelweltkonzept verwenden, um alle möglichen Zustände eines Ergebnisses in einer einzigen Berechnung zu berechnen. So gehen wir vor Verwenden Sie Quantenparallelität, um Probleme zu lösen. Dies ist der Fall, wenn ein klassischer Computer ein einzelnes Bit verwenden kann, um einen einzelnen Zustand darzustellen. . . . . . (0 oder 1) Zum Zeitpunkt kann ein Qubit 2 Zustände darstellen (sowohl 0 als auch 1). Wie ein Quantencomputer mit der Anzahl der Qubits skaliert, ist ziemlich faszinierend. Wenn 3 klassische Bits verwendet werden, um ein Nein darzustellen, können sie nur einen einzelnen Zustand darstellen, z. B. (000,001,010,111) usw., aber ein 3-Qubit kann 8 von darstellen die alle möglichen Zustände gleichzeitig unter Verwendung der Überlagerung (qqq, in der jedes q entweder 0 oder 1 sein kann), so dass für die Berechnungen eines klassischen Computers 8 nur eine Qubit-Berechnung erforderlich ist. Wenn die Anzahl der Qubits die Daten erhöht, steigt ein Quantencomputer exponentiell an 2 ^ n wobei n die Anzahl der Qubits ist. Wenn also jedes Qubit die Kapazität eines Quantencomputers zur Verarbeitung von Daten verdoppelt, sehen wir jetzt eine Zunahme von 10 bis 12 Qubits pro Jahr, was zu einer Beschleunigung der Größenordnung von 1024 bis 4096 führt als ein Quantencomputer, der im Jahr zuvor hergestellt wurde, was im Vergleich zu der durch das Mooresche Gesetz für CPUs vorhergesagten Erhöhung der Spitzengeschwindigkeit gigantisch ist.

Quantenverschränkung: "Die Kraft der Liebe ist schneller als das Licht"

Ein weiteres Phänomen, das wir in Quantencomputern nutzen, ist die Verschränkung. Wenn wir zwei Elektronen nehmen und sie verwickeln, hängen sie zusammen, wenn wir versuchen, eine zu ändern, würde dies das andere Elektron sofort beeinflussen. Nehmen wir an, wir nehmen 2 Elektronen und verwickeln uns dann mit einem cnot-Gate. Wir versetzen sie in einen Überlagerungszustand und bringen sie an die Enden des Universums. Jetzt haben beide Elektronen die gleiche Wahrscheinlichkeit, sich im oder gegen den Uhrzeigersinn zu drehen Wir messen ein Elektron und finden seinen Spin. Diese Aktion ändert sofort den Spin des anderen verschränkten Elektrons in die entgegengesetzte Richtung. Diese sofortige Aktion ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit, aber Einstein sagte voraus, dass sich nichts schneller als Licht fortbewegen kann nannte diese gruselige Aktion in einiger Entfernung.

(gruselig in der Tat)

Sie denken also vielleicht: „Diese Quantencomputertechnologie scheint so futuristisch zu sein, dass ich in diesem Jahrzehnt auf keinen Fall einen Quantencomputer verwenden kann.“ Nein, Sie irren sich, Sie können jetzt einen Quantencomputer verwenden .IBM bietet Ihnen echte Quantencomputer Computer zum Basteln mit 5 Qubits ab sofort

Die eigentliche Anwendung von Quantencomputern liegt in der Proteinsimulation und der Cracking-Verschlüsselung. Der Schlüssel zur Verschlüsselung besteht darin, dass die Primfaktoren einer sehr großen Zahl praktisch unlösbar sind. Sie können die Zahl aus den Primfaktoren generieren, indem Sie sie multiplizieren, aber Sie können die Primfaktoren nicht generieren leicht von der Zahl zurück. Versuche, dies zu lösen, waren, indem alle möglichen Kombinationen einzeln brutal erzwungen wurden, was mehr Zeit als das Alter des Universums in Anspruch nehmen kann. Aber die Ankunft von Quantencomputern würde das Spiel verändern, Quantencomputer können alle durchlaufen Lösungen, die sofort Quantenparallelität verwenden und alle modernen Verschlüsselungen unbrauchbar machen. Aber keine Sorge, nach der Ankunft der Quantencomputer würde es eine Kryptographie geben, die als Post-Quanten-Kryptographie bezeichnet wird und selbst für Quantencomputer praktisch nicht knackbar ist.

Täglich finden sich neue Anwendungen von Quantencomputern, bei denen IBM vorhersagt, dass Quantencomputer innerhalb von 5 Jahren zum Mainstream werden und es keinen besseren Zeitpunkt für den Einstieg in das Quantencomputing gibt als jetzt. Probieren Sie es also aus, anstatt darauf zu warten, dass Ihr quantenbetriebenes Macbook eintrifft IBM Q Erfahrung