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 in diesem Hype? Quantencomputer sind viel schneller als klassische Computer (das Gerät, mit dem Sie diesen Beitrag lesen). Werden sie also unsere aktuellen Computer 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 ausnutzen. Kommen wir also zum Punkt, dass Quantencomputer nicht in allen Fällen schneller sind als klassische Computer. Nein, das sind sie nicht.

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

Angenommen, wir haben ein Labyrinth wie dieses

(Matze)

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

  • Wählen Sie eine erste Route
  • Versuche dich 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 durch jede einzelne Lösung quälen

Dies ist sehr zeitaufwendig. Eine Möglichkeit, diesen Prozess zu beschleunigen, besteht darin, mehrere CPU-Kerne gleichzeitig zu verwenden, um mehrere Routen gleichzeitig zu überprüfen. Dies ermöglicht eine lineare Vergrößerung proportional zur Anzahl der CPU-Kerne. Die maximal mögliche Geschwindigkeit hängt jedoch von der Anzahl der CPU-Kerne ab Sie haben in den meisten Fällen einen Wert zwischen 4 und 16.

Sie können versuchen, eine GPU mit 1000–4000 Kernen zu verwenden, um 4000 Routen gleichzeitig zu überprüfen und eine deutlich bessere Geschwindigkeit zu erzielen. Wenn Sie jedoch über eine Million mögliche Routen verfügen, wird es für normale Prozessoren sehr schwierig, das Labyrinth zu lösen, je nachdem, worauf es ankommt die Anzahl der Kerne für die Beschleunigung. Wie löst ein Quantenprozessor das Labyrinth?

Es ist sehr einfach, dass ein Quantenprozessor nicht an die Anzahl der Kerne gebunden ist. Er kann die Quantenparallelität nutzen, um jede Route auf einmal zu überprüfen. Das klingt verrückt. Wie macht ein Quantencomputer das? Wie kann er mehrere Routen gleichzeitig überprüfen? Dies geschieht durch Ausnutzung der Überlagerung.

Qubits: das Quantenäquivalent von regulären Bits

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

Klassisches Stück gegen Qubit

Die meisten von uns haben vielleicht gelernt, dass sehr kleine Einheiten der Materie (Elektronen) die Eigenschaften beider Wellen und Materien aufweisen, die zwei verschiedene 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 gibt eine hohe Spannung 1 und eine niedrige Spannung eine Null an, wodurch die verschiedenen Zustände gemessen werden können. In Qubits, wie können wir den Überlagerungszustand messen?

Überlagerung: "Bist du also gleichzeitig tot und lebendig?"

Nun, die Überlagerung ist ein Zustand vor der Messung, und es gibt keinen besseren Weg, dies zu erklären, als mit einer „vereinfachten“ Version von Schrödingers Gedankenexperiment. Schrödinger schloss seine Katze in eine Metallbox mit einem radioaktiven Atom ein dass das Atom radioaktiv zerfallen kann 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 Kiste öffnen, aber wie dort Ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Katze tot oder lebendig ist, wenn die Kiste nicht geöffnet wird, gleich hoch, sagen wir, dass die Katze sowohl tot als auch lebendig ist (eine Überlagerung), wenn die Kiste nicht geöffnet wird und sich beim Öffnen der Kiste entweder in tot oder lebendig verwandelt Wenn Sie also die Schachtel öffnen und die Katze tot auffinden, war sie noch nicht tot, starb jedoch in dem Moment, in dem Sie die Schachtel öffneten, um das Ergebnis des Experiments zu messen. Im Grunde hast du die Katze getötet, als du die Schachtel geöffnet hast :(. Lass uns zurückspulen und darüber nachdenken, was gerade hier passiert ist.

Qubits nutzen den Überlagerungszustand, um Quantenparallelität zu erreichen. Ein weiteres Beispiel, das zum Verständnis des Konzepts hilfreich ist, 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 dem Überlagerungszustand in einen eindeutigen Zustand eine (entweder Kopf oder Schwanz). Wenn Sie einen Kopf in diese Welt bekommen, gibt es eine Parallelwelt, in der das Ergebnis der Münze ein Schwanz war. Ein Quantencomputer kann dieses Konzept der Parallelwelt verwenden, um alle möglichen Zustände eines Ergebnisses in einer einzigen Berechnung zu berechnen Verwenden Sie Quantenparallelität, um Probleme zu lösen. Wenn ein klassischer Computer ein einzelnes Bit verwenden kann, um einen einzelnen Zustand darzustellen. . . . . . (0 oder 1) Zur Zeit kann ein Qubit 2 Zustände darstellen (sowohl 0 als auch 1). Es ist ziemlich faszinierend, wie ein Quantencomputer mit der Anzahl der Qubits skaliert. Wenn 3 klassische Bits verwendet werden, um eine Nein darzustellen, können sie nur einen einzelnen Zustand darstellen, z. B. (000.001.010.111) usw. Eine Zeit kann jedoch 8 von 3 Qubits darstellen Die alle möglichen Zustände gleichzeitig unter Verwendung der Überlagerung (qqq, in der jedes q entweder 0 oder 1 sein kann). Was also für einen klassischen Computer 8 Berechnungen benötigt, benötigt für ein Qubit nur 1 Berechnung 2 ^ n wobei n die Anzahl der Qubits ist. Damit jedes Qubit die Kapazität eines Quantencomputers zur Datenverarbeitung verdoppelt, sehen wir jetzt eine Zunahme von 10-12 Qubit pro Jahr, was einer Beschleunigung von 1024-4096 entspricht 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 verschränken, sind sie miteinander verbunden, wenn wir versuchen, eine Änderung an einem vorzunehmen, würde dies sofort das andere Elektron beeinflussen. Nehmen wir an, wir nehmen 2 Elektronen und verwickeln sie dann mit einem Cnot-Gate und versetzen sie in einen Überlagerungszustand und bringen sie an die Enden des Universums. Nun 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 der Ferne.

(gruselig in der Tat)

Vielleicht denken Sie: „Diese Quantum-Computertechnologie scheint so futuristisch zu sein, dass ich in diesem Jahrzehnt keinen Quantencomputer mehr verwenden kann. Nein, Sie irren sich, Sie können jetzt einen Quantencomputer verwenden .IBM bietet Ihnen echte Quanten rechner 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 durch Multiplikation generieren, aber Sie können die Primfaktoren nicht generieren Versuche, das Problem zu lösen, bestanden darin, alle möglichen Kombinationen nacheinander zu erzwingen, was mehr Zeit in Anspruch nehmen kann als das Alter des Universums. Aber die Ankunft von Quantencomputern würde das Spiel verändern, und Quantencomputer können alle Aufgaben durchlaufen Lösungen, die auf einmal Quantenparallelität verwenden, machen jede moderne Verschlüsselung unbrauchbar. Aber keine Sorge, nach dem Eintreffen von Quantencomputern würde es eine Kryptographie geben, die als Post-Quanten-Kryptographie bezeichnet wird und selbst für Quantencomputer praktisch unknackbar ist.

Täglich werden neue Anwendungen für Quantencomputer gefunden, und IBM prognostiziert, dass Quantencomputer innerhalb von fünf Jahren zum Mainstream werden. Es gibt wohl keinen besseren Zeitpunkt, um sich mit Quantencomputern zu befassen als jetzt IBM Q-Erfahrung