▷ Co to jest procesor kwantowy i jak działa?

Być może zastanawiasz się, co to jest procesor kwantowy i jak on działa ? W tym artykule zagłębimy się w ten świat i spróbujemy dowiedzieć się więcej o tej dziwnej istocie, która być może kiedyś będzie częścią naszej pięknej obudowy RGB, oczywiście kwantowej.

Indeks treści

Jak wszystko w tym życiu, albo się dostosowujesz, albo umierasz. I to właśnie dzieje się z technologią, a nie dokładnie w ciągu milionów lat jako żywych istot, ale w ciągu kilku lat lub miesięcy. Technologia rozwija się w zawrotnym tempie, a duże firmy nieustannie wprowadzają innowacje w zakresie komponentów elektronicznych. Więcej mocy i mniej zużycia energii w celu ochrony środowiska to dziś modne lokale. Doszliśmy do punktu, w którym miniaturyzacja układów scalonych prawie osiąga granicę fizyczną. Intel twierdzi, że będzie to 5 nm, poza tym nie będzie obowiązującego prawa Moore'a. Ale inna postać zyskuje na sile i jest to procesor kwantowy. Wkrótce zaczynamy wyjaśniać wszystkie jego zalety.

Dzięki IBM jako prekursorowi duże firmy, takie jak Microsoft, Google, Intel i NASA, odważnie walczą o to, kto może zbudować najbardziej niezawodny i wydajny procesor kwantowy. I to z pewnością najbliższa przyszłość. Widzimy, na czym polega ten procesor kwantowy

Czy potrzebujemy procesora kwantowego?

Obecne procesory oparte są na tranzystorach. Przy użyciu kombinacji tranzystorów budowane są bramki logiczne do przetwarzania przepływających przez nie sygnałów elektrycznych. Jeśli dołączymy do szeregu logicznych bram, otrzymamy procesor.

Problem tkwi zatem w podstawowej jednostce - tranzystorach. Jeśli zminiaturyzujemy je, możemy umieścić więcej w jednym miejscu, zapewniając większą moc przetwarzania. Ale oczywiście istnieje fizyczna granica tego wszystkiego, kiedy osiągamy tranzystory tak małe, że są rzędu nanometrów, mamy problemy z elektronami krążącymi w nich, aby zrobić to poprawnie. Istnieje możliwość, że wymkną się one z kanału, zderzą z innymi elementami w tranzystorze i spowodują awarie łańcucha.

I właśnie w tym tkwi problem, że obecnie osiągamy granicę bezpieczeństwa i stabilności w produkcji procesorów z klasycznymi tranzystorami.

Obliczenia kwantowe

Pierwszą rzeczą, którą musimy wiedzieć, jest przetwarzanie kwantowe i nie jest to łatwe do wyjaśnienia. Ta koncepcja odbiega od tego, co dziś znamy jako informatyka klasyczna, która wykorzystuje bity lub stany binarne „0” (0, 5 wolta) i „1” (3 wolty) impulsu elektrycznego w celu utworzenia logicznych łańcuchów obliczalnych informacji.

Czcionka Uza.uz

Obliczenia kwantowe ze swojej strony używają terminu kubit lub łokieć w odniesieniu do informacji możliwych do wykonania. Kubit nie tylko zawiera dwa stany, takie jak 0 i 1, ale może również jednocześnie zawierać 0 i 1 lub 1 i 0, to znaczy może mieć te dwa stany jednocześnie. Oznacza to, że nie mamy elementu, który przyjmuje dyskretne wartości 1 lub 0, ale ponieważ może zawierać oba stany, ma charakter ciągły, a wewnątrz niego pewne stany, które będą coraz mniej stabilne.

Im więcej kubitów, tym więcej informacji można przetworzyć

Właśnie w jego zdolności do posiadania więcej niż dwóch stanów i posiadania kilku z nich jednocześnie. Możemy być w stanie wykonać więcej obliczeń jednocześnie i w krótszym czasie. Im więcej kubitów, tym więcej informacji można przetworzyć, w tym sensie jest to podobne do tradycyjnych procesorów.

Jak działa komputer kwantowy

Operacja oparta jest na prawach kwantowych rządzących cząsteczkami, które tworzą procesor kwantowy. Wszystkie cząsteczki oprócz elektronów mają protony i neutrony. Jeśli weźmiemy mikroskop i zobaczymy przepływ cząstek elektronów, moglibyśmy zobaczyć, że zachowują się podobnie do fal. Fala charakteryzuje się tym, że jest to transport energii bez transportu materii, na przykład dźwięku, są to wibracje, których nie widzimy, ale wiemy, że przemieszczają się w powietrzu, dopóki nie dotrą do naszych uszu.

Cóż, elektrony są cząsteczkami, które mogą zachowywać się zarówno jako cząstka, jak i fala, i to powoduje, że stany zachodzą na siebie, a 0 i 1 mogą występować jednocześnie. To tak, jakby rzucane były cienie obiektu, pod jednym kątem znajdujemy jeden kształt, a drugi inny. Połączenie tych dwóch form kształtuje obiekt fizyczny.

Tak więc zamiast dwóch wartości 1 lub 0, które znamy jako bity, które są oparte na napięciach elektrycznych, procesor ten może pracować z większą liczbą stanów zwanych kwantami. Kwant, oprócz pomiaru minimalnej wartości, jaką może przyjąć wielkość (na przykład 1 wolt), jest także w stanie zmierzyć najmniejszą możliwą zmienność, której ten parametr może doświadczyć, przechodząc z jednego stanu do drugiego (na przykład będąc w stanie różnicować kształt obiektu za pomocą dwóch jednoczesnych cieni).

Możemy mieć 0, 1 oraz 0 i 1 w tym samym czasie, to znaczy bity nakładają się na siebie

Żeby było jasne, możemy mieć 0, 1 oraz 0 i 1 w tym samym czasie, to znaczy bity nakładają się na siebie. Im więcej kubitów, tym więcej bitów możemy mieć nad sobą, a następnie więcej wartości możemy mieć jednocześnie. W ten sposób w 3-bitowym procesorze będziemy musieli wykonywać zadania, które mają jedną z tych 8 wartości, ale nie więcej niż jedną na raz. z drugiej strony, dla procesora 3 kubitowego będziemy mieli cząsteczkę, która może przyjmować osiem stanów jednocześnie, a następnie będziemy mogli wykonywać zadania z ośmioma operacjami jednocześnie

Aby dać nam pomysł, najpotężniejszy procesor, jaki kiedykolwiek stworzono, ma obecnie wydajność 10 teraflopów lub tyle samo operacji zmiennoprzecinkowych na 10 miliardów na sekundę. Procesor 30-kubitowy byłby w stanie wykonać taką samą liczbę operacji. IBM ma już 50-bitowy procesor kwantowy i wciąż jesteśmy w fazie eksperymentalnej tej technologii. Wyobraź sobie, jak daleko możemy się posunąć, ponieważ widać, że wydajność jest znacznie wyższa niż w przypadku zwykłego procesora. W miarę wzrostu kubitów procesora kwantowego operacje, które może on wykonywać, mnożą się wykładniczo.

Jak stworzyć procesor kwantowy

Dzięki urządzeniu, które jest w stanie pracować ze stanami ciągłymi zamiast mieć tylko dwie możliwości, można ponownie przemyśleć problemy, których do tej pory nie można było rozwiązać. Lub też rozwiązuj bieżące problemy w szybszy i bardziej wydajny sposób. Wszystkie te możliwości otwiera maszyna kwantowa.

Aby „kwantyzować” właściwości cząsteczek, musimy doprowadzić je do temperatur zbliżonych do zera absolutnego.

Aby osiągnąć te stany, nie możemy używać tranzystorów opartych na impulsach elektrycznych, które ostatecznie będą albo 1, albo 0. Aby to zrobić, będziemy musieli przyjrzeć się dokładniej prawom fizyki kwantowej. Będziemy musieli upewnić się, że kubit, fizycznie utworzony przez cząstki i cząsteczki, jest w stanie zrobić coś podobnego do tego, co robią tranzystory, to znaczy ustanowić relacje między nimi w kontrolowany sposób, aby zaoferować nam potrzebne informacje.

To jest naprawdę skomplikowane i zagadnienie do pokonania w obliczeniach kwantowych. Aby „skwantyzować” właściwości cząsteczek tworzących procesor, musimy doprowadzić je do temperatur zbliżonych do zera absolutnego (-273, 15 stopni Celsjusza). Aby maszyna wiedziała, jak odróżnić jeden stan od drugiego, musimy je odróżnić, na przykład prąd 1 V i 2 V, jeśli ustawimy napięcie 1, 5 V, maszyna nie będzie wiedziała, że ​​jest to jedno lub drugie. I właśnie to należy osiągnąć.

Wady obliczeń kwantowych

Główną wadą tej technologii jest właśnie kontrola tych różnych stanów, przez które materia może przepływać. Przy stanach równoczesnych bardzo trudne jest wykonywanie stabilnych obliczeń przy użyciu algorytmów kwantowych. Nazywa się to niekonsekwencją kwantową, chociaż nie pójdziemy do niepotrzebnych ogrodów. Musimy zrozumieć, że im więcej kubitów będziemy mieli więcej stanów, a im większa liczba stanów, tym większą będziemy mieć prędkość, ale również trudniejsze do kontrolowania będą błędy w zachodzących zmianach materii.

Co więcej, normy rządzące tymi stanami kwantowymi atomów i cząstek mówią, że nie będziemy w stanie obserwować procesu obliczeniowego podczas jego trwania, ponieważ jeśli będziemy w niego ingerować, stany nałożone zostaną całkowicie zniszczone.

Stany kwantowe są wyjątkowo delikatne, a komputery muszą być całkowicie izolowane pod próżnią i w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego, aby osiągnąć poziom błędu rzędu 0, 1%. Albo producenci płynnego chłodzenia wkładają baterie, albo kończy się komputer kwantowy na Boże Narodzenie. Z tego powodu przynajmniej w perspektywie średnioterminowej pojawią się komputery kwantowe dla użytkowników, być może kilka z nich będzie dystrybuowanych na całym świecie w wymaganych warunkach i będziemy mogli uzyskać do nich dostęp za pośrednictwem Internetu.

Używa

Dzięki mocy przetwarzania te procesory kwantowe będą wykorzystywane głównie do obliczeń naukowych i rozwiązywania wcześniej nierozwiązywalnych problemów. Pierwszym obszarem zastosowania jest prawdopodobnie chemia, właśnie dlatego, że procesor kwantowy jest elementem opartym na chemii cząstek. Dzięki temu można było zbadać kwantowe stany materii, których dziś nie da się rozwiązać za pomocą konwencjonalnych komputerów.

• Zalecamy przeczytanie najlepszych procesorów na rynku

Następnie może mieć zastosowania do badania genomu ludzkiego, badania chorób itp. Możliwości są ogromne, a roszczenia są realne, więc możemy tylko czekać. Będziemy gotowi do przeglądu procesora kwantowego!