Historia dhe rastet e përdorimit të mundshëm të teknologjisë kuantike
Prezantimi
Në vitet e fundit, shkalla e miniaturizimit të pajisjeve kompjuterike me qëllime të përgjithshme ka qenë e kufizuar për shkak të përparimeve teknike eksponenciale në strukturën e komponentëve, efikasitetin, shpejtësinë dhe përmirësimet e cilësisë. Këto ndryshime u nxitën dhe inkurajohen kryesisht nga nevoja sociale që lindin për komunikim, kohë të lirë dixhitale, ikje nga jeta reale dhe problemet e saj dhe puna në distancë për shkak të një situate të veçantë pandemike.
Prandaj, sapo një domosdoshmëri e ka shtyrë shkencën dhe teknikën në skaj, ne fillojmë të ndeshemi me një kufi fizik të pakapërcyeshëm, atomin. Për më tepër, pamundësia për të zvogëluar më tej madhësinë e pajisjeve klasike të përpunimit ka përhapur besimin se tendenca që mbështet ligjin e Moore do të rrafshohet në dekadat në vijim, pasi puna e inxhinierit do të të jetë shumë më e ndërlikuar kur ndërtoni mekanizma kaq të vegjël. Për të kuptuar mirë se çfarë do të thotë kjo dhe pse do të ndodhë, madhësia më e vogël e një tranzistori, blloku më themelor i ndërtimit të llogaritjes klasike, është rreth 2 nanometra. Kjo do të thotë se virusi më i vogël i gjetur në tokë është dhjetë herë më i madh se "transistori" më i vogël i ngulitur në një CPU. Duke e ditur këtë, është e përshtatshme të theksohet se diametri i një atomi varion midis 0,1 dhe 0,5 nanometra, që është një distancë jashtëzakonisht e afërt që po i afrohemi kur prodhojmë teknologji të nivelit të lartë.
Kufizimet e madhësisë jo vetëm që i pengojnë CPU-të të kenë më shumë transistorë dhe, në këtë mënyrë, më shumë fuqi llogaritëse, por gjithashtu i përjashtojnë ato nga të qenit të lirë ose të thjeshtë për t'u ndërtuar dhe riparuar për shkak të kompleksitetit të tyre të jashtëzakonshëm. Për më tepër, edhe nëse do të mund të dizajnonim një CPU që është një milion herë më i fuqishëm se i sotmi, do të ishte pak i dobishëm nëse do të kërkonte një milion herë më shumë energji për t'u ekzekutuar, duke futur çështje të reja për t'u marrë parasysh. Pra, atëherë, një zgjidhje e propozuar nga shumë ekspertë në mbarë botën në shkencat kompjuterike, fizikë, elektronikë dhe matematikë është ndërtimi i një të ashtuquajturi “kompjuter kuantik”. Megjithatë, kjo ide e kuantizimit të rregullave klasike nuk është aq bashkëkohore sa duket. Personi i parë që e prezantoi atë ishte Paul Benioff, një fizikan famëkeq amerikan, i konsideruar gjerësisht si babai i informatikës kuantike. Në punimin e tij të vitit 1981 “Kompjuteri si sistem fizik””, ai propozoi idenë e një “makine Turing kuantike” që do të përdorte parimet e mekanikës kuantike për të kryer llogaritje. Megjithatë, vetëm në vitin 1995 studiuesit "NIST" "Christopher Monroe" dhe "David Wineland" eksperimentalisht realizoi portën e parë logjike kuantike, portën e kontrolluar-NOT (C-NOT), e cila çoi në krijimin e "NMR" të parë funksionale 2-kubitëshe (Rezonanca magnetike bërthamore) kompjuter kuantik në 1998.
Pasi shpenzuan më shumë se dy dekada duke zhvilluar qasje të reja për realizimin eksperimental të portave logjike kuantike dhe duke demonstruar realizueshmërinë e tyre në laborator, ekipet shkencore në mbarë botën kanë ndërtuar me sukses procesorë kuantikë në platforma të ndryshme kuantike, duke filluar nga jonet e bllokuara deri te qarqet superpërcjellëse. Përveç kësaj, rritja e tij e shpejtë e ka bërë gjithashtu llogaritjen kuantike një opsion të zbatueshëm për zgjidhjen e disa prej problemeve më sfiduese me të cilat përballet njerëzimi. Gjithsesi, koha e shkurtër që ka ekzistuar kjo fushë ka qenë në disfavor të saj. Shumë zhvillues harduerësh, studiues dhe fizikantë që kanë ëndërruar të përmirësojnë këtë botë janë përballur me një sasi masive pengesash dhe pengesash; shumica e tyre e kanë origjinën nga njohuritë specifike të nevojshme për të kuptuar parimet e punës së një mënyre të ndryshme të trajtimit të elementeve fizike për të gjeneruar pajisje funksionale të zbatueshme në industri. Prandaj, marrëdhënia midis jo-ekspertëve dhe teknologjisë kuantike ka të ngjarë të jetë ajo ku grupi i parë shikon tek i dyti për zgjidhje të mundshme të problemeve, duke kuptuar se mund të ketë një vështirësi të madhe në zbatimin e këtyre ideve.
Pra, këto përparime të shpejta rezultojnë në një mosvetëdije të theksuar nga publiku i gjerë, ndonjëherë i mbingarkuar nga kontrasti i tij me thjeshtësinë e dukshme të teknologjisë antike nga shekulli i 20-të ose më herët. Përveç efekteve negative afatgjata në grupe të caktuara njerëzish që aktualisht janë lënë pas kur bëhet fjalë për arsimin teknologjik, ka gjithnjë e më shumë çështje që lidhen me ndikimin e tij në planet, mjedis dhe, për rrjedhojë, të gjithë ne. Lëshimi i produkteve po aq të avancuara sa ato që kemi në treg, jo vetëm në elektronikë apo llogaritje, por në të gjitha fushat, nënkupton shpenzimin e shumë burimeve dhe prodhimin e mbetjeve, të cilat mund të kenë pasoja të rënda për mirëqenien tonë fizike. Meqenëse nuk do të jemi në gjendje ta zgjidhim plotësisht këtë problem në një periudhë të shkurtër kohore, duhet të përfitojmë nga idetë, projektet, risitë dhe vullneti i njerëzve të sotëm për të arritur një mënyrë të qëndrueshme ekzistence.
Objektiv
Ky artikull synon të shpjegojë bazat e mekanikës kuantike, llogaritjen kuantike dhe përzierjen e saj me mësimin e makinerive sa më të thjeshtë që të jetë e mundur, duke ofruar një pamje të përgjithshme të atyre fushave kërkimore për të zgjidhur pyetjen e propozuar në titullin " A mund të na ndihmojë Mësimi Kuantik i Makinerisë të zgjidhim ndryshimin e klimës?”. Duke vepruar kështu, ne mund të rrisim njohuritë dhe besimin e shoqërisë në këto mjete të largëta dhe përçarëse, duke supozuar një mundësi të shkëlqyer për të mësuar, kontribuar dhe rritur ndërgjegjësimin për rastet e mundshme të përdorimit të saj, kryesisht në fushën e kujdesit mjedisor. Për më tepër, reduktimi i koncepteve të avancuara të pandashme të lidhura me gjuhën dhe matematikën në diçka më të njohur ofron gjithashtu një portë për studime dhe eksperimente të mëtejshme, thelbësore për ruajtjen e një ritmi intensiv të përparimit teknologjik pa shkaktuar një pengesë në aspekte të tjera të shoqërisë.
Meqenëse mundësitë janë të pafundme kur kemi të bëjmë me një fushë kaq të nevojshme për të hetuar si mekanika kuantike, njohja e bazave na detyron të përshtatim kornizën mendore me të cilën konceptojmë njohuritë dhe na jep një kuptim më të thellë të universit në të cilin jetojmë.
Konceptet bazë
Historia:
Përpara se të hidhemi drejt në konceptet e llogaritjes kuantike, duhet të kuptojmë parimet fizike që qëndrojnë në themel dhe mbështesin harduerin e tij. Së pari, le të zbulojmë historinë se si filloi të studiohej. Në fillim të shekullit të 20-të, fizika përbëhej nga tre komponentë të veçuar, Newton mekanika, Maxwellelektrodinamika , dhe Clausius-Boltzmann termodinamika. Së bashku, secila prej këtyre degëve të dijes përbënte një shpjegim të plotë të fenomeneve të njohura që u konsiderua “fizikë klasike”për shkak të natyrës së saj deterministe. Megjithatë, kur ishte fjala për modelimin e aspekteve më themelore të materies si spektret atomike, ose situatat afër shpejtësisë së dritës, ajo shkaktoi kontradikta të forta, të cilat më vonë çuan në Teorinë e Relativitetit të Ajnshtajnit. Përkundër kësaj, shkencëtarët vazhduan të kërkonin për një teori të unifikuar fizike që mund të përshkruante vazhdimisht të gjitha fenomenet natyrore përmes eksperimenteve të shumta. Disa prej tyre në mënyrë të pashmangshme na sollën në mekanikën kuantike që njohim sot.
Si shembull, nuk është e tepërt të theksohen problemet transcendentale si Katastrofa ultravjollcë, në të cilën dikush po përpiqej të gjente një ligj që do të modelonte sasinë e rrezatimit të emetuar. nga një trup i zi ideal. Ky objekt fizik thith të gjitha llojet e rrezatimit në lidhje me gjatësinë e valës së tij. Siç mund ta shihni në grafikun e mësipërm, funksioni përfaqëson gjatësinë e valës së “dritës” të emetuar nga një objekt që korrespondon me temperaturën e tij në gradë kelvin. Për shembull, nëse objekti nuk është mjaft i nxehtë, ai do të rrezatojë dritën infra të kuqe, të cilën njerëzit nuk mund ta shohin pa një pajisje të duhur zbulimi. Në vend të kësaj, objektet me një temperaturë në shiritin “I dukshëm” të grafikut prodhojnë rrezatim që ne mund ta perceptojmë si dritë. Për shembull, hekuri i nxehtë ka një ngjyrë të ndryshme nga një yll neutron. Kur shkencëtarët u përpoqën ta ndërtonin këtë funksion me mekanikën klasike, u propozuan dy qasje kryesore; ligji Rayleigh-Jeans dhe ligji «Wien-it, i cili nuk arriti të parashikonte saktë korrelacionin. Njëra prej tyre priret në pafundësi kur i afrohet vlerave me gjatësi vale të ulët, tjetra përkatësisht kur gjatësia e valës i afrohet vlerave më të larta.
Meqenëse zgjidhjet tradicionale të fizikës nuk patën sukses, Max Planckvendosi të zgjidhte matematikisht problemin duke ndërtuar një shpërndarje që do të përputhej me saktësi me shumicën e vlerave të funksionit dhe më pas do ta interpretonte atë. kuptimi fizik. Planck, i cili konsiderohet babai i mekanikës kuantike, arriti në përfundimin se energjia në të vërtetë është e kuantizuar, prandaj emri i degës së re të fizikës. Me pak fjalë, kjo do të thotë se drita (si dhe energjia) derdhet dhe përthithet në “paketa” të vogla të quajtura kuanta, jo në vazhdimësi siç konsiderohej.
Më në fund, pasi lindi mekanika kuantike, natyra filloi të kuptohej shumë më mirë falë eksperimenteve shtesë si "efekti fotoelektrik" ose "përvoja e dyfishtë të çarjes". Gjithashtu, ai inkurajoi zhvillimin teorik me vepra si postulatet e Bohr ose hipoteza e DeBroglie.
Bazat
Nëse dëshironi të dini më shumë rreth origjinës së mekanikës kuantike, mund të shkoni te seksioni i burimeve. Por tani, ne do të eksplorojmë teorinë prapa pjesës praktike të llogaritjes kuantike.
Një pjesë e madhe e njohurive bazohet në sjelljen e elektronit, nga shpejtësia në spin. Modelimi i këtyre parametrave dhe njohja e saktë e vetive të tij është thelbësore për të vepruar në distanca kaq të afërta me atomin, ku perceptimi njerëzor dhe paragjykimi luajnë një rol kuptimplotë në interpretimin e rezultateve ndonjëherë të çuditshme të eksperimenteve dhe provave teorike. Për të prezantuar këtë punë "të çuditshme" me të cilën dihet, le t'i përgjigjemi pyetjes; Çfarë është një elektron?. Meqenëse elektronet janë të njohura, ato janë përcaktuar si grimca nënatomike që përbëjnë një atom, së bashku me protonet ose neutronet. Karakteristika më emocionuese për të ditur rreth tyre është ngarkesa e tyre negative, e cila në kontrast me ngarkesën pozitive të protoneve, u jep vend ndërveprimeve elektrostatike dhe forcave nënatomike si elektromagnetike, përgjegjëse për mbajtjen e elektroneve rreth bërthamës së atomit.
Megjithatë, elektronet bëhen të çuditshme për t'u studiuar kur përpiqemi të dimë pozicionin, shpejtësinë ose momentin këndor të tyre, të lidhura gjithashtu me spin popullore ose momentin e brendshëm këndor, i cili mund të të jetë lart ose poshtë në këtë rast. Pra, nëse pyesim veten për vendndodhjen ose shpejtësinë e elektronit në hapësirë, do të na duhet të merremi me «Heisenberg pasigurinë parim, i formalizuar si më poshtë:
Formulat e mësipërme lidhin konstanten e Plankut hme sasitë e pasigurisë së pozicionit xdhe shpejtësisë v dhena tregon se nuk mund t'i masim të dy variablat njëkohësisht pasi ato janë të lidhura( dhe i lidhur me Transformimin Furier). Por pa futur kaq shumë detaje rreth provës së tij, ne mund ta zvogëlojmë dhe kuptojmë konceptin duke marrë në konsideratë shembullin e mëposhtëm: Imagjinoni që keni një objekt lëvizës në hapësirë dhe bëni një foto shumë të shkurtër ekspozuese. Në këtë rast, ju do të dini pozicionin e tij, por jo shpejtësinë e tij, pasi nuk jeni në gjendje të përcaktoni se ku do të lëvizë në hapin tjetër, kështu që keni pasiguri për shpejtësinë. Në vend të kësaj, nëse rritni kohën e ekspozimit të kamerës, do të jeni në gjendje të dini me siguri shpejtësinë e saj, por ky pozicion kohor do të jetë i papërcaktuar.
Ky fenomen ndodh me të gjitha variablat e mundshëm konjuguar që mund të nxjerrim nga elektronet, jo vetëm ato të përmendura më parë; pozicioni dhe momenti, energjia dhe koha, d.m.th., kjo ide për të mos qenë në gjendje të njohësh parametra të thjeshtë si pozicioni mund të duket kundërintuitive, por duhet të kujtojmë se kemi të bëjmë me komponentët më themelorë të të gjithë materies. Bota makroskopike drejtohet gjithashtu nga ligjet kuantike, por siç tha Aristoteli;
Një e tërë është më e madhe se shuma e pjesëve të saj
Për të përfunduar me shpjegimin e mekanikës bazë, është thelbësore të kemi idenë se materia nuk sillet gjithmonë si grimca, por edhe si valë. DeBroglie e prezantoi këtë hipotezënë 1924, dhe thelbi i saj qëndron në lidhjen e një gjatësi vale specifike me një grimcë në varësi të momentit të saj (shpejtësia).
Kjo hipotezë u bë e mundur nga eksperimente si ajo me dy çarje, në të cilat u tregua se matja në shkallë kuantike ka efekte të thella. Për të ditur pse ndodh, duhet të vërejmë se nga natyra, elektronet janë në një gjendje mbivendosjeje përmes së cilës ato mund të vendosen njëkohësisht në të gjitha pozicionet që i përkasin një rajoni të caktuar të hapësirës. Kjo gjendje e mbivendosjes ruhet gjithmonë për sa kohë që ne nuk e masim atë. Nëse përpiqemi të vëzhgojmë pozicionin e tij aktual, gjendja do të shembet dhe elektroni do të vendoset në një pikë hapësire të ndikuar nga funksioni i tij valor.
Siç mund ta shihni më lart, funksioni i valës ka një formë konkrete që përmbledh probabilitetin e gjetjes së elektronit në një pikë në hapësirë (sipas rregullit të lindur), duke pasur një vlerë më të lartë kur është më e mundshme për të gjetur elektronin dhe një vlerë më të ulët kur ndodh e kundërta. Më pas, pas matjes së një pozicioni të saktë dhe thyerjes së gjendjes së mbivendosjes, funksioni i valës shembet në një funksion alternativ me një kulm në pikën në të cilën u zbulua elektroni. Ky proces matematikor ka disa interpretime fizike si Interpretimi i Kopenhagësose interpretimi Shumë botë.
Njohja e pozicionit të një elektroni është e nevojshme për të kuptuar sjelljen e tij në kohë. Por më parë, ne duhet të gjejmë funksionin e tij valor Ψ(x, y, z, t), dhe modeli formal përgjegjës për ta bërë të mundur këtë është em>Ekuacioni i Schrodinger. Në thelb, është një ekuacion diferencial linear i përdorur për të marrë një funksion të përshtatshëm valor për një sistem kuantik, i cili mund të formohet nga grimca individuale nënatomike ose molekula të tëra komplekse. Secili prej këtyre sistemeve do të ketë një shprehje të ndryshme të ekuacionit të Schrodinger-it dhe shkaku i kësaj ndryshueshmërie është «operatori Hamiltonian, bërthama e ekuacionit:
Hamiltonian është një operator fizik i cili prezanton parimin ruajtjes së energjisë mekanike në ekuacion, duke punuar në mënyrë të ngjashme me fizikën klasike.
Për shembull, nëse kemi një atom Hidrogjen si një sistem kuantik dhe duam të dimë lëvizjen e një elektroni brenda tij, hamiltoniani do të jetë:
Meqenëse kjo shprehje mund të bëhet shumë më e madhe dhe komplekse në varësi të sistemit kuantik, ka disa mënyra për të gjetur një zgjidhje të përshtatshme për funksionin valor; ju lutemi vizitoni burimin e mëposhtëm për të mësuar në detaje se si e zgjidhin fizikanët:
Llogaritja Klasike
Kemi parë që llogaritja klasike po i afrohet kufirit atomik me disa pasoja, për shembull, efekti i tunelit kuantik. Për të kuptuar implikimet e tij, së pari le të përcaktojmë se çfarë është një kompjuter në formën e tij më të thjeshtë.
Të njohur gjithashtu si Makinat Turing universale, kompjuterët përbëhen nga një listë qelizash që përmbajnë një vlerë «diskrete. përfaqësohet zyrtarisht si 0 ose 1,quhet memoria kryesore . Jashtë kësaj ruajtjeje, një titull mund të presë në memorie, duke lexuar dhe modifikuar vlerat e qelizës të drejtuar nga një grup udhëzimesh (program)të koduara në një paraqitje binare dhe e ruajtur në memorie.
Por praktikisht, përfaqësimi formal i një kompjuteri është sjellë në realitet nga arkitektura Von Neumann. Në të vërtetë, lista e qelizave është formuar nga RAMdheSSD/HDDdisku. Kreu është një njësi përpunimi CPU (nganjëherë në kombinim me një GPUpër procese të paralelizueshme)e përbërë nga Qarqet bistable dhe kombinuese të aftë për të kryer operacione të drejtpërdrejta si përmbledhja, krahasimi i sasive, numërimi ose regjistrimi. Në të njëjtën kohë, siç mund ta shihni në dokumentacion, këto qarqe përmbajnë porta logjike, blloqet e ndërtimit të algjebrës boolean. Megjithëse, nëse shikojmë më afër shkallës atomike, do të shohim kombinime të transistorëve që përfaqësojnë funksionimin e portave logjike.
Duke qenë se transistorët veprojnë si barriera që lejojnë ose parandalojnë rrjedhën e rrymës (elektroneve),ndonjëherë dualiteti i valës grimcë të sjelljes së elektronit shkakton rrjedhje të rrymës në një proces të shënuar si tunelizimi kuantik , ku gjendja e mbivendosjes së elektronit lejon që ai të jetë në të dyja anët e barrierës “njëkohësisht”pavarësisht se ka një vlerë probabiliteti më të ulët në njërën anë se tjetra , siç mund ta shihni më lart. Ky efekt nënkupton problemet e ekzekutimit dhe prishjen e të dhënave, të cilat kryesisht zgjidhen me algoritme të korrigjimit të gabimeve, duke theksuar kodin Hammingnë shkencën kompjuterike si pikënisjen e këtyre algoritmeve.
Llogaritja kuantike
Nevoja për algoritme të fuqishme të korrigjimit të gabimeve në llogaritjen kuantike është dukshëm më e madhe se në pjesën tjetër të sistemeve të shkencës kompjuterike për shkak të kushteve ekstreme që duhet të mbajë hardueri i tij.
Kontrasti kryesor midis këtyre llojeve të llogaritjeve qëndron në natyrën e secilës qelizë memorie që përmban informacion diskrete. Megjithëse kompjuterët kuantikë përdorin të njëjtin paraqitje binar të të dhënave, ata kryesisht përdorin superpozicioni dhe ngatërrimit fenomene kuantike për zgjeroni kapacitetin e përpunimit të informacionit thelbësor për t'iu qasur problemeve komplekse NPnë mënyrë shumë më efikase sesa kompjuterët klasikë.
Shkurtimisht, ndërsa një bit klasik (qeliza e kujtesës) mund të jetë në një nga dy gjendjet themelore, një bit kuantik (Qubit)ka një gjendje të tretë të emërtuar superpozicioninë të cilin mund të marrë çdo kombinim linear të gjendjeve bazë, që ka një vlerë të pasigurt deri në matje (mbivendosje e thyerjese gjendjes) dhepërmbushja e rregullave të mekanikës kuantike.
Formalisht, gjendjet e kubitit përshkruhen me shënimin e Dirakut. Prandaj, gjendja e një qubit |Ψ⟩ përbëhet nga një kombinim i dy koeficientëve kompleksë, α dhe β, të shumëzuar me gjendjet themelore|0⟩ dhe|1⟩, respektivisht. Kështu, nëse e vizatojmë këtë informacion në një sferë të njohur si Sfera e Bloch, mund të kemi një ide më të mirë se çfarë është në të vërtetë një kubit.
Siç mund të konkludoni, sa më afër të jetë kubiti me |0⟩, aq më i madh është koeficienti përkatës dhe i njëjtë për |1⟩. Prandaj, mund të vërejmë se këta numra përmbajnë probabilitetin e marrjes së një gjendjeje specifike bazë kur thyejnë mbivendosjen.
Deri më tani, kjo mënyrë e ruajtjes së të dhënave mund të duket tepër e ndërlikuar. Megjithatë, çelësi që i bën kompjuterët kuantikë kaq të shpejtë në zgjidhjen e problemeve NP-Hard si faktorizimi i një numri të madh është të kesh shumë kubit në një sistem kuantik. Pavarësisht rritjes së problemeve të harduerit dhe nevojës për algoritme më të fuqishme të korrigjimit të gabimeve, sistemet e shumëfishta kubit përfitojnë nga superpozicioni i tyreduke kombinuar në mënyrë lineare të gjitha vlerat e mundshme të gjendjes bazë të të gjitha kubitëve të sistemit njëkohësisht. Pra, me nqubits, do të keni 2 në n koeficientët (bite klasike ekuivalente), të gjithë të nevojshëm për të përcaktuar gjendjen e mbivendosjes së sistemit kuantik.
Në pjesën tjetër, algoritmet kuantike do t'ju ndihmojnë të kuptoni dobinë e mbivendosjes në mënyrën më të mirë të saj.
Algoritmet Kuantike
Dihet prej disa vitesh që kompjuterët kuantikë do të ishin në gjendje të thyejnë protokollin e enkriptimit RSA me algoritmin e Shoritdhe kompjuterë mjaft të fuqishëm. Por, pse është çelësi i mbivendosjes kur zgjidhen detyra të tilla?. Përgjigja është e thjeshtë; një kompjuter kuantik mund të gjenerojë të gjitha përgjigjet e mundshme për një problem duke mbivendosur kubit të shumtë dhe të heqë zgjidhjet “të gabuara” duke ndërhyrë në mënyrë destruktive me mbivendosjet sikur të ishin “valë” .
Për të ndërtuar algoritme kuantike, në mënyrë të ngjashme me llogaritjen klasike, ne duhet të transformojmë kubitët e gjendjes fillestare në një gjendje përfundimtare duke asgjësuar në mënyrë sekuenciale portat logjike në një qark.
Më sipër, ju mund të shihni portat kryesore të pranishme në shumicën e algoritmeve. Për shembull, X-Gate është një ekuivalent i mohimit logjik; ndërkohë, portat Hadamard/ C-Not prezantojnë përkatësisht mbivendosjen dhe ngatërrimin. Mund të mësoni më shumë në udhëzuesin zyrtar Qiskit për të pasur një shpjegim të plotë të funksionimit dhe lidhjes së tij me portat klasike. Sidoqoftë, është e nevojshme të veçohet se të gjitha portat kuantike janë matrica unitare të kthyeshme, duke i bërë proceset e llogaritjes kuantike të kthyeshme. Gjithashtu, kompjuterët kuantikë janë pajisjet e vetme që mund të gjenerojnë një numër vërtet të rastësishëm me një qark kaq të thjeshtë si ky:
Si shembull i përmirësimit të efikasitetit mbi llogaritjen klasike, imagjinoni që keni një funksion boolean f(x) {0, 1}→{0, 1} dhe dëshironi të dini nëse është konstant ose i balancuar. Me një kompjuter klasik, ju do ta vlerësoni funksionin në 0 dhe 1 dhe do të krahasoni rezultatet nëse funksioni nuk është i kushtueshëm nga pikëpamja llogaritëse. Nëse është, mund t'ju duhet të përdorni algoritmin e Deutsche për të rritur në mënyrë eksponenciale performancën kohore të programit tuaj duke shmangur vlerësimin e dytë të funksionit.
Formalisht, është provuar që gjendja e kubitit të sipërm në fund të procesit do të jetë |0⟩ nëse f(x) është konstante dhe |1⟩ nëse jo. Por, për të kuptuar qartë se çfarë po bën algoritmi, ne mund ta ndajmë procesin në katër pjesë. Së pari, të gjitha kubitët inicializohen |a⟩ dhe vendosen në një gjendje mbivendosjeje me portat Hadamard |b⟩. Më pas, Uvepron si një portë C-Notpër të përshkuar të gjitha kombinimet e mundshme të vlerave hyrëse, duke shtuar funksioni si komponenti kryesor i përpunimit të mbivendosjes |c⟩. Së fundi |d⟩, një tjetër Hadamard thyen mbivendosjen e kubitit të parë dhe matet për të përfunduar detyrën.
Mësimi i Makinerisë Kuantike
Ky seksion meriton vëmendje të veçantë sepse është ende në zhvillim e sipër dhe ka qasje të ndryshme në varësi të llojit të problemit. Prandaj, këtu do të fokusohemi vetëm në bazat e rrjeteve nervore, teknika më e spikatur për të ardhmen e afërt.
Së pari, duhet të dimë se kryqëzimi midis fushave të mësimit të makinerive dhe llogaritjes kuantike gjeneron katër metoda pune në varësi të të dhënave dhe llojit të algoritmit.
Sipas diagramit, ne mund të kemi sisteme hibride ku kompjuterët klasikë dhe kuantikë punojnë së bashku për të koduar të dhënat dhe për të optimizuar modelet e mësimit të makinerive. Natyrisht, kuantizimi i një ose të dy proceseve ka avantazhet e veta. Për shembull, nëse modeli juaj klasik është shumë i thellë dhe i kushtueshëm për t'u kaluar gjatë stërvitjes, mund të dëshironi të përdorni superpozicionin të një modeli kuantik për të përmirësuar kohën e ekzekutimit, duke lënë detyra të tjera si p.sh. akordimi i parametrave në një pajisje klasike.
Meqenëse të dhënat janë thelbësore për të mbështetur këtë rrjedhë pune, një gamë e gjerë procesesh statistikore synojnë të nxjerrin modele nga të dhënat. Por rrjetet nervore meritojnë të theksohen për shkak të aftësisë së tyre të shkëlqyer të përgjithësimit të provuar në teorema si Teorema e përafrimit universal. Në mënyrë të përmbledhur, ato janë modele matematikore të diferencueshme në të cilat përdoret një proces trajnimi për të modifikuar parametrat e tyre në mënyrë që modeli të përshtatet me modelet e një grupi të dhënash hyrëse.
Siç mund ta shihni në paraqitjen e mësipërme nga ky, rrjetet nervore përpiqen të imitojnë funksionimin e trurit duke bashkuar shtresat e perceptroneve /strong>(neuronet),të cilat janë funksione që përmbajnë parametra të ndryshueshëm. Më pas, për të testuar efektivitetin e modelit në përshtatjen e një grupi të dhënash të dhënash të caktuar, një funksion i kostos llogaritet dhe minimizohet në çdo përsëritje trajnimi për të arritur një model “inteligjent” që më vonë kryen përfundime jashtë të dhënave të trajnimit.
Në rastin e rrjeteve neurale kuantike, ndryshimi kryesor është llogaritja e modelit për çdo përsëritje trajnimi, duke përshpejtuar procesin dhe aftësinë e tij të përgjithësimit duke u mbështetur në superpozicioni kuantik dhe ngatërresa. . Këtu, duhet të futni të dhëna klasike në një qark kuantik, duke i koduar ato të dhëna me U(x)blloqe portat nga |0⟩ kubitët e inicializuar. Më pas, të dhënat e formatuara saktë i futen modelit të diferencueshëm V(θ)në një gjendje mbivendosjeje dhe maten në mënyrë klasike për të marrë një dalje të përdorur për të minimizuar funksionin e kostos dhe për të rregulluar modelin parametrat (θ).
Ky ishte një shembull i thjeshtuar i esencës të mësimit të makinerive kuantike. Por duke qenë se është një fushë kaq e gjerë, mund të vazhdoni të mësoni më shumë rreth saj këtu.
Aplikacionet
Në thelb, njerëzit janë përpjekur të simulojnë elemente fizike si atomet në kompjuterët klasikë pothuajse që nga krijimi i tyre. Megjithatë, kjo detyrë bëhet në mënyrë eksponenciale e kushtueshme nga pikëpamja llogaritëse kur kemi të bëjmë me sisteme me shumë molekula. Për këtë arsye, kompjuterët kuantikë kanë filluar të përdoren në projekte të ndryshme kërkimore që synojnë modelimin besnik të ndërveprimeve midis materies për të fituar njohuri të reja dhe për të zhvilluar produkte me performancë superiore në treg dhe mënyra të reja komunikimi të cilat do të kenë një ndikim famëkeq në jetën tonë.
Lidhur me ndryshimin e klimës dhe kujdesin ndaj mjedisit, simulimi i një sistemi fizik duke përfshirë me sukses ligjet e fizikës kuantike nënkupton krijimin e materialeve të reja si grafeni ose ndonjë tjetër, vetitë e të cilit e lejojnë atë të të riciklohen plotësisht. Për shembull, plastika, materiali kryesor që gjeneron mbetje të planetit, mund të zëvendësohet nga një tjetër, vetitë e të cilit kontribuojnë në ripërdorimin/dekompozimin e duhur ose të modifikohet për ta bërë atë më të qëndrueshëm. Për më tepër, duke qenë se planeti tashmë është i ndotur deri në një farë mase, impiantet e riciklimit që mbështeten në modelet klasike të mësimit të makinerive për të radhur mbetjet do të përfitojnë nga përdorimi i kuantit modele. Ata do të përmirësojnë efikasitetin, shkallën e punës dhe saktësinë e tyre, duke shmangur problemet e grumbullimit të mbetjeve.
Materialet mund të kenë një ndikim në natyrë, por emetimet e CO2 janë sigurisht një nga komponentët kryesorë përshpejtues të efektit serë dhe ndryshimeve klimatike. Në këtë drejtim, është vërtetuar se kompjuterët kuantikë janë jashtëzakonisht të përshtatshëm kur kryejnë optimizimin e rrugës duke zgjidhur probleme si TSP,të cilat do të reduktonin emetimet e automjeteve. Megjithatë, avantazhet e automatizimit që ofrojnë dhe zhvillimi i mundshëm i baterive shumë të qëndrueshme janë aplikacionet më interesante për pothuajse të gjitha industritë, pasi ato do t'i jepnin fund emetimeve të dëmshme globale. E gjithë kjo duke supozuar se pakica e industrive dëmtuar nga ato përmirësime (kompanitë e naftës, ndër shumë të tjera) nuk e pengojnë me forcë zhvillimin e duhur të teknologjisë për qëllime thjesht ekonomike.
Në lidhje me aplikacione të tjera si nxjerrja në treg e barnave të reja, përmirësimi i teknikave të kujdesit shëndetësor, kura për kancerin, arritja e modelimit të vetëdijes dhe një kuptim më i mirë i trurit dhe ADN, iniciativa të tilla si JoinUs4ThePlanet janë të gatshme të përdorin teknologji përçarëse për të rritur ndërgjegjësimin për konsumin e qëndrueshëm dhe për të kontribuar në zhvillimin teknologjik që synon ruajtjen e mjedisit tonë.
konkluzioni
Kthehu tek pyetja e titullit, mund të themi se llogaritja kuantike mund të kontribuojë në pothuajse çdo fushë të jetës sonë, duke përfshirë luftën ndaj ndryshimeve klimatike. Gjithashtu, duhet të theksojmë se është një paradigmë që ka nevojë për kornizën klasike për të arritur një rezultat të dobishëm kur zgjidh një detyrë komplekse. Kështu, duke e konsideruar atë si një plotësues të llogaritjes klasike të përshtatshme vetëm për procese të rënda, mund të konkludojmë se ka ende shumë punë për t'u bërë, të cilat do të duhet t'i bëjmësë bashku në mënyrë që llogaritja kuantike të bëhet një mjet gjithëpërfshirës, por i sigurt, i kuptueshëm dhe që ndryshon lojën.
