Η κβαντική πληροφορική θα αλλάξει τον κόσμο. Δείτε τι σημαίνει αυτό για εσάς. - kavalarissa.eu

Header Ads

Breaking News
recent

Η κβαντική πληροφορική θα αλλάξει τον κόσμο. Δείτε τι σημαίνει αυτό για εσάς.


Ο κόσμος της επιστήμης και της τεχνολογίας έχει καταστραφεί για τους κβαντικούς υπολογιστές εδώ και χρόνια, αλλά οι συσκευές δεν επηρεάζουν ακόμα την καθημερινότητά μας. Τα κβαντικά συστήματα θα μπορούσαν να κρυπτογραφούν άψογα τα δεδομένα , να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε το τεράστιο όγκο των δεδομένων που έχουμε ήδη συλλέξει και να λύσουμε σύνθετα προβλήματα που ακόμα και οι πιο ισχυροί υπερυπολογιστές δεν μπορούν - όπως η ιατρική διάγνωση και η πρόγνωση του καιρού.

Αυτό το νεφελώδες κβαντικό μέλλον έγινε ένα βήμα πιο κοντά τον Νοέμβριο, όταν το top-tier journal Nature δημοσίευσε δύο άρθρα που έδειξαν μερικά από τα πιο προηγμένα κβαντικά συστήματα ακόμα.

Αν ακόμα δεν καταλαβαίνετε τι είναι ένας κβαντικός υπολογιστής, τι κάνει ή τι μπορεί να κάνει για σας, ποτέ δεν φοβάστε. Ο Futurism μίλησε πρόσφατα με τον Mikhail Lukin , καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και τον ανώτερο συγγραφέα  μιας από αυτές τις εφημερίδες , σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση της κβαντικής πληροφορικής, όταν θα μπορούσαμε να έχουμε κβαντική τεχνολογία στα τηλέφωνα ή στα γραφεία μας και τι θα χρειαστεί να συμβεί αυτό.

Αυτή η συνέντευξη έχει επεξεργαστεί ελαφρώς για λόγους σαφήνειας και συντομίας.

Futurism: Πρώτον, μπορείτε να μου δώσετε μια απλή εξήγηση για το πώς λειτουργεί η κβαντική πληροφορική;

Μιχαήλ Λουκίν: Ας ξεκινήσουμε με τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν οι κλασσικοί υπολογιστές. Σε κλασσικούς υπολογιστές, διατυπώνετε οποιοδήποτε πρόβλημα θέλετε να λύσετε με τη μορφή κάποιας εισόδου, η οποία είναι ουσιαστικά μια ροή 0s και 1s. Όταν θέλετε να κάνετε κάποιο υπολογισμό, βασικά δημιουργείτε ένα συγκεκριμένο σύνολο κανόνων ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο θα μετακινηθεί αυτό το ρεύμα. Αυτή είναι η διαδικασία υπολογισμού - προσθήκης, πολλαπλασιασμού, οτιδήποτε.

Αλλά έχουμε μάθει για περισσότερα από 100 χρόνια ότι ο μικροσκοπικός μας κόσμος είναι βασικά κβαντομηχανικός. Και στην κβαντική μηχανική, μπορείτε να έχετε συστήματα. Ο υπολογιστής σας, για παράδειγμα, ή η καρέκλα σας μπορούν να τοποθετηθούν σε δύο διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα - αυτή είναι η ιδέα των κβαντικών υπερτάσεων. Με άλλα λόγια, ο υπολογιστής σας μπορεί να είναι ταυτόχρονα τόσο στη Βοστώνη όσο και στη Νέα Υόρκη. Αυτή η κβαντική υπέρθεση, παρόλο που ακούγεται πολύ περίεργη, επιτρέπεται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Σε μεγάλη κλίμακα, όπως το παράδειγμα που έδωσα, είναι σαφώς πολύ παράξενο. Αλλά στον μικροσκοπικό κόσμο, όπως και με ένα μόνο άτομο, η δημιουργία αυτού του είδους υπερπλήρωσης είναι στην πραγματικότητα αρκετά συνηθισμένη. Έτσι κάνοντας αυτά τα επιστημονικά πειράματα, οι επιστήμονες απέδειξαν ότι ένα μόνο άτομο βρίσκεται σε δύο διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα.

Η ιδέα των κβαντικών υπολογιστών είναι βασικά να κάνουν χρήση αυτών των κανόνων της κβαντικής μηχανικής για την επεξεργασία πληροφοριών. Είναι πολύ εύκολο να καταλάβουμε πώς αυτό μπορεί να είναι τόσο ισχυρό. Στους κλασικούς υπολογιστές, μου δίνετε μια συγκεκριμένη εισροή, το έβαλα στον υπολογιστή μου, σας δίνω μια έξοδο. Αλλά αν το υλικό μας ήταν κβαντομηχανικό, αντί να παράσχει διαδοχικά κάποια εισαγωγή και ανάγνωση των απαντήσεων, θα μπορούσα να προετοιμάσω τον μητρώο υπολογιστών στις κβαντικές υπερθέσεις πολλών διαφορετικών εισόδων.

Αυτό σημαίνει ότι αν στη συνέχεια λάβω αυτή την κατάσταση υπερπλήρωσης και την επεξεργαστώ χρησιμοποιώντας τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, μπορώ να επεξεργαστώ πολλές, πολλές εισόδους ταυτόχρονα. Θα μπορούσε να είναι μια εκθετική επιτάχυνση, σε σύγκριση με τα κλασσικά προγράμματα.

F: Πως φαίνεται ένας κβαντικός υπολογιστής;

ML: Εάν περπατούσατε σε ένα δωμάτιο με την κβαντική μηχανή μας θα δείτε μια κυψέλη κενού ή έναμ σωλήνα και μια δέσμη λέιζερ που θα λάμψουν πάνω του. Στο εσωτερικό έχουμε μια πολύ χαμηλή πυκνότητα ενός συγκεκριμένου ατόμου. Χρησιμοποιούμε λέιζερ για να επιβραδύνουμε την ατομική κίνηση πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν, το οποίο ονομάζεται ψύξη με λέιζερ.



Πιστοποίηση εικόνας: εργαστήριο Lukin - Χάρβαρντ

F: Πώς προγραμματίζετε αυτό το πράγμα;

ML :. Για τον προγραμματισμό ενός κβαντικού υπολογιστή, λάμπουν  εκατοντάδες δέσμες ακτίνων λέιζερ σε αυτό το θάλαμο κενού. Κάθε μία από αυτές τις δέσμες λέιζερ λειτουργεί ως οπτικό λαβίδα, αρπάζοντας ένα άτομο ή όχι. Έχουμε αυτές τις παγίδες ατόμων, καθεμία από τις οποίες είναι φορτωμένος ή άδειος. Στη συνέχεια, παίρνουμε μια εικόνα αυτών των ατόμων σε αυτές τις παγίδες, και καταλαβαίνουμε ποιες παγίδες είναι γεμάτες και που είναι κενές. Στη συνέχεια, αναδιοργανώνουμε την παγίδα που περιέχει μεμονωμένα άτομα σε οποιοδήποτε μοτίβο που επιθυμούμε. Αυτή η επιθυμητή διάταξη μοναδικών ατόμων, καθεμία από τις οποίες χωρίζεται και ελέγχεται εύκολα, τοποθετείται βασικά κατά βούληση.

Η τοποθέτηση αυτών των ατόμων είναι ένας τρόπος που μπορούμε να το προγραμματίσουμε. Για να ελέγξουμε πραγματικά το qubit, προσεκτικά, προσεκτικά, προωθούμε τα άτομα από τη χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση σε κατάσταση υψηλότερης ενέργειας. Κάνουμε αυτό με προσεκτικά επιλεγμένες δέσμες λέιζερ που πυροβολούν σε μια συγκεκριμένη μετάβαση. Η συχνότητά τους είναι πολύ αυστηρά ελεγχόμενη. Σε αυτή τη διεγερμένη κατάσταση το άτομο γίνεται πραγματικά πολύ μεγάλο και, λόγω αυτού του μεγέθους ατόμων, τα άτομα αρχίζουν να αλληλεπιδρούν ή - με άλλα λόγια - να μιλάνε το ένα στο άλλο. Επιλέγοντας την κατάσταση στην οποία διεγείρουμε τα άτομα και επιλέγοντας τις ρυθμίσεις και τις θέσεις τους, μπορούμε να προγραμματίσουμε την αλληλεπίδραση με έναν εξαιρετικά ελεγχόμενο τρόπο.

F: Τι είδους εφαρμογές θα ήταν χρήσιμος για έναν κβαντικό υπολογιστή;

ML: Για να είμαι ειλικρινής, πραγματικά δεν ξέρουμε την απάντηση. Είναι γενικά πιστεύεται ότι οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα βοηθήσουν απαραιτήτως για όλες τις υπολογιστικές εργασίες. Αλλά υπάρχουν προβλήματα που είναι μαθηματικά σκληρά για ακόμα και τους καλύτερους κλασσικούς υπολογιστές. Συνήθως περιλαμβάνουν μερικά πολύπλοκα προβλήματα, όπως προβλήματα που αφορούν πολύπλοκες βελτιστοποιήσεις, στις οποίες προσπαθείτε να ικανοποιήσετε αρκετούς αντιφατικούς περιορισμούς.

Ας υποθέσουμε ότι θέλετε να δώσετε κάποιο είδος συλλογικού δώρου σε μια ομάδα ανθρώπων, καθένα από τα οποία έχει τη δική του θέση. Ορισμένες από τις θέσεις ενδέχεται να είναι αντιφατικές. Έτσι, τι συμβαίνει είναι, εάν λύσετε αυτό το πρόβλημα κλασικά, θα πρέπει να ελέγξετε κάθε ζεύγος ή τριάδα ανθρώπων για να βεβαιωθείτε ότι τουλάχιστον η θέση τους είναι ικανοποιημένη. Η πολυπλοκότητα αυτού του προβλήματος αυξάνεται σε μέγεθος πολύ, πολύ γρήγορα επειδή ο αριθμός των κλασσικών συνδυασμών που πρέπει να ελέγξετε είναι εκθετικός. Υπάρχει κάποια πεποίθηση ότι για μερικά από αυτά τα προβλήματα, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να προσφέρουν κάποιο πλεονέκτημα.


Ένα άλλο πολύ γνωστό παράδειγμα είναι το factoring. Αν έχετε ένα μικρό αριθμό, όπως το 15, είναι σαφές ότι οι παράγοντες είναι 3 και 5, αλλά αυτό είναι το είδος του προβλήματος που πολύ γρήγορα γίνεται περίπλοκο καθώς ο αριθμός αυξάνεται. Αν έχετε έναν μεγάλο αριθμό που είναι προϊόν δύο μεγάλων παραγόντων, κλασικά δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου καλύτερος τρόπος να βρεθούν οι παράγοντες αυτοί παρά να δοκιμάσετε αριθμούς από έναν, δύο, τρία και ούτω καθεξής. Αλλά αποδεικνύεται ότι υπάρχει ένας κβαντικός αλγόριθμος, που ονομάζεται αλγόριθμος Shor, ο οποίος μπορεί να βρει τους παράγοντες εκθετικά ταχύτερους από τους πιο γνωστούς κλασσικούς αλγορίθμους. Εάν μπορείτε να κάνετε κάτι εκθετικά ταχύτερα από τη χρήση της εναλλακτικής προσέγγισης, τότε είναι ένα μεγάλο κέρδος.

ΣΤ: Ακούγεται σαν η αποστολή σας, και αυτή των άλλων στον τομέα σας, είναι να μας βοηθήσετε να προχωρήσουμε και να κατανοήσουμε αυτή την τεχνολογία, αλλά οι εφαρμογές είναι δευτερεύουσες και θα έρθουν όταν έχετε τα εργαλεία. Μήπως αυτό φαίνεται σωστό;

ML: Θα απαντήσω στην ερώτησή σας με μια αναλογία. Όταν αναπτύχθηκαν αρχικά οι κλασικοί υπολογιστές, χρησιμοποιήθηκαν ως επί το πλείστον για να κάνουν επιστημονικούς υπολογισμούς, αριθμητικά πειράματα για να κατανοήσουν πως συμπεριφέρονται σύνθετα φυσικά συστήματα . Αυτή τη στιγμή, οι κβαντικές μηχανές βρίσκονται σε αυτό το στάδιο ανάπτυξης. Μας επιτρέπουν ήδη να μελετήσουμε σύνθετα κβαντικά φυσικά φαινόμενα. Είναι χρήσιμα για επιστημονικούς σκοπούς και οι επιστήμονες το κάνουν ήδη τώρα.

Στην πραγματικότητα, μια σπουδαιότητα των εγγράφων μας [που δημοσιεύτηκε στη Φύση ] είναι ότι έχουμε ήδη κατασκευάσει μηχανές αρκετά μεγάλες και αρκετά σύνθετες και αρκετά κβαντικές ώστε να κάνουν επιστημονικά πειράματα τα οποία είναι πολύ δύσκολο να καταστεί αδύνατο να κάνουμε ακόμη και στο καλύτερο δυνατό κλασικούς υπολογιστές - κυρίως υπερυπολογιστές. Στο έργο μας, χρησιμοποιήσαμε ήδη τη μηχανή μας για να κάνουμε μια επιστημονική ανακάλυψη, η οποία μέχρι τώρα δεν είχε κατασκευαστεί εν μέρει επειδή είναι πολύ δύσκολο για τους κλασσικούς υπολογιστές να μοντελοποιούν αυτά τα συστήματα. Με ορισμένους τρόπους, τώρα περάσαμε το όριο όπου οι κβαντικές μηχανές γίνονται χρήσιμες, τουλάχιστον για επιστημονικούς σκοπούς.

Όταν αναπτύχθηκαν οι κλασικοί υπολογιστές, οι άνθρωποι είχαν κάποιες ιδέες για τους οποίους αλγόριθμους να τρέχουν πάνω τους. Αλλά στην πραγματικότητα αποδείχθηκε ότι όταν οι πρώτοι υπολογιστές χτίστηκαν, οι άνθρωποι ήταν σε θέση να αρχίσουν να πειραματίζονται μαζί τους και ανακάλυψαν πολλούς πιο πρακτικά αποτελεσματικούς, χρήσιμους αλγορίθμους. Με άλλα λόγια, αυτό είναι πραγματικά όταν ανακάλυψαν τι μπορούν πραγματικά να είναι καλοί αυτοί οι υπολογιστές.

Γι 'αυτό λέω ότι πραγματικά δεν γνωρίζουμε τώρα τα καθήκοντα για τα οποία οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι. Ο μόνος τρόπος για να βρείτε αυτά τα καθήκοντα είναι να δημιουργήσετε μεγάλες, λειτουργικές, κβαντικές μηχανές για να δοκιμάσετε αυτά τα πράγματα. Αυτός είναι ένας σημαντικός στόχος και θα ήθελα να πω ότι μπαίνουμε σε αυτή τη φάση τώρα. Είμαστε πολύ, πολύ κοντά σε ένα στάδιο όπου μπορούμε να αρχίσουμε να πειραματίζουμε με κβαντικούς αλγορίθμους σε μηχανές μεγάλης κλίμακας

F: Πόσο κοντά μπορούμε να αρχίσουμε να ανακαλύπτουμε τους αλγόριθμους που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε κβαντικούς υπολογιστές;

ML: Αρχικά, ας μιλήσουμε για το πώς θα μπορούσαμε να ποσοτικοποιήσουμε κβαντικά μηχανήματα. Μπορεί να γίνει κατά μήκος τριών διαφορετικών αξόνων. Σε έναν άξονα είναι η κλίμακα - πόσα qubits [ένα "κβαντικό κομμάτι", η μονάδα που αποτελεί τη βάση του κβαντικού υπολογιστή, είναι ο τρόπος με τον οποίο τα "bits" κάνουν στην κλασσική υπολογιστική] είναι. Περισσότερα είναι καλύτερα. Ένας άλλος άξονας είναι ο βαθμός της κβαντότητας, δηλαδή πόσο συνεπή είναι αυτά τα συστήματα. Έτσι τελικά, ο τρόπος για να το ποσοτικοποιήσετε είναι ότι εάν έχετε έναν ορισμένο αριθμό qubits και κάνετε μερικούς υπολογισμούς με αυτό, ποια είναι η πιθανότητα ο υπολογισμός αυτός να μην είναι σφάλμα;

Αν έχετε ένα μόνο qubit, έχετε μια μικρή πιθανότητα να κάνετε λάθος. Μόλις έχετε πολλά από αυτά, αυτή η πιθανότητα είναι εκθετικά υψηλότερη. Έτσι, τα συστήματα που περιγράφονται στο έγγραφο μας, αλλά και στο συμπληρωματικό έγγραφο, έχουν αρκετά μεγάλα qubits και είναι αρκετά συνεκτικά ώστε να μπορούμε βασικά να κάνουμε ολόκληρη τη σειρά υπολογισμών με αρκετά χαμηλή πιθανότητα σφάλματος. Με άλλα λόγια, σε ένα πεπερασμένο αριθμό προσπαθειών, μπορούμε να έχουμε ένα αποτέλεσμα που δεν έχει λάθη.

Αλλά αυτό δεν είναι ακόμα η πλήρης ιστορία. Ο τρίτος άξονας είναι πόσο καλά μπορείτε να προγραμματίσετε αυτό το μηχάνημα. Βασικά, αν μπορείτε να κάνετε κάθε κουβέντα να μιλήσετε με οποιοδήποτε άλλο qubit με αυθαίρετο τρόπο, μπορείτε επίσης να κωδικοποιήσετε οποιοδήποτε κβαντικό πρόβλημα σε αυτό το μηχάνημα. Τέτοιες μηχανές καλούνται μερικές φορές παγκόσμιοι κβαντικοί υπολογιστές. Το μηχάνημά μας δεν είναι πλήρως καθολικό, αλλά επιδεικνύουμε πολύ υψηλό βαθμό προγραμματισμού. Μπορούμε πραγματικά να αλλάξουμε τη συνδεσιμότητα πολύ γρήγορα. Αυτό στο τέλος, είναι αυτό που μας επιτρέπει να διερευνήσουμε και να κάνουμε νέες ανακαλύψεις για αυτά τα σύνθετα κβαντικά φαινόμενα.
Από το Blogger.