ข้อดีของควอนตัมคืออะไร? ช่วงเวลาที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังอย่างยิ่งจะมาถึง

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

ความได้เปรียบด้านควอนตัมถือเป็นหลักชัยสำคัญที่วงการคอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังดำเนินการอย่างแข็งขัน เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของคอมพิวเตอร์ที่ไม่ใช่ควอนตัมหรือคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ทรงพลังที่สุด

ควอนตัมหมายถึงขนาดของอะตอมและโมเลกุลที่กฎของฟิสิกส์เมื่อเราประสบกับการสลายตัวและใช้กฎที่แตกต่างออกไปซึ่งขัดกับสัญชาตญาณ คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมแปลกๆ เหล่านี้เพื่อแก้ไขปัญหา

มีปัญหาบางประเภทนั่นคือ ทำไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่จะแก้ปัญหาเช่น การแคร็กอัลกอริธึมการเข้ารหัสที่ล้ำสมัย. การวิจัยในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพในการแก้ปัญหาเหล่านี้บางประการ หากสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้จริง ก็จะแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบของควอนตัม

ฉัน นักฟิสิกส์ ผู้ศึกษาการประมวลผลข้อมูลควอนตัมและการควบคุมระบบควอนตัม ผมเชื่อว่าขอบเขตของนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่รับประกันความก้าวหน้าที่ก้าวล้ำในการคำนวณเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีควอนตัม รวมถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในการเข้ารหัสควอนตัมและการตรวจจับควอนตัม

แหล่งที่มาของพลังคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ศูนย์กลางของการคำนวณควอนตัมคือควอนตัมบิตหรือ คิวบิต. ซึ่งแตกต่างจากบิตคลาสสิกซึ่งสามารถอยู่ในสถานะ 0 หรือ 1 เท่านั้น qubit สามารถอยู่ในสถานะใดก็ได้ที่มีการรวมกันของ 0 และ 1 สถานะที่ไม่ใช่แค่ 1 หรือเพียง 0 นี้เรียกว่า ควอนตัมซ้อน. ทุกๆ คิวบิตเพิ่มเติม จำนวนสถานะที่สามารถแสดงด้วยคิวบิตจะเพิ่มเป็นสองเท่า

คุณสมบัตินี้มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นแหล่งกำเนิดพลังของการคำนวณควอนตัม ในทางกลับกัน มันกลับกลายเป็นการมีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนของการซ้อนทับกัน การรบกวน และ สิ่งกีดขวาง.

การรบกวนเกี่ยวข้องกับการจัดการกับคิวบิตเพื่อให้สถานะของพวกเขารวมกันอย่างสร้างสรรค์ในระหว่างการคำนวณเพื่อขยายวิธีแก้ปัญหาที่ถูกต้องและทำลายล้างเพื่อระงับคำตอบที่ผิด การรบกวนเชิงสร้างสรรค์คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อยอดของคลื่นสองลูก เช่น คลื่นเสียงหรือคลื่นทะเล รวมกันเพื่อสร้างจุดสูงสุดที่สูงขึ้น การรบกวนแบบทำลายล้างคือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อจุดสูงสุดของคลื่นและรางคลื่นรวมกันและหักล้างกัน อัลกอริธึมควอนตัมซึ่งมีน้อยและยากต่อการประดิษฐ์ จะตั้งค่าลำดับของรูปแบบการรบกวนที่ให้คำตอบที่ถูกต้องสำหรับปัญหา

การพัวพันสร้างความสัมพันธ์เชิงควอนตัมที่เป็นเอกลักษณ์ระหว่างคิวบิต: สถานะของคิวบิตไม่สามารถอธิบายได้อย่างอิสระจากสถานะอื่น ไม่ว่าคิวบิตจะอยู่ห่างกันแค่ไหนก็ตาม นี่คือสิ่งที่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ มองข้ามอย่างโด่งดังว่าเป็น "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" พฤติกรรมโดยรวมของการพัวพันซึ่งจัดทำผ่านคอมพิวเตอร์ควอนตัม ช่วยให้สามารถเร่งความเร็วในการคำนวณซึ่งอยู่นอกเหนือการเข้าถึงของคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก

[เนื้อหาฝัง]

การประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม

การประมวลผลแบบควอนตัมมีศักยภาพการใช้งานที่หลากหลาย โดยที่สามารถทำงานได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ในวิทยาการเข้ารหัสลับ คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นทั้งโอกาสและความท้าทาย ที่มีชื่อเสียงที่สุด พวกเขามี มีศักยภาพในการถอดรหัสอัลกอริธึมการเข้ารหัสในปัจจุบันเช่นที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โครงการอาร์เอสเอ.

ผลลัพธ์ประการหนึ่งก็คือ โปรโตคอลการเข้ารหัสในปัจจุบันจำเป็นต้องได้รับการออกแบบใหม่เพื่อให้สามารถต้านทานการโจมตีควอนตัมในอนาคตได้ การรับรู้นี้ได้นำไปสู่สาขาที่กำลังขยายตัวของ การเข้ารหัสหลังควอนตัม. หลังจากกระบวนการที่ยาวนาน สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติได้เลือกอัลกอริธึมต้านทานควอนตัมสี่อัลกอริธึม และเริ่มกระบวนการเตรียมความพร้อมเพื่อให้องค์กรต่างๆ ทั่วโลกสามารถใช้อัลกอริธึมเหล่านี้ในเทคโนโลยีการเข้ารหัสของตนได้

นอกจากนี้ การประมวลผลควอนตัมยังสามารถเร่งความเร็วการจำลองควอนตัมได้อย่างมาก นั่นคือความสามารถในการทำนายผลลัพธ์ของการทดลองที่ทำงานในขอบเขตควอนตัม ริชาร์ด ไฟน์แมน นักฟิสิกส์ชื่อดัง จินตนาการถึงความเป็นไปได้นี้ กว่า 40 ปีที่แล้ว การจำลองควอนตัมมีศักยภาพสำหรับความก้าวหน้าอย่างมากในด้านเคมีและวัสดุศาสตร์ โดยช่วยเหลือในด้านต่างๆ เช่น การสร้างแบบจำลองที่ซับซ้อนของโครงสร้างโมเลกุลสำหรับการค้นคว้ายา และช่วยให้สามารถค้นพบหรือสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติใหม่ได้

การใช้เทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมอีกอย่างหนึ่งก็คือ การตรวจจับควอนตัม: ตรวจจับและวัดคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า แรงโน้มถ่วง ความดัน และอุณหภูมิด้วย ความไวและความแม่นยำที่มากขึ้น มากกว่าเครื่องมือที่ไม่ใช่ควอนตัม การตรวจจับควอนตัมมีการใช้งานมากมายในสาขาต่างๆ เช่น การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม, การสำรวจทางธรณีวิทยา, ภาพทางการแพทย์และ การเฝ้าระวัง.

ความคิดริเริ่มเช่นการพัฒนาของ ควอนตัมอินเทอร์เน็ต การเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นขั้นตอนสำคัญในการเชื่อมโยงโลกควอนตัมและคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม เครือข่ายนี้สามารถรักษาความปลอดภัยได้โดยใช้โปรโตคอลการเข้ารหัสควอนตัม เช่น การกระจายคีย์ควอนตัม ซึ่งเปิดใช้ช่องทางการสื่อสารที่มีความปลอดภัยเป็นพิเศษ ซึ่งได้รับการป้องกันจากการโจมตีทางคอมพิวเตอร์ รวมถึงช่องทางที่ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม

แม้จะมีชุดแอปพลิเคชันสำหรับการคำนวณควอนตัมเพิ่มมากขึ้น แต่ก็มีการพัฒนาอัลกอริธึมใหม่ที่ใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบของควอนตัมได้อย่างเต็มที่ โดยเฉพาะ ในการเรียนรู้ของเครื่อง—ยังคงเป็นพื้นที่สำคัญของการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่

อุปกรณ์โลหะที่มีแสงเลเซอร์สีเขียวเป็นพื้นหลัง — เซ็นเซอร์ควอนตัมต้นแบบที่พัฒนาโดยนักวิจัยของ MIT สามารถตรวจจับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ เครดิตภาพ: กัวชิง หวัง, CC BY-NC-ND

อยู่ร่วมกันและเอาชนะข้อผิดพลาด

พื้นที่ สาขาการคำนวณควอนตัม เผชิญกับอุปสรรคสำคัญในการพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีความไวสูงต่อการโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมโดยไม่ได้ตั้งใจ สิ่งนี้นำไปสู่ปรากฏการณ์ของการแยกส่วน โดยที่ qubit ลดลงอย่างรวดเร็วเป็นสถานะ 0 หรือ 1 ของบิตคลาสสิก

การสร้างระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่สามารถส่งมอบความเร็วควอนตัมตามคำมั่นสัญญานั้น จำเป็นต้องเอาชนะการแยกส่วน สิ่งสำคัญคือการพัฒนาวิธีการที่มีประสิทธิภาพของ การระงับและแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม, ประเด็นที่งานวิจัยของฉันมุ่งเน้น.

ในการเผชิญกับความท้าทายเหล่านี้มากมาย สตาร์ทอัพด้านฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ควอนตัม ได้ปรากฏตัวพร้อมกับผู้เล่นในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีที่มีชื่อเสียงอย่าง Google และ IBM ความสนใจในอุตสาหกรรมนี้ เมื่อรวมกับการลงทุนจำนวนมากจากรัฐบาลทั่วโลก ตอกย้ำการยอมรับร่วมกันถึงศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงของเทคโนโลยีควอนตัม โครงการริเริ่มเหล่านี้ส่งเสริมระบบนิเวศที่สมบูรณ์ซึ่งนักวิชาการและอุตสาหกรรมร่วมมือกัน เพื่อเร่งความก้าวหน้าในสาขานี้

ความได้เปรียบของควอนตัมกำลังมาถึงแล้ว

วันหนึ่งคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจก่อกวนพอ ๆ กับการมาถึงของ AI กำเนิด. ปัจจุบัน การพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมอยู่ในช่วงหัวเลี้ยวหัวต่อที่สำคัญ ในด้านหนึ่ง ภาคสนามได้แสดงให้เห็นสัญญาณเริ่มต้นของการได้รับความได้เปรียบด้านควอนตัมเฉพาะทางอย่างหวุดหวิดแล้ว นักวิจัยจาก Google และต่อมาก ทีมนักวิจัยในประเทศจีน แสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบทางควอนตัม เพื่อสร้างรายการตัวเลขสุ่ม ด้วยคุณสมบัติบางอย่าง ทีมวิจัยของฉันสาธิตการเร่งความเร็วควอนตัม สำหรับเกมทายเลขสุ่ม.

ในทางกลับกัน มีความเสี่ยงที่จับต้องได้ในการเข้าสู่ "ฤดูหนาวควอนตัม" ซึ่งเป็นช่วงของการลงทุนที่ลดลง หากผลลัพธ์ในทางปฏิบัติไม่เกิดขึ้นจริงในระยะเวลาอันใกล้นี้

ในขณะที่อุตสาหกรรมเทคโนโลยีกำลังทำงานเพื่อสร้างข้อได้เปรียบด้านควอนตัมในผลิตภัณฑ์และบริการในระยะเวลาอันใกล้นี้ การวิจัยทางวิชาการยังคงมุ่งเน้นไปที่การตรวจสอบหลักการพื้นฐานที่สนับสนุนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีใหม่นี้ การวิจัยพื้นฐานที่กำลังดำเนินอยู่นี้ได้รับแรงหนุนจากกลุ่มนักเรียนใหม่ที่กระตือรือร้นประเภทที่ฉันพบเกือบทุกวัน ทำให้มั่นใจได้ว่าสาขานี้จะก้าวหน้าต่อไป

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตรูปภาพ: xx / xx