Các máy tính lượng tử bật lên từ bây giờ và sau đó là các đối tượng quan tâm và quan tâm - vì chúng mang lại sự gia tăng lớn về sức mạnh tính toán và mối quan tâm bởi vì chúng có thể phá vỡ tất cả mật mã hiện tại của chúng ta. Nó không còn là một câu hỏi “nếu”, tuy nhiên, nhưng “khi nào.” Mô hình làm việc đầu tiên xuất hiện vào năm 1998, nhưng vài năm qua đã thấy một sự gia tăng lớn về quyền lực. Nếu bạn muốn, thậm chí bạn có thể truy cập vào một trong các máy lượng tử của IBM thông qua Internet ngay bây giờ.

Cuộc đuổi bắt? Máy tính lượng tử không phải là rất hữu ích được nêu ra. Họ hiện yêu cầu một số thiết bị khoa học cao cấp hoạt động, tốn kém để xây dựng và duy trì, và chỉ giỏi trong các nhiệm vụ cụ thể. Điểm mấu chốt là các máy tính lượng tử gần như là điểm của các máy khoa học tuyệt vời, nhưng chúng có thể không bao giờ thực sự tăng tốc độ phân phối hình ảnh con mèo từ các máy chủ Internet tới nhãn cầu của bạn.

“Quay trở lại những năm 1940, các nhà nghiên cứu chỉ phát hiện ra cách sử dụng các ống chân không như các công tắc đơn giản. … Những công tắc này sau đó có thể hình thành các cổng logic, có thể liên kết với nhau để tạo thành các mạch logic đầu tiên. Đó là nơi chúng ta đang ở với các bộ vi xử lý lượng tử. Chúng tôi đã xác minh rằng tất cả các thành phần đều hoạt động. Bước tiếp theo là thiết kế mạch nhỏ nhất nhưng thú vị nhất có thể. ”- Jungsang Kim, Đại học Duke

Quá lâu, không đọc

Máy tính lượng tử rất phức tạp, vì vậy nếu bạn chỉ tìm cách để có được ý tưởng mà không nhận được vào các chi tiết, điều này là dành cho bạn.

  • Các bộ xử lý thông thường hoạt động bằng cách có rất nhiều phần nhỏ có thể được "lật" tới vị trí 0 hoặc 1.
  • Chồng chất: một kịch bản “mèo của Schrodinger”: một cái gì đó có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cho đến khi nó được quan sát. Đối với các máy tính lượng tử, điều này có nghĩa là nó có thể lưu trữ 0 và 1 đồng thời cho đến khi nó được gọi là một hoặc cái kia.
  • rối lượng tử: thuộc tính cho phép các hạt lượng tử nói chuyện với nhau - thậm chí trên một khoảng cách nhiều dặm, bất kỳ thay đổi nào một hạt cũng sẽ ảnh hưởng đến người khác. Điều này cho phép các máy tính lượng tử kết hợp các chip “chồng chất” để tăng tốc độ và không gian lưu trữ theo cấp số nhân. Hai byte có thể lưu trữ chỉ một trong những điều sau: 0-0, 0-1, 1-0 hoặc 1-1. Hai qubit có thể lưu trữ tất cả chúng.
  • Qubits: Các máy tính thông thường sử dụng bit và byte; máy tính lượng tử sử dụng qubit. Đây là những thứ tồn tại trên mặt phẳng giữa 0 và 1, và đó là những gì mọi người đang cố gắng vướng víu và đặt trên chip.
  • Máy tính lượng tử không phải là rất hữu ích cho những thứ máy tính hàng ngày, nhưng chúng sẽ cực kỳ tốt ở một số thứ rất phức tạp.

Bộ xử lý thông thường

Các bộ vi xử lý thông thường, giống như chip Intel hay AMD trong máy tính của bạn, về cơ bản là máy tính theo các con đường logic - chúng nhận được một số dữ liệu và một bộ chỉ dẫn cho chúng biết phải làm gì (toán, như cộng / nhân; logic, như AND / NOT) . Họ thực hiện các hoạt động và gửi kết quả được lưu trữ ở một nơi khác. Nó đơn giản, một đầu vào / số đi vào, và một đầu ra đi ra; nếu nó có vẻ trừu tượng, chỉ cần tưởng tượng một hộp đen có hướng dẫn và vật liệu và phun ra một sản phẩm. Nếu bạn có một bộ xử lý 2.4Ghz, máy tính của bạn đang làm khoảng 2, 4 tỷ của các hoạt động này mỗi giây. Bạn càng có thể nhận được nhiều bộ xử lý mỗi giây, chương trình của bạn sẽ thực thi càng nhanh.

Ở cấp độ phần cứng, bộ vi xử lý bao gồm hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ bóng bán dẫn, thường là các công tắc nhỏ xíu liên tục bị chuyển đổi (chúng không di chuyển, chỉ thay đổi trạng thái sạc điện) để đại diện cho một trong hai trạng thái: 0 hoặc 1. Chúng được sắp xếp thành các cổng logic, cache và những thứ lạ mắt khác trên chip, nhưng điều duy nhất chúng ta cần biết là các bóng bán dẫn chỉ có hai trạng thái có thể: chúng luôn được đặt là 0 hoặc 1, cho phép tính toán được thực hiện tại một thời điểm.

Tóm lại: các bộ vi xử lý thông thường làm hàng tỷ hoạt động rất đơn giản rất nhanh chóng bằng cách sử dụng hàng triệu / tỷ bóng bán dẫn được sắp xếp theo các mẫu nhất định và đặt thành 0 hoặc 1, tùy theo hướng dẫn.

Mèo và chồng chất của Schrodinger

Thay vì đi thẳng vào các hạt và bu lông, tốt nhất là bắt đầu với một số vật lý khá ngoài kia. (Đừng lo, không có toán.)

Con mèo của Schrodinger là một trong những ví dụ nổi tiếng nhất về vật lý lượng tử, và nó đề cập đến ý tưởng “chồng chất”. Nó khá đơn giản: một nhà khoa học có một chiếc hộp với một con mèo bên trong. Mèo có 50% cơ hội tử vong. (Không có con mèo nào bị hại trong việc tạo ra hình minh họa này.) Nhà khoa học đã không mở hộp, nên anh ta không biết con mèo còn sống hay đã chết.

Từ quan điểm khách quan, con mèo phải chết hoặc sống, nhưng từ quan điểm vật lý lượng tử, cả hai đều đúng, ít nhất là cho đến khi hộp được mở ra. Tại sao? Bởi vì (vì mục đích của chúng ta, ít nhất, có nhiều cách khác nhau để tiếp cận điều này), đơn vị xử lý của nhà khoa học (bộ não của anh ta) không biết câu trả lời là gì ngoại trừ việc nó có thể là một con mèo sống hay chết. Về lý thuyết, nhà khoa học đã chuẩn bị cho cả hai khả năng, vì vậy khi ông mở hộp, bộ não của ông nhận được đầu vào (con mèo còn sống!) Và tạo ra đầu ra được tính toán trước (cứu trợ, có lẽ).

"Không chỉ là người lạ hơn chúng ta nghĩ, nó còn xa lạ hơn chúng ta có thể nghĩ." - Werner Heisenberg

Đây là sự chồng chất : ý tưởng rằng một cái gì đó tồn tại ở nhiều trạng thái cho đến khi nó được quan sát, đo lường, hoặc hành động khác. Làm thế nào điều này áp dụng cho các máy tính lượng tử? Chỉ cần thay thế bộ não của nhà khoa học bằng một bộ xử lý (ẩn dụ): nó đã biết các khả năng khác nhau (lệnh có thể là 0 hoặc 1), và nó lưu trữ tất cả các khả năng cùng một lúc. Khi nói đến đầu ra, mặc dù, nó kết quả đầu ra là 0 hoặc 1, giống như một bộ xử lý bình thường. Tất cả các khả năng có thể tồn tại đồng thời, nhưng chỉ có một đầu ra có thể xuất hiện. Nó không phải là đặc biệt hữu ích chỉ với hai con số, nhưng một khi bạn mở rộng quy mô này đến mức mà các máy tính lượng tử có thể tính toán hàng tỷ khả năng tại một thời điểm, thì tiềm năng bắt đầu trở nên rõ ràng.

Tương tự, hãy tưởng tượng tung một đồng xu trong không khí. Trong khi nó đang bay, nó liên tục xoay giữa đầu và đuôi, hiệu quả là đầu, đuôi, và cả đầu và đuôi. Đó là điều mà một bộ xử lý của máy tính lượng tử đang làm, và đó là lý do tại sao nó có thể tính toán khá nhiều mọi kết quả có thể ngay lập tức.

Rối lượng tử

Mọi thứ bắt đầu trở nên thực sự thú vị ở đây. Nó chỉ ra rằng các hạt lượng tử có thể tồn tại theo cặp và mỗi thành viên của cặp là một hình ảnh phản chiếu của cặp kia. Nếu một cái gì đó xảy ra với Particle 1, một sự thay đổi ngược lại sẽ xảy ra trong Particle 2. Einstein gọi đây là "hành động ma quái ở một khoảng cách" vì tính chất kỳ quặc này là như thế nào. Các nhà nghiên cứu quân sự thậm chí còn thử nghiệm bằng cách sử dụng nó để thay thế radar - chỉ bắn một nửa của một cặp vướng vào bầu trời và xem điều gì sẽ xảy ra với đối tác của nó ở đây để tìm ra nếu nó chạm vào một chiếc máy bay.

"Nếu cơ học lượng tử đã không gây sốc cho bạn, bạn vẫn chưa hiểu nó." - Niels Bohr

Đây là một chút uốn cong tâm trí để có được đầu của bạn xung quanh, do đó, đủ để nói rằng máy tính lượng tử có thể sử dụng vướng víu để kết nối nhiều "bóng bán dẫn lượng tử" hoặc "qubit" để tăng mức độ phức tạp theo cấp số nhân. Một máy tính có thể nhìn vào trạng thái của một qubit và sau đó tìm ra tất cả những gì khác cũng được lên đến bởi vì chúng đang bị vướng víu.

Qubits

Đây là nơi phần cứng đi vào. Các Qubits giống như các bit và byte máy tính thông thường, đơn vị lưu trữ thông tin lượng tử cơ bản nhất. Sự khác biệt lớn là mỗi qubit tồn tại, theo nghĩa nào đó, như cả 0 và 1 đồng thời, có thể được nhân rộng trên các chip máy tính theo một vài cách khác nhau, từ các chất siêu dẫn siêu dẫn tới laser. Mục tiêu cuối cùng là như nhau, mặc dù: nhận được một số loại hạt để tồn tại trong trạng thái lượng tử kì lạ đó là hai thứ cùng một lúc. Ví dụ, một dải kim loại siêu lạnh nhỏ có thể phản xạ các electron xung quanh với sức đề kháng rất ít, tạo ra tiềm năng cho bất kỳ trạng thái nào thay vì giữ qubit trong một trạng thái.

Bước tiếp theo tốt là vướng víu qubit, mà về cơ bản có nghĩa là bạn cần phải đồng bộ chúng với cùng tần số để chúng có thể làm việc cùng nhau. Điều này làm cho các máy tính lượng tử mạnh hơn rất nhiều kể từ khi qubit được vướng víu là những gì cho phép bạn có toàn bộ chip làm việc cùng nhau. Trên qubit của riêng nó là khá ấn tượng, nhưng nó không làm bất cứ điều gì quá thú vị. Tuy nhiên, khi nó bị vướng víu với một qubit khác, nó có thể lưu trữ tất cả các giá trị có thể có của cả hai qubit kết hợp: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, với 2 ^ 2 khả năng. Nếu bạn vướng vào ba qubit, bây giờ bạn có 2 ^ 3 khả năng (8). Chip kỷ lục thế giới tính đến tháng 6 năm 2018 có 72 qubit, theo lý thuyết, có thể thực hiện nhiều phép tính trong một giây như một máy tính cá nhân có thể trong hơn một tuần.

Để làm cho điều này đơn giản hơn một chút: Nếu bạn so sánh hai bit thông thường với hai qubit, sự khác biệt đáng chú ý nhất là hai bit chỉ có thể là 0-0, 0-1, 1-0 hoặc 1-1 - chỉ một kết hợp nhị phân các kết quả. Tuy nhiên, hai qubit có thể lưu trữ tất cả bốn trong số đó cùng một lúc, và vì chúng phát triển theo cấp số nhân, một vài qubit đi xa hơn rất nhiều so với một vài bit. 3 qubit bị vướng víu có thể là 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 và 0- 1-0, đồng thời - tiếp tục mở rộng quy mô lên một nguồn tại một thời điểm, và bạn kết thúc với một máy tính có thể lưu trữ một số khả năng rất phức tạp.

Sắp có (đối với một vài điều cụ thể)

Đây là một máy tính lượng tử: một cỗ máy biết tất cả các câu trả lời nhưng chỉ đưa ra một câu trả lời phù hợp với câu hỏi. Đó là một cỗ máy uốn cong tâm trí, nhưng nó được xây dựng, và nó ngày càng lớn hơn và nhanh hơn nên khó mà theo kịp. Bạn có thể tự hỏi khi nào bạn sẽ nhận được một tủ đông nhỏ cực bắc chứa đầy khoa học ma quái trong máy tính của bạn, và không may là câu trả lời là không sớm. Điều đó không có nghĩa là nó sẽ không bao giờ xảy ra, nhưng hiện tại nó chỉ có thể hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm, và chiếc laptop 5 tuổi của bạn có thể đánh bại một máy tính lượng tử ở hầu hết mọi thứ. Tuy nhiên, các máy tính lượng tử sẽ rất tốt ở một vài thứ, như:

  • Phá vỡ mã hóa: Bạn không cần phải sở hữu Bitcoin để lo lắng về việc phá vỡ mã hóa. Đó là điều khiến mọi thứ trên Internet trở nên dễ dàng đọc được đối với bất kỳ ai muốn ghé vào và xem qua. Wi-Fi của bạn? Đã mã hóa. Thẻ tín dụng? Đã mã hóa. Việc phá vỡ mã hóa RSA được coi là không thể với các máy tính thông thường, nhưng đó chỉ là vì chúng không thể đoán đủ nhanh. Máy tính lượng tử là tuyệt vời tại đoán. May mắn thay, sự vướng víu lượng tử có vẻ như nó có thể cung cấp một cách mới để mã hóa mọi thứ.
  • Tìm kiếm lượng dữ liệu khổng lồ: Máy tính lượng tử có thể xem dữ liệu, lưu trữ tất cả các câu trả lời và trả lời câu hỏi của bạn ngay lập tức. Giả sử bạn có một danh sách ngẫu nhiên các số và bạn biết rằng số 193.201 xảy ra ở đâu đó trong đó. Một máy tính thông thường phải đi qua tất cả các con số để tìm nó, nhưng một máy tính lượng tử biết nó ở đâu trước khi bạn hỏi.
  • Mô hình hóa các kịch bản cực kỳ phức tạp: Cấu trúc hóa học, các vấn đề vật lý, dự báo thời tiết các hệ thống phức tạp với nhiều kết quả có thể xảy ra - đó là nơi điện toán lượng tử tỏa sáng. Bởi vì nó có thể tồn tại trong rất nhiều trạng thái có thể cùng một lúc, nó có thể tái tạo sự phức tạp thực sự của thế giới tự nhiên biến đổi (mà chính nó ở trạng thái lượng tử)

“Trong vòng chưa đầy mười năm máy tính lượng tử sẽ bắt đầu hoạt động tốt hơn các máy tính hàng ngày, dẫn đến những đột phá trong trí tuệ nhân tạo, khám phá ra dược phẩm mới và hơn thế nữa. Sức mạnh tính toán rất nhanh được đưa ra bởi các máy tính lượng tử có khả năng làm gián đoạn các doanh nghiệp truyền thống và thách thức an ninh mạng của chúng ta. Các doanh nghiệp cần phải sẵn sàng cho một tương lai lượng tử bởi vì nó đang đến. ”- Jeremy O'Brien, Đại học Bristol

Các máy tính lượng tử như chúng hiện đang tồn tại trông giống như chúng hầu hết là máy giải quyết vấn đề, tối ưu hóa chuỗi cung ứng, hỗ trợ trí thông minh nhân tạo, dự đoán thời tiết, chơi thị trường chứng khoán, vv IBM, Intel, D-Wave, Google và các công ty khác đã sản xuất phiên bản của những máy này và nghiên cứu các cách để làm cho chúng trở nên thực tế và có thể sử dụng được hơn.

Tuy nhiên, một trở ngại đáng kể là do các qubit được xây dựng dựa trên việc tính toán rất nhiều khả năng, đôi khi các máy tính lượng tử gặp phải những điều sai trái. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để sửa lỗi này, nhưng đó là một lý do khác khiến bạn có thể sẽ không có một máy tính lượng tử thay thế bộ vi xử lý cơ học hơn (và do đó chính xác hơn) của bạn.

Kết luận: Lẫn lộn, nhưng không sao

“Đó là một phần của Microsoft, nơi họ đưa ra các slide mà tôi thực sự không hiểu. Tôi biết rất nhiều vật lý và rất nhiều môn toán. Nhưng một nơi mà họ đặt lên các slide và nó là chữ tượng hình, nó là lượng tử. ”- Bill Gates

Hãy thoải mái trong điều này: Hầu hết mọi người không có ý tưởng làm thế nào những thứ bên trong máy tính của họ hoạt động, và ngay cả những cái mà có một ý tưởng có lẽ không hiểu mọi thứ về nó. Điều tốt nhất về cách chúng ta làm là bạn không cần phải có manh mối về cách bộ xử lý của bạn hoạt động để làm những điều tuyệt vời với nó, và điều tương tự cũng đúng với các máy tính lượng tử. Điểm khác biệt chính là trong khi Intel i7 của bạn khá gọn gàng, việc học về nó có lẽ sẽ không khiến bạn đặt câu hỏi về bản chất thực tế.