Was zur Hölle Ist ein Quantencomputer, und Wie sehr Soll ich Werden?
Sie wird nie sitzen auf Ihrem Schreibtisch, und Sie wird sicherlich nie in Ihre Tasche passt. Heute,…
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“Wir sind zu überqueren, in eine Welt, wo wir etwas tun, mit quantum-Geräte, die wir nicht tun konnte, klassisch,” John Preskill, professor für theoretische Physik am California Institute of Technology, die entwickelt den Begriff “quantum überlegenheit,” sagte Gizmodo. “Wir sind in einer entscheidenden Phase.”
Sie vielleicht zuerst Fragen, was ein Quantencomputer ist—oder, ganz grundsätzlich, was ein computer ist. Computer sind Geräte, die abstrakten Daten auf und speichern es als Eingaben, die Sie manipulieren über ein system von Anweisungen und mathematische algorithmen. In der Regel werden die Daten gespeichert, wie manipulierbar bits, zwei-Wahl physischen Geräten, so dass Systeme dieser bits zu produzieren gewünschten Ausgabe. Auf Quantencomputer-algorithmen zugeordnet sind, auf eine andere Art von Architektur, statt der bits, gibt es zwei-Wahl-Geräte, sogenannte qubits, die gehorchen, die seltsamen Regeln der Quantenmechanik.
Jedes qubit ist ein bisschen wie zwei-seitige Würfel, die Sie laden können, mit einem Stück Eisen zum anpassen der Wahrscheinlichkeit, Sie werden Rollen, von beiden Seiten. Die Durchführung einer quantenmechanischen Berechnung ist wie die Würfel Rollen. Aber Sie können sich verwickeln, die qubits, die wie die Magnetisierung der Eisen-Stücke, so dass die Würfel müssen so behandelt werden, als ein einziges multi-seitige Würfel mit seinen eigenen Satz von Wahrscheinlichkeiten. Dies könnte dazu führen, Störungen—bestimmte Seiten der Würfel eher zu Rollen, und die anderen Seiten weniger wahrscheinlich. Quantum Berechnungen gelten Tore, die zu diesen Würfel—Puls der Energie, die weiteren Einfluss auf die position das Gewicht im Würfel, und verändern, was man rollt. Anwendungen beinhalten mapping einige Stück von Informationen, die auf jeder Seite, und erfordern oft viele Würfel rollt, um zu erreichen, interessante Ergebnisse.
Wissenschaftler und Technologie-Unternehmen verfolgen Quanten-Computer, sowohl für Ihre eigene wissenschaftliche Interesse, wie an der Grenze des Machbaren Experimente und für die Art und Weise, die Sie möglicherweise Auswirkungen der künstlichen Intelligenz, der cybersecurity-und Gesundheitswesen. Vermutlich gibt es einige algorithmen, die Arbeit schneller ausgeführt, auf dieses quantum Architektur, als würden Sie auf einem klassischen computer, vor allem Shor ‘ s Algorithmus, welcher Faktor könnte extrem große zahlen schneller als klassische Computer können. Ein Algorithmus, der schnell Faktor zahlen ist wichtig, weil die meisten unserer heutigen Verschlüsselung basiert auf der Prämisse, dass die klassische Computer können leicht multiplizieren zwei zahlen zusammen, aber eine unangemessen lange Zeit, um Faktor Sie wieder auseinander. Ein computer, der laufen konnte, Shor ‘ s Algorithmus machen würde diese Verschlüsselung unsichere Strategie. Andere hoffen, dass die Quanten-Computern für Anwendungen in der künstlichen Intelligenz, wie in der neuronalen Netzwerke, oder bei der Lösung Chemie Probleme, wie die Suche nach neuen Medikamenten, um Krankheiten zu heilen, viel effizienter als mit klassischen Computern.
Wie Quanten-Speicher Ändern Könnte Computing
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Aber ein Quanten-computer lohnt sich über freuen—oder sich über—sollte besser sein als die regulären Computer tun die gleiche Aufgabe. Das ist, warum Wissenschaftler und Unternehmen, vor allem Google, Liste quantum Vormachtstellung als einen wichtigen Meilenstein für Ihre Geräte.
Vorschläge für quantum Vormachtstellung in der Regel Folgen der gleichen Prämisse. Einrichtung kompliziert, zufällige Quanten-schaltungen und Messen die Werte. Sie erhalten eine Menge Antworten. Nun, verwenden Sie einen statistischen test, um sicherzustellen, dass das experiment richtig gemacht wurde mit diesen Antworten ausgegeben. Theoretische Physiker glauben, dass ein Quanten-computer würde zeigen, daß die Vorherrschaft auf einer solchen Aufgabe—also im Grunde, wie das problem nimmt in der Komplexität, die Zeit, die es braucht, um die Berechnung des Problems erhöhen würde bei einer höheren rate und in einem klassischen computer als zu einem Quanten-computer.
Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen, die Aufgabe scheint gekünstelt. Quantum überlegenheit demonstriert, dass ein Quanten-computer ist besser als ein Quanten-computer als einem klassischen computer ist. Das ist nicht etwas, das man heilen kann-Krankheiten mit.
Aber aus theoretischer Sicht, es ist tiefgründig, Bill Fefferman, research assistant professor an der University of Maryland und wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Institute of Standards and Technology, sagte Gizmodo. Es gibt eine Hypothese, die sogenannte Church-Turing-these besagt, dass jedem computer-problem gelöst werden kann mit einer abstrakten Art von computer entworfen von dem Mathematiker Alan Turing im Jahr 1936. Diese theoretische computer vereinfacht die allen it-Problemen auf die Symbole auf dem Band. Dann gibt es noch die erweiterte Church-Turing—these, dass praktisch keine Modell-computing könnte das lösen von Aufgaben deutlich schneller als einer von diesen Turing-Maschinen. Theoretische Informatiker gab starke Hinweise, dass die erweiterte Church-Turing-these falsch war in den frühen 1990er Jahren. Und eine Maschine, die erreicht quantum überlegenheit zu beweisen wäre die these falsch experimentell. Es würde zeigen, dass es wirklich Probleme mit dem computer, für die ein supercomputer wäre nicht der effizienteste Weg, um zu berechnen, und für die ein computer basiert auf einer anderen Architektur, ein Quantencomputer wäre.
Quanten-Vorherrschaft, aus einer wissenschaftlichen Perspektive, gemeint ist, zu geben, die Wissenschaftler einen konkreten Weg, um zu bestimmen, was ein Quantencomputer wird und wird nicht nützlich sein, und vergleichen Sie Sie gegen die klassischen Computern. Bis in die frühen 1990er Jahre, theoretische Informatiker ausgedacht erfundene Probleme für Quantencomputer und nützliche Aufgaben, wie Shor ‘ s Algorithmus, kam später. “Anstatt zu sagen ‘Leute, Ihr seid Milliarden von Dollar umsetzen dieses erfundene problem,’ die Antwort ist, dass wir zuerst bauen die Fundamente,” Fefferman sagte.
Es ist auch nicht grundsätzlich nutzlos, wie das experiment machen könnten Quantencomputer nützlich Zufallszahlen-Generatoren, die Anwendungen in der Kryptographie, spielen, Simulationen und anderswo.
Aber wie geht man eigentlich hit, der Meilenstein? Google hat die angeworben die Hilfe der NASA in seinem Bestreben, der erste zu sein, MIT Technology Review berichtete im letzten Jahr. Das team bauen und testen einen chip, mit was Sie hoffen, genug gute qubits zu demonstrieren quantum überlegenheit. Es gibt Forscher, die diese gleiche quantum Vorherrschaft Probleme auf klassischen Computern zu vergleichen, sowie das arbeiten auf rechnerische Theorie, um sicherzustellen, strenge Beweis, dass die Vorherrschaft erreicht wurde.
Forscher müssen irgendwie überprüfen das Ergebnis, dass der Quanten-computer berechnet, auch wenn Sie durchgeführt haben, müssen Sie eine Berechnung, die eine nicht-Quanten-computer nicht tun kann.
Mit den beträchtlichen Ressourcen und Köpfen der NASA, Google, IBM und anderen Organisationen der Fall ist, Fragen Sie sich vielleicht, was so lange dauert. Für jetzt, dem größten kommerziellen Quantencomputer Geräte haben etwa 20 qubits, obwohl IBM, Google, und IonQ testen, 50-, 72-, und sogar 160-qubit-Geräte, beziehungsweise. Aber jeder Schritt für den Bau und Betrieb eines Quantencomputers ist schwer. Anstelle von Silizium-transistoren auf Mikrochips, Wissenschaftler schaffen müssen, die Ihre Geräte entweder aus der Laser Falle, dass einzelne Atome, supraleitenden material, das Strom leitet, ohne Widerstand, zeigt manipulierbar Quanten-Eigenschaften und andere potenzielle Architekturen. Dies erfordert oft halten Sie den Prozessor auf nahezu den absoluten Nullpunkt, die Temperatur, bei der die Partikel minimaler Wärmeentwicklung. Die Steuerung dieses Systems erweist sich unglaublich schwierig, da ein Mindestmaß an Energie aus der äußeren Umgebung kann bewirken, dass der qubits Zusammenbruch in sehr teuren, sehr regelmäßige bits.
Auf diese Systeme beschränkt, können die Forscher nur eine Handvoll von Quanten-Operationen, oder “Tore” vor der Quantenzustand bricht zusammen. Verwickeln zu viele qubits wird das system zusammenbrechen. Jedes zusätzliche qubit macht die Maschine doppelt so Komplex. Elektromagnetische Impulse, die Steuerung muss das system perfekt konstruiert ist.
Zur gleichen Zeit, Quanten-Informatiker sind nicht nur versuchen zu schlagen klassischen Computer simulieren von Quanten-Computern. Versuchen Sie zu schlagen jede Möglichkeit, dies zu umgehen, dass jemand die Programmierung eines klassischen Computers mit oben kommen kann, das ist schwieriger zu beweisen. Und Forscher müssen irgendwie überprüfen das Ergebnis, dass der Quanten-computer berechnet, auch wenn Sie durchgeführt haben, müssen Sie eine Berechnung, die eine nicht-Quanten-computer nicht tun kann.
“Ich Wette, jemand geht zu erklären [quantum überlegenheit] bald,” Graeme Smith, assistant professor an der University of Colorado, Boulder, sagte Gizmodo, “Aber es wird Fragen, ob Sie Sie erreicht haben, aufgrund der Tatsache, dass es schwer zu überprüfen.”
Vielleicht werden Sie bemerken, dass hier ein Muster. Niemand erreicht hat quantum überlegenheit noch nicht, weil es schwer ist.
IBM-Wissenschaftler arbeiten an einem vielleicht leichter zu erreichen Aufgabe. Sie versuchen zu zeigen, “quantum Vorteil.” Der Unterschied ist subtil. Quantum überlegenheit bedeutet, dass ein Quanten-computer können Berechnungen durchführen, die ein klassischer computer nicht in einer angemessenen Höhe der Zeit. Quantum Vorteil bedeutet nur, dass der Quanten-computer schlagen kann, die klassischen computer bei einigen Berechnungen, auch wenn es nur ein wenig besser. Einige Forscher ausgedacht haben mathematische Beweise in Fällen, wo Quanten-Computer sind immer besser als mit klassischen Computern mit dem gleichen Algorithmus. Aber in diesem Fall, die klassischen computer gegeben wurde, eine ähnliche Beschränkung auf eine der Kernkompetenzen der heutigen Quanten-computer Einschränkungen: es konnten nur wenige Operationen zu einer Zeit, wie ein qubit, die jeweils nur wenige Handgriffe, bis es zusammenbricht.
Quantum Vorteil hat ein Bein über quantum überlegenheit, obwohl. Quantum überlegenheit ist eine hohe Messlatte zu erreichen, aber wenn die Industrie ausschließlich auf der Suche für einen schnelleren Algorithmus, dann ist diese Quanten-Vorteile finden, könnten Quanten-Computer eine Allgemeine Anwendung in der Industrie früher.
Für die Unternehmen wie Google und IBM, diese Allgemeinen geworfen werden, um mit einer schwer muss der PR. “Sie sind beide versuchen zu bauen programmierbarer Quanten-Computern”, Aram Harrow, associate professor für Physik am MIT, sagte Gizmodo. “Google wird sagen, dass das Ziel ist die überlegenheit, IBM wird sagen, dass das Ziel ist von Vorteil. Das geht nicht, zu führen, um einen großen Unterschied in der hardware, die gebaut wird.”
Letztlich, wenn ein Unternehmen einem Quantencomputer zwangsläufig kündigt an, dass es erreicht hat “quantum ” Vorherrschaft” oder “quantum Vorteil,” es wird nicht mehr eine Trendwende für die Branche. Sie werden immer noch unter Bezugnahme auf relativ kleine, fehleranfällige Geräte—was die Forscher nennen NISQ, oder “laut intermediate-scale quantum” – Maschinen. Diese Maschinen stehen immer noch vor dem gleichen Beschränkungen, die Sie haben, bevor Sie eine überlegenheit oder Vorteil Gerät gab, wie kurze Zeit qubits bleiben können, quantum oder niedrigere Anzahl von Berechnungen, die ein qubit tun können, vor dem Verlust seiner Quanten-Natur.
“Quantum überlegenheit ist ein Sprungbrett für uns, um vorwärts zu bewegen, um es zu lösen interessanter Probleme,” Mekena Metcalf, Postdoc-Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory, sagte Gizmodo. Aber für die Quanten-Computer zum code-knacken, Molekül-Simulation die Geräte der Zukunft, gibt es bestimmte Ziele am Horizont. “Es benötigt um Größenordnungen mehr qubits und langen Tor der Tiefe”, erklärte Sie—qubits, die können mehr Berechnungen vor dem Verlust Ihrer Quanten-Verhalten.
Das erreichen dieses Status erfordert bessere hardware, einschließlich präziser Optik für Quanten-Computer, basierend auf laser-Gefangenen Atome, Sara Mouradian, Postdoc an der UC Berkeley, sagte Gizmodo. Diejenigen, die auf supraleitenden Quanten-Computer sind in der Hoffnung, um zu sehen, Verbesserungen des Systems Drähte und eine bessere Kontrolle insgesamt. Beide Systeme müssen Wege finden, die wesentlich zur Zunahme des Umfangs und der Größe, die ist nicht so einfach wie das hinzufügen von mehr Steine, um einen Lego-Turm. Quanten-Computer wird auch verlangen, dass Fehler Korrektur oder Speicherung der Informationen von einem einzelnen qubit über mehrere verschränkten physikalischen qubits, um zu korrigieren mögliche Fehler.
Die NISQ-ära Geräte sind immer noch boundary-drängen-tools für das Studium der Quantenphysik, und vielleicht werden Sie finden nützliche Anwendungen, die in der Nähe von Begriff, ob Sie demonstrieren “quantum überlegenheit,” “quantum Vorteil” oder auch nur “quantum Nützlichkeit.” Es gibt viele andere quantum-Geräte in den Werken als auch, wie sensoren und kryptographische tools, finden könnten Anwendungen früher.
Aber für die startup-Finanzierung Willen, hoffentlich Wissenschaftler und Techniker zeigen quantum überlegenheit (oder Vorteil) und nützlich finden Quanten-computer-Anwendungen, bald.
“Was ragt über das Feld, besonders auf der kommerziellen Seite, ist all diese Unternehmen Investitions-und Bau-Systeme—aber wenn Sie können nicht kommen mit eine nützliche Anwendung, die in 10 Jahren, was passiert dann?” Preskill sagte. “Ist es eine Quanten-Absturz, weil die Menschen fühlten, dass das Potenzial nicht erkannt?” Zumindest für jetzt, die US-Regierung hat einen Gesetzesentwurf verabschiedet, die Injektion Geld in diesem Sektor um Zug mehr Wissenschaftler und dem Wissenstransfer an die Branche.
Quantum überlegenheit ist auf den Horizont und das Streben nach es ist weiter zu schieben, den wissenschaftlichen Fortschritt in grundlegende und tiefgreifende Weise. Aber beweisen quantum überlegenheit eines Problems nicht bringen Quanten-Computer viel näher an Ihrem eigenen Schreibtisch. Es ist entscheidend, dass wir weiterhin betonen die Unsicherheiten in dem Bereich, vor allem wenn es um Kurzfristige Potenzial.
Quantencomputer markieren, dass Wissenschaft und Technologie die unterschiedliche Ziele haben, und stellen zwei sehr verschiedene Linsen, durch die zu verstehen quantum überlegenheit. Technologie kann fühlen Sie sich wie ein endloser Marsch in Richtung einige bessere Produkt. Aber die Wissenschaft ist langsamer, unberechenbar, und oft strenger erfordert es, dass die Menschen decken alle Basen, um zu verstehen, wie diese bahnbrechenden neuen Geräte tatsächlich funktionieren, bevor wir behaupten können, dass Quanten-Computer sind eigentlich überlegen.
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