▷ Τι είναι ένας κβαντικός επεξεργαστής και πώς λειτουργεί;

Μπορεί να αναρωτιέστε τι είναι ένας κβαντικός επεξεργαστής και πώς λειτουργεί; Σε αυτό το άρθρο θα βυθίσουμε σε αυτόν τον κόσμο και θα προσπαθήσουμε να μάθουμε περισσότερα για αυτό το παράξενο γεγονός ότι ίσως μια μέρα θα είναι μέρος του όμορφου RGB πλαισίου μας, κβαντικό φυσικά.

Ευρετήριο περιεχομένων

Όπως όλα σε αυτή τη ζωή, προσαρμόζετε ή πεθαίνετε. Και ακριβώς αυτό συμβαίνει με την τεχνολογία και όχι με ακρίβεια εκατομμυρίων ετών ως ζωντανά όντα, αλλά σε ένα διάστημα ετών ή καιρικών μηνών. Η τεχνολογία προχωράει με ζοφερή ταχύτητα και οι μεγάλες εταιρείες συνεχώς καινοτομούν στα ηλεκτρονικά τους εξαρτήματα. Περισσότερη ισχύς και λιγότερη κατανάλωση για την προστασία του περιβάλλοντος είναι οι χώροι που είναι σύγχρονοι σήμερα. Έχουμε φθάσει σε ένα σημείο όπου η μικρογράφηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων φτάνει σχεδόν στο φυσικό όριο. Η Intel λέει ότι θα είναι 5nm, πέρα ​​από αυτό δεν θα υπάρχει νόμος του Moore. Αλλά ένας άλλος αριθμός κερδίζει δύναμη, και είναι ο κβαντικός επεξεργαστής. Σύντομα θα αρχίσουμε να εξηγούμε όλα τα οφέλη της.

Με την IBM ως πρόδρομο, μεγάλες εταιρείες όπως η Microsoft, η Google, η Intel και η NASA είναι ήδη ενθουσιασμένοι σε έναν αγώνα για να δουν ποιος μπορεί να κατασκευάσει τον πιο αξιόπιστο και ισχυρό κβαντικό επεξεργαστή. Και είναι σίγουρα το εγγύς μέλλον. Βλέπουμε τι είναι αυτός ο κβαντικός επεξεργαστής

Χρειαζόμαστε έναν κβαντικό επεξεργαστή

Οι τρέχοντες επεξεργαστές βασίζονται σε τρανζίστορ. Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό τρανζίστορ, κατασκευάζονται λογικές πύλες για να επεξεργάζονται τα ηλεκτρικά σήματα που ρέουν μέσα από αυτά. Αν ενταχθούμε σε μια σειρά από λογικές πύλες, θα έχουμε έναν επεξεργαστή.

Το πρόβλημα είναι τότε στη βασική του μονάδα, τα τρανζίστορ. Εάν τα μινιατούρα αυτά, μπορούμε να τοποθετήσουμε περισσότερα σε ένα μέρος, παρέχοντας περισσότερη δύναμη επεξεργασίας. Αλλά, φυσικά, υπάρχει ένα φυσικό όριο σε όλα αυτά, όταν φτάνουμε τρανζίστορ τόσο μικρά ώστε να είναι της τάξης των νανομέτρων, βρίσκουμε προβλήματα για τα ηλεκτρόνια που κυκλοφορούν μέσα τους για να το κάνουν σωστά. Υπάρχει μια πιθανότητα ότι αυτά θα γλιστρήσουν από το κανάλι τους, θα συγκρουστούν με άλλα στοιχεία μέσα στο τρανζίστορ και θα προκαλέσουν αστοχίες της αλυσίδας.

Και αυτό είναι ακριβώς το πρόβλημα, ότι φτάνουμε σήμερα στο όριο της ασφάλειας και της σταθερότητας για να κατασκευάσουμε επεξεργαστές που χρησιμοποιούν κλασικά τρανζίστορ.

Κβαντική υπολογιστική

Το πρώτο πράγμα που πρέπει να ξέρουμε είναι τι είναι η κβαντική υπολογιστική και δεν είναι εύκολο να το εξηγήσουμε. Αυτή η έννοια ξεφεύγει από αυτό που γνωρίζουμε σήμερα ως κλασική υπολογιστική, η οποία χρησιμοποιεί δυαδικά ψηφία «0» (0, 5 volts) και «1» (3 volts) ηλεκτρικής ώθησης για να σχηματίσουν λογικές αλυσίδες αξιόπιστων πληροφοριών.

Uza.uz γραμματοσειρά

Ο κβαντικός υπολογισμός από τη μεριά του χρησιμοποιεί τον όρο qubit ή τον κίνο για να αναφερθεί σε πληροφορίες που μπορούν να ενεργοποιηθούν. Ένα qubit δεν περιέχει μόνο δύο καταστάσεις όπως το 0 και το 1, αλλά είναι επίσης ικανό να περιέχει ταυτόχρονα 0 και 1 ή 1 και 0, δηλαδή μπορεί να έχει αυτές τις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι δεν έχουμε ένα στοιχείο που παίρνει διακριτές τιμές 1 ή 0, αλλά, καθώς μπορεί να περιέχει και τα δύο κράτη, έχει ένα συνεχή χαρακτήρα και μέσα του, ορισμένα κράτη που θα είναι όλο και λιγότερο σταθερά.

Όσο περισσότερα qubits οι περισσότερες πληροφορίες μπορούν να επεξεργαστούν

Ακριβώς στην ικανότητα να έχουν περισσότερες από δύο πολιτείες και να έχουν πολλά από αυτά ταυτόχρονα, βρίσκεται η εξουσία του. Μπορούμε να είμαστε σε θέση να κάνουμε περισσότερους υπολογισμούς ταυτόχρονα και σε λιγότερο χρόνο. Όσο περισσότερα qubits μπορούν να επεξεργαστούν περισσότερες πληροφορίες, από αυτήν την άποψη είναι παρόμοια με τις παραδοσιακές CPU.

Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός υπολογιστής

Η λειτουργία βασίζεται στους κβαντικούς νόμους που διέπουν τα σωματίδια που αποτελούν τον κβαντικό επεξεργαστή. Όλα τα σωματίδια έχουν ηλεκτρόνια εκτός από τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Αν πάρουμε ένα μικροσκόπιο και θα δούμε μια ροή σωματιδίων ηλεκτρονίων, μπορούμε να δούμε ότι έχουν μια συμπεριφορά παρόμοια με αυτή των κυμάτων. Αυτό που χαρακτηρίζει ένα κύμα είναι ότι είναι μια μεταφορά ενέργειας χωρίς τη μεταφορά της ύλης, για παράδειγμα, ήχο, είναι δονήσεις που δεν μπορούμε να δούμε, αλλά γνωρίζουμε ότι ταξιδεύουν στον αέρα μέχρι να φτάσουν στα αυτιά μας.

Λοιπόν, τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια που είναι ικανά να συμπεριφέρονται είτε ως σωματίδια είτε ως κύματα και αυτό προκαλεί αλληλοεπικάλυψη κρατών και 0 και 1 μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα. Είναι σαν να προβάλλονται οι σκιές ενός αντικειμένου, από τη μια γωνία βρίσκουμε ένα σχήμα και ένα άλλο. Η σύνδεση των δύο σχηματίζει το σχήμα του φυσικού αντικειμένου.

Επομένως, αντί δύο τιμών 1 ή 0 που γνωρίζουμε ως bits, οι οποίες βασίζονται σε ηλεκτρικές τάσεις, ο επεξεργαστής αυτός είναι σε θέση να δουλέψει με περισσότερες καταστάσεις που ονομάζονται quanta. Ένα κβαντικό, επιπλέον της μέτρησης της ελάχιστης τιμής που μπορεί να λάβει ένα μέγεθος (για παράδειγμα 1 volt), είναι επίσης ικανό να μετρήσει τη μικρότερη δυνατή μεταβολή που μπορεί να παρουσιάσει αυτή η παράμετρος όταν περνάει από μια κατάσταση στην άλλη (για παράδειγμα, είναι σε θέση να διαφοροποιήσει το σχήμα ενός αντικειμένου μέσω δύο ταυτόχρονων σκιών).

Μπορούμε να έχουμε 0, 1 και 0 και 1 την ίδια στιγμή, δηλαδή, δυφία που τοποθετούνται πάνω από το άλλο

Για να είμαστε ξεκάθαροι, μπορούμε να έχουμε 0, 1 και 0 και 1 την ίδια στιγμή, δηλαδή, τα δυφία που τοποθετούνται πάνω από το άλλο. Όσο περισσότερα qubits, τόσο περισσότερα κομμάτια μπορούμε να έχουμε πάνω από το άλλο και στη συνέχεια περισσότερες αξίες μπορούμε να έχουμε ταυτόχρονα. Με αυτόν τον τρόπο, σε έναν επεξεργαστή 3-bit, θα πρέπει να εκτελέσουμε εργασίες που έχουν μία από αυτές τις 8 τιμές, αλλά όχι περισσότερες από μία κάθε φορά. από την άλλη πλευρά, για έναν επεξεργαστή 3 qubit θα έχουμε ένα σωματίδιο που μπορεί να πάρει οκτώ καταστάσεις κάθε φορά και τότε θα είμαστε σε θέση να κάνουμε εργασίες με οκτώ λειτουργίες ταυτόχρονα

Για να μας δώσει μια ιδέα, η πιο ισχυρή μονάδα επεξεργαστή που έχει δημιουργήσει σήμερα έχει χωρητικότητα 10 teraflops ή ό, τι είναι τα ίδια 10 δισεκατομμύρια πράξεις κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο. Ένας επεξεργαστής 30-qubit θα μπορούσε να κάνει τον ίδιο αριθμό λειτουργιών. Η IBM έχει ήδη κβαντικό επεξεργαστή 50-bit και είμαστε ακόμα στην πειραματική φάση αυτής της τεχνολογίας. Φανταστείτε πόσο μακριά μπορούμε να πάμε, καθώς μπορείτε να δείτε ότι η απόδοση είναι πολύ υψηλότερη από ό, τι σε έναν κανονικό επεξεργαστή. Καθώς τα qubits ενός κβαντικού επεξεργαστή αυξάνουν, οι λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει πολλαπλασιάζονται εκθετικά.

Πώς μπορείτε να δημιουργήσετε έναν κβαντικό επεξεργαστή

Χάρη σε μια συσκευή που μπορεί να λειτουργήσει με συνεχείς καταστάσεις αντί να έχει μόνο δύο δυνατότητες, είναι δυνατόν να επανεξετάσουμε προβλήματα που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο να επιλυθούν. Ή επίσης να επιλύσετε τα τρέχοντα προβλήματα με ταχύτερο και πιο αποτελεσματικό τρόπο. Όλες αυτές οι δυνατότητες ανοίγονται με μια κβαντική μηχανή.

Για να «κβαντοποιήσουμε» τις ιδιότητες των μορίων, πρέπει να τις φέρουμε σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Προκειμένου να επιτύχουμε αυτές τις καταστάσεις, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τρανζίστορ με βάση ηλεκτρικούς παλμούς που στο τέλος θα είναι είτε 1 είτε 0. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να εξετάσουμε περαιτέρω, συγκεκριμένα στους νόμους της κβαντικής φυσικής. Θα πρέπει να διασφαλίσουμε ότι αυτά τα σωματίδια που σχηματίζονται από σωματίδια και μόρια είναι ικανά να κάνουν κάτι παρόμοιο με αυτό που κάνουν τα τρανζίστορ, δηλαδή να δημιουργούν σχέσεις μεταξύ τους με ελεγχόμενο τρόπο ώστε να μας προσφέρουν τις πληροφορίες που θέλουμε.

Αυτό είναι πραγματικά περίπλοκο και το θέμα που πρέπει να ξεπεραστεί στον κβαντικό υπολογισμό. Για να «κβαντοποιήσουμε» τις ιδιότητες των μορίων που απαρτίζουν τον επεξεργαστή, πρέπει να τα φέρουμε σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273, 15 βαθμούς Κελσίου). Για να γνωρίζει η μηχανή τη διαφοροποίηση μιας κατάστασης από την άλλη, πρέπει να τα κάνουμε διαφορετικά, για παράδειγμα, ένα ρεύμα 1 V και 2 V, εάν τοποθετήσουμε τάση 1, 5 V, το μηχάνημα δεν θα γνωρίζει ότι είναι το ένα ή το άλλο. Και αυτό πρέπει να επιτευχθεί.

Μειονεκτήματα της κβαντικής πληροφορικής

Το κύριο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ακριβώς αυτό του ελέγχου αυτών των διαφορετικών καταστάσεων μέσω των οποίων μπορεί να περάσει η ύλη. Με ταυτόχρονες καταστάσεις, είναι πολύ δύσκολο να εκτελεστούν σταθεροί υπολογισμοί χρησιμοποιώντας κβαντικούς αλγόριθμους. Αυτό ονομάζεται κβαντική ασυνέπεια, αν και δεν θα πάμε σε περιττούς κήπους. Αυτό που πρέπει να καταλάβουμε είναι ότι όσο πιο τετράγωνα θα έχουμε περισσότερα κράτη και όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των κρατών, τόσο μεγαλύτερη ταχύτητα θα έχουμε, αλλά και πιο δύσκολο να τον ελέγξουμε θα είναι τα λάθη στις μεταβολές της ύλης που συμβαίνουν.

Επιπλέον, οι κανόνες που διέπουν αυτές τις κβαντικές καταστάσεις των ατόμων και των σωματιδίων λένε ότι δεν θα είμαστε σε θέση να παρατηρήσουμε τη διαδικασία υπολογισμού ενώ συμβαίνει, γιατί αν παρεμβαίνουμε σε αυτήν, οι υπερτιθέμενες καταστάσεις θα καταστραφούν εντελώς.

Οι κβαντικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά εύθραυστες και οι υπολογιστές πρέπει να απομονώνονται εντελώς υπό κενό και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν για να επιτευχθεί ποσοστό σφάλματος της τάξης του 0, 1%. Είτε οι κατασκευαστές υγρών ψύξης βάζουν τις μπαταρίες είτε εξαντλούμε τον κβαντικό υπολογιστή για τα Χριστούγεννα. Λόγω όλων αυτών, τουλάχιστον μεσοπρόθεσμα θα υπάρχουν κβαντικοί υπολογιστές για τους χρήστες, ίσως να υπάρχουν μερικές από αυτές που διανέμονται σε όλο τον κόσμο υπό τις απαιτούμενες συνθήκες και μπορούμε να τις έχουμε πρόσβαση μέσω του διαδικτύου.

Χρησιμοποιεί

Με την ικανότητα επεξεργασίας τους, οι κβαντικοί αυτοί επεξεργαστές θα χρησιμοποιηθούν κυρίως για επιστημονικούς υπολογισμούς και για την επίλυση προβλημάτων που δεν είχαν επιλυθεί στο παρελθόν. Ο πρώτος τομέας εφαρμογής είναι πιθανώς χημεία, ακριβώς επειδή ο κβαντικός επεξεργαστής είναι ένα στοιχείο που βασίζεται στη χημεία σωματιδίων. Χάρη σε αυτό θα μπορούσε κανείς να μελετήσει τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης, σήμερα αδύνατο να επιλυθεί με συμβατικούς υπολογιστές.

• Σας συνιστούμε να διαβάσετε τους καλύτερους επεξεργαστές στην αγορά

Μετά από αυτό θα μπορούσε να έχει εφαρμογές για τη μελέτη του ανθρώπινου γονιδιώματος, τη διερεύνηση ασθενειών κλπ. Οι δυνατότητες είναι τεράστιες και οι ισχυρισμοί είναι πραγματικοί, οπότε μπορούμε μόνο να περιμένουμε. Θα είμαστε έτοιμοι για την αναθεώρηση του κβαντικού επεξεργαστή!