Quantencomputer tauchen immer wieder als Objekte von Interesse und Interesse auf - Interesse, weil sie solch massive Erhöhungen der Rechenleistung und des Interesses bieten, weil sie vielleicht alle unsere derzeitigen Kryptographie brechen könnten. Es ist nicht mehr eine Frage des "wenn", sondern des "wann". Das erste Arbeitsmodell erschien 1998, aber in den letzten Jahren gab es einen massiven Anstieg der Macht. Wenn Sie möchten, können Sie jetzt sogar über das Internet auf einen der IBM Quantencomputer zugreifen.

Der Fang? Quantencomputer sind noch nicht sehr nützlich. Sie erfordern derzeit einige hochwertige wissenschaftliche Geräte, um zu funktionieren, sind teuer zu bauen und zu warten, und sind nur gut bei bestimmten Aufgaben. Die Quintessenz ist, dass Quantencomputer fast an dem Punkt sind, erstaunliche wissenschaftliche Maschinen zu sein, aber sie können die Lieferung von Katzenbildern von Internet-Servern zu Ihren Augäpfeln nie wirklich beschleunigen.

"In den 1940er Jahren haben die Forscher gerade entdeckt, wie man Vakuumröhren als einfache Schalter einsetzt. ... Diese Schalter könnten dann Logikgatter bilden, die miteinander verbunden werden könnten, um die ersten Logikschaltungen zu bilden. Da sind wir jetzt mit Quantenprozessoren. Wir haben überprüft, dass alle Komponenten funktionieren. Der nächste Schritt besteht darin, die kleinste und interessanteste Schaltung zu entwickeln. "- Jungsang Kim, Duke University

Zu lange, habe nicht gelesen

Quantencomputer sind kompliziert. Wenn Sie also nur auf die Idee kommen, ohne auf die Details einzugehen, ist dies für Sie.

  • Herkömmliche Prozessoren arbeiten mit vielen kleinen Teilen, die entweder in eine 0- oder eine 1-Position gekippt werden können.
  • Überlagerung: Ein "Schrödingers Katze" -Szenario: Etwas kann in mehreren Zuständen existieren, bis es beobachtet wird. Für Quantencomputer bedeutet dies, dass sie 0 und 1 gleichzeitig speichern können, bis sie das eine oder andere sein müssen.
  • Quantenverschränkung: Eine Eigenschaft, die Quantenteilchen miteinander sprechen lässt - selbst über Entfernungen von vielen Meilen beeinflussen alle Änderungen, die an einem Teilchen vorgenommen werden, auch das andere. Dadurch können Quantencomputer "überlagerte" Chips kombinieren, um die Geschwindigkeit und den Speicherplatz exponentiell zu erhöhen. Zwei Bytes können nur einen der folgenden Werte speichern: 0-0, 0-1, 1-0 oder 1-1. Zwei Qubits können all diese speichern.
  • Qubits: Herkömmliche Computer verwenden Bits und Bytes; Quantencomputer verwenden Qubits. Dies sind die Dinge, die auf der Ebene zwischen 0 und 1 existieren, und sie sind es, was jeder versucht, sich zu verwickeln und Chips anzulegen.
  • Quantencomputer sind für alltägliche Computeranwendungen nicht sehr nützlich, aber sie werden wahnsinnig gut in einigen sehr komplexen Dingen sein.

Herkömmliche Prozessoren

Herkömmliche Prozessoren, wie der Intel- oder der AMD-Chip in Ihrem Computer, sind im Wesentlichen Rechner, die logischen Wegen folgen - sie erhalten einige Daten und Anweisungen, die ihnen sagen, was sie tun sollen (Mathematik, wie Addieren / Multiplizieren; Logik, wie AND / NOT). . Sie führen die Operation durch und senden das Ergebnis an einen anderen Ort. Es ist so einfach, eine Eingabe / Nummer geht hinein, und eine Ausgabe kommt heraus; Wenn es abstrakt erscheint, stellen Sie sich eine Blackbox vor, die Anweisungen und Materialien entgegennimmt und ein Produkt ausspuckt. Wenn Sie einen 2, 4-GHz-Prozessor haben, macht Ihr Computer etwa 2, 4 Milliarden dieser Operationen pro Sekunde. Je mehr Zahlen Sie pro Sekunde aus Ihrem Prozessor herausholen können, desto schneller werden Ihre Programme ausgeführt.

Auf der Hardware-Ebene bestehen Prozessoren aus Millionen oder sogar Milliarden von Transistoren, die im Wesentlichen winzige kleine Schalter sind, die ständig umgeschaltet werden (sie bewegen sich nicht, ändern nur ihre elektrischen Ladungszustände), um einen von zwei Zuständen darzustellen: 0 oder 1. Diese sind in Logikgattern, Caches und anderen ausgefallenen Dingen auf dem Chip angeordnet, aber das Einzige, was wir wissen müssen, ist, dass Transistoren nur zwei mögliche Zustände haben: Sie sind immer entweder auf 0 oder auf 1 gesetzt, was eine Berechnung zulässt auf einmal gemacht werden.

Zusammenfassend gesagt: Herkömmliche Prozessoren machen Milliarden von sehr einfachen Operationen sehr schnell, indem sie Millionen / Milliarden von Transistoren verwenden, die in bestimmten Mustern angeordnet sind und je nach Instruktion entweder auf 0 oder auf 1 gesetzt werden.

Schrödingers Katze und Superposition

Anstatt direkt in die Schrauben und Muttern zu gehen, ist es am besten, mit etwas ziemlich draußen dort Physik zu beginnen. (Mach dir keine Sorgen; es gibt keine Mathematik.)

Schrodingers Katze ist eines der berühmtesten Beispiele der Quantenphysik und beschäftigt sich mit der Idee der "Superposition". Es ist ziemlich einfach: Ein Wissenschaftler hat eine Kiste mit einer Katze darin. Die Katze hat eine 50% ige Chance zu sterben. (Bei dieser Illustration wurden keine Katzen verletzt.) Der Wissenschaftler hat die Schachtel nicht geöffnet, so dass er nicht weiß, ob die Katze lebt oder tot ist.

Vom objektiven Standpunkt aus muss die Katze entweder tot oder lebendig sein, aber vom Standpunkt der Quantenphysik aus sind beide wahr, zumindest bis die Box geöffnet ist. Warum? Weil (zumindest für unsere Zwecke; es gibt viele verschiedene Wege, dies zu erreichen) die Verarbeitungseinheit des Wissenschaftlers (sein Gehirn) nicht weiß, was die Antwort ist, außer dass es eine lebende oder eine tote Katze sein könnte. Theoretisch hat sich der Wissenschaftler auf beide Möglichkeiten vorbereitet. Wenn er die Box öffnet, erhält sein Gehirn den Input (die Katze lebt!) Und produziert die vorberechnete Ausgabe (vermutlich Relief).

"Das Universum ist nicht nur fremder, als wir denken, es ist merkwürdiger als wir denken können." - Werner Heisenberg

Das ist Superposition : die Idee, dass etwas in mehreren Zuständen existiert, bis es beobachtet, gemessen oder anderweitig bearbeitet wird. Wie sieht das für Quantencomputer aus? Ersetzen Sie einfach das Gehirn des Wissenschaftlers durch einen Prozessor (metaphorisch): es kennt bereits die verschiedenen Möglichkeiten (der Befehl könnte entweder für eine 0 oder eine 1 sein) und speichert alle Möglichkeiten gleichzeitig. Wenn es jedoch zur Ausgabe kommt, gibt es eine 0 oder eine 1 aus, genau wie ein normaler Prozessor. Alle Möglichkeiten können gleichzeitig existieren, aber nur eine Ausgabe kann entstehen. Es ist nicht besonders nützlich mit nur zwei Zahlen, aber wenn man das bis zu dem Punkt skaliert, an dem Quantencomputer Milliarden von Möglichkeiten gleichzeitig berechnen können, wird das Potenzial offensichtlich.

Stellen Sie sich als Analogie vor, eine Münze in die Luft zu werfen. Während es fliegt, rotiert es ständig zwischen den Köpfen und den Schwänzen, effektiv sind Köpfe, Schwänze, und beide Köpfe und Schwänze. Das macht der Prozessor eines Quantencomputers, und deshalb kann er so ziemlich jedes mögliche Ergebnis sofort berechnen.

Quantenverschränkung

Die Dinge beginnen hier sehr interessant zu werden. Es stellt sich heraus, dass Quantenteilchen in Paaren existieren können und dass jedes Mitglied des Paares ein Spiegelbild des anderen ist. Dies ist "Quantenverschränkung". Wenn etwas mit Teilchen 1 passiert, wird eine entgegengesetzte Änderung in Teilchen 2 auftreten. Einstein nannte diese "gruselige Aktion in einer Entfernung" wegen der Tatsache, wie merkwürdig diese Eigenschaft ist. Militärforscher experimentieren sogar damit, Radar zu ersetzen - feuern Sie einfach die Hälfte eines verschränkten Paares in den Himmel und sehen Sie, was mit seinem Partner hier unten passiert, um herauszufinden, ob er ein Flugzeug trifft.

"Wenn die Quantenmechanik Sie nicht tief erschüttert hat, haben Sie es noch nicht verstanden." - Niels Bohr

Das ist ein bisschen verwirrend, um den Kopf herumzukriegen, also genügt es zu sagen, dass Quantencomputer Verschränkung verwenden können, um mehrere "Quantentransistoren" oder "Qubits" zu verbinden, um das Niveau der Komplexität exponentiell zu erhöhen. Ein Computer kann den Zustand eines Qubits betrachten und dann herausfinden, was alle anderen auch machen, weil sie verschränkt sind.

Qubits

Hier kommt die Hardware ins Spiel. Qubits sind, wie herkömmliche Computerbits und -bytes, die grundlegendste Einheit des Quanteninformationsspeichers. Der große Unterschied besteht darin, dass jedes Qubit in gewisser Weise gleichzeitig sowohl 0 als auch 1 ist, was auf verschiedenen Arten von Computerchips repliziert werden kann, von unterkühlten Supraleitern zu Lasern. Das Endziel ist jedoch das gleiche: Erhalte ein Teilchen, das in diesem seltsamen Quantenzustand existiert, in dem es zwei Dinge gleichzeitig gibt. Zum Beispiel kann ein winziger Streifen unterkühlten Metalls Elektronen mit sehr geringem Widerstand herumprallen lassen, wodurch das Potenzial für jeden Zustand entsteht, anstatt das Qubit in einem Zustand zu halten.

Ein guter nächster Schritt besteht darin, die Qubits zu verschränken, was im Wesentlichen bedeutet, dass Sie alle auf die gleiche Frequenz synchronisieren müssen, damit sie zusammenarbeiten können. Dies macht Quantencomputer sehr viel leistungsfähiger, da die Verwicklung der Qubits es ist, die einen ganzen Chip von ihnen zusammen arbeiten lässt. Allein ein Qubit ist ziemlich beeindruckend, aber es macht nichts zu aufregend. Wenn es jedoch mit einem anderen Qubit verschränkt ist, kann es alle möglichen Werte der beiden kombinierten Qubits speichern: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, mit 2 ^ 2 Möglichkeiten. Wenn Sie drei Qubits verstricken, haben Sie jetzt 2 ^ 3 Möglichkeiten (8). Der Weltrekord-Chip vom Juni 2018 hat 72 Qubits, die theoretisch in einer Sekunde so viele Berechnungen durchführen könnten, wie ein PC in über einer Woche könnte.

Um dies etwas einfacher zu machen: Wenn Sie zwei konventionelle Bits mit zwei Qubits vergleichen, ist der auffälligste Unterschied, dass zwei Bits nur 0-0, 0-1, 1-0 oder 1-1 sein können - nur eine Kombination von Binärwerten Ergebnisse. Zwei Qubits können jedoch alle vier gleichzeitig speichern, und da sie exponentiell wachsen, gehen ein paar Qubits viel weiter als ein paar Bits. 3 verschränkte Qubits können 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 und 0- 1-0, simultan - skaliere das immer um eine Kraft nach oben und du erhältst einen Computer, der einige sehr komplexe Möglichkeiten speichern kann.

Demnächst (für einige spezifische Dinge)

Das ist also ein Quantencomputer: eine Maschine, die alle Antworten kennt, aber nur diejenige herausgibt, die mit der Frage übereinstimmt. Es ist eine wahnsinnige Maschine, aber sie ist gebaut worden und wird so schnell größer und besser, dass es schwer ist mitzuhalten. Sie wundern sich vielleicht, wenn Sie eine winzige sub-arktische Tiefkühltruhe mit gespenstischer Wissenschaft in Ihrem Computer bekommen, und die Antwort ist leider nicht bald. Das soll nicht heißen, dass es nie passieren wird, aber im Moment kann es nur innerhalb eines Labors funktionieren, und Ihr fünf Jahre alter Laptop kann wahrscheinlich einen Quantencomputer bei den meisten Dingen schlagen. Quantencomputer werden in einigen Dingen sehr gut sein, zum Beispiel:

  • Breaking Encryption: Sie müssen kein Bitcoin besitzen, um sich Sorgen zu machen, dass die Verschlüsselung nicht funktioniert. Es hält so ziemlich alles im Internet davon ab, offen lesbar zu sein für jeden, der reinschauen möchte. Dein WLAN? Verschlüsselt. Kreditkarte? Verschlüsselt. Das Brechen der RSA-Verschlüsselung wird bei normalen Computern als unmöglich angesehen, aber nur deshalb, weil sie nicht schnell genug raten können. Quantencomputer sind erstaunlich im Raten. Glücklicherweise scheint die Quantenverschränkung einen neuen Weg zu bieten, Dinge zu verschlüsseln.
  • Suche nach riesigen Datenmengen: Quantencomputer können sich die Daten ansehen, alle Antworten speichern und Ihre Frage sofort beantworten. Angenommen, Sie haben eine zufällige Liste von Zahlen, und Sie wissen, dass die Zahl 193, 201 irgendwo darin vorkommt. Ein herkömmlicher Computer muss alle Zahlen durchgehen, um ihn zu finden, aber ein Quantencomputer wusste, wo er war, bevor Sie ihn überhaupt gefragt haben.
  • Modellierung extrem komplexer Szenarien: Chemische Strukturen, physikalische Probleme, Wettervorhersagen massiv komplexer Systeme mit vielen möglichen Ergebnissen - hier brilliert das Quantum Computing. Weil es in so vielen möglichen Zuständen gleichzeitig existieren kann, kann es die tatsächliche Komplexität der variablen natürlichen Welt (die selbst in einem Quantenzustand ist) replizieren.

"In weniger als zehn Jahren werden sich Quantencomputer schneller als herkömmliche Computer entwickeln und zu Durchbrüchen in der künstlichen Intelligenz, der Entdeckung neuer Arzneimittel und darüber hinaus führen. Die sehr schnelle Rechenleistung von Quantencomputern hat das Potenzial, traditionelle Unternehmen zu stören und unsere Cybersicherheit in Frage zu stellen. Unternehmen müssen für eine Quanten-Zukunft bereit sein, weil sie kommt. "- Jeremy O'Brien, Universität von Bristol

Quantencomputer, so wie sie derzeit existieren, sehen aus, als wären sie meistens Problemlösungsmaschinen, optimieren Versorgungsketten, betreiben künstliche Intelligenz, sagen das Wetter voraus, spielen am Aktienmarkt usw. IBM, Intel, D-Wave, Google und andere Unternehmen produzieren bereits Versionen dieser Maschinen und erforschen Wege, um sie praktischer und benutzbarer zu machen.

Eine bedeutende Hürde ist jedoch, dass Quantencomputer, da sie auf der Berechnung so vieler Möglichkeiten aufbauen, manchmal etwas falsch machen. Die Forscher arbeiten daran, dies zu beheben, aber es ist ein weiterer Grund, warum Sie wahrscheinlich keinen Quantencomputer haben werden, der Ihren viel mechanischeren (und daher präziseren) Prozessor ersetzt.

Fazit: Verwirrung, aber das ist in Ordnung

"Das ist der eine Teil von Microsoft, wo sie Folien hingelegt haben, die ich wirklich nicht verstehe. Ich kenne viel Physik und viel Mathematik. Aber der eine Ort, an dem sie Dias aufstellen, und es sind Hieroglyphen, das ist Quantum. "- Bill Gates

Trost dabei: Die meisten Menschen haben keine Ahnung, wie das Zeug in ihrem Computer funktioniert, und selbst diejenigen, die eine Idee haben, verstehen wahrscheinlich nicht alles. Das Beste an der Spezialisierung ist, dass Sie keine Ahnung haben müssen, wie Ihr Prozessor arbeitet, um erstaunliche Dinge damit zu tun, und das gleiche gilt für Quantencomputer. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Ihr Intel i7 ziemlich ordentlich ist, aber wenn Sie etwas darüber erfahren, werden Sie wahrscheinlich nicht die wahre Natur der Realität in Frage stellen.