Quantencomputer

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Die Steigerung der Rechenleistung von Technologie ist eine der Hauptaufgaben von Wissenschaftlern und Ingenieuren. Ein Quantencomputer kann es lösen. Das Gerät wird von Google, IBM, Intel und anderen Unternehmen entwickelt. Theoretisch arbeitet ein Quanten-PC 100 Millionen Mal schneller als gewöhnlich.

Was ist ein Quantencomputer?

Zentralprozessor

Ein solches Computergerät arbeitet nicht mit Bits, sondern mit Qubits. Aus diesem Grund kann ein Quanten-PC alle möglichen Zustände eines Objekts gleichzeitig verarbeiten. In der Praxis führen Supercomputer jedoch die gleiche Anzahl logischer Operationen pro Minute aus..

Leistungen

Prototyp

Der Hauptvorteil der neuen Technologie ist die Quantenüberlegenheit. Dies ist die Fähigkeit von Computergeräten, Aufgaben zu lösen, auf die leistungsstarke Supercomputer nicht zugreifen können. Nicht alle Wissenschaftler unterstützen die Idee, einen solchen PC zu schaffen. Das Hauptargument dagegen ist die Unmöglichkeit, die Richtigkeit der erhaltenen Lösung zu überprüfen. Während der Berechnungen kann das Gerät einen Fehler machen, indem es 0 und 1 verwechselt, und es ist nicht möglich, das Problem zu identifizieren.

Derzeit ist das Hauptproblem bei der Schaffung von Quantenüberlegenheit die Stabilität von Qubits. Diese Elemente erfordern einen sorgfältigen Umgang: Unbeabsichtigte Geräusche oder Vibrationen führen zum Verlust von Daten, die der Computer berechnen konnte. Für einen stabilen Betrieb des Geräts sollte die Umgebungstemperatur nicht mehr als 20 mK betragen.

Wie funktioniert Qubit?

Bit und Qubit

In Standardcomputern werden Informationen im Binärcode dargestellt. Die Bits zum Speichern und Verarbeiten von Daten nehmen die Werte 0 oder 1 an. Transistoren führen mathematische Operationen aus, und das Ergebnis der Binärcode-Konvertierung wird auf dem Bildschirm angezeigt.

Qubit ist eine Einheit zur Informationsspeicherung in einem Quantencomputer. Zusätzlich zu 0 und 1 kann es sich in einem unbestimmten Grenzzustand befinden, der als Überlagerung bezeichnet wird. Um ein Qubit zu erhalten, müssen Sie ein Atom nehmen, fixieren und stabilisieren, es vor Fremdstrahlung schützen und an ein anderes Atom binden.

Je mehr solche Elemente miteinander verbunden sind, desto stabiler arbeitet das System. Um einen klassischen Supercomputer zu übertreffen, müssen Sie mehr als 49 Qubits binden. Dies ist sehr schwierig: Atome sind unabhängig von den verwendeten Materialien immer instabil.

Quanten-Computing

Berechnungsbeispiel

Die Theorie besagt, dass das Elektron ohne Wechselwirkung mit anderen Teilchen keine eindeutigen Koordinaten in der Atombahn hat. Erst während der Messung verschwindet die Unsicherheit und der Ort des Partikels wird bekannt.

Die Wahrscheinlichkeit der Änderungen ermöglicht die Verwendung von Quantencomputern zum Durchsuchen unstrukturierter Datenbanken..

Überlagerung und Verschleierung

Der Computerbetrieb basiert auf zwei mechanischen Phänomenen:

  1. Verwirrtheit. Ein Phänomen, bei dem der Zustand von zwei oder mehr Objekten voneinander abhängig ist. Zum Beispiel ist in 2 Photonen in einem verschränkten Zustand die Helizität negativ und positiv. Die Beziehung bleibt bestehen, wenn Sie Objekte im Raum voneinander entfernen.
  2. Kohärente Überlagerung. Der gleichzeitige Einfluss alternativer (sich gegenseitig ausschließender) Bedingungen auf das Partikel.

Dekohärenz

Dies ist ein Prozess, bei dem der Zustand eines Quantensystems unkontrollierbar wird. Dekohärenz tritt auf, wenn viele Qubits voneinander abhängen. Das Problem tritt auf, wenn der Computer mit Strahlung, kosmischer Strahlung oder einem Magnetfeld interagiert..

Es werden verschiedene Methoden verwendet, um Computer vor dem „Rollen“ der üblichen Computerprozesse zu schützen. D-Wave Systems kühlt Atome auf Null ab, um sie vor äußeren Einflüssen zu schützen. Der Quantenprozessor befindet sich in Schutzhüllen, sodass das fertige Gerät sehr sperrig ist.

Die Wahrscheinlichkeit, einen Quanten-PC zu erstellen

Vergleich mit Klassiker

Ein Qubit kann nicht aus mehreren Teilchen aufgebaut werden, und nur Atome können sich im erforderlichen Zustand befinden. Standardmäßig sind diese mehreren Partikel ungeklärt. Chinesische und kanadische Wissenschaftler versuchten, mithilfe von Photonenchips einen Computer zu entwickeln, doch die Forschung war erfolglos.

Bestehende Arten von Quanten-PCs:

  • in Halbleitersiliciumkristallen;
  • auf Elektronen in Halbleiterquantenpunkten;
  • in Mikrokavitäten mit einem Hohlraum;
  • auf linearen optischen Elementen;
  • auf Ionen in einem eindimensionalen Kristall, der in Paul gefangen ist.

Quantum Computing umfasst eine Folge von Operationen, die mit einem oder mehreren Qubits ausgeführt werden, wodurch das gesamte System geändert wird. Die Aufgabe besteht darin, aus allen Zuständen den richtigen auszuwählen, der das Ergebnis der Berechnungen liefert. Es kann so viele Zustände wie möglich geben, so nah wie möglich am Wahren.

Die Genauigkeit dieser Berechnungen unterscheidet sich fast immer von der Einheit..

Schöpfungsgeschichte

Ein vollwertiger Quanten-PC erfordert erhebliche Fortschritte in der Physik. Die Programmierung sollte sich von der jetzt vorhandenen unterscheiden. Quantencomputer werden nicht in der Lage sein, Probleme zu lösen, die über die normalen hinausgehen, sondern die Lösungen derjenigen beschleunigen, mit denen sie fertig werden..

Der jüngste Durchbruch war die Entwicklung des Bristlecone-Prozessors durch Google. Im Frühjahr 2018 gab das Unternehmen eine Erklärung zum Erwerb eines 72-Qubit-Prozessors ab, die jedoch von seinen Arbeitsprinzipien nicht bestätigt wurde. Es wird angenommen, dass 49 Qubits erforderlich sind, um eine „Quantenüberlegenheit“ zu erreichen, wenn ein PC beginnt, das Übliche zu überschreiten. Google hat die Bedingung erfüllt, aber die Wahrscheinlichkeit eines Berechnungsfehlers (0,6%) blieb über dem erforderlichen Wert.

Wo können Quantencomputer eingesetzt werden?

Gerät und Funktionen

Die moderne Kryptographie basiert auf der Tatsache, dass es unmöglich ist, eine Zahl schnell in 40-50 Zeichen zu zerlegen. Klassische Computer werden dafür 1-2 Milliarden Jahre brauchen. Ein Quanten-PC führt diese mathematischen Berechnungen in 25 Sekunden durch. Dies bedeutet, dass jeder Verschlüsselungsalgorithmus sofort geknackt werden kann..

Andere Anwendungen von Quantencomputern:

  • Modellierung chemischer Reaktionen;
  • künstliche Intelligenz;
  • Entwicklung neuer Medikamente.

Moderne Quanten-PCs wissen nicht wie.

Geräte sind in der Lage, einen mathematischen Algorithmus mit enormer Leistung auszuführen..

Sie werden beispielsweise von großen Unternehmen erworben, um Benutzerstatistiken zu sammeln.

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