Trendovi kvantnog računalstva


Trendovi kvantnog računalstva

Kvantno računalstvo je područje studija usmjereno na razvoj računalne tehnologije temeljene na principima kvantne teorije.

Deseci milijardi javnog i privatnog kapitala ulažu se u Quantum tehnologije. Zemlje diljem svijeta shvatile su da kvantne tehnologije mogu biti glavni ometač postojećih poduzeća, zajedno su uložile 24 milijarde dolara u kvantna istraživanja i primjene 2021. godine.

quantum_research_and_applications.jpeg

Usporedba klasičnog i kvantnog računarstva

Što je kvantno računalstvo

Klasično računalstvo oslanja se, na svojoj krajnjoj razini, na principe izražene Booleovom algebrom. Podaci se moraju obraditi u ekskluzivnom binarnom stanju u bilo kojem trenutku u vremenu ili onome što nazivamo bitovima. Dok je vrijeme koje svaki tranzistor ili kondenzator treba biti u 0 ili 1 prije prebacivanja stanja sada mjerljivo u milijardama sekunde, još uvijek postoji ograničenje koliko brzo se ovi uređaji mogu natjerati da se preklope u stanje.

Kako napredujemo prema manjim i bržim krugovima, počinjemo dosezati fizičke granice materijala i prag za primjenu klasičnih zakona fizike. Osim toga, kvantni svijet preuzima, u kvantnom računalu, niz elementarnih čestica kao što su elektroni ili fotoni koji se mogu koristiti bilo sa svojim naplatiti ili polarizacija djeluje kao reprezentacija 0 i/ili 1. Svaka od ovih čestica poznata je kao kvantni bit, ili kubit, priroda i ponašanje ovih čestica čine osnovu kvantnog računanja. Klasična računala koriste tranzistore kao fizičke građevne blokove logike, dok kvantna računala mogu koristiti zarobljene ione, supravodljive petlje, kvantne točke ili slobodna mjesta u dijamantu.

Fizički naspram logičkih kubita

Kada govorimo o kvantnim računalima s ispravljanjem pogrešaka, govorimo o fizičkim i logičkim kubitima. Fizički kubiti su fizički kubiti u kvantnim računalima, dok su logički kubiti grupe fizičkih kubita koje koristimo kao jedan kubit u našem računanju za borbu protiv buke i poboljšanje ispravljanja pogrešaka.

Da bismo to ilustrirali, razmotrimo primjer kvantnog računala sa 100 kubita. Recimo da je ovo računalo sklono buci, da bismo to popravili, možemo koristiti više kubita za formiranje jednog stabilnijeg kubita. Mogli bismo odlučiti da nam je potrebno 10 fizičkih kubita za formiranje jednog prihvatljivog logičkog kubita. U ovom slučaju bismo rekli da naše kvantno računalo ima 100 fizičkih kubita koje koristimo kao 10 logičkih kubita.

Razlikovanje između fizičkih i logičkih kubita je važno. Postoje mnoge procjene koliko će nam kubita trebati da izvedemo određene izračune, ali neke od tih procjena govore o logičkim kubitima, a druge govore o fizičkim kubitima. Na primjer: Za razbijanje RSA kriptografije trebale bi nam tisuće logičkih kubita, ali milijuni fizičkih kubita.

Još jedna stvar koju treba imati na umu, u klasičnom računalu računalna snaga raste linearno s brojem tranzistora i brzinom takta, dok u kvantnom računalu računalna snaga raste eksponencijalno s dodatkom svakog logičkog kubita.

Kvantna superpozicija i isprepletenost

Dva najrelevantnija aspekta kvantne fizike su principi superpozicija i zapetljanost.

Superpozicija: Zamislite kubit kao elektron u magnetskom polju. Spin elektrona može biti ili u skladu s poljem, koje je poznato kao spin-up stanje, ili suprotno polju, koje je poznato kao stanje spin-down. Prema kvantnom zakonu, čestica ulazi u superpoziciju stanja, u kojoj se ponaša kao da se nalazi u oba stanja istovremeno. Svaki korišteni kubit mogao bi imati superpoziciju 0 i 1. Gdje 2-bitni registar u običnom računalu može pohraniti samo jednu od četiri binarne konfiguracije (00, 01, 10 ili 11) u bilo kojem trenutku, 2-kubit registar u kvantnom računalu može pohraniti sva četiri broja istovremeno, jer svaki kubit predstavlja dvije vrijednosti. Ako se doda više kubita, povećani kapacitet se eksponencijalno širi.

Zapletenit: Čestice koje su u nekom trenutku stupile u interakciju zadržavaju vrstu veze i mogu se zaplesti jedna s drugom u parovima, u procesu poznatom kao korelacija. Poznavanje stanja spina jedne isprepletene čestice – gore ili dolje – omogućuje nam da znamo da je spin njezine srodne čestice u suprotnom smjeru. Kvantna isprepletenost omogućuje kubitima koji su razdvojeni nevjerojatnim udaljenostima da trenutno stupe u interakciju jedni s drugima (ne ograničavajući se na brzinu svjetlosti). Bez obzira koliko je velika udaljenost između koreliranih čestica, one će ostati zapletene sve dok su izolirane. Uzeti zajedno, kvantna superpozicija i isprepletenost stvaraju enormno povećanu računsku snagu.

Kategorije_kvantnih_računala.jpeg

Kvantna računala dijele se u četiri kategorije:

  1. Kvantni emulator/simulator
  2. Kvantni žarač
  3. Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ)
  4. Univerzalno kvantno računalo – koje može biti kriptografski relevantno kvantno računalo (CRQC)

Kvantni emulator/simulator

To su klasična računala koja danas možete kupiti i koja simuliraju kvantne algoritme. Oni olakšavaju testiranje i otklanjanje pogrešaka kvantnog algoritma koji će jednog dana moći raditi na Universal Quantum Computer (UQC). Budući da ne koriste nikakav kvantni hardver, nisu brži od standardnih računala.

Kvantni žarač

Kvantno računalo posebne namjene dizajnirano samo za pokretanje problema kombinatorne optimizacije, a ne problema računalstva opće namjene ili problema kriptografije. Iako imaju više fizičkih kubita od bilo kojeg drugog trenutnog sustava, oni nisu organizirani kao logički kubiti bazirani na vratima. Trenutno je ovo komercijalna tehnologija u potrazi za budućim održivim tržištem.

Bučna kvantna računala srednje skale (NISQ).

Zamislite ove kao prototipovi Univerzalnog kvantnog računala – s nekoliko redova veličine manje bitova. Trenutno imaju 50-100 kubita, ograničenu dubinu vrata i kratko vrijeme koherencije. Kako postoji nekoliko redova veličine Qubita, NISQ računala ne mogu izvesti nikakvo korisno računanje, ali su neophodna faza u učenju, posebno za pokretanje učenja sustava i softvera paralelno s razvojem hardvera. Zamislite ih kao kotače za obuku budućih univerzalnih kvantnih računala.

Univerzalna kvantna računala / kriptografski relevantna kvantna računala (CRQC)

Ovo je krajnji cilj. Kad biste mogli izgraditi univerzalno kvantno računalo s tolerancijom grešaka (tj. milijuni fizičkih kubita ispravljenih greškom koji rezultiraju tisućama logičkih kubita), mogli biste pokrenuti kvantne algoritme u kriptografiji, pretraživanju i optimizaciji, simulacijama kvantnih sustava i rješavačima linearnih jednadžbi.

Post-kvantni / kvantno-otporni kodovi

Novi kriptografski sustavi bili bi sigurni i protiv kvantnih i od konvencionalnih računala i mogli bi interoperirati s postojećim komunikacijskim protokolima i mrežama. Algoritmi simetričnog ključa iz Commercial National Security Algorithm (CNSA) Suite odabrani su da budu sigurni za korištenje nacionalnih sigurnosnih sustava čak i ako je razvijen CRQC. Kriptografske sheme za koje komercijalna industrija vjeruje da su kvantno sigurne uključuju kriptografija temeljena na rešetki, hash stabla, multivarijantne jednadžbe i supersingularne izogene eliptičke krivulje.

Poteškoće s kvantnim računalima

Od čega su napravljena kvantna računala

Smetnje – Tijekom faze izračunavanja kvantnog izračuna, najmanji poremećaj u kvantnom sustavu (recimo zalutali foton ili val EM zračenja) uzrokuje kolaps kvantnog izračuna, proces poznat kao dekoherencija. Kvantno računalo mora biti potpuno izolirano od svih vanjskih smetnji tijekom faze računanja.

Ispravak pogreške – S obzirom na prirodu kvantnog računanja, ispravljanje pogrešaka je iznimno kritično – čak i jedna pogreška u izračunu može uzrokovati kolaps valjanosti cijelog izračuna.

Poštivanje izlaza – Usko povezano s gornja dva, dohvaćanje izlaznih podataka nakon dovršenog kvantnog izračuna riskira oštećenje podataka.