Квантовые вычисления: использует двоичный код? – Технология с технологией

Вот все о квантовых вычислениях с использованием двоичного кода:

Нет, квантовые компьютеры не используют двоичный код.

Что делает квантовые компьютеры такими мощными, так это то, что они могут обрабатывать более двух фундаментальных сигналов одного типа, а это означает, что они могут понимать больше, чем просто 1 и 0.

Это позволяет им экспоненциально масштабироваться, а квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом.

Так что если вы хотите узнать все о том, как именно работают квантовые вычисления, то вы попали по адресу.

Давайте начнем!

Что такое двоичный код?

Ни одно из этих объяснений не будет иметь смысла, если мы не начнем с самого начала.

Многие люди знают, что компьютеры используют двоичные файлы, но немногие имеют четкое представление о том, что это на самом деле означает.

С точки зрения компьютера, двоичный код означает количество сигналов.

Есть два возможных сигнала, отсюда и «би» в двоичном формате.

Вот суть того, как работает компьютер.

У вас есть электрическая цепь.

Вы можете послать ток через эту цепь или нет.

На приемном конце этой цепи находится компонент.

Он проверит, есть ли ток или нет тока.

Если он видит ток, это записывается как «1».

Если ток отсутствует, он записывается как «0».

Это два возможных сигнала.

Вы можете расположить невероятное количество цепей рядом друг с другом, и компьютер сможет обрабатывать множество единиц и нулей одновременно.

Но в конечном итоге все, что делает компьютер, сводится к единицам и нулям.

Теперь, с технической точки зрения, компьютеры могут использовать множество различных механизмов для обработки сигналов.

Вот как вы можете иметь Wi-Fi, оптоволокно и массу других вещей.

Сигнал не обязательно должен быть электрической цепью; это просто простой пример для подражания.

Однако независимо от того, что на самом деле несет сигнал, каждый компьютер использует этот тип двоичной обработки.

Либо он видит сигнал и записывает 1, либо не видит сигнал и записывает 0.

Вот и все. Вот как работает двоичный код.

Используют ли квантовые вычисления двоичный код?

По крайней мере, так работал каждый компьютер до того, как квантовые вычисления стали чем-то особенным.

Теперь есть квантовые компьютеры, и они определенно не бинарные компьютеры.

Они могут обрабатывать сигналы за пределами 1 и 0, и это большая часть того, что делает их такими мощными.

Я немного расскажу, как все это работает, но есть несколько вещей, которые нужно знать о квантовых компьютерах.

Во-первых, их очень сложно сделать.

В мире нет никого, кто приблизился бы к созданию квантового компьютера, который можно было бы держать дома, а тем более в кармане.

Кроме того, поскольку они не используют двоичный код, их намного сложнее программировать.

Одной из самых больших проблем в квантовых вычислениях сейчас является концепция, называемая отказоустойчивостью.

По сути, ученые и инженеры должны полностью переосмыслить то, как проектировать компьютеры, чтобы сделать квантовые компьютеры такими же надежными, как традиционные компьютеры.

Это оказывается серьезной проблемой.

Наконец, квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом.

Я собираюсь объяснить концепцию под названием квантовое превосходство немного позже.

Предпосылка состоит в том, что когда квантовые компьютеры достигнут этой стадии, один такой компьютер будет более мощным, чем все традиционные компьютеры в мире вместе взятые.

Ясно, что отказ от двоичного кода — это большое дело для современных компьютеров.

Как работают квантовые вычисления? (3 шага)

Хорошо.

Я очень легко затронул суть классических или традиционных вычислений.

Теперь мы собираемся погрузиться в квантовые вычисления.

Как следует из названия, эти компьютеры построены на концепции квантовой механики, и, в отличие от фильмов Marvel, это название не просто для того, чтобы оно звучало впечатляюще.

Как вы, возможно, слышали, квантовая механика — довольно продвинутая тема в физике, поэтому, если вы не изучили ее полностью, то мы собираемся попасть прямо в кроличью нору.

Потерпите меня.

Я собираюсь пропустить самые сумасшедшие части математики, и в конце не будет популярной викторины.

Но я собираюсь научить вас сути работы квантовых компьютеров.

#1 Суперпозиция

Поскольку все началось с вопроса о бинарных системах, давайте сначала поговорим о суперпозиции.

Суперпозиция — это квантово-механическое явление, позволяющее чему-то находиться в двух состояниях одновременно.

Это уже странная концепция, но это также ключ к преодолению бинарной обработки.

Попробуем провести аналогию.

Прямо сейчас, возможно, вы сидите в комнате.

Вы можете встать, пройти через дверной проем, и тогда вы окажетесь в другой комнате.

Это два разных места, и вы не можете быть в обоих местах одновременно.

Но при особых обстоятельствах вы действительно можете находиться в обеих комнатах одновременно.

Если вы стоите в дверях одной ногой в каждой комнате, то вы сделали это.

Вы находитесь в двух комнатах одновременно.

Физика суперпозиции немного сложнее, но вот суть.

Маленькие частицы, такие как электрон, обычно имеют определенное состояние.

(Если вы действительно хотите погрузиться в физику, одно из лучших состояний для понимания суперпозиции — это квантовый спинили статус электрона вверх/вниз.)

Если электрон находится в состоянии суперпозиции, вы можете создать компьютер, который наблюдает суперпозицию как третий рудиментарный сигнал.

Электрон в первом состоянии был бы 0.

Второе состояние будет 1, а третье состояние будет 2.

Вместо того, чтобы работать в двоичном формате, вы теперь находитесь в троичном.

Это означает, что вы можете хранить и обрабатывать значительно больше информации с меньшим количеством оборудования, и это один из строительных блоков квантовых компьютеров.

Вот большая картина.

Квантовые компьютеры могут предложить гораздо больше, чем просто элементарный сигнал.

Суперпозиция в конечном итоге довольно сложна, и нет жесткого теоретического ограничения на количество различных сигналов, которые может использовать квантовый компьютер.

Вместо 0, 1 и 2 оно может дойти до тысячи, а то и больше.

Истинный потенциал квантовых вычислений все еще неизмерим.

Тем не менее, современные квантовые компьютеры сосредоточены на использовании суперпозиции для получения трех основных сигналов.

Но даже это чрезмерное упрощение, потому что происходит нечто большее, чем суперпозиция.

Мы вернемся к этому позже.

Как работает суперпозиция?

Суперпозиция — довольно большая проблема во всем этом, так как же она на самом деле работает.

Как заставить электрон, например, находиться в двух состояниях одновременно?

На самом деле мы довольно глубоко погружаемся в квантовую механику, так что для тех из вас, кто еще не имеет степени по физике, я постараюсь сохранить эту информацию.

Суть в том, что частицы естественным образом находятся в состоянии суперпозиции.

Если мы вернемся к идее электрона, он может находиться в состоянии со спином вверх или со спином вниз.

Вам действительно не нужно знать, что это значит, просто то, что это может быть ориентировано в двух возможных направлениях.

Квантовая механика говорит нам, что электрон фактически будет находиться в обоих состояниях, пока внешние силы не подтолкнут его в одно или другое состояние.

Начнем с того, что они находятся в суперпозиции, и когда мы возимся с электронами, они «коллапсируют» в верхнее или нижнее состояние.

Итак, квантовые компьютеры на самом деле просто используют естественно существующую суперпозицию.

Техника, стоящая за этим, очень быстро становится невероятно сложной.

Суть в том, что аппаратное обеспечение построено вокруг квантовой теории и вероятностей, так что оно может фактически распознавать, когда используемые частицы (которые не обязательно являются электронами) находятся в суперпозиции или нет.

#2 Запутанность

Это зашло глубоко, но на самом деле суперпозиция — это меньшая часть того, что делает квантовые компьютеры такими впечатляющими с таким большим потенциалом.

Запутанность – еще большее дело, и это основная причина, по которой квантовые компьютеры могут стать более мощными, чем кто-либо может разумно предсказать.

В квантовых вычислениях запутанность — это то, как устроены кубиты.

Это уже немного терминологии, так что позвольте мне вернуться на секунду.

Когда мы говорили о классической схеме, я сказал вам, что компьютер может прочитать, присутствует ли ток, чтобы понять, видит ли он 1 или 0.

Чего я не упомянул, так это того, что традиционно компьютеры объединяют восемь таких цепей вместе, и когда они это делают, это называется бит.

Таким образом, традиционный бит имеет 8 узлов, каждый из которых может считывать 1 или 0.

Затем вы можете организовать кучу битов вместе, и так вы создадите свою систему.

Квантовые вычисления используют так называемые кубиты.

В основном он выполняет ту же функцию, что и классическая бита.

Кубит — это организация информации как для обработки, так и для хранения данных.

Но функционально кубит полностью отличается от классического бита.

Это из-за запутанности.

Кубиты квантово запутаны друг с другом.

Это означает, что каждый раз, когда вы добавляете кубит в квантовый компьютер, он экспоненциально увеличивает объем данных, которые могут быть обработаны и сохранены в системе.

И наоборот, когда вы добавляете бит к классическому компьютеру, он просто добавляет еще восемь узлов, которые могут хранить только 1 или 0..

3. Биты против кубитов

Это действительно начинает иметь смысл, если я перейду к некоторым цифрам и покажу вам некоторые сравнения.

Поскольку классический компьютер использует двоичный код, максимальное число, которое вы можете представить с помощью обычного бита, равно 256.

Современные классические компьютеры используют хитрые приемы, чтобы сделать их более эффективными, и они могут обрабатывать очень большие числа с невероятной скоростью.

Но в конечном итоге вы добавляете биты в систему, что увеличивает емкость на 256 номеров за раз.

Для мощного компьютера нужно много бит.

Кубиты масштабируются экспоненциально.

Давайте упростим и скажем, что один кубит может хранить 0 или 1.

Таким образом, наибольшее число, которое может выразить один кубит, равно 2.

Если вы добавите в систему еще один кубит (сейчас у нас 2 кубита), то вы на самом деле экспоненциально увеличите количество информации в системе (это довольно глубоко в вероятности, поэтому я упрощаю).

Итак, 2 кубита могут выражать число до 4.

С 3 кубитами число увеличивается до 8, а с 4 кубитами — до 16.

Это экспоненциальное масштабирование — это все.

Не нужно много кубитов, прежде чем ваша система сможет выражать невероятно большие числа невероятно сложными способами, и квантовый компьютер может справиться с этой сложностью очень быстро.

Это сводится к тому, что квантовый компьютер может достичь квантового превосходства всего с 50 кубитами.

С инженерной точки зрения этого очень трудно достичь, но с теоретической точки зрения это даже не малая часть того, на что способен квантовый компьютер.

Вот что может вас шокировать.

IBM в настоящее время имеет квантовый компьютер со 127 кубитами.

Он достиг квантового превосходства, но с одной загвоздкой.

Аппаратно это можно сделать, но ненадолго.

Кроме того, программное обеспечение и программирование для квантовых компьютеров все еще сильно отстают от классических компьютеров.

Так что теоретически компьютер IBM мог бы решать проблемы, слишком сложные для всех традиционных компьютеров в мире вместе взятых, но это не значит, что мы готовы использовать его таким образом.

Квантовым вычислениям еще предстоит пройти долгий путь, но что касается аппаратных средств, то квантовое превосходство вполне возможно и вроде бы уже наступило.

Как на самом деле работает запутанность в квантовых вычислениях?

Хорошо.

Я накидал вам много физики, но вопрос все еще висит в воздухе.

Как запутать кубиты, чтобы все это работало?

Естественно, есть невероятно сложное физическое объяснение, но есть и простое практическое объяснение.

Если вы соберете вместе две очень маленькие частицы (например, электроны) и сдвинете их очень-очень близко друг к другу, они в конечном итоге запутаются.

Электроны хотят отталкиваться друг от друга, потому что у них одинаковый электрический заряд, поэтому, чтобы справиться с таким сближением и не сойти с ума, они входят в странное состояние, известное как запутанность.

Итак, чтобы построить квантовый компьютер, вы, по сути, разбивая очень маленькие частицы как можно ближе друг к другу.

Легко, верно?