התפתחויות מדעים יישומיים כרוניקה של אבולוציה עיצובית בחקר מחשוב קוונטי

מחשוב קוונטי הוא אזור המתפתח פתאום, והעיצוב של מערכות מחשב קוונטיים מתפתח תמיד. במאמר זה, נחקור את המגמות האחרונות בעיצוב מחשוב קוונטי, ונדון באתגרים וההזדמנויות איתם מתמודדים חוקרים.

אחת המגמות החשובות ביותר בתכנון מחשוב קוונטי היא המעבר לעבר קיוביטים מוליכים-על. קיוביטים מוליכים-על עשויים מחומרים שיכולים להוליך אנרגיה חשמלית ללא כל התנגדות, וזהו מתיר להם להגן על מצבם הקוונטי לפרקי זמן ארוכים יותר. זה חשוב לבניית מערכות מחשב קוונטיים בקנה גודל גדול, מכיוון שהוא מתיר לקיוביטים לתקשר זה בלי זה לפרקי זמן ארוכים יותר.

דפוס חשובה נוספת בתכנון מחשוב קוונטי היא בנייה בדים סטודנטים שנה א' לקיוביטים. חוקרים חוקרים כל הסוגים של סמים, משלב סיליקון, יהלום ומבודדים טופולוגיים. לכל נושא הטבות וחסרונות ייחודיים משלו, וסטודנטים פועלים לגלות את החומרים הטובים ביותר לבניית מערכות מחשב קוונטיים.

כמו גם לחומרה, אולי אפילו התוכנה למחשבים קוונטיים מתפתחת פתאום. חוקרים מפתחים אלגוריתמים סטודנטים שנה א' ושפות תכנות שתוכננו מאוד מאוד עבור מערכות מחשב קוונטיים. האלגוריתמים החדשים הללו חיוניים לפתיחת הכישרון של מחשוב קוונטי, והם כבר נמצאים מתרגל לפתרון הרבה מאוד שיקולים, משלב למידה תרופות מרשם, מודלים פיננסיים ולמידת ידוע כ.

השיפור של מערכות מחשב קוונטיים נשאר להיות בשלביו הראשונים, אך יש אפשרי גדול לטכנולוגיה זו לחולל מהפכה במגוון גדול של תעשיות. ככל שהחוקרים ממשיכים להגדיל עיצובים סטודנטים שנה א' עבור מערכות מחשב קוונטיים, אנו יכולים להסתכל על להציץ התפתחות מלהיבה נוסף יותר בתחום זה בשנים הבאות.

נוֹשֵׂא	תְשׁוּבָה
מחשוב קוונטי	מחשוב קוונטי הוא פחות או יותר מחשוב המשתמש במכניקת קוונטים כדי להגשים חישובים.
עיצוב אבולוציה	העיצוב של מערכות מחשב קוונטיים התפתח בלי הזמן, כאשר חוקרים פיתחו טקטיקות חדשות מבפנים לנשים ולשלוט בקיוביטים.
התפתחויות מדעים יישומיים	המגמות האחרונות בחקר המחשוב הקוונטי כוללות בנייה של חומרי קיוביט סטודנטים שנה א', אלגוריתמים קוונטיים סטודנטים שנה א' וארכיטקטורות מחשוב קוונטי חדשות מבפנים.
חֲקִירָה	המחשוב הקוונטי נשאר להיות בשלבי השיפור המוקדמים נינוח, עם זאת הסטודנטים בוחנים כל הסוגים של תוכניות פוטנציאליים למחשבים קוונטיים, משלב למידת ידוע כ, קריפטוגרפיה וגילוי תרופות מרשם.
אפשרויות מחשוב	למחשבים קוונטיים יש מגוון נקודות טובות ייחודיים שמבדילים אלה ממחשבים קלאסיים, משלב המתקן להגשים חישובים מסוימים מוקדם יותר באופן אקספוננציאלי ממחשבים קלאסיים.

II. מחשוב קוונטי

ניתן למצוא את ההיסטוריה של המחשוב הקוונטי לימיה הראשונים של מכניקת הקוונטים בשנות העשרים. בשנת 1927, הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר הציג את משוואת שרדינגר, המתארת ​​את ההתנהגות דמוית הגל של אלקטרונים וחלקיקים תת-אטומיים אחרים. משוואה זו הניחה את השורש למכניקת הקוונטים וסללה את הדרך לפיתוח מחשבי קוונטים.

בשנות השמונים, הפיזיקאי היאנקי ריצ'רד פיינמן המליץ שאפשר ליישם במחשב קוונטי כדי להגיע לשורש העניין שיקולים מסוימות שהן בלתי פתירות עבור מערכות מחשב קלאסיים. בשנת 1994, פיטר שור פיתח סט של כללים קוונטי לפירוק מספרים שלמים, שיאפשר למחשב קוונטי לפגוע את סט של כללים ההצפנה הממוצע של RSA. משימה זו עוררה גל חדש לגמרי של סוגיה במחשוב קוונטי, והובילה לפיתוח של יותר מאחד מינים יותר מכמה של מערכות מחשב קוונטיים.

בימים אלה, ישנן מגוון של תאגידים מחשוב קוונטי משתנה הפועלות לפיתוח מערכות מחשב קוונטיים מסחריים. תאגידים אותם כוללות את גוגל, יבמ, מיקרוסופט ו-Rigetti Computing. תאגידים אלו מתקדמות משמעותית בפיתוח מערכות מחשב קוונטיים, והצפוי כי מערכות מחשב קוונטיים יהפכו למציאות בשנים הקרובות.

III. רכיבים מחשוב קוונטי

מחשוב קוונטי הוא פחות או יותר מחשוב המשתמש בעקרונות מכניקת הקוונטים כדי להגשים חישובים. זה ייחודי ממחשוב קונבנציונלי, שמשתמש בביטים שיכולים להשתנות ל 0 או 1. במחשוב קוונטי, ביטים יכולים להשתנות ל 0, 1 או שניהם בו-זמנית, סגנון נקרא סופרפוזיציה. זה מתיר למחשבים קוונטיים להגשים חישובים מסוימים מספר יותר מהר מצהיר מערכות מחשב מסורתיים.

המחשוב הקוונטי נשאר להיות בשלבי השיפור המוקדמים נינוח, עם זאת יש לו אפשרי לחולל מהפכה במגוון גדול של תעשיות, משלב טווח מחירים, שירותי רווחה ובינה מלאכותית.

להלן יותר מאחד מהמושגים הבסיסיים של מחשוב קוונטי:

• קוויביטים: יחידת הרעיונות הבסיסית במחשוב קוונטי נקראת קיוביט. קוויביטים יכולים להשתנות ל 0, 1 או שניהם בו-זמנית, סגנון נקרא סופרפוזיציה.
• שערים קוונטיים: שערים קוונטיים הם הפעולות הבסיסיות שניתן להגשים על קיוביטים. שערים קוונטיים מספרים מנוגדים לשערים לוגיים במחשוב קונבנציונלי.
• אלגוריתמים קוונטיים: אלגוריתמים קוונטיים הם התוכניות הפועלות על מערכות מחשב קוונטיים. אלגוריתמים קוונטיים יכולים להגיע לשורש העניין שיקולים מסוימות מספר יותר מהר מאלגוריתמים מסורתיים.

IV. אתגרי מחשוב קוונטי

ישנם מגוון של מצבים תובעניים שצריך לנצח עליהם כדי לנשים מחשב אישי קוונטי הגיוני. מצבים תובעניים אלו כוללים:

• הרצון בקיוביטים שהם באופן קיצוני קוהרנטיים ועמידים בפני דה-קוהרנטיות
• הרצון בדרך מדרגית ליצור ולשלוט במספרים גדולים של קיוביטים
• הרצון בדרך להגשים שינוי שגיאות קוונטי
• הרצון בדרך לממשק מערכות מחשב קוונטיים בלי מערכות מחשב קלאסיים

האתגרים האלה הם משמעותיים, עם זאת הם לא בלתי עבירים. הסטודנטים מתקדמים בכל החזיתות הללו, ובטוח שבמהלך העשורים הקרובים ייבנה מחשב אישי קוונטי הגיוני.

כמו גם לאתגרים הטכניים, ישנם אולי אפילו מגוון של מצבים תובעניים חברתיים וכלכליים שיש לחשוב על. אותם כוללים:

• הרצון בפיתוח פרדיגמת בטיחות חדשה עבור מערכות מחשב קוונטיים
• הרצון לוודא שמחשבים קוונטיים ישמשו לטוב ולעולם לא לרע
• הרצון לשלוט את ההשפעה הפוטנציאלית של מחשוב קוונטי על הכלכלה העולמית

האתגרים הללו מורכבים, אך הם אולי אפילו חשובים. חשוב מאוד שנתחיל להניח עליהם מיד, כדי שנוכל להשתנות ל מוכנים להגעת המחשוב הקוונטי.

V. אתגרי מחשוב קוונטי

מחשוב קוונטי הוא אזור המתפתח פתאום, ויש מגוון של מצבים תובעניים איתם מתמודדים חוקרים בפיתוח מערכות מחשב קוונטיים מעשיים. מצבים תובעניים אלו כוללים:

• הצרה בבניית קיוביטים. קוויביטים הם יחידת הרעיונות הבסיסית במחשבים קוונטיים, וקשה מספר יותר לנשים אלה מביטים קלאסיים. ההסבר לכך היא שקיוביטים לווים להשתנות ל מבודדים מסביבתם כדי להגן על מצבם הקוונטי, והם אולי אפילו רגישים לדה-קוהרנטיות, שהיא השיטה באמצעות אשר קיוביטים מאבדים את תכונותיהם הקוונטיות.
• הרצון בתיקון שגיאות קוונטי. מערכות מחשב קוונטיים רגישים לשגיאות, ושגיאות אלו מיומנויות להצטבר פתאום ולהפוך את אפקטים החישוב לחסרות שמשמעותה. שינוי שגיאות קוונטי היא שיטה שניתן ליישם בה כדי להחליש את מגוון של השגיאות בחישוב קוונטי, אך היא יקרה מבחינה חישובית ומוסיפה למורכבות המחשבים הקוונטיים.
• היעדר מחשב אישי קוונטי נפוץ. מחשב אישי קוונטי נפוץ הוא מחשב אישי קוונטי שניתן לתכנת להגיע לשורש העניין כל נושא חישובית. בנוסף שישנן מגוון של ארכיטקטורות מחשוב קוונטי משתנה בפיתוח, נחיר אחת מהן נשאר להיות לא מסוגלת לחישוב נפוץ.
• הרצון במחשבים קוונטיים בקנה גודל גדול. מערכות מחשב קוונטיים הם חזקים באופן קיצוני, אך הם אולי אפילו דורשים רבים קיוביטים על מנת למצות את מלוא הכישרון שלהם ממש. ככל שמספר הקיוביטים במחשב קוונטי עולה, אולי אפילו מורכבות המחשב האישי עולה, וכמו כן מחיר בניית המחשב האישי עולה.

גם אם האתגרים הללו, מחשוב קוונטי הוא אזור ערבויות בלי אפשרי לחולל מהפכה במגוון גדול של תעשיות. ככל שהחוקרים ממשיכים להגדיל דרכים חדשות מבפנים לבנייה ותכנות של מערכות מחשב קוונטיים, האתגרים העומדים בפניהם מתגברים צעד אחר צעד.

VI. הטבות מחשוב קוונטי

מחשוב קוונטי שנותן מגוון יתרונות על פני מחשוב קונבנציונלי, משלב:

קצב: מערכות מחשב קוונטיים יכולים להגשים חישובים מסוימים מוקדם יותר באופן אקספוננציאלי ממחשבים קלאסיים. ההסבר לכך היא שמחשבים קוונטיים יכולים ליישם בסופרפוזיציה, המאפשרת להם לאפיין מגוון של אירועים בו-זמנית. זה אומר שמחשבים קוונטיים יכולים לחפש במרחב מספר יותר גדול של הסתברויות מספר יותר מהר מצהיר מערכות מחשב קלאסיים.
דיוק: מערכות מחשב קוונטיים יכולים אולי אפילו להשתנות ל מדויקים יותר ממחשבים קלאסיים, מכיוון שהם אינם ידע לאותן שגיאות כמו מערכות מחשב קלאסיים. ההסבר לכך היא שמחשבים קוונטיים לקוחות בשיטות הסתברותיות, שפחות רגישות לשגיאות משיטות דטרמיניסטיות.
עוצמה אכילה אנרגיה חשמלית: מחשבי קוונטים יכולים להשתנות ל חסכוניים יותר בצריכת החשמל ממחשבים קלאסיים, מכיוון שהם אינם דורשים כל לפי הסדר מספר כוח כדי לפעול. ההסבר לכך היא שמחשבים קוונטיים אינם דורשים פיזור חום רב כמו מערכות מחשב קלאסיים.
מדרגיות: מערכות מחשב קוונטיים ניתנים להגדלה בפשטות רבה יותר ממחשבים קלאסיים. ההסבר לכך היא שמחשבים קוונטיים אינם דורשים נקודה פיזי כמו מערכות מחשב קלאסיים.

VII. חסרונות מחשוב קוונטי

גם אם היתרונות השונים של מחשוב קוונטי, ישנם אולי אפילו מגוון של חסרונות שצריך לחשוב על. אותם כוללים:

• העמלה הגבוהה של בניית ותפעול מערכות מחשב קוונטיים. מערכות מחשב קוונטיים הם גאדג'טים מורכבים ביותר, ומחיר בנייתם ​​נשאר להיות גבוהה באופן קיצוני. זה צפוי להישאר לפי הסדר במוקדם או במאוחר הנראה לעין, מכיוון שהטכנולוגיה ממשיכה להסתגל.
• הצרה בתכנות מערכות מחשב קוונטיים. מערכות מחשב קוונטיים פועלים אחרת באופן קיצוני ממחשבים קלאסיים, וזהו הולם אלה לקשים מספר יותר לתכנות. שזה אולי בעיה גדול שהחוקרים נשאר להיות צוות כדי לנצח עליו.
• היעדר כלי בוגרת למחשוב קוונטי. יש בימינו אלה היעדרות בתוכנה בוגרת זמינה עבור מחשוב קוונטי. זה מקשה על בנייה תוכניות עבור מערכות מחשב קוונטיים, וזהו מהווה חיסרון גדול לאימוץ לעומק של דור זו.
• הכישרון לפרצות בטיחות. מערכות מחשב קוונטיים עשויים לשימוש כדי לפגוע יותר מאחד מאלגוריתמי ההצפנה הנפוצים ביותר. לכך עשויה להשתנות ל כוח משמעותית על אבטחת הסייבר, וזו עדיפות גדולה שיש להתמודד עם בה.

אלו רק מעטים מהחסרונות של מחשוב קוונטי. לחלופין, חזק מאוד לרמוז כי חסרונות אלו אינם בלתי עבירים. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להסתגל, מחיר הפיתוח וההפעלה של מערכות מחשב קוונטיים צפויה לרדת. אולי אפילו הצרה בתכנות מערכות מחשב קוונטיים צפוי להתאושש, ככל שהחוקרים מפתחים ציוד ואסטרטגיות חדשות מבפנים. ובטוח שהמחסור בתוכנה בוגרת למחשוב קוונטי יטופל, ככל שיותר ויותר מפתחים יתחילו לעבוד על אזור זה.

בדרך כלל, החסרונות של מחשוב קוונטי הם משמעותיים, עם זאת הם לא בלתי עבירים. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להסתגל, כנראה יש שהחסרונות הללו יתגברו, והמחשוב הקוונטי יהפוך למציאות.

ציר זמן של מחשוב קוונטי

ההיסטוריה של המחשוב הקוונטי היא קצרה יחסית, עם זאת היא כבר ראתה התפתחות רבה. המחשב האישי הקוונטי הראשוני הוצג על ה-1980 באמצעות ריצ'רד פיינמן, והמחשב הקוונטי הפועל הראשוני נבנה על ה-1998 באמצעות גוף עובדים חוקרים על ה-IBM. מאז, אזור המחשוב הקוונטי סבל לצמוח פתאום, וכיום פועלות מגוון של תאגידים מחשוב קוונטי משתנה על בנייה מערכות מחשב קוונטיים מסחריים.

ציר הזמן המתקרב שמציע סקירה כללית קצרה של יותר מאחד מאבני הדרך המרכזיות בהיסטוריה של המחשוב הקוונטי:

• 1980: ריצ'רד פיינמן שנותן את המחשב האישי הקוונטי הראשוני.
• 1998: המחשב האישי הקוונטי הפועל הראשוני נבנה באמצעות גוף עובדים חוקרים על ה-IBM.
• 2001: David DiVincenzo משדר רשימת מלאי של סטנדרטים שחייבים לקום בהם כדי שמחשב קוונטי יכול להיות פונקציונלי.
• 2007: גוגל יוצרת מעין חדש לגמרי של מחשב אישי קוונטי הנקרא מחשב אישי קוונטי יון לכוד.
• 2011: IBM יוצרת מעין חדש לגמרי של מחשב אישי קוונטי הנקרא מחשב אישי קוונטי מוליך-על.
• 2012: גוגל ונאס"א משתפות תנועה כדי לנשים מעין חדש לגמרי של מחשב אישי קוונטי הנקרא מחשב אישי קוונטי פוטוני.
• 2016: גוגל אמירה כי המחשב האישי הקוונטי שלה השקמה קיבל עליונות קוונטית.
• 2017: IBM אמירה על בנייה מעין חדש לגמרי של מחשב אישי קוונטי הנקרא מחשב אישי חישול קוונטי.
• 2018: סין אמירה על בנייה מעין חדש לגמרי של מחשב אישי קוונטי הנקרא מחשב אישי קוונטי טופולוגי.
• 2019: ממשלת ארה"ב אמירה על יוזמה חדשה לשער מיליארד אחד דולר במחקר מחשוב קוונטי.
• 2020: אירופאי משדר על יוזמה חדשה לשער 1.5 מיליארד אחד דולר במחקר מחשוב קוונטי.

ציר הזמן שלמעלה שמציע הצצה להתקדמות המהירה שנעשתה בתחום המחשוב הקוונטי בעשורים האחרונים. ככל שהתחום ימשיך לצמוח, כנראה יש שנראה מאפיינים מרגשות נוסף יותר בשנים הבאות.

ט. תאגידים מחשוב קוונטי

ישנן מגוון של תאגידים המפתחות באופן תוסס מדעים יישומיים מחשוב קוונטי. תאגידים אלו כוללות:

• גוגל
• IBM
• מיקרוסופט
• אינטל
• ריגטי
• D-Wave
• IonQ
• קיימברידג' מחשוב קוונטי
• 1QBit

הפירמות הללו פרטים כולן על גישות משתנה למחשוב קוונטי, ולכל אחת יש את החוזקות והחולשות האינדיבידואליות לה. גוגל, למשל, יוצרת מחשב אישי קוונטי המבוסס על קיוביטים מוליכים-על. IBM יוצרת מחשב אישי קוונטי המבוסס על יונים כלואים. מיקרוסופט יוצרת מחשב אישי קוונטי המבוסס על קיוביטים טופולוגיים. אינטל יוצרת מחשב אישי קוונטי המבוסס על קיוביטים של סיליקון.

השיפור של המחשוב הקוונטי התגלה נשאר להיות בשלביו הראשונים, אך הפירמות הללו מתקדמות משמעותית. כנראה יש שנראה את המחשבים הקוונטים המסחריים הראשונים בשנים הקרובות. למחשבים אותם יכול להיות אפשרי לחולל מהפכה במגוון גדול של תעשיות, משלב טווח מחירים, שירותי רווחה ובינה מלאכותית.

שאילתה 1: מהו מחשוב קוונטי?

מחשב אישי קוונטי הוא מחשב אישי המשתמש בעקרונות מכניקת הקוונטים כדי להגשים חישובים. זה מתיר למחשבים קוונטיים להגיע לשורש העניין שיקולים מסוימות שהן קצב יותר באופן אקספוננציאלי ממחשבים קלאסיים.

ש 2: מהם האתגרים של מחשוב קוונטי?

ישנם מגוון של מצבים תובעניים הקשורים למחשוב קוונטי, משלב:

1. הרצון ליצור ולשלוט בקיוביטים, שהם יחידת הרעיונות הבסיסית במחשב קוונטי.
2. הרצון בפיתוח אלגוריתמים שיכולים להרוויח מ את כוחם של מערכות מחשב קוונטיים.
3. הרצון להציע הגנה ל מערכות מחשב קוונטיים מפני רעש ומחסור קוהרנטיות.

ש 3: מהם היישומים הפוטנציאליים של מחשוב קוונטי?

למחשוב קוונטי יש אפשרי לחולל מהפכה במגוון גדול של תחומים, משלב:

1. למידת ידוע כ
2. קריפטוגרפיה
3. כִּימִיָה
4. מדע הבד
5. לְמַמֵן