Quantum Computing Explained (Like You Are A 5-Old)

Het concept van "Quantum Computing" dat onlangs viraal is - dankzij een zekere premier - is een van de vele niet-in kaart gebrachte gebieden van de wetenschap door ons niet-wetenschappelijke kijkers.

De reden dat de meesten van ons er nog niet van gehoord hebben, ondanks dat het decennia lang gebeurt, is dat voor het grootste deel het is theoretisch en degenen die aan het begin ervan aan het experimenteerden waren heel stil erover als gevolg van de noodzaak van militaire en bedrijfsgeheimen.

Desalniettemin weten we nu dat er een combinatie van kwantummechanica en computergebruik bestaat en plotseling is dit binnen ieders belang. Als je niet weet wat een quantumcomputer is, maar niet buitengesloten wilt blijven, lees dan verder om erachter te komen waarom het beter is dan de traditionele computers waarmee we vandaag werken.

Van traditionele computers en bits

Computers zijn meestal digitaal-elektronisch en zullen dat ook doen wisselwerking met gegevens vertegenwoordigd in binaire cijfers bekend als bits (0's en 1's). Of het nu afbeeldingen, tekst, audio of andere gegevens zijn - het is allemaal in stukjes opgeslagen.

Fysiek kunnen de binaire getallen 0 en 1 zijn weergegeven met behulp van een entiteit met twee staten zoals een munt (kop en staart) of een schakelaar (aan of uit). In computers zijn bits de aanwezigheid of afwezigheid van spanning (1 of 0), of verandering of behoud van magnetische richting in magnetische harde schijven.

Gegevens worden gemanipuleerd door de opgeslagen bits te berekenen. De berekening wordt uitgevoerd door logische poorten die typisch zijn opgebouwd uit transistoren die de doorgang van een elektronisch signaal regelen. Als het signaal doorlaat, is het de bit 1 en als het signaal wordt afgesneden, is het 0.

De grenzen van transistors

Met de steeds kleiner wordende chipgrootte en het groeiende aantal componenten, kunnen elektronische apparaten worden geleverd met miljoenen transistors die zo klein kunnen zijn als 7nm (dat is 1000 keer kleiner dan een rode bloedcel en slechts 20 keer groter dan sommige atomen).

De grootte van transistors kan blijven krimpen maar uiteindelijk zullen ze een fysieke limiet bereiken waar elektronen er gewoon doorheen zullen tunnelen en er zal geen controle zijn over de elektronische signaalstroom.

Voor de steeds groeiende behoefte aan krachtige berekeningen en kleinere apparaten, een maximale grootte voor een elektronische basiscomponent is een vooruitgangsbalk. Wetenschappers zijn op zoek naar nieuwe manieren neem minder tijd en ruimte om gegevens te berekenen en op te slaan, en een van de manieren die we kunnen gebruiken is quantum computing.

Qubits, superpositie en verstrengeling

Quantum computing gebruikt qubits in plaats van bits om gegevens te representeren. Qubits worden weergegeven met behulp van kwantumdeeltjes zoals elektronen en fotonen.

Kwantumdeeltjes hebben eigenschappen zoals spin en polarisatie die kunnen worden gebruikt om gegevens weer te geven. Een qubit die naar boven draait, kan bijvoorbeeld 1 zijn en naar beneden 0.

Maar de kracht van quantum computing komt van het feit dat in tegenstelling tot bits die ofwel 1 ofwel 0 zijn, qubits kunnen 1 en 0 zijn gelijktijdig, vanwege een eigenschap genaamd superpositie, waar quantum deeltjes zijn in meerdere staten tegelijkertijd.

Dit verhoogt het rekenvermogen van qubit, omdat het tijdens de berekening en aan het einde eenmalig voor zowel 1 als 0 kan worden gebruikt afgemeten, het wordt 1 of 0.

De superpositie eigenschap kan gemakkelijk verklaard worden door een beroemd gedachte-experiment gedaan door een denkbeeldige kat door Schrödinger, een Oostenrijkse fysicus.

In de kwantumwereld is er nog een andere eigenschap die kan worden uitgebuit in computers quantumverstrengeling. Het verwijst in feite naar eigenschappen van kwantumdeeltjes die verstrikt raken en afhankelijk worden van elkaar en kan dus niet afzonderlijk worden gewijzigd.

Ze gedragen zich als een enkel systeem met een algehele staat.

Laten we zeggen dat 2 qubits verstrengeling ondergaan, als een van de status van de qubit wordt gewijzigd, verandert de andere ook. Dit leidt tot echte parallelle verwerking of computers die de rekentijd aanzienlijk verkorten vergeleken met traditionele computers.

Moeilijkheden en gebruik

Er zijn veel praktische hindernissen die de wetenschappers en ingenieurs moeten overwinnen, zoals het creëren van een gecontroleerde omgeving voor de qubits en manieren vinden om hun eigenschappen te manipuleren, om een ​​gewenste uitkomst te produceren.

Maar als quantumcomputers met een hoge rekenkracht eindelijk zijn gemaakt, kunnen ze worden gebruikt om problemen op te lossen die anders zouden voorkomen heel lang duren in te vullen door traditionele computers.

Het vinden van priemgetallen van grote aantallen, het reizende verkoopprobleem voor een groot aantal steden en andere soortgelijke problemen vereisen een exponentieel aantal vergelijkingen om resultaat te krijgens. Ook het doorzoeken van kolossale databases is nog steeds een zeer tijdrovend proces voor zelfs de huidige digitale computers.

Deze problemen kunnen worden aangepakt met quantumcomputers, waarmee problemen in traditionele computers in enkele minuten kunnen worden opgelost.

(H / T: IBM)