Avantazhi kuantik është momenti historik ku fusha e informatikës kuantike po punon me zjarr, ku një kompjuter kuantik mund të zgjidhë probleme që janë përtej mundësive të kompjuterëve më të fuqishëm jo-kuantikë ose klasikë.
Kuanti i referohet shkallës së atomeve dhe molekulave ku ligjet e fizikës, ndërsa i përjetojmë, prishen dhe zbatohen një grup ligjesh të ndryshme, kundërintuitive. Kompjuterët kuantikë përfitojnë nga këto sjellje të çuditshme për të zgjidhur problemet.
Ka disa lloje problemesh që janë jopraktike për t’u zgjidhur nga kompjuterët klasikë, të tilla si plasaritje e algoritmeve të enkriptimit më të fundit. Hulumtimet në dekadat e fundit kanë treguar se kompjuterët kuantikë kanë potencialin për të zgjidhur disa nga këto probleme. Nëse mund të ndërtohet një kompjuter kuantik që në fakt zgjidh një nga këto probleme, ai do të ketë një avantazh kuantik.
unë jam një fizikan i cili studion përpunimin kuantik të informacionit dhe kontrollin e sistemeve kuantike. Unë besoj se ky kufi i inovacionit shkencor dhe teknologjik jo vetëm që premton përparime novatore në llogaritje, por gjithashtu përfaqëson një rritje më të gjerë në teknologjinë kuantike, duke përfshirë përparime të rëndësishme në kriptografinë kuantike dhe ndjeshmërinë kuantike.
Burimi i fuqisë së llogaritjes kuantike
Në qendër të llogaritjes kuantike është biti kuantik, ose kubit. Ndryshe nga bitët klasikë, të cilët mund të jenë vetëm në gjendjet 0 ose 1, një kubit mund të jetë në çdo gjendje që është një kombinim i 0 dhe 1. Kjo gjendje e as 1 ose vetëm 0 njihet si një mbivendosje kuantike. Me çdo kubit shtesë, numri i gjendjeve që mund të përfaqësohen me kubit dyfishohet.
Kjo veti shpesh ngatërrohet me burimin e fuqisë së llogaritjes kuantike. Në vend të kësaj, vjen deri te një ndërthurje e ndërlikuar e mbivendosjes, ndërhyrje dhe ngatërresa.
Ndërhyrja përfshin manipulimin e kubitëve në mënyrë që gjendjet e tyre të kombinohen në mënyrë konstruktive gjatë llogaritjeve për të amplifikuar zgjidhjet e sakta dhe në mënyrë destruktive për të shtypur përgjigjet e gabuara. Ndërhyrja konstruktive është ajo që ndodh kur majat e dy valëve – si valët e zërit ose valët e oqeanit – kombinohen për të krijuar një majë më të lartë. Ndërhyrja shkatërruese është ajo që ndodh kur një kulm valësh dhe një lug valësh kombinohen dhe anulojnë njëra-tjetrën. Algoritmet kuantike, të cilat janë të pakta dhe të vështira për t’u krijuar, krijojnë një sekuencë modelesh ndërhyrjesh që japin përgjigjen e saktë për një problem.
Ngatërrimi krijon një korrelacion unik kuantik midis kubitëve: Gjendja e njërit nuk mund të përshkruhet në mënyrë të pavarur nga të tjerët, pavarësisht se sa larg janë kubitët. Kjo është ajo që Albert Einstein e hodhi poshtë në mënyrë të famshme si “veprim drithërues në distancë”. Sjellja kolektive e Entanglement, e orkestruar përmes një kompjuteri kuantik, mundëson përshpejtime llogaritëse që janë përtej mundësive të kompjuterëve klasikë.
Njësitë dhe zerot – dhe gjithçka në mes – të llogaritjes kuantike.
Aplikimet e llogaritjes kuantike
Informatika kuantike ka një sërë përdorimesh të mundshme ku mund të tejkalojë kompjuterët klasikë. Në kriptografi, kompjuterët kuantikë paraqesin një mundësi dhe një sfidë. Më e famshmja, ata kanë potencial për të deshifruar algoritmet aktuale të enkriptimittë tilla si të përdorura gjerësisht Skema RSA.
Një pasojë e kësaj është se protokollet e sotme të enkriptimit duhet të ri-inxhinierohen për të qenë rezistente ndaj sulmeve kuantike të ardhshme. Kjo njohje ka çuar në lulëzimin e fushës së kriptografia post-kuantike. Pas një procesi të gjatë, Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë së fundmi zgjodhi katër algoritme rezistente kuantike dhe ka filluar procesin e përgatitjes së tyre në mënyrë që organizatat në mbarë botën t’i përdorin ato në teknologjinë e tyre të kriptimit.
Përveç kësaj, llogaritja kuantike mund të përshpejtojë në mënyrë dramatike simulimin kuantik: aftësinë për të parashikuar rezultatin e eksperimenteve që veprojnë në fushën kuantike. Fizikani i njohur Richard Feynman parashikonte këtë mundësi më shumë se 40 vjet më parë. Simulimi kuantik ofron potencialin për përparime të konsiderueshme në shkencën e kimisë dhe materialeve, duke ndihmuar në fusha të tilla si modelimi i ndërlikuar i strukturave molekulare për zbulimin e ilaçeve dhe duke mundësuar zbulimin ose krijimin e materialeve me veti të reja.
Një tjetër përdorim i teknologjisë kuantike të informacionit është ndjeshmëri kuantike: zbulimi dhe matja e vetive fizike si energjia elektromagnetike, graviteti, presioni dhe temperatura me ndjeshmëri dhe saktësi më të madhe se instrumentet jo kuantike. Ndjeshmëria kuantike ka një mori aplikimesh në fusha të tilla si monitorimi i mjedisit, eksplorimi gjeologjik, imazhe mjekësore dhe survejimi.
Iniciativa të tilla si zhvillimi i një interneti kuantik që ndërlidh kompjuterët kuantikë janë hapa vendimtarë drejt lidhjes së botës kuantike dhe asaj klasike të kompjuterave. Ky rrjet mund të sigurohet duke përdorur protokolle kriptografike kuantike si shpërndarja e çelësave kuantikë, e cila mundëson kanale komunikimi ultra të sigurta që mbrohen nga sulmet llogaritëse – duke përfshirë ato që përdorin kompjuterë kuantikë.
Pavarësisht nga një grup aplikimesh në rritje për llogaritjen kuantike, zhvillimi i algoritmeve të reja që përdorin plotësisht avantazhin kuantik – në veçanti në mësimin e makinerive – mbetet një fushë kritike e kërkimit të vazhdueshëm.
(Kredia: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND) Një sensor prototip kuantik i zhvilluar nga studiuesit e MIT mund të zbulojë çdo frekuencë të valëve elektromagnetike.
Qëndrimi koherent dhe tejkalimi i gabimeve
Fusha e informatikës kuantike përballet me pengesa të konsiderueshme në zhvillimin e harduerit dhe softuerit. Kompjuterët kuantikë janë shumë të ndjeshëm ndaj çdo ndërveprimesh të paqëllimshme me mjediset e tyre. Kjo çon në fenomenin e dekoherencës, ku kubitët degradojnë me shpejtësi në gjendjet 0 ose 1 të biteve klasike.
Ndërtimi i sistemeve të llogaritjes kuantike në shkallë të gjerë të aftë për të përmbushur premtimin e përshpejtimeve kuantike kërkon tejkalimin e dekoherencës. Çelësi është zhvillimi i metodave efektive për të shtypur dhe korrigjuar gabimet kuantike, një fushë në të cilën fokusohet vetë kërkimi im.
Në lundrimin e këtyre sfidave, startup-e të shumta kuantike harduerësh dhe softuerësh janë shfaqur së bashku me lojtarë të njohur të industrisë së teknologjisë si Google dhe IBM. Ky interes i industrisë, i kombinuar me investime të konsiderueshme nga qeveritë në mbarë botën, nënvizon një njohje kolektive të potencialit transformues të teknologjisë kuantike. Këto nisma nxisin një ekosistem të pasur ku akademia dhe industria bashkëpunojnë, duke përshpejtuar përparimin në këtë fushë.
Avantazhi kuantik vjen në sy
Llogaritja kuantike një ditë mund të jetë po aq shkatërruese sa ardhja e AI gjeneruese. Aktualisht, zhvillimi i teknologjisë së llogaritjes kuantike është në një moment vendimtar. Nga njëra anë, fusha ka treguar tashmë shenja të hershme të arritjes së një avantazhi kuantik ngushtësisht të specializuar. Studiuesit në Google dhe më vonë a ekipi i studiuesve në Kinë demonstruar avantazhin kuantik për të krijuar një listë me numra të rastit me veti të caktuara. Ekipi im i kërkimit demonstroi një shpejtësi kuantike për një lojë me hamendje të numrave të rastësishëm.
Nga ana tjetër, ekziston një rrezik i prekshëm për të hyrë në një “dimër kuantik”, një periudhë e investimeve të reduktuara nëse rezultatet praktike dështojnë të materializohen në afatin e afërt.
Ndërsa industria e teknologjisë po punon për të ofruar avantazhe kuantike në produkte dhe shërbime në një afat të afërt, kërkimi akademik mbetet i fokusuar në hetimin e parimeve themelore që mbështesin këtë shkencë dhe teknologji të re. Ky kërkim bazë i vazhdueshëm, i nxitur nga kuadro entuziaste studentësh të rinj dhe të zgjuar të tipit që ndesh pothuajse çdo ditë, siguron që fusha do të vazhdojë të përparojë.
Daniel Lidar është një profesor i Inxhinierisë Elektrike, Kimisë dhe Fizikës dhe Astronomisë në Universitetin e Kalifornisë Jugore. Ky artikull është ribotuar nga Biseda nën një Licenca Creative Commons. Lexoni artikull origjinal.
