คอมพิวเตอร์ควอนตัม – อนาคตที่เร็วขึ้นของคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์ได้กลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตของเราในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในทุกภาคส่วน ไม่ว่าจะเป็นการศึกษาหรือการสาธิตวิทยาศาสตร์อวกาศ มีการใช้คอมพิวเตอร์ในทุกที่ และเป็นไปไม่ได้ที่จะทำงานใดๆ ในปัจจุบันหากไม่มีคอมพิวเตอร์เหล่านี้ ดังนั้น นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์คอมพิวเตอร์ ขนาดของคอมพิวเตอร์ก็หดตัวลงและความจุเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น คุณอาจสังเกตเห็นว่าชิปในสมาร์ทโฟนของคุณซึ่งมีขนาด 1 GB ในปี 2010 มีขนาด 1 เทราไบต์ คุณจึงเห็นได้ว่าเทคโนโลยีมีการพัฒนาไปอย่างรวดเร็วเพียงใด
แม้ว่าคอมพิวเตอร์จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป แต่คอมพิวเตอร์ที่คุณใช้ในปัจจุบันยังคงมีข้อจำกัดบางประการ เช่น คอมพิวเตอร์และการใช้พลังงาน ซึ่งจะเปิดประตูสู่วิธีการใหม่ๆ ของการคำนวณที่จะนำมาใช้

คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร

การคำนวณด้วยควอนตัมเป็นการคำนวณประเภทหนึ่งที่ใช้ปรากฏการณ์ควอนตัม เช่น การซ้อนและการพัวพันในการคำนวณ เนื่องจากความสามารถในการสืบค้น ตรวจสอบ วิเคราะห์ และดำเนินการกับข้อมูลจากแหล่งใดๆ ได้อย่างง่ายดาย เทรนด์เทคโนโลยีอันยอดเยี่ยมนี้จึงมีส่วนร่วมในการหลีกเลี่ยงการแพร่กระจายของ coronavirus และการพัฒนาวัคซีนที่ใช้งานได้ การธนาคารและการเงินเป็นอีกอุตสาหกรรมหนึ่งที่ใช้การคำนวณควอนตัมเพื่อควบคุมความเสี่ยงด้านเครดิต การซื้อขายที่ความถี่สูง และการตรวจจับการฉ้อโกง

คอมพิวเตอร์ควอนตัม – แนวทางที่แตกต่างสำหรับ 0 และ 1

ในแล็ปท็อปหรือคอมพิวเตอร์ปัจจุบันของคุณ 'บิต' ใช้สำหรับการคำนวณ โดยที่ข้อมูลจะถูกจัดเก็บในรูปของศูนย์และหนึ่งเลขฐานสองหรือเลขฐานสองโดยใช้ภาษาเครื่อง (ภาษาเครื่องเขียนด้วยรหัสไบนารีซึ่งมีเลขสองหลักเท่านั้น 0 และ 1 เนื่องจากคอมพิวเตอร์เข้าใจเฉพาะสัญญาณไบนารีเช่น 0 และ 1 และวงจรของคอมพิวเตอร์เช่นวงจรในรหัสไบนารีเพราะคอมพิวเตอร์เข้าใจเฉพาะสัญญาณไบนารีเช่น 0 และ 1 และวงจรในรหัสไบนารีเนื่องจากมันรับรู้และแปลง เป็นแรงกระตุ้นไฟฟ้า โดย 0 หมายถึงปิด และ 1 หมายถึงเปิด
ซอฟต์แวร์ใดๆ ถูกสร้างขึ้นสำหรับคอมพิวเตอร์ จากนั้นจึงแปลงเป็นภาษาเครื่อง และเมื่อโปรเซสเซอร์ของคุณทำให้ซอฟต์แวร์เป็นสี ซอฟต์แวร์จะใช้ภาษาเครื่องนี้เพื่อดำเนินการตามกระบวนการทั้งหมด

คอมพิวเตอร์ควอนตัม: ทฤษฎีพื้นฐานของการคำนวณควอนตัมมีพื้นฐานมาจากอะตอม แนวคิดนี้เกี่ยวข้องกับการใช้อะตอมเป็นเครื่องคิดเลขขนาดเล็กเพื่อตัดสินว่า 0(ศูนย์) และ 1 (หนึ่ง) วินาที

อะตอมใดๆ ก็ตามหมุนตามธรรมชาติ ตามหลักฟิสิกส์ และการหมุนนี้สามารถเป็นการหมุนขึ้นหรือลงได้ เช่น ขึ้นและลง ถ้าเราดูที่เทคโนโลยีดิจิทัล ทุกอย่างจะยังคงอยู่ในรูปของ 0 และ 1 กล่าวคือ การหมุนของอะตอมขึ้นอาจเป็น 1 และการหมุนลงอาจเป็น 0 แต่ถ้าตรวจพบการหมุนของอะตอม มันจะเป็น 0 ดังนั้น มันสามารถอยู่ได้ทั้งด้านบนและด้านล่างพร้อมกัน จึงเรียกว่า Qubit เพราะมันไม่เหมือนกับบิตบนคอมพิวเตอร์ทั่วไป ควอนตัมบิตหรือที่เรียกว่า qubits แตกต่างจากบิตเนื่องจากข้อมูลในบิตสามารถอยู่ในรูปของ 0 หรือ 1 ในขณะที่ข้อมูลใน qubits สามารถอยู่ในรูปของ 0 หรือ 1 ได้ ในค่า 0 หรือ 1

ดังนั้นคอมพิวเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับ Quantum Basics ในการคำนวณและแก้ไขการคำนวณที่ซับซ้อนของเราจึงกลายเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัม

มีรายงานว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 40 ลูกบาศก์เมตรมีความสามารถในการคำนวณคล้ายกับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน และสามารถคำนวณข้อมูลได้เร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของเรายังไม่เพียงพอสำหรับปัญหาล่าสุดของเรา

เราได้อาศัยซุปเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อจัดการกับปัญหาส่วนใหญ่จนถึงขณะนี้ เหล่านี้เป็นคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมที่ทรงพลังอย่างยิ่งซึ่งมีคอร์ CPU และ GPU หลายพันคอร์ ในทางกลับกัน ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ไม่เชี่ยวชาญในการแก้ปัญหาบางประเภทที่ดูง่ายตั้งแต่แรกพบ นี่คือเหตุผลที่ต้องใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม
ตัวอย่างเช่น : พิจารณาสถานการณ์ต่อไปนี้: คุณต้องนั่งคนจู้จี้จุกจิกสิบคนในงานเลี้ยงอาหารค่ำ และมีแผนที่นั่งที่สมบูรณ์แบบเพียงแผนเดียวเท่านั้นจากชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ทั้งหมด คุณต้องลองใช้ชุดค่าผสมที่แตกต่างกันกี่ชุดก่อนที่จะตัดสินใจเลือกสิ่งที่ดีที่สุด?
การใช้สูตรแฟกทอเรียล N จะกลายเป็น 3,628,800 นั่นคือ 3 ล้านชุดสำหรับคนเพียง 10 คนเท่านั้น
ดังนั้นหากเราทำให้เกิดปัญหาประเภทนี้ในเวอร์ชันที่ใหญ่ขึ้น จำเป็นต้องมีโซลูชันที่น่าเชื่อถือและคุ้มค่ากว่า

นอกจากนี้ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยังขาดหน่วยความจำในการทำงานเพื่อจัดการกับสถานการณ์ต่างๆ ในโลกแห่งความเป็นจริง เวอร์ชันที่ใหญ่กว่าของปัญหาประเภทนี้ยังสร้างความสับสนให้กับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดของเรา
แต่ละชุดค่าผสมต้องได้รับการวิเคราะห์ทีละตัวโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งอาจใช้เวลานาน

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเร็วกว่า

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถนำเสนอปัญหามหาศาลเหล่านี้ในพื้นที่หลายมิติขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัม นี่คือสิ่งที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้

จากนั้นใช้อัลกอริธึมการรบกวนคลื่นควอนตัมเพื่อค้นหาโซลูชันในขอบเขตนี้และแปลกลับเป็นรูปแบบที่ใช้งานได้และเข้าใจได้

การค้นหาของ Grover เป็นอัลกอริธึมควอนตัมที่มีแนวโน้มว่าจะใช้หลักการเหล่านี้ สมมติว่าคุณต้องค้นหารายการหนึ่งจากรายการของ N. ในคอมพิวเตอร์แบบเดิม คุณจะต้องตรวจสอบ N/2 รายการโดยเฉลี่ย และในกรณีที่เลวร้ายที่สุด คุณจะต้องตรวจสอบ N ทั้งหมด
บนคอมพิวเตอร์ควอนตัม การค้นหาของ Grover จะพบรายการนั้นหลังจากตรวจสอบ N อย่างคร่าวๆ แล้ว สิ่งนี้นำเสนอการปรับปรุงที่สำคัญในความเร็วการประมวลผลและประหยัดเวลา ตัวอย่างเช่น สมมติว่าคุณต้องการค้นหาหนึ่งรายการจากรายการหนึ่งล้านล้าน และแต่ละรายการใช้เวลาหนึ่งไมโครวินาทีในการตรวจสอบ:
ในลักษณะนี้ คอมพิวเตอร์แบบเดิมจะใช้เวลาประมาณหนึ่งสัปดาห์
คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้เวลาประมาณ 1 วินาทีจึงจะเสร็จสมบูรณ์
ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเปลี่ยนแนวความปลอดภัยของข้อมูล แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถถอดรหัสรูปแบบการเข้ารหัสต่างๆ ในปัจจุบันได้ แต่คาดว่าพวกเขาจะพัฒนาทางเลือกที่ป้องกันการแฮ็กได้

คอมพิวเตอร์ควอนตัม "Sycamore" ของ Google เสร็จสิ้นการคำนวณภายในเวลาไม่ถึงสี่นาที (200 วินาที) ซึ่งจะใช้เวลา 10,000 ปีในคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก เป็นจุดเริ่มต้นของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์เครื่องแรกของโลก ซึ่งจะสามารถผลิตยาได้ดีขึ้น พัฒนาปัญญาประดิษฐ์ที่ชาญฉลาดขึ้น และไขปริศนาเกี่ยวกับจักรวาล

ขนาดมีความสำคัญ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพที่จะมีขนาดใหญ่ในแง่ของความสามารถในการคำนวณ ในความเป็นจริง พวกมันมีขนาดประมาณตู้เย็นสำหรับที่พักอาศัย โดยมีกล่องควบคุมขนาดเท่ากับตู้เสื้อผ้า

ควอนตัมบิตหรือคิวบิต (CUE-bits) ถูกใช้ในลักษณะเดียวกับที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ทั่วไปเพื่อเก็บข้อมูลในรูปแบบควอนตัม

การนำชุดค่าผสมเทคโนโลยีขั้นสูงมาใช้

Superfluids: Superfluids ถูกใช้เพื่อทำให้ตัวนำยิ่งยวดเย็นลง เราทำให้ตัวนำยิ่งยวดเหล่านี้เย็นลงเหลือ 100 องศาเซลเซียสเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นอุณหภูมิต่ำสุดตามทฤษฎีที่ฟิสิกส์อนุญาต

ตัวนำยิ่งยวด : เมื่ออิเล็กตรอนผ่านตัวนำยิ่งยวด พวกมันจะก่อตัวเป็นคู่คูเปอร์ ซึ่งผ่านอุโมงค์ควอนตัมที่เรียกว่าชุมทางโจเซฟสัน

การควบคุม: qubit ที่เป็นตัวนำยิ่งยวด เราสามารถควบคุมพฤติกรรมของคิวบิตและจัดการ แก้ไข และอ่านข้อมูลโดยการยิงโฟตอนไปที่มัน

การซ้อนทับ: qubit ไม่ได้มีประโยชน์อย่างยิ่งในตัวเอง อย่างไรก็ตาม เราอาจสร้างพื้นที่การคำนวณขนาดใหญ่โดยการสร้างหลายๆ พื้นที่และเชื่อมต่อพวกมันในสถานะที่เรียกว่าการซ้อน จากนั้นเราใช้เกทที่ตั้งโปรแกรมได้เพื่อแสดงปัญหาที่ซับซ้อนในพื้นที่นี้

สิ่งกีดขวาง : การพัวพันของควอนตัมอนุญาตให้ qubits ยังคงจับคู่กันอย่างสมบูรณ์แม้จะมีพฤติกรรมสุ่ม ปัญหาที่ซับซ้อนเฉพาะสามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็วยิ่งขึ้นโดยใช้อัลกอริธึมควอนตัมที่ใช้ประโยชน์จากการพัวพันของควอนตัม