1. Резюме
Что такое квантовые вычисления?
Вычисления вносят небольшое изменение в вычислительную парадигму, которая позволяет применять массивный параллелизм при расчете значительных вычислительных преимуществ, приносимых в жертву детерминизму классических алгоритмов.
Для этого квантовому компьютеру необходимо, чтобы частицы, которые будут образовывать кубиты, составляющие его, могли находиться в двух состояниях одновременно, что требует почти полной изоляции и среды, которая контролирует и избегает любого возможного взаимодействия кубитов с другими частицами или излучением. Это затрудняет создание в настоящее время реальных квантовых компьютеров, которые могут стать стабильными, и это является причиной того, что квантовый компьютер с достаточной емкостью еще не был реализован, только прототипирование, которое постепенно продвигается.
2. Введение
Это другая вычислительная парадигма, чем классические вычисления. Он основан на использовании кубитов вместо битов и порождает новые логические элементы, которые делают возможными новые алгоритмы.
2.1 Биты и кубиты. Перекрывающаяся информация
В классических компьютерах минимальный объем хранимой информации - бит. Ячейка атомной памяти может хранить одно из двух возможных дискретных состояний, 0 или 1. Применение квантовой механики к понятию бита позволяет рождать квантовый бит или кубит (квантовый бит): ячейка памяти который может находиться в одном из двух состояний (0 или 1) или в определенной суперпозиции обоих.
Это означает, что с помощью регистра из N кубитов может быть представлено до 2 ^ N различных значений. И выполнение операции над регистром кубита будет выполнять ее для всех значений, которые наложены на регистр. Это массовое применение параллельных вычислений - то, что мы можем назвать, согласно интерпретации Эверетта, «воздействием на бесконечные параллельные вселенные», то есть на различные реальности (или значения), которые регистр кубитов может содержать в это время. Например, если у вас есть 10-кубитный регистр, тогда этот же регистр может хранить до 1024 значений одновременно, то есть суперпозиция всех возможных значений, которые могут принимать десять классических битов. Работая с этим реестром,Эта операция будет применена ко всем возможным значениям реестра, поэтому в этом случае 1024 операции будут выполняться за счет одного. Понятно, что мощность системы будет экспоненциально возрастать до числа кубитов, которые можно сгруппировать в регистр.
3. Происхождение квантовых вычислений
Идея квантовых вычислений возникла в 1981 году, когда Поль Бениофф изложил свою теорию, чтобы использовать квантовые законы в вычислительной среде. Вместо того, чтобы работать на уровне электрических напряжений, каждый работает на уровне того, сколько. В цифровых вычислениях бит может принимать только два значения: 0 или 1. В отличие от этого, в квантовых вычислениях действуют законы квантовой механики, и частица может находиться в когерентной суперпозиции: она может быть 0,1, а может быть 0 и 1 одновременно (два ортогональных состояния субатомной частицы). Это позволяет выполнять несколько операций одновременно, в зависимости от количества кубитов.
4. Особенности
В то время как в вычислениях, которые мы используем сегодня, каждый бит может быть представлен в альтернативном и прямом состояниях одновременно, в квантовых вычислениях каждый бит становится несколькими состояниями одновременно. Благодаря этому мы можем экспоненциально сократить время, используемое современными алгоритмами. Существует архитектура, очень похожая на ту, что у нас есть в настоящее время, которая была очень успешной в теоретической области и реализация которой зависит от будущей реализации квантового компьютера.
Квантовые ученые достигли огромных теоретических успехов, продемонстрировав, что радикальное сокращение вычислительных ресурсов, необходимых для выполнения алгоритмов, возможно, некоторые из которых требуют большой вычислительной мощности в самых современных компьютерах, которые существуют сегодня. Некоторые из примеров, разработанных теоретически с большим успехом, являются вышеупомянутым поиском простых факторов или поиском в неупорядоченных базах данных. Теоретическая основа квантовых вычислений основана на взаимодействиях атомного мира, а также будущих реализациях квантовых компьютеров. Кроме того, это один из методов с большим будущим, потому что он предлагает широкий спектр презентаций и может даже дублировать самые передовые устройства хранения данных.
5. Квантовая запутанность и телепортация
Удивительным понятием квантовой механики является то, что известно как квантовая запутанность или запутанность, при которой две частицы неизвестного состояния связаны между собой так, что независимо от расстояния, на котором они находятся, когда волновая функция одной из частиц коллапсирует состояние его взаимосвязанного аналога будет определяться в большей или меньшей степени, даже когда эта другая частица находится в независимой системе. Этот эффект будет применен к кубиту, делая значение, которое некоторые из них будут зависеть от значения, которое мы наблюдаем в других, позволяя нам выполнять эту «фильтрацию» значений, о которых мы говорим, поскольку наблюдение определенного значения в регистре полностью обусловит значения, которые мы можем наблюдать. в другой записи, которая связана с первой.
Квантовая телепортация использует этот принцип и позволяет нам извлекать информацию, содержащую кубит с неизвестным статусом, в любом месте, далеко от исходного кубита, таким образом, транспортируя всю информацию, которая содержится в упомянутом кубите, в другой кубит. Мы будем использовать чередование двух кубитов в качестве канала передачи: мы будем управлять кубитом, который мы хотим транспортировать, одним из чересстрочных кубитов, вызывая коллапс информации обоих и получая два классических бита вместе с чересстрочным кубитом, который не коллапсирует. Эти два классических бита теперь можно использовать совместно с чередованным кубитом, что позволяет нам восстанавливать информацию, которая содержала кубит для транспортировки. Это позволяет нам отправлять информацию, содержащую неизвестный статусный кубит, в другое место,без потери информации и без риска, что при отправке кубит взаимодействует с разрушенной системой содержащуюся в нем информацию.
5.1 Примеры приложений квантовых вычислений
Два интересных приложения для квантовых вычислений представлены ниже.
Алгоритм Шора для разложения числа:
В настоящее время деление целых чисел на простые числа является одной из самых больших вычислительных задач в мире. Самые известные алгоритмы факторизации не решают проблему в приемлемое время, они имеют эффективность (O (e ^ (a * log (a)))), с размером n в числах числа и последним практическим результатом Получено предположительно 18 месяцев расчета (за 50 лет «вычислительного времени») с учетом числа 200 цифр.
Это используется в области шифрования для создания ключей, которые включают в себя знание факторов большого числа, которые необходимо расшифровать.
В этом случае квантовые вычисления обещают нам отличные результаты, предоставляя квантовый алгоритм Шора, который превращает проблему нахождения простых множителей числа в задачу нахождения периода определенной функции, а затем использует преимущества квантовых вычислений для оценки функции во всех ее точках одновременно, почти наверняка найдя период функции и достигнув экономии времени вычисления до достижения эффективности (0 (log (〖n)〗 ^ 3))).
Легко видеть, как выигрыш в этом случае между классическим алгоритмом и квантовым алгоритмом имеет ужасную разницу.
Алгоритм Гровера для поиска беспорядочного набора:
Мы можем найти другой пример преимуществ квантовых алгоритмов в алгоритме Гровера для поиска элемента по неупорядоченному множеству.
Классически, эффективность поиска на неупорядоченном множестве размера n, конечно, O (n). Алгоритм Гровера успевает улучшить это время до O (√n).
Хотя усиление может показаться не таким впечатляющим, как в предыдущем случае, приложения гораздо важнее, поскольку его можно использовать для ускорения любого алгоритма, который частично или полностью основан на исчерпывающем поиске на множестве возможных решений.
Шор против Алг. классический
Шор против Алг. классический
Ученые
Гиперкомпьютеры (за пределами Тьюринга).
Пол Бениофф, Ричард Фейнман, Дэвид Дойч, Лов Гроув, Сейт Ллойд, Мичио Каку и др.
6. Преимущества квантовых вычислений
A modo de resumen, las ventajas que aporta la computación cuantica son la aplicación masiva de aplicaciones en paralelo y la capacidad de aportar nuevas soluciones a problemas que no son abarcables por la computación cuantica debido a su elevado coste computacional.
Sin embargo, y a pesar de las ventajas expuestas anteriormente, un ordenador cuántico solo será eficiente para un rango de tareas determinado. Esto implica que habrá ciertas funciones en las que no será una ventaja utilizar la tecnología cuantica frente a la computación clásica actual.
6.1 Problemas de la computación cuantica
Uno de los obstáculos principales para la computación cuantica es el problema de la de coherencia cuantica, que causa la pérdida del carácter unitario de los pasos del algoritmo cuántico.
Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.
7. Hardware para computación cuantica
Aun no se ha resuelto el problema de que hardware seria el ideal para la computación cuantica se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo y hay varios candidatos actualmente.
Condiciones a cumplir.
El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
Ha de ser posibles manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas.
El sistema ha de mantener su coherencia cuantica a lo largo del experimento.
Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.
7.1 Transmisión de datos y procesadores
Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron, en noviembre de 2005, en la revista Nature, resultados sobre la transmisión cuantica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 kilómetros. Los resultados dan niveles de éxito en las transmisiones del 70 %, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con auto corrección.
Actualmente se trabaja en el diseño de repetidores que permitirían transmitir información a distancias mayores a las ya alcanzadas.
En 2004, científicos del instituto de Física aplicada de la universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan la información cuantica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuantica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores que son el corazón de las computadoras actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de cien mil puertas de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano
8. Tipos de computación
- – Computación clásica- ley de Moore.– Computación molecular (nano tecnología).-Más allá de las leyes física clásica. 2020 fin- almacenamiento 3D algunos años más.-Computación cuantica: algoritmos
9. Conclusión
- Fin de la computación clásicaDificultades de la computación cuanticaÁmbito de investigación.Posibles problemas para criptografía.
10. Referencias
- Baila Martínez, S. (2005). Computación Cuantica. http://www.sargue.netAlejo Plana, M.A. (2001). El ordenador cuántico. http://www.um.es/docencia/campoyl/cuantico.PDFSalas Peralta,P.J.(2006). Corrección de errores en ordenadores cuánticos. Revista española de física (Enero- Marzo, 2006).http://www.babab.com/no12/ordenadores.htmhttps://www.youtube.com/watch¿v=sXyCHdEbmcMhttp://www.microsiervos.com/archivos/ordenadores/ordenador-cuantico-apagado.htmlhttp://www.microsiervos.com/archivos/ordenadores/computacion-cuantica.htmlhttp://www.sociedadelainformacion.com/física/ordenadorescuanticos.htmhttp://www.amazings.com/ciencia/noticias/041102ª.html
11. Anexos
Concepto de computación cuántica
