▷ Was ist ein Quantenprozessor und wie funktioniert er?

Sie fragen sich vielleicht, was ein Quantenprozessor ist und wie er funktioniert ? In diesem Artikel werden wir in diese Welt eintauchen und versuchen, mehr über dieses seltsame Wesen zu erfahren, das vielleicht eines Tages Teil unseres wunderschönen RGB-Chassis sein wird, natürlich Quantum.

Inhaltsverzeichnis

Wie alles in diesem Leben passen Sie sich entweder an oder sterben. Und genau das passiert mit Technologie und nicht gerade in Millionen von Jahren als Lebewesen, sondern in wenigen Jahren oder Monaten. Die Technologie schreitet in schwindelerregendem Tempo voran und große Unternehmen entwickeln ihre elektronischen Komponenten ständig weiter. Mehr Strom und weniger Verbrauch zum Schutz der Umwelt sind die heute angesagten Räumlichkeiten. Wir haben einen Punkt erreicht, an dem die Miniaturisierung integrierter Schaltkreise fast die physikalische Grenze erreicht. Intel sagt, dass es 5nm sein wird, darüber hinaus wird es kein gültiges Moore-Gesetz geben. Aber eine andere Figur gewinnt an Stärke und es ist der Quantenprozessor. Bald beginnen wir, alle seine Vorteile zu erklären.

Mit IBM als Vorläufer sind große Unternehmen wie Microsoft, Google, Intel und die NASA bereits ermutigt, herauszufinden, wer den zuverlässigsten und leistungsstärksten Quantenprozessor bauen kann. Und es ist sicherlich die nahe Zukunft. Wir sehen, worum es bei diesem Quantenprozessor geht

Brauchen wir einen Quantenprozessor?

Die aktuellen Prozessoren basieren auf Transistoren. Unter Verwendung einer Kombination von Transistoren werden Logikgatter aufgebaut, um die elektrischen Signale zu verarbeiten, die durch sie fließen. Wenn wir uns einer Reihe von logischen Gattern anschließen, erhalten wir einen Prozessor.

Das Problem liegt dann in seiner Grundeinheit, den Transistoren. Wenn wir diese miniaturisieren, können wir mehr an einem Ort platzieren und so mehr Rechenleistung bereitstellen. Aber natürlich gibt es eine physikalische Grenze für all dies. Wenn wir Transistoren erreichen, die so klein sind, dass sie in der Größenordnung von Nanometern liegen, haben wir Probleme damit, dass die in ihnen zirkulierenden Elektronen dies richtig machen. Es besteht die Möglichkeit, dass diese aus ihrem Kanal herausrutschen, mit anderen Elementen im Transistor kollidieren und Kettenfehler verursachen.

Und genau das ist das Problem, dass wir derzeit an die Grenze der Sicherheit und Stabilität stoßen, um Prozessoren mit klassischen Transistoren herzustellen.

Quantencomputer

Das erste, was wir wissen müssen, ist, was Quantencomputer ist, und es ist nicht einfach zu erklären. Dieses Konzept weicht von dem ab, was wir heute als klassisches Rechnen kennen, bei dem Bits oder Binärzustände von "0" (0, 5 Volt) und "1" (3 Volt) eines elektrischen Impulses verwendet werden, um logische Ketten zu bilden von berechenbaren Informationen.

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Quantum Computing verwendet seinerseits den Begriff Qubit oder Cubit, um verwertbare Informationen zu bezeichnen. Ein Qubit enthält nicht nur zwei Zustände wie 0 und 1, sondern kann auch gleichzeitig 0 und 1 oder 1 und 0 enthalten, dh es kann diese beiden Zustände gleichzeitig haben. Dies impliziert, dass wir kein Element haben, das diskrete Werte 1 oder 0 annimmt, aber da es beide Zustände enthalten kann, hat es einen kontinuierlichen Charakter und darin bestimmte Zustände, die mehr und weniger stabil sind.

Je mehr Qubits, desto mehr Informationen können verarbeitet werden

Gerade in der Fähigkeit, mehr als zwei Zustände zu haben und mehrere davon gleichzeitig zu haben, liegt seine Kraft. Möglicherweise können wir mehr Berechnungen gleichzeitig und in kürzerer Zeit durchführen. Je mehr Qubits, desto mehr Informationen können verarbeitet werden. In diesem Sinne ähnelt es herkömmlichen CPUs.

Wie ein Quantencomputer funktioniert

Die Operation basiert auf den Quantengesetzen, die die Teilchen regeln, die den Quantenprozessor bilden. Alle Teilchen haben neben Protonen und Neutronen auch Elektronen. Wenn wir ein Mikroskop nehmen und einen Fluss von Elektronenteilchen sehen, können wir sehen, dass sie ein ähnliches Verhalten wie Wellen haben. Was eine Welle auszeichnet, ist, dass es sich um einen Energietransport ohne den Transport von Materie handelt, zum Beispiel Schall. Es sind Schwingungen, die wir nicht sehen können, aber wir wissen, dass sie sich durch die Luft bewegen, bis sie unsere Ohren erreichen.

Nun, Elektronen sind Teilchen, die sich entweder als Teilchen oder als Welle verhalten können. Dies führt dazu, dass sich Zustände überlappen und 0 und 1 gleichzeitig auftreten können. Es ist, als ob die Schatten eines Objekts projiziert würden. In einem Winkel finden wir eine Form und eine andere. Die Verbindung der beiden bildet die Form des physischen Objekts.

Anstelle von zwei Werten 1 oder 0, die wir als Bits kennen und die auf elektrischen Spannungen basieren, kann dieser Prozessor also mit mehr Zuständen arbeiten, die als Quanten bezeichnet werden. Ein Quantum kann nicht nur den Mindestwert messen, den eine Größe annehmen kann (z. B. 1 Volt), sondern auch die kleinstmögliche Variation messen, die dieser Parameter beim Übergang von einem Zustand in einen anderen erfahren kann (z. B. um die Form zu unterscheiden eines Objekts mittels zweier gleichzeitiger Schatten).

Wir können 0, 1 und 0 und 1 gleichzeitig haben, dh Bits, die übereinander liegen

Um klar zu sein, können wir 0, 1 und 0 und 1 gleichzeitig haben, dh Bits, die übereinander liegen. Je mehr Qubits, desto mehr Bits können übereinander liegen und desto mehr Werte können wir gleichzeitig haben. Auf diese Weise müssen wir in einem 3-Bit-Prozessor Aufgaben ausführen, die einen dieser 8 Werte haben, jedoch nicht mehr als einen gleichzeitig. Auf der anderen Seite haben wir für einen 3-Qubit-Prozessor ein Partikel, das acht Zustände gleichzeitig annehmen kann, und dann können wir Aufgaben mit acht Operationen gleichzeitig ausführen

Um uns eine Vorstellung zu geben: Die derzeit leistungsstärkste Prozessoreinheit hat derzeit eine Kapazität von 10 Teraflops oder 10 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Ein 30-Qubit-Prozessor könnte die gleiche Anzahl von Operationen ausführen. IBM hat bereits einen 50-Bit-Quantenprozessor und wir befinden uns noch in der experimentellen Phase dieser Technologie. Stellen Sie sich vor, wie weit wir gehen können, da die Leistung viel höher ist als bei einem normalen Prozessor. Wenn die Qubits eines Quantenprozessors zunehmen, multiplizieren sich die Operationen, die er ausführen kann, exponentiell.

Wie kann man einen Quantenprozessor erstellen?

Dank eines Geräts, das in der Lage ist, mit kontinuierlichen Zuständen zu arbeiten, anstatt nur zwei Möglichkeiten zu haben, ist es möglich, Probleme zu überdenken, die bisher nicht zu lösen waren. Oder lösen Sie aktuelle Probleme schneller und effizienter. All diese Möglichkeiten werden mit einer Quantenmaschine eröffnet.

Um die Eigenschaften der Moleküle zu „quantisieren“, müssen wir sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bringen.

Um diese Zustände zu erreichen, können wir keine Transistoren verwenden, die auf elektrischen Impulsen basieren, die am Ende entweder eine 1 oder eine 0 sein werden. Dazu müssen wir uns weiter mit den Gesetzen der Quantenphysik befassen. Wir müssen sicherstellen, dass diese Qubits, die physikalisch aus Partikeln und Molekülen gebildet werden, in der Lage sind, etwas Ähnliches wie Transistoren zu tun, dh auf kontrollierte Weise Beziehungen zwischen ihnen herzustellen, damit sie uns die gewünschten Informationen bieten.

Dies ist wirklich kompliziert und das Thema, das beim Quantencomputing überwunden werden muss. Um die Eigenschaften der Moleküle, aus denen der Prozessor besteht, zu „quantisieren“, müssen wir sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273, 15 Grad Celsius) bringen. Damit die Maschine einen Zustand von einem anderen unterscheiden kann, müssen sie unterschiedlich sein, z. B. ein Strom von 1 V und 2 V. Wenn wir eine Spannung von 1, 5 V anlegen, weiß die Maschine nicht, dass es sich um den einen oder anderen handelt. Und das muss erreicht werden.

Nachteile des Quantencomputers

Der Hauptnachteil dieser Technologie besteht genau darin, diese verschiedenen Zustände zu steuern, durch die Materie gehen kann. Bei gleichzeitigen Zuständen ist es sehr schwierig, stabile Berechnungen unter Verwendung von Quantenalgorithmen durchzuführen. Dies nennt man Quanteninkonsistenz, obwohl wir nicht in unnötige Gärten gehen werden. Was wir verstehen müssen ist, dass je mehr Qubits wir mehr Zustände haben werden und je größer die Anzahl der Zustände ist, desto schneller werden wir sein, aber auch schwieriger zu kontrollieren sind die Fehler in den Änderungen der Materie, die auftreten.

Darüber hinaus besagen die Normen, die diese Quantenzustände von Atomen und Teilchen regeln, dass wir den Berechnungsprozess nicht beobachten können, während er stattfindet, da die überlagerten Zustände vollständig zerstört würden, wenn wir in ihn eingreifen.

Quantenzustände sind extrem zerbrechlich, und Computer müssen unter Vakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt vollständig isoliert werden, um eine Fehlerrate in der Größenordnung von 0, 1% zu erreichen. Entweder haben Hersteller von Flüssigkeitskühlung die Batterien eingelegt, oder wir haben zu Weihnachten keinen Quantencomputer mehr. Aus diesem Grund wird es zumindest mittelfristig Quantencomputer für Benutzer geben, vielleicht gibt es einige davon, die unter den erforderlichen Bedingungen auf der ganzen Welt verteilt sind, und wir können über das Internet auf sie zugreifen.

Verwendet

Mit ihrer Rechenleistung werden diese Quantenprozessoren hauptsächlich zur wissenschaftlichen Berechnung und zur Lösung bisher unlösbarer Probleme eingesetzt. Der erste Anwendungsbereich ist möglicherweise die Chemie, gerade weil der Quantenprozessor ein Element ist, das auf der Teilchenchemie basiert. Dank dessen konnte man die Quantenzustände der Materie untersuchen, die heute mit herkömmlichen Computern nicht mehr zu lösen sind.

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Danach könnte es Anwendungen für die Untersuchung des menschlichen Genoms, die Untersuchung von Krankheiten usw. haben. Die Möglichkeiten sind riesig und die Ansprüche sind real, so dass wir nur warten können. Wir sind bereit für die Überprüfung des Quantenprozessors!