Video

Transkriptsioon

Suurema osa meie ajaloost on inimese tehnoloogiaks olnud meie ajud, tuli ja terava otsaga kepid.

Kui tulest ja teravatest keppidest on saanud elektrijaamad ja tuumarelvad,

siis suurim versiooniuuendus on toimunud meie ajudega.

Alates 1960-ndatest on meie tehisajud eksponetsiaalselt kasvanud,

võimaldades arvutitel muutuda samaaegselt väiksemaks ja võimsamaks.

Kuid see protsess on jõudmas oma füüsiliste piirideni.

Arvutiosad lähenevad aatomi mõõtudele.

Et mõista, miks see on probleem, peame selgitama mõningaid baastõdesid.

Ülevaated Kutzgesagtilt

Arvuti on tehtud väga lihtsatest osadest,

mis teevad väga lihtsaid asju.

Esitavad andmeid, võimaldavad nende töötlemist ja juhtida mehhanisme.

Arvutikiibid sisaldavad mooduleid, millel on loogikalülitused, mis koosnevad transistoridest.

Transistor on lihtsaim andmetöötluse vorm arvutis,

põhimõtteliselt lüliti, mis võib kas blokeerida või avada tee seda läbivale informatsioonile.

See informatsioon koosneb bittidest,

mis võivad olla seatud kas väärtusele 0 või 1.

Mitme biti kombinatsiooni kasutatakse keerukama info esitamiseks.

Transistorid on kombineeritud loogikalülitustesse, mis siiski teevad väga lihtsaid asju.

Näiteks AND (JA) loogikalülitus saadab väljundisse 1, kui mõlema sisendi väärtus on 1, ja 0, kui sisendid on teistsugused.

Loogikalülituste kombinatsioon moodustab kokku sihipäraseid mooduleid, näiteks kahe arvu liitmiseks.

Kui sa saad liita, siis saad sa ka korrutada,

ja kui sa saad korrutada, siis saad sa põhimõtteliselt teha ükskõik mida.

Kuna kõik põhitehted on otsesõnu lihtsamad kui esimese klassi matemaatika,

võid arvutit ette kujutada kui rühma 7-aastasi lapsi vastamas väga lihtsatele matemaatikaküsimustele.

Piisavalt suur kamp selliseid lapsi saab hakkama ükskõik, mis arvutusega,

astrofüüsikast kuni arvutimängudeni.

Siiski, kui osad muutuvad üha väiksemaks,

hakkab kvantfüüsika asju keeruliseks tegema.

Üldistatuna on transistor kõigest üks elektriline lüliti.

Elekter on elektronid, mis liiguvad ühest kohast teise.

Seega lüliti on läbikäik, mis võib blokeerida elektronide liikumise ühes suunas.

Tänapäeval on tüüpiline transistori mõõdud suurusjärgus 14 nanomeetrit.

Mis on umbes 8 korda väiksem kui HIV viiruse läbimõõt,

ja 500 korda väiksem kui punane verelible.

Kuna transistoride mõõdud on vähenemas vaid mõne aatomi suuruseni,

võivad elektronid üle kanduda suletud tõkke teisele poole

läbi nähtuse, mida kutsutakse kvantmehaaniliseks tunneliefektiks.

Kvantmaailmas toimib füüsika üsna erinevalt sellest ettearvatavast käitumisest, millega me harjunud oleme

ja traditsioonilised arvutid muutuvad kasutuks.

Me läheneme oma tehnoloogia arengus tõelisele füüsilisele piirile.

Et probleemi lahendada,

püüavad teadlased rakendada ebaharilikke kvantomadusi enda kasuks

ehitades kvantarvuteid.

Normaalses arvutis on bitid väikesimad infoühikud.

Kvantarvutid kasutavad kvantbitte (qubit), mille väärtus võib samuti olla üks kahest võimalikust.

Kvantbitt võib olla suvaline kahetasandiline kvantsüsteem,

nagu näiteks spinn ja magnetväli või üksik footon.

0 ja 1 on selle süsteemi võimalikud olekud,

näiteks footoni horisontaalne või vertikaalne polariseeritus.

Kvantmaailmas ei pruugi kvantbitt aga olla lihtsalt üks neist valikutest.

See saab olla suvalises vahekorras samaaegselt ka mõlemad seisundid üheaegselt.

Seda kutsutakse superpositsiooniks.

Kuid niipea, kui sa kontrollid selle väärtust, näiteks saates footoni läbi filtri,

peab see otsustama, kas ta on horisontaalselt või vertikaalselt polariseerunud.

Seega seni, kuni seda ei vaadelda,

on kvantbitt tõenäosuste 0 ja 1 superpositsioonis ja sa ei saa ennustada, kummaks see muutub.

Kuid sel hetkel, kui sa seda mõõdad,

langeb see ühte kindlasse seisundisse.

Superpositsioon muudab kogu mängu.

Neli klassikalist bitti võivad korraga olla üks 2 astmel 4 erinevast konfiguratsioonist.

See teeb 16 võimalikku kombinatsiooni, millest sa võid kasutada kõigest üht.

Neli superpositsioonis olevat kvantbitti võivad aga olla kõigis nendes 16 kombinatsioonis üheaegselt.

See arv kasvab eksponentsiaalselt iga täiendava kvantbiti lisandumisega.

20 kvantbitti suudavad hoida miljonit paralleelset väärtust.

Tõeliselt kummaline ja ebaintuitiivne kvantbittide omadus on kvantpõimumine,

lähedane seos, mis paneb iga kvantbiti silmapilkselt reageerima teise kvantbiti seisundi muutumisele,

sõltumata sellest, kui kaugel nad üksteisest on.

See tähendab seda, et mõõtes vaid üht põimunud kvantbitti, saab teha järeldusi selle partneri seisundi kohta,

ilma seda vaatlemata.

Kvantbittide manipuleerimine on samuti ebaloogiline.

Normaalne loogikalülitus saab lihtsa komplekti sisenditest ja annab ühe kindla väljundi.

Kvantlülitus manipuleerib sisendi superpositsioone, pöörab tõenäosusi

ja toodab oma väljundiks uue superpositsiooni.

Seega kvantarvuti paneb paika mõned kvantbitid, rakendab kvantlülitusi, et neid omavahel põimida ja muuta nende tõenäosusi,

ning lõpuks mõõdab ära väljundi, teisendades superpositsioonid tegelikuks nullide ja ühtede jadaks.

See tähendab seda, et sa saad kõik arvutused, mis sinu sisenditega teha on võimalik, tehtud samaaegselt.

Lõpuks võid sa ju mõõta ka vaid ühe tulemustest ja siis on see vaid mingi tõenäosusega see, mida sa vajad.

Seega võib olla vajalik tulemus üle kontrollida ja proovida uuesti.

Kuid kasutades targalt ära superpositsioone ja põimumist

võib see olla märksa efektiivsem kui tavalise arvutiga iial võimalik.

Seega, kuigi kvantarvutid ei asenda tõenäoliselt meie koduarvuteid,

on need mõnes valdkonnas tohutult paremad.

Näiteks andmebaasiotsingutes.

Et leida midagi andmebaasist, võib tavaarvuti vajada kõigi kirjete läbiproovimist.

Kvantarvuti algoritmid vajavad vaid ruutjuur sellest ajast,

mis suurte andmebaaside puhul on tohutu vahe.

Kõige tuntum kvantarvutite kasutusala on IT turvalisuse murdmine.

Just praegu, kui sa siin surfad, turvatakse e-kirju ja pangainfot krüpteerimise turvalahendustega,

kus sa annad kõigile oma avaliku võtme, et krüpteerida sõnumid, mida üksnes sina saad avada.

Probleem on selles, et avalikku võtit saab kasutada sinu privaatvõtme väljaarvutamiseks.

Õnneks võtab selleks vajalike arvutuste tegemine tavaarvutiga katse- ja eksituse meetodil aastaid.

Kuid kvantarvuti oma eksponentsiaalse kiirendusega võib selle lahendada kärmelt.

Veel üks tõeliselt uus kasutusala on simulatsioonid.

Kvantmaailma simulatsioonid on väga ressursinõudlikud

ja isegi suuremate osade jaoks, nagu molekulid, on need tihti ebatäpsed.

Seega, miks mitte simuleerida kvantfüüsikat reaalse kvantfüüsikaga?

Kvantsimulatsioonid võivad pakkuda uusi teadmisi valkudest, mis võib kaasa tuua revolutsiooni meditsiinis.

Praegu me ei tea, kas kvantarvutitest saab kõigest üks spetsiaalne tööriist

või suur revolutsioon inimkonna jaoks.

Me ei tea, kus tehnoloogia piirid on

ja on vaid üks viis selle välja selgitamiseks.

Seda videot toetas Austraalia Teaduste Akadeemia,

mis propageerib ja toetab teaduse tipptaset.

Uuri veel selle ja sarnaste teemade kohta aadressil nova.org.au.

Oli vägev nendega koostööd teha, seega mine vaata nende kodulehte!

Meie videod on saanud võimalikuks tänu teie toetusele patreon.com-is.

Kui sa tahad meid toetada ja saada osaks Kurzgesagti lindude armeest, siis külasta meie Patreoni lehekülge!