Síla našich výpočetních přístrojů od 60. let exponenciálně rostla, což umožňovalo našim počítačům stát se menšími a zároveň výkonnějšími. Jenže tento proces se začíná přibližovat hranicím jeho fyzikálních limitů (2005 limit křemíku 3-4 GHz). Počítačové části se blíží k velikosti atomu.
Video je podpořeno Australskou Akademii vědy, která podporuje a propaguje dokonalost ve vědě.
Grafénové Počítače
Grafénové počítači také mění naše chápání o počítačích (https://stop5g.cz/grafenove-pocitace-pracuji-1000krat-rychleji-spotrebuji-100-krat-mene-energie-a-jsou-mensi/)
Tranzistor je základ Klasických Počítačů
Počítač je tvořen velmi jednoduchými komponenty, které dělají velmi jednoduché úkony. Reprezentování dat, prostředky na jeho zpracování a ovládací prvky. Počítačové čipy obsahují moduly, které obsahují logické brány, které obsahují tranzistory. Tranzistor je ta nejjednodušší podoba zpracování dat v počítačích. Zjednodušeně – přepínač, který může buď blokovat nebo otevírat cestu pro průchozí informace. Tyto informace jsou tvořeny bity, které mohou být nastaveny buď na 0, nebo 1.
Logické Brany a Moduly v Procesoru
Kombinace několika bitů jsou použity pro vytvoření složitějších informací. Tranzistory jsou zkombinovány pro vytvoření logických bran, které stále dělají velmi jednoduché úkony. Například brána AND bude mít výstup 1, pokud všechny její vstupy jsou 1 a pokud nejsou, bude mít výstup 0. Zkombinování logických bran konečně vytvoří užitečné moduly, třeba pro sečtení dvou čísel.
Jakmile Můžete sčítat Můžete Prakticky Cokoliv
Jakmile můžete sčítat, tak můžete i násobit a jakmile můžete násobit, tak můžete dělat prakticky cokoliv. Jelikož všechny základní úkony jsou doslova jednoduší než výpočty v první třídě, můžete si představit počítač jako skupinu 7 letých dětí odpovídajících na velmi jednoduché matematické příklady. Dostatečně velká parta může vypočítat cokoliv, od astrofyziky až po Zeldu.
Tranzistor je Přepínač
Se stále se zmenšujícími se součástkami to kvantová fyzika komplikuje. Stručně, tranzistor je pouze elektrický spínač. Elektřina jsou elektrony pohybující se z místa na místo. Spínač je průchod který může zabránit elektronu pohyb v určitém směru. Dnes je typické měřítko pro tranzistory 14nm (2016). Což je zhruba 8 krát méně než průměr tzv. HIV virus (exosome) a 500 krát menší než průměr červené krvinky.
Kvantové Tunelování je Mezník pro Tranzistory
Protože se tranzistory zmenšují na velikost pouze několika atomů, elektrony by se mohly prostě přesunout na druhou stranu blokovaného průchodu. pomocí jevu zvaném kvantové tunelování. V kvantové oblasti funguje fyzika poněkud odlišně než jsme zvyklí předvídat, a tradiční počítače prostě přestávají dávat smysl. Blížíme se k opravdové fyzické bariéře v našem technologickém vývoji.
Qubit a Superpozice
Pro vyřešení tohoto problému se vědci pokoušejí využít neobvyklé kvantové vlastnosti k jejich prospěchu vytvářením kvantových počítačů. V běžných počítačích jsou bity nejmenšími jednotkami informace. Kvantové počítače používají qubity, které mohou také být nastaveny na jednu ze dvou hodnot. Qubit může být jakýkoliv dvou úrovňový quantový systém, jako například rotace v magnetickém poli, nebo samotný foton. 1 a 0 jsou možné hodnoty tohoto systému, jako horizontální nebo vertikální polarizace fotonu. Qubit v kvantovém světě nemusí být jen v jednom z těchto stavů;
může být v jakémkoliv poměru obou stavů najednou. Toto se nazývá superpozice.
Superpozice a Kvantové Výpočty
Jenže jakmile vyzkoušíte jeho stav, řekněme třeba posláním fotonu skrz filtr, musí se rozhodnout být buď vertikálně, nebo horizontálně polarizován. Tudíž, dokud je nezměřený, qubit je v superpozici pravděpodobností pro hodnoty 1, nebo 0 a nelze předpovědět která z nich to bude. V moment kdy ho však změříte se zhroutí na jeden z jeho konkrétních stavů. Superpozice naprosto posouvá hranice.
20 Qubitů dokáže pracovat s Miliónem Hodnot
Klasické bity mohou být v jednom ze dvou stavů v sestavě 4 různých konfigurací najednou. To je 16 možných použitelných kombinací, ze kterých můžete použít pouze jednu. Qubity v superpozici avšak mohou být ve všech těchto 16-ti kombinací najednou! Toto číslo roste exponencionálně s každým přibývajícím qubitem. 20 jich už dokáže souběžně skladovat přes milión hodnot.
Zapleteni Qubitů
Jednou ze zvláštních nepředpovídatelných vlastností qubitů je vazba – propojení které způsobuje, že každý qubit reaguje na změnu ve stavu jiného qubitu okamžitě. Nezáleží na tom, jak jsou od sebe daleko. Toto znamená, že při měření pouze jednoho qubitu ve vazbě je možné přímo odvodit vlastnosti jeho společníka, aniž by bylo potřeba jej měřit.
Kvantová Brána a Superpozice
Manipulace s qubity je také hlavolam. Klasická logická brána bere jednoduchou sadu vstupů a vytváří jeden určitý výstup. Kvantová brána upravuje vstup superpozicí, střídá pravděpodobnosti a vytváří na výstupu další superpozici. Takže kvantový počítač podřídí qubitům, sváže je a manipuluje pravděpodobnosti pomocí kvantových bran a změří hodnoty výsledku, čímž se superpozice rozpadnou na skutečné pořadí nul a jedniček. Toto znamená že z určitého uspořádání získáte všechny možné výsledky najednou.
Avšak je možné změřit pouze jeden z výsledků, a jelikož by to nemusel být zrovna ten který potřebujete, musíte si to ověřit a zkusit to znovu. Pokud se však chytře využije superpozice a zapletení, tak to může být exponencionálně účinnější než by bylo možné na běžném počítači. Tudíž zatímco kvantové počítače nejspíše nenahradí počítače v našich domácnostech (grafenové počítače mohou), v některých oblastech jsou nesmírně efektivnější.
Kvantové Počítače jsou Efektivní pro Databáze
Jednou z nich je vyhledávání v databázi. K nalezení něčeho uvnitř databáze by běžný počítač musel porovnat klidně i všechny své záznamy. Kvantové algoritmy vyžadují pouze odmocninu tohoto času, což je obrovský rozdíl pro velké databáze.
Kvantové Počítače a Prolomení Bankovní Bezpečnosti
Nejznámějším využitím kvantových počítačů je prolomení IT zabezpečení. Právě v tento moment jsou vaše webová, e-mailová a bankovní data zabezpečená šifrovacím systémem, který poskytuje všem veřejný klíč k zakódování zpráv, které můžete pouze vy dešifrovat. Potíž je v tom, že tento veřejný klíč může být použit k rozluštění vašeho tajného privátního klíče. Naštěstí na běžném počítače by potřebné výpočty trvaly doslova roky pokusu a omylu. Kvantový počítač s jeho exponencionálním zrychlením to může zvládnout v okamžiku.
Kvantové Počítače jsou Dobré pro Simulace
Další velmi zajímavé využití je simulace. Simulace kvantového světa je velmi náročná na prostředky, a dokonce i pro větší struktury jako jsou molekuly, často postrádají přesnost. Proč tedy nesimulovat kvantovou fyziku pomocí skutečné kvantové fyziky? Kvantové simulace by nám mohly poskytnout nový pohled na proteiny, který by mohl způsobit převrat v medicíně. V tento moment ještě (ne)víme jestli budou kvantové počítače pouze velmi specializovaný nástroj, nebo velký převrat pro lidstvo. (Ne)máme tušení kde se nacházejí limity technologie, a existuje pouze jeden způsob jak to zjistit!
Kvantové Počítače a Prolomení Bankovní Bezpečnosti, IT Bezpečnosti, Emailů, Bitcoinů, Šifrování – Kvantové Počítače jsou Dobré pro Simulace – Kvantové Počítače jsou Efektivní pro Databáze – Kvantová Brána a Superpozice – Zapleteni Qubitů – 20 Qubitů dokáže pracovat s Miliónem Hodnot – Superpozice a Kvantové Výpočty – Kvantové Tunelování je Mezník pro Tranzistory
