Komputery kwantowe: Różnice pomiędzy wersjami
Z Encyklopedia Zarządzania
m (Dodanie TL;DR) |
mNie podano opisu zmian |
||
| (Nie pokazano 12 wersji utworzonych przez 2 użytkowników) | |||
| Linia 1: | Linia 1: | ||
'''Komputery kwantowe''' - według współczesnej literatury to układy fizyczne, do których działania wykorzystuje się użycie mechaniki kwantowej. Zaprojektowane są w taki sposób, aby wraz z ewolucją prezentować rozwiązanie określonego problemu obliczeniowego. Działają przy użyciu manipulacji obiektami kwantowymi znajdującymi się w dwóch stanach jednocześnie (nazywamy to superpozycją). Ich ogromną zaletą jest wykonywanie wszystkich operacji znacznie szybciej od tradycyjnych komputerów. Wiąże się to niestety z możliwością wykorzystywania ich do łamania szyfrów, co łączy się z dużym niebezpieczeństwem (J. Gruber i in. 2014, s. 24) (J. Gribbin 2015, s. 5). | |||
'''Komputery kwantowe'''- według współczesnej literatury to układy fizyczne, do których działania wykorzystuje się użycie mechaniki kwantowej. Zaprojektowane są w taki sposób, aby wraz z ewolucją prezentować rozwiązanie określonego problemu obliczeniowego. Działają przy użyciu manipulacji obiektami kwantowymi znajdującymi się w dwóch stanach jednocześnie (nazywamy to superpozycją). Ich ogromną zaletą jest wykonywanie wszystkich operacji znacznie szybciej od tradycyjnych komputerów. Wiąże się to niestety z możliwością wykorzystywania ich do łamania szyfrów, co łączy się z dużym niebezpieczeństwem (J. Gruber i in. 2014, s. 24) (J. Gribbin 2015, s. 5). | |||
Jak pisze R. Nowotniak komputer kwantowy wykonywałby obliczenia w nietypowy, współbieżny sposób. Nieskończona liczba obliczeń może być realizowana w tym samym czasie. Wyniki tych obliczeń oddziałują na siebie, tak jak w przypadku interferencji funkcji falowych fotonu, który porusza się jednocześnie dwiema drogami. Końcowy [[wynik]] jest zależny od każdego z pojedynczych, prowadzonych współbieżnie, rezultatów obliczeń (R. Nowotniak 2008, s. 4). | Jak pisze R. Nowotniak komputer kwantowy wykonywałby obliczenia w nietypowy, współbieżny sposób. Nieskończona liczba obliczeń może być realizowana w tym samym czasie. Wyniki tych obliczeń oddziałują na siebie, tak jak w przypadku interferencji funkcji falowych fotonu, który porusza się jednocześnie dwiema drogami. Końcowy [[wynik]] jest zależny od każdego z pojedynczych, prowadzonych współbieżnie, rezultatów obliczeń (R. Nowotniak 2008, s. 4). | ||
==TL;DR== | ==TL;DR== | ||
| Linia 28: | Linia 10: | ||
'''perspektywy:''' | '''perspektywy:''' | ||
* możliwość realizacji nieosiągalnych (ze względu na czas realizacji) klasycznie zadań w bardzo krótkim czasie | * możliwość realizacji nieosiągalnych (ze względu na czas realizacji) klasycznie zadań w bardzo krótkim czasie | ||
* możliwość efektywnego rozwiązywania problemów matematycznych opartych na dużej złożoności obliczeniowej | * możliwość efektywnego rozwiązywania problemów matematycznych opartych na dużej złożoności obliczeniowej | ||
* możliwość tworzenia nowych materiałów, modeli zmian klimatu oraz leków (M. Bójko 2018) | * możliwość tworzenia nowych materiałów, modeli zmian klimatu oraz leków (M. Bójko 2018) | ||
| Linia 37: | Linia 19: | ||
* znajomość niewielkiej ilości algorytmów kwantowych | * znajomość niewielkiej ilości algorytmów kwantowych | ||
* trudności ze względu na oddziaływanie obiektów kwantowych z otoczeniem | * trudności ze względu na oddziaływanie obiektów kwantowych z otoczeniem | ||
<google>n</google> | |||
==Zagrożenia wynikające ze zbudowania komputera kwantowego o dużej mocy== | ==Zagrożenia wynikające ze zbudowania komputera kwantowego o dużej mocy== | ||
Ze zbudowaniem komputera kwantowego o dużej mocy obliczeniowej wiąże się [[ryzyko]] złamania wszystkich znanych dotychczas algorytmów kryptograficznych klucza publicznego. Problemem jest także kompromitacja zabezpieczeń fizycznych, generująca dużo większe [[koszty]] niż w przypadku zabezpieczeń cyfrowych. Kolejnym utrudnieniem jest [[zagrożenie]] bezwzględnie bezpiecznych kanałów komunikacyjnych (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23). | Ze zbudowaniem komputera kwantowego o dużej mocy obliczeniowej wiąże się [[ryzyko]] złamania wszystkich znanych dotychczas algorytmów kryptograficznych klucza publicznego. Problemem jest także kompromitacja zabezpieczeń fizycznych, generująca dużo większe [[koszty]] niż w przypadku zabezpieczeń cyfrowych. Kolejnym utrudnieniem jest [[zagrożenie]] bezwzględnie bezpiecznych kanałów komunikacyjnych (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23). | ||
Istnieją jednak cztery grupy algorytmów uważanych za odporne na ataki, ale niestety nie można ich uznać jako bezwzględnie bezpieczne. | Istnieją jednak cztery grupy algorytmów uważanych za odporne na ataki, ale niestety nie można ich uznać jako bezwzględnie bezpieczne. | ||
Są to (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23): | Są to (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23): | ||
# algorytmy opierające się na funkcji haszującej, | # algorytmy opierające się na funkcji haszującej, | ||
# algorytmy oparte na kodach liniowych, | # algorytmy oparte na kodach liniowych, | ||
# algorytmy oparte na kratach, | # algorytmy oparte na kratach, | ||
# algorytmy opierające się na wielomianach drugiego stopnia o wielu zmiennych | # algorytmy opierające się na wielomianach drugiego stopnia o wielu zmiennych | ||
==Kryteria DiVincenzo== | ==Kryteria DiVincenzo== | ||
Warunki konieczne do spełnienia przy konstrukcji komputera kwantowego, nazywane '''kryteriami DiVincenzo''' (W. Jacak 2011, s. 12-13): | Warunki konieczne do spełnienia przy konstrukcji komputera kwantowego, nazywane '''kryteriami DiVincenzo''' (W. Jacak 2011, s. 12-13): | ||
# ''odpowiednio zdefiniowany qubit | # ''odpowiednio zdefiniowany qubit - dwa stany kwantowe oddzielone od pozostałych stanów układu, tak by [[informacja]] w niego wpisana nie ulegała wypływowi, | ||
# ''określenie możliwości wpisywania informacji w qubit | # ''określenie możliwości wpisywania informacji w qubit - tj. możliwości uzyskania dowolnej superpozycji dwóch stanów qubitu przy pomocy zewnętrznego, makroskopowo regulowanego pola (np. oscylacje Rabiego w realistycznym obszarze pól), | ||
# ''możliwość skalowania qubitu do wielo-qubitowego urządzenia, | # ''możliwość skalowania qubitu do wielo-qubitowego urządzenia, | ||
# ''zaprojektowanie i implementowanie podstawowej operacji dwu-qubitowej, o którą oprzeć by można wykonanie dowolnej kwantowej operacji logicznej (taką bramką może być CNOT lub inna [5,10], w każdym przypadku konieczne jest opanowanie techniki włączania i wyłączania oddziaływania qubitów w precyzyjny sposób, w bardzo krótkich odstępach czasu, tj. sterowanie splątaniem dwóch qubitów), | # ''zaprojektowanie i implementowanie podstawowej operacji dwu-qubitowej, o którą oprzeć by można wykonanie dowolnej kwantowej operacji logicznej (taką bramką może być CNOT lub inna [5,10], w każdym przypadku konieczne jest opanowanie techniki włączania i wyłączania oddziaływania qubitów w precyzyjny sposób, w bardzo krótkich odstępach czasu, tj. sterowanie splątaniem dwóch qubitów), | ||
# ''zapewnienie stosunku rzędów czasu potrzebnego na wykonanie elementarnych operacji logicznych i czasu dekoherencji na poziomie nie mniejszym niż 6, | # ''zapewnienie stosunku rzędów czasu potrzebnego na wykonanie elementarnych operacji logicznych i czasu dekoherencji na poziomie nie mniejszym niż 6, | ||
# ''zapewnienie możliwości oddziaływania dużej liczby qubitów, albo bezpośrednio (co trudne), albo poprzez qubit pośredniczący (np. foton), w celu skalowania komputera i implementacji korekty błędów, | # ''zapewnienie możliwości oddziaływania dużej liczby qubitów, albo bezpośrednio (co trudne), albo poprzez qubit pośredniczący (np. foton), w celu skalowania komputera i implementacji korekty błędów, | ||
# ''zapewnienie możliwości odczytu informacji na wyjściu, | # ''zapewnienie możliwości odczytu informacji na wyjściu, | ||
# ''zapewnienie możliwości resetowania całego układu. | # ''zapewnienie możliwości resetowania całego układu. | ||
==D-Wave== | ==D-Wave== | ||
'''D-Wave One''' - pierwszy na świecie komputer kwantowy, 2011 rok. | '''D-Wave One''' - pierwszy na świecie komputer kwantowy, 2011 rok. | ||
Najnowsze maszyny D-Wave mają ponad tysiąc kubitów. Są używane m.in. Google i NASA, Harvard University oraz [[koncern]] Lockheed Martin. Wiele firm inwestuje w komputery kwantowe, ponieważ ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją (M. Bójko 2018). | Najnowsze maszyny D-Wave mają ponad tysiąc kubitów. Są używane m.in. Google i NASA, Harvard University oraz [[koncern]] Lockheed Martin. Wiele firm inwestuje w komputery kwantowe, ponieważ ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją (M. Bójko 2018). | ||
{{infobox5|list1={{i5link|a=[[Algorytm genetyczny]]}} — {{i5link|a=[[Blockchain]]}} — {{i5link|a=[[Programowanie obiektowe]]}} — {{i5link|a=[[JavaScript]]}} — {{i5link|a=[[Projektowanie eksperymentów]]}} — {{i5link|a=[[Interfejs użytkownika]]}} — {{i5link|a=[[Refactoring]]}} — {{i5link|a=[[Oscylator]]}} — {{i5link|a=[[Kompletacja]]}} }} | |||
==Bibliografia== | ==Bibliografia== | ||
* | <noautolinks> | ||
* Gruber J. (red.) (2014) [ | * Gribbin J. (2015), ''Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych'', Wydawnictwo: Prószyński i S-ka | ||
* Gruber J. (red.) (2014), ''[https://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-86cc79e3-528f-49df-9e05-ae6d87357c3d/c/gruber_ZNPSLOZ_74_2014.pdf Kryteria budowy komputera kwantowego i algorytmy kryptografii postkwantowej]'', Zeszyty Naukowe. Organizacja i Zarządzanie / Politechnika Śląska, z.74 | |||
* Jacak L. (2002) | * Jacak L. (2002), ''Komputer kwantowy: nowe wyzwanie dla nanotechnologii'', Postępy fizyki, 53 | ||
* Jacak W. (2011) ''Wstęp do informatyki i kryptografii kwantowej'', | * Jacak W. (2011), ''Wstęp do informatyki i kryptografii kwantowej'', Politechnika Wrocławska, Wrocław | ||
* Nowotniak R. (2008) [ | * Nowotniak R. (2008), ''[https://robert.nowotniak.com/files/rnowotniak-msc.pdf Wykorzystanie metod ewolucyjnych sztucznej inteligencji w projektowaniu algorytmów kwantowych]'', Doctoral dissertation, Politechnika Łódzka | ||
*Świerczewski Ł. (2013) [https://depot.ceon.pl/bitstream/handle/123456789/1923/praca_inzynierska.pdf?sequence=4&isAllowed=y | * Świerczewski Ł. (2013), ''[https://depot.ceon.pl/bitstream/handle/123456789/1923/praca_inzynierska.pdf?sequence=4&isAllowed=y Symulacja funkcjonalnego systemu kwantowego na równoległych komputerach klasycznych IV generacji]'', Państwowa Wyższa Szkoła Informatyki i Przedsiębiorczości w Łomży, Instytut Informatyki i Automatyki | ||
* Bójko M. (2018), ''Wszyscy chcą je mieć. Giganci informatyki inwestują w komputery kwantowe'', Focus | |||
</noautolinks> | |||
{{a|Agnieszka Grzymkowska}} | {{a|Agnieszka Grzymkowska}} | ||
[[Kategoria:Informatyka]] | [[Kategoria:Informatyka]] | ||
{{#metamaster:description|Komputery kwantowe to układy fizyczne wykorzystujące mechanikę kwantową. Działają szybciej niż tradycyjne komputery, manipulując obiektami kwantowymi w superpozycji. Istnieje ryzyko ich wykorzystania do łamania szyfrów.}} | |||
Aktualna wersja na dzień 08:23, 12 sty 2024
Komputery kwantowe - według współczesnej literatury to układy fizyczne, do których działania wykorzystuje się użycie mechaniki kwantowej. Zaprojektowane są w taki sposób, aby wraz z ewolucją prezentować rozwiązanie określonego problemu obliczeniowego. Działają przy użyciu manipulacji obiektami kwantowymi znajdującymi się w dwóch stanach jednocześnie (nazywamy to superpozycją). Ich ogromną zaletą jest wykonywanie wszystkich operacji znacznie szybciej od tradycyjnych komputerów. Wiąże się to niestety z możliwością wykorzystywania ich do łamania szyfrów, co łączy się z dużym niebezpieczeństwem (J. Gruber i in. 2014, s. 24) (J. Gribbin 2015, s. 5).
Jak pisze R. Nowotniak komputer kwantowy wykonywałby obliczenia w nietypowy, współbieżny sposób. Nieskończona liczba obliczeń może być realizowana w tym samym czasie. Wyniki tych obliczeń oddziałują na siebie, tak jak w przypadku interferencji funkcji falowych fotonu, który porusza się jednocześnie dwiema drogami. Końcowy wynik jest zależny od każdego z pojedynczych, prowadzonych współbieżnie, rezultatów obliczeń (R. Nowotniak 2008, s. 4).
TL;DR
Komputery kwantowe są układami fizycznymi, które korzystają z mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń. Są znacznie szybsze od tradycyjnych komputerów, ale mogą być wykorzystane do złamania szyfrów. Perspektywy komputerów kwantowych obejmują skrócenie czasu wykonywania zadań, rozwiązywanie problemów matematycznych o dużej złożoności i tworzenie nowych materiałów. Ograniczenia to brak możliwości realizacji nowych problemów, trudności w budowie układów złożonych i mała liczba znanych algorytmów kwantowych. Budowa komputera kwantowego o dużej mocy może spowodować złamanie algorytmów kryptograficznych. Istnieją jednak algorytmy uważane za odporne na ataki. Istnieje kilka kryteriów DiVincenzo, które muszą zostać spełnione przy konstrukcji komputera kwantowego. D-Wave One był pierwszym komputerem kwantowym na świecie, a obecnie jest wiele firm inwestujących w tę technologię.
Perspektywy i ograniczenia
Perspektywy i ograniczenia dotyczące komputerów kwantowych są następujące (Ł. Świerczewski 2013, s. 24-25) (L. Jacak 2002, s. 74):
perspektywy:
- możliwość realizacji nieosiągalnych (ze względu na czas realizacji) klasycznie zadań w bardzo krótkim czasie
- możliwość efektywnego rozwiązywania problemów matematycznych opartych na dużej złożoności obliczeniowej
- możliwość tworzenia nowych materiałów, modeli zmian klimatu oraz leków (M. Bójko 2018)
ograniczenia:
- brak możliwości realizacji nowych problemów, których nie zdoła wykonać komputer klasyczny
- problem z budową układów złożonych z dużej ilości kubitów
- znajomość niewielkiej ilości algorytmów kwantowych
- trudności ze względu na oddziaływanie obiektów kwantowych z otoczeniem
Zagrożenia wynikające ze zbudowania komputera kwantowego o dużej mocy
Ze zbudowaniem komputera kwantowego o dużej mocy obliczeniowej wiąże się ryzyko złamania wszystkich znanych dotychczas algorytmów kryptograficznych klucza publicznego. Problemem jest także kompromitacja zabezpieczeń fizycznych, generująca dużo większe koszty niż w przypadku zabezpieczeń cyfrowych. Kolejnym utrudnieniem jest zagrożenie bezwzględnie bezpiecznych kanałów komunikacyjnych (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23).
Istnieją jednak cztery grupy algorytmów uważanych za odporne na ataki, ale niestety nie można ich uznać jako bezwzględnie bezpieczne.
Są to (J. Gruber i in. 2014, s. 22-23):
- algorytmy opierające się na funkcji haszującej,
- algorytmy oparte na kodach liniowych,
- algorytmy oparte na kratach,
- algorytmy opierające się na wielomianach drugiego stopnia o wielu zmiennych
Kryteria DiVincenzo
Warunki konieczne do spełnienia przy konstrukcji komputera kwantowego, nazywane kryteriami DiVincenzo (W. Jacak 2011, s. 12-13):
- odpowiednio zdefiniowany qubit - dwa stany kwantowe oddzielone od pozostałych stanów układu, tak by informacja w niego wpisana nie ulegała wypływowi,
- określenie możliwości wpisywania informacji w qubit - tj. możliwości uzyskania dowolnej superpozycji dwóch stanów qubitu przy pomocy zewnętrznego, makroskopowo regulowanego pola (np. oscylacje Rabiego w realistycznym obszarze pól),
- możliwość skalowania qubitu do wielo-qubitowego urządzenia,
- zaprojektowanie i implementowanie podstawowej operacji dwu-qubitowej, o którą oprzeć by można wykonanie dowolnej kwantowej operacji logicznej (taką bramką może być CNOT lub inna [5,10], w każdym przypadku konieczne jest opanowanie techniki włączania i wyłączania oddziaływania qubitów w precyzyjny sposób, w bardzo krótkich odstępach czasu, tj. sterowanie splątaniem dwóch qubitów),
- zapewnienie stosunku rzędów czasu potrzebnego na wykonanie elementarnych operacji logicznych i czasu dekoherencji na poziomie nie mniejszym niż 6,
- zapewnienie możliwości oddziaływania dużej liczby qubitów, albo bezpośrednio (co trudne), albo poprzez qubit pośredniczący (np. foton), w celu skalowania komputera i implementacji korekty błędów,
- zapewnienie możliwości odczytu informacji na wyjściu,
- zapewnienie możliwości resetowania całego układu.
D-Wave
D-Wave One - pierwszy na świecie komputer kwantowy, 2011 rok.
Najnowsze maszyny D-Wave mają ponad tysiąc kubitów. Są używane m.in. Google i NASA, Harvard University oraz koncern Lockheed Martin. Wiele firm inwestuje w komputery kwantowe, ponieważ ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją (M. Bójko 2018).
| Komputery kwantowe — artykuły polecane |
| Algorytm genetyczny — Blockchain — Programowanie obiektowe — JavaScript — Projektowanie eksperymentów — Interfejs użytkownika — Refactoring — Oscylator — Kompletacja |
Bibliografia
- Gribbin J. (2015), Kubity i kot Schrödingera. Od maszyny Turinga do komputerów kwantowych, Wydawnictwo: Prószyński i S-ka
- Gruber J. (red.) (2014), Kryteria budowy komputera kwantowego i algorytmy kryptografii postkwantowej, Zeszyty Naukowe. Organizacja i Zarządzanie / Politechnika Śląska, z.74
- Jacak L. (2002), Komputer kwantowy: nowe wyzwanie dla nanotechnologii, Postępy fizyki, 53
- Jacak W. (2011), Wstęp do informatyki i kryptografii kwantowej, Politechnika Wrocławska, Wrocław
- Nowotniak R. (2008), Wykorzystanie metod ewolucyjnych sztucznej inteligencji w projektowaniu algorytmów kwantowych, Doctoral dissertation, Politechnika Łódzka
- Świerczewski Ł. (2013), Symulacja funkcjonalnego systemu kwantowego na równoległych komputerach klasycznych IV generacji, Państwowa Wyższa Szkoła Informatyki i Przedsiębiorczości w Łomży, Instytut Informatyki i Automatyki
- Bójko M. (2018), Wszyscy chcą je mieć. Giganci informatyki inwestują w komputery kwantowe, Focus
Autor: Agnieszka Grzymkowska
