Menggunakan teknologi pengkomputeran kuantum untuk memerangi perubahan iklim global: peluang dan cabaran

Pengkomputeran kuantum merujuk kepada bentuk pengkomputeran baharu berdasarkan fizik kuantum. Ia berjanji untuk mengungguli komputer tradisional dalam memproses data dan mengoptimumkannya. Teknologi ini mempunyai aplikasi alam sekitar yang luas, termasuk meningkatkan prestasi tenaga dan mengoptimumkan perancangan bandar.

Apakah pengkomputeran kuantum?

Komputer klasik yang digunakan dalam kehidupan seharian kita bermanfaat untuk pembangunan umat manusia. Walau bagaimanapun, ia perlahan-lahan digantikan oleh mesin yang semakin canggih.

Satu masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik ialah pengoptimuman. Sebagai contoh, berapa banyak kemungkinan kombinasi yang ada untuk mengkonfigurasi tempat duduk untuk 10 orang di sekeliling meja? Jawapannya adalah bersamaan dengan kira-kira 3.6 juta kombinasi. Apabila bilangan kerusi bertambah, bilangan kombinasi yang mungkin meningkat secara eksponen. Untuk mencari susunan tempat duduk yang terbaik, kami terlebih dahulu memerlukan senarai kriteria yang menentukan susunan terbaik. Walau bagaimanapun, bahagian yang paling banyak usaha dan memakan masa ialah komputer klasik perlu mensimulasikan setiap kombinasi untuk menjana keputusan. Bergantung pada saiz data, komputer klasik boleh mengambil masa yang lama untuk menjana hasil. Walau bagaimanapun, komputer kuantum mempunyai potensi untuk menyelesaikan masalah dalam beberapa minit.

Unit asas maklumat dalam komputer klasik dipanggil digit binari, juga biasa dipanggil "bit". Satu bit ialah "1" atau "0". Jika terdapat dua bit berturut-turut, terdapat empat kemungkinan kombinasi - 00, 01, 10 dan 11. Oleh itu, komputer klasik perlu mensimulasikan empat kali untuk menghasilkan keputusan.

Sebaliknya, unit asas maklumat dalam komputer kuantum dipanggil "qubit". Qubit bukanlah "1" mahupun "0". Sebaliknya, ia wujud dalam superposisi "1" dan "0s". Dalam erti kata lain, ia adalah "1" dan "0" pada masa yang sama. Oleh itu, dua qubit berturut-turut berada dalam superposisi empat keadaan—00, 01, 10, dan 11. Mengapa ia revolusioner? Berada dalam superposisi semua negeri menunjukkan bahawa, secara teori, komputer kuantum hanya perlu mensimulasikan sekali untuk menjana hasil. Cari susunan 10 tempat duduk terbaik di antara lebih daripada 3.6 juta kombinasi dalam beberapa percubaan sahaja.

Apakah hubungan antara pengkomputeran kuantum dan perlindungan alam sekitar?

Pengkomputeran kuantum boleh digunakan di mana-mana kawasan yang memerlukan pengoptimuman; ia boleh tentang meningkatkan prestasi tenaga atau boleh juga mengenai membangunkan bandar pintar yang meminimumkan penggunaan tenaga.

Salah satu contoh ialah masalah tugasan kuadratik (QAP), masalah matematik yang berprestasi buruk oleh komputer klasik. Katakan terdapat n kemudahan dan n lokasi, dan anda perlu mengkonfigurasi kemudahan di setiap lokasi untuk meminimumkan penggunaan tenaga. Secara logiknya, jika kita perlu mengangkut sejumlah besar kargo antara dua kemudahan dengan kerap, kita mahu meletakkannya lebih dekat, dan sebaliknya.

Satu kajian membandingkan prestasi komputer kuantum dan klasik dalam menyelesaikan masalah tugasan kuadratik dengan menyediakan data daripada 20 kemudahan dan lokasi. Akibatnya, komputer kuantum menghasilkan jawapan yang tepat dalam kira-kira 700 saat, manakala komputer klasik gagal memenuhi had masa 12 jam. Penyelidikan ini menunjukkan potensi besar pengkomputeran kuantum dalam mengoptimumkan perancangan bandar untuk meminimumkan penggunaan tenaga.

Selain kefungsiannya, pengkomputeran kuantum itu sendiri juga merupakan teknologi mesra alam. Menurut kajian yang diterbitkan bersama oleh NASA, Google dan Oak Ridge National Laboratory, komputer kuantum hanya memerlukan 0.002% daripada tenaga yang digunakan oleh komputer klasik untuk melaksanakan tugas yang sama. Tenaga yang digunakan oleh komputer adalah besar; tidak termasuk tenaga yang digunakan oleh komputer dan telefon pintar orang biasa, pusat data sendiri sudah menyumbang lebih daripada 1% tenaga elektrik global. Jika data boleh disimpan dalam bentuk qubit, kita boleh menjimatkan banyak tenaga.

Cabaran semasa yang dihadapi pengkomputeran kuantum

Komputer kuantum paling berkuasa di dunia kini dibangunkan oleh International Business Machines Corporation (IBM) dengan kapasiti 127 qubit " ​Eagle​​ ”. Walau bagaimanapun, saintis percaya bahawa jika komputer kuantum tidak mempunyai kapasiti sekurang-kurangnya 1,000 qubit, mereka tidak akan mempunyai kegunaan komersial. Perkembangan komputer kuantum yang perlahan sebahagian besarnya disebabkan oleh kesukaran teknikal untuk membinanya.

Para saintis diminta untuk memanipulasi zarah sekecil elektron untuk mencipta qubit. Elektron perlu mengekalkan koheren, yang bermaksud keadaan di mana gelombang elektron boleh mengganggu satu sama lain secara koheren. Walau bagaimanapun, elektron sangat sensitif kepada persekitaran luaran, seperti bunyi dan suhu. Oleh itu, fabrikasi qubit biasanya dilakukan dalam persekitaran terpencil yang beroperasi hampir sifar mutlak. Memandangkan atom bergerak pada keadaan tenaga terendahnya, iaitu sifar mutlak, mengekalkan elektron pada suhu ini membantu mereka kekal stabil dan kurang terjejas oleh persekitaran luar. Ini adalah satu cara untuk mengurangkan berlakunya dekoheren. Walau bagaimanapun, apabila penyahpaduan berlaku, kita masih tidak mempunyai cara yang jelas untuk membetulkannya kerana gangguan luar boleh memusnahkan baki koheren elektron lain.

Walaupun pengkomputeran kuantum masih dalam peringkat pembangunannya, kami telah melihat kemajuan yang luar biasa dalam bidang ini sejak penubuhannya sebagai teori pada tahun 1980-an. Pengkomputeran kuantum boleh menjadi kemajuan terbesar manusia seterusnya, daripada menjejaki data molekul dalam tubuh manusia yang tidak dapat dicapai oleh komputer tradisional kepada membangunkan ubat untuk merawat pelbagai penyakit yang tidak boleh diubati, kepada mengoptimumkan kecekapan tenaga bandar, negara, dan juga dunia.

Atas ialah kandungan terperinci Menggunakan teknologi pengkomputeran kuantum untuk memerangi perubahan iklim global: peluang dan cabaran. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!