Какво е квантово изчисление?

Квантовите изчисления използват квантовата механика за обработка на огромни количества информация с невероятно висока скорост. Необходими са няколко минути до няколко часа, за да може квантовият компютър да реши проблем, за който на настолен компютър са необходими години или десетилетия.

Квантовите изчисления поставят началото на ново поколение суперкомпютри. Очаква се тези квантови компютри да превъзхождат съществуващите технологии в области като моделиране, логистика, анализ на тенденциите, криптография и изкуствен интелект.

Обяснение на квантовите изчисления

Идеята за квантовите изчисления е въведена за първи път в началото на 80-те години на миналия век от Ричард Файнман и Юри Манин. Файнман и Манин вярваха, че квантовият компютър може да симулира данни по начини, които настолният компютър не би могъл. Едва в края на 90-те години на миналия век изследователите създават първите квантови компютри.

Основната процесорна единица на квантовите изчисления са квантовите битове или кубити. Кубитите се създават в квантовия компютър, използвайки квантовомеханичните свойства на единични атоми, субатомни частици или свръхпроводящи електрически вериги.

Кубитите са подобни на битовете, използвани от настолните компютри, тъй като кубитите могат да бъдат в квантово състояние 1 или 0. Кубитите се различават по това, че могат да бъдат и в суперпозиция на състоянията 1 и 0, което означава, че кубитите могат да представляват както 1, така и 0 едновременно.

Когато кубитите са в суперпозиция, две квантови състояния се събират и водят до друго квантово състояние. Суперпозицията означава, че множество изчисления се обработват едновременно. И така, два кубита могат да представляват четири числа едновременно. Редовните компютри обработват битове само в едно от двете възможни състояния, 1 или 0, и изчисленията се обработват едно по едно.

Квантовите компютри също използват заплитане за обработка на кубити. Когато един кубит е заплетен, състоянието на този кубит зависи от състоянието на друг кубит, така че един кубит разкрива състоянието на неговата ненаблюдавана двойка.

Квантовият процесор е ядрото на компютъра

Създаването на кубити е трудна задача. Необходима е замразена среда, за да се поддържа кубит за произволен период от време. Свръхпроводящите материали, необходими за създаване на кубит, трябва да бъдат охладени до абсолютна нула (около минус 272 по Целзий). Кубитите също трябва да бъдат защитени от фонов шум, за да се намалят грешките при изчислението.

Вътрешността на квантовия компютър изглежда като изискан златен полилей. И, да, той е направен от истинско злато. Това е хладилник за разреждане, който охлажда квантовите чипове, така че компютърът да може да създава суперпозиции и да заплита кубити, без да губи каквато и да е информация.

Квантовият компютър прави тези кубити от всеки материал, който показва квантовомеханични свойства, които могат да бъдат контролирани. Проектите за квантово изчисление създават кубити по различни начини, като например завъртане на свръхпроводящ проводник, въртящи се електрони и улавяне на йони или импулси на фотони. Тези кубити съществуват само при температури под замръзване, създадени в хладилника за разреждане.

Езикът за програмиране на квантовите изчисления

Квантовите алгоритми анализират данните и предлагат симулации въз основа на данните. Тези алгоритми са написани на квантово фокусиран език за програмиране. Няколко квантови езика са разработени от изследователи и технологични компании.

Това са няколко от езиците за програмиране на квантовите изчисления:

• QISKit: The Квантов информационен софтуерен комплект от IBM е библиотека с пълен стек за писане, симулиране и изпълнение на квантови програми.
• Q#: Езикът за програмиране, включен в Microsoft Комплект за квантово развитие. Комплектът за разработка включва квантов симулатор и библиотеки с алгоритми.
• Cirq: А квантов език, разработен от Google който използва библиотека на python за писане на схеми и стартиране на тези схеми в квантови компютри и симулатори.
• Гора: Среда за разработчици, създадена от Rigetti Computing, която пише и изпълнява квантови програми.

Използва се за квантови изчисления

Истинските квантови компютри станаха достъпни през последните няколко години и само няколко големи технологични компании разполагат с квантов компютър. Някои от тези технологични компании включват Google, IBM, Intel и Microsoft. Тези технологични лидери работят с производители, фирми за финансови услуги и биотехнологични фирми за решаване на различни проблеми.

Наличието на квантови компютърни услуги и напредъкът в изчислителната мощност дава на изследователите и учените нови инструменти за намиране на решения на проблеми, които преди са били невъзможни за решаване. Квантовото изчисление намали времето и ресурсите, необходими за анализиране на невероятни количества данни, създавайте симулации за тези данни, разработвайте решения и създавайте нови технологии, които коригират проблеми.

Бизнесът и индустрията използват квантовите изчисления, за да изследват нови начини за правене на бизнес. Ето няколко от проектите за квантови изчисления, които могат да бъдат от полза за бизнеса и обществото:

• Аерокосмическата индустрия използва квантови изчисления, за да проучи по-добри начини за управление на въздушния трафик.
• Финансовите и инвестиционните фирми се надяват да използват квантовите изчисления, за да анализират риска и възвръщаемостта на финансовите инвестиции, да оптимизират портфейлните стратегии и да уредят финансовите преходи.
• Производителите възприемат квантовите изчисления, за да подобрят своите вериги за доставки, да създадат ефективност в производствените си процеси и да разработят нови продукти.
• Биотехнологичните фирми проучват начини за ускоряване на откриването на нови лекарства.

Намерете квантов компютър и експериментирайте с квантовите изчисления

Някои компютърни учени разработват методи за симулиране на квантово изчисление на настолен компютър.

Много от най-големите технологични компании в света предлагат квантови услуги. Когато са сдвоени с настолни компютри и системи, тези квантови услуги създават среда, в която квантовата обработка — с настолни компютри — решава сложни проблеми.

• IBM предлага IBM Q среда с достъп до няколко реални квантови компютъра и симулации, които можете да използвате чрез облака.
• Alibaba Cloud предлага a облачна платформа за квантови изчисления където можете да стартирате и тествате персонализирани квантови кодове.
• Microsoft предлага а комплект за квантово развитие който включва езика за програмиране Q#, квантови симулатори и библиотеки за разработка на готов за използване код.
• Rigetti има първа квантово облачна платформа, която в момента е в бета версия. Тяхната платформа е предварително конфигурирана с техния Forest SDK.

Новини за квантовите компютри в бъдещето

Мечтата е квантовите компютри да решават проблеми, които в момента са твърде големи и твърде сложни за решаване със стандартен хардуер – особено за моделиране на околната среда и ограничаване на болестите.

Настолните компютри нямат място за извършване на тези сложни изчисления и извършване на това невероятно количество анализ на данни. Квантовите изчисления отнемат най-голямото голяма информация събира и обработва тази информация за малка част от времето, което би отнело на настолен компютър. Данните, които на настолен компютър биха отнели няколко години за обработка и анализ, отнемат само няколко дни за квантов компютър.

Квантовите изчисления все още са в начален стадий, но имат потенциала да решават най-сложните световни проблеми със скоростта на светлината. Всеки може да гадае колко далеч ще нараснат квантовите изчисления и наличието на квантови компютри.