Co je kvantové počítání?

Kvantové výpočty využívají kvantovou mechaniku ke zpracování obrovského množství informací neuvěřitelně vysokou rychlostí. Kvantovému počítači trvá několik minut až několik hodin, než vyřeší problém, který by stolnímu počítači trval roky nebo desetiletí.

Quantum computing připravuje půdu pro novou generaci superpočítačů. Očekává se, že tyto kvantové počítače předčí stávající technologie v oblastech, jako je modelování, logistika, analýza trendů, kryptografie a umělá inteligence.

Vysvětlení kvantového počítání

Myšlenku kvantového počítání poprvé představili na počátku 80. let Richard Feynman a Yuri Manin. Feynman a Manin věřili, že kvantový počítač dokáže simulovat data způsobem, který stolní počítač nedokáže. Teprve koncem 90. let minulého století sestrojili výzkumníci první kvantové počítače.

Primární procesorovou jednotkou kvantového počítání jsou kvantové bity nebo qubity. Qubity jsou vytvářeny v kvantovém počítači pomocí kvantově mechanických vlastností jednotlivých atomů, subatomárních částic nebo supravodivých elektrických obvodů.

Qubity jsou podobné bitům používaným stolními počítači v tom, že qubity mohou být v kvantovém stavu 1 nebo 0. Qubity se liší v tom, že mohou být také v superpozici stavů 1 a 0, což znamená, že qubity mohou představovat jak 1, tak 0 současně.

Když jsou qubity v superpozici, sečtou se dva kvantové stavy a výsledkem je další kvantový stav. Superpozice znamená, že se současně zpracovává více výpočtů. Dva qubity tedy mohou představovat čtyři čísla současně. Běžné počítače zpracovávají bity pouze v jednom ze dvou možných stavů, 1 nebo 0, a výpočty jsou zpracovávány jeden po druhém.

Kvantové počítače také používají zapletení ke zpracování qubitů. Když je qubit zapletený, stav tohoto qubitu závisí na stavu jiného qubitu, takže jeden qubit odhaluje stav jeho nepozorovaného páru.

Kvantový procesor je jádrem počítače

Vytváření qubitů je obtížný úkol. Udržování qubitu po libovolně dlouhou dobu vyžaduje zamrzlé prostředí. Supravodivé materiály potřebné k vytvoření qubitu musí být ochlazeny absolutní nula (asi minus 272 Celsia). Qubity musí být také odstíněny před šumem na pozadí, aby se snížily chyby ve výpočtu.

Vnitřek kvantového počítače vypadá jako luxusní zlatý lustr. A ano, je vyroben ze skutečného zlata. Je to ředicí lednička, která ochlazuje kvantové čipy, takže počítač může vytvářet superpozice a proplétat qubity, aniž by ztratil jakoukoli informaci.

Kvantový počítač vyrábí tyto qubity z jakéhokoli materiálu, který vykazuje kvantově mechanické vlastnosti, které lze ovládat. Projekty kvantových počítačů vytvářejí qubity různými způsoby, jako je smyčkování supravodivého drátu, rotující elektrony a zachycování iontů nebo pulsů fotonů. Tyto qubity existují pouze při teplotách pod bodem mrazu vytvořených v ředící chladničce.

Programovací jazyk pro kvantové výpočty

Kvantové algoritmy analyzují data a nabízejí simulace založené na datech. Tyto algoritmy jsou napsány v kvantově zaměřeném programovacím jazyce. Několik kvantových jazyků bylo vyvinuto výzkumníky a technologickými společnostmi.

Toto je několik programovacích jazyků pro kvantové výpočty:

• QISKit: The Sada kvantového informačního softwaru od IBM je full-stack knihovna pro psaní, simulaci a spouštění kvantových programů.
• Q#: Programovací jazyk obsažený v Microsoft Quantum Development Kit. Vývojová sada obsahuje kvantový simulátor a knihovny algoritmů.
• Cirq: A kvantový jazyk vyvinutý společností Google který používá knihovnu python k zápisu obvodů a spouštění těchto obvodů v kvantových počítačích a simulátorech.
• Les: Vývojářské prostředí vytvořené společností Rigetti Computing, které píše a spouští kvantové programy.

Používá se pro kvantové výpočty

Skutečné kvantové počítače se staly dostupnými v posledních několika letech a jen několik velkých technologických společností má kvantový počítač. Některé z těchto technologických společností zahrnují Google, IBM, Intel a Microsoft. Tito technologickí lídři spolupracují s výrobci, firmami poskytujícími finanční služby a biotechnologickými firmami na řešení různých problémů.

Dostupnost služeb kvantového počítače a pokrok v oblasti výpočetního výkonu dává výzkumníkům a vědcům nové nástroje k nalezení řešení problémů, které dříve nebylo možné vyřešit. Kvantové výpočty snížily množství času a zdrojů, které jsou potřeba k analýze neuvěřitelných množství data, vytvářet simulace o těchto datech, vyvíjet řešení a vytvářet nové technologie, které opravují problémy.

Obchod a průmysl využívají kvantové výpočty k prozkoumání nových způsobů podnikání. Zde je několik projektů kvantových počítačů, které mohou být přínosem pro podnikání a společnost:

• Letecký průmysl využívá kvantové výpočty ke zkoumání lepších způsobů řízení letecké dopravy.
• Finanční a investiční společnosti doufají, že pomocí kvantových počítačů analyzují riziko a návratnost finančních investic, optimalizují strategie portfolia a vyrovnávají finanční přechody.
• Výrobci přijímají kvantové výpočty, aby zlepšili své dodavatelské řetězce, zvýšili efektivitu svých výrobních procesů a vyvinuli nové produkty.
• Biotechnologické firmy zkoumají způsoby, jak urychlit objev nových léků.

Najděte kvantový počítač a experimentujte s kvantovým počítačem

Někteří počítačoví vědci vyvíjejí metody pro simulaci kvantových počítačů na stolním počítači.

Mnoho z největších světových technologických společností nabízí kvantové služby. Když jsou tyto kvantové služby spárovány se stolními počítači a systémy, vytvářejí prostředí, kde kvantové zpracování – se stolními počítači – řeší složité problémy.

• IBM nabízí Prostředí IBM Q s přístupem k několika skutečným kvantovým počítačům a simulacím, které můžete používat prostřednictvím cloudu.
• Alibaba Cloud nabízí a cloudová platforma pro kvantové výpočty kde můžete spouštět a testovat vlastní kvantové kódy.
• Microsoft nabízí a kvantová vývojová sada který zahrnuje programovací jazyk Q#, kvantové simulátory a vývojové knihovny kódu připraveného k použití.
• Rigetti má první kvantovou cloudovou platformu, která je aktuálně ve verzi beta. Jejich platforma je předem nakonfigurována pomocí sady Forest SDK.

Kvantové počítačové novinky v budoucnosti

Snem je, že kvantové počítače vyřeší problémy, které jsou v současnosti příliš velké a příliš složité na to, aby je bylo možné vyřešit standardním hardwarem – zejména pro modelování prostředí a omezování nemocí.

Stolní počítače nemají prostor pro provádění těchto složitých výpočtů a provádění tak neuvěřitelného množství analýzy dat. Největší zabírá kvantové počítání velká data shromažďuje a zpracovává tyto informace za zlomek času, který by zabral na stolním počítači. Data, jejichž zpracování a analýza by u stolního počítače zabralo několik let, trvá kvantovému počítači jen několik dní.

Kvantové výpočty jsou stále v plenkách, ale mají potenciál řešit ty nejsložitější světové problémy rychlostí světla. O tom, jak daleko kvantové výpočty porostou, a o dostupnosti kvantových počítačů se může jen dohadovat kdokoli.