Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления используют квантовую механику для обработки огромных объемов информации с невероятно высокой скоростью. Квантовому компьютеру требуется от нескольких минут до нескольких часов, чтобы решить проблему, на решение которой настольному компьютеру потребуются годы или десятилетия.

Квантовые вычисления создают основу для нового поколения суперкомпьютеров. Ожидается, что эти квантовые компьютеры превзойдут существующие технологии в таких областях, как моделирование, логистика, анализ тенденций, криптография и искусственный интеллект.

Объяснение квантовых вычислений

Идея квантовых вычислений была впервые предложена в начале 1980-х Ричардом Фейнманом и Юрием Маниным. Фейнман и Манин считали, что квантовый компьютер может моделировать данные так, как не может настольный компьютер. Только в конце 1990-х исследователи создали первые квантовые компьютеры.

Основным процессором квантовых вычислений являются квантовые биты или кубиты. Кубиты создаются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей.

Кубиты похожи на биты, используемые настольными компьютерами, в том, что кубиты могут находиться в квантовом состоянии 1 или 0. Кубиты отличаются тем, что они также могут находиться в суперпозиции состояний 1 и 0, что означает, что кубиты могут представлять как 1, так и 0 одновременно.

Когда кубиты находятся в суперпозиции, два квантовых состояния складываются вместе и приводят к другому квантовому состоянию. Суперпозиция означает, что несколько вычислений обрабатываются одновременно. Итак, два кубита могут одновременно представлять четыре числа. Обычные компьютеры обрабатывают биты только в одном из двух возможных состояний, 1 или 0, и вычисления обрабатываются по очереди.

Квантовые компьютеры также используют запутанность для обработки кубитов. Когда кубит запутан, состояние этого кубита зависит от состояния другого кубита, так что один кубит показывает состояние своей ненаблюдаемой пары.

Квантовый процессор - ядро ​​компьютера

Создание кубитов - сложная задача. Для поддержания кубита в течение любого периода времени требуется замороженная среда. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены до абсолютный ноль (около минус 272 по Цельсию). Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях.

Внутри квантовый компьютер выглядит как причудливая золотая люстра. И да, он сделан из настоящего золота. Это холодильник разбавления, который охлаждает квантовые чипы, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты без потери информации.

Квантовый компьютер делает эти кубиты из любого материала, обладающего квантово-механическими свойствами, которыми можно управлять. Проекты квантовых вычислений создают кубиты по-разному, например, закручивая сверхпроводящий провод, вращая электроны и улавливая ионы или импульсы фотонов. Эти кубиты существуют только при температурах ниже нуля, создаваемых в холодильнике для разбавления.

Язык программирования квантовых вычислений

Квантовые алгоритмы анализируют данные и предлагают моделирование на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Исследователи и технологические компании разработали несколько квантовых языков.

Вот несколько языков программирования для квантовых вычислений:

• QISKit: The Комплект программного обеспечения квантовой информации от IBM - это полнофункциональная библиотека для написания, моделирования и выполнения квантовых программ.
• Q #: Язык программирования, включенный в Microsoft Набор для квантовой разработки. В комплект разработчика входят квантовый симулятор и библиотеки алгоритмов.
• Cirq: А квантовый язык, разработанный Google который использует библиотеку Python для написания схем и запуска этих схем в квантовых компьютерах и симуляторах.
• лес: Среда разработки, созданная Rigetti Computing, которая пишет и запускает квантовые программы.

Использование для квантовых вычислений

Настоящие квантовые компьютеры стали доступны в последние несколько лет, и только несколько крупных технологических компаний имеют квантовые компьютеры. Некоторые из этих технологических компаний включают Google, IBM, Intel и Microsoft. Эти технологические лидеры работают с производителями, финансовыми и биотехнологическими компаниями для решения множества проблем.

Доступность услуг квантового компьютера и развитие вычислительной мощности дает исследователям и ученым новые инструменты для поиска решений проблем, которые ранее было невозможно решить. Квантовые вычисления сократили количество времени и ресурсов, необходимых для анализа невероятного количества данных, моделировать эти данные, разрабатывать решения и создавать новые технологии, которые исправляют проблемы.

Бизнес и промышленность используют квантовые вычисления для изучения новых способов ведения бизнеса. Вот несколько проектов квантовых вычислений, которые могут принести пользу бизнесу и обществу:

• В аэрокосмической отрасли используются квантовые вычисления для поиска более эффективных способов управления воздушным движением.
• Финансовые и инвестиционные фирмы надеются использовать квантовые вычисления для анализа риска и доходности финансовых вложений, оптимизации портфельных стратегий и урегулирования финансовых переходов.
• Производители применяют квантовые вычисления для улучшения своих цепочек поставок, повышения эффективности производственных процессов и разработки новых продуктов.
• Биотехнологические фирмы изучают способы ускорить открытие новых лекарств.

Найдите квантовый компьютер и экспериментируйте с квантовыми вычислениями

Некоторые компьютерные ученые разрабатывают методы моделирования квантовых вычислений на настольном компьютере.

Многие из крупнейших мировых технологических компаний предлагают квантовые услуги. В сочетании с настольными компьютерами и системами эти квантовые службы создают среду, в которой квантовая обработка - с настольными компьютерами - решает сложные проблемы.

• IBM предлагает Среда IBM Q с доступом к нескольким реальным квантовым компьютерам и симуляциям, которые можно использовать через облако.
• Alibaba Cloud предлагает облачная платформа квантовых вычислений где вы можете запускать и тестировать специально созданные квантовые коды.
• Microsoft предлагает комплект квантовой разработки который включает язык программирования Q #, квантовые симуляторы и библиотеки разработки готового кода.
• У Rigetti есть первоклассная облачная платформа, которая в настоящее время находится в стадии бета-тестирования. Их платформа предварительно настроена с помощью Forest SDK.

Новости квантовых вычислений в будущем

Мечта состоит в том, чтобы квантовые компьютеры решали проблемы, которые в настоящее время слишком велики и слишком сложны для решения с помощью стандартного оборудования, особенно для моделирования окружающей среды и сдерживания болезней.

На настольных компьютерах нет места для выполнения этих сложных вычислений и анализа невероятных объемов данных. Квантовые вычисления требуют наибольшего большое количество данных собирает и обрабатывает эту информацию быстрее, чем на настольном компьютере. Данные, на обработку и анализ которых настольному компьютеру потребовалось бы несколько лет, у квантового компьютера уходит всего несколько дней.

Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но они могут решать самые сложные мировые проблемы со скоростью света. Остается только догадываться, насколько далеко будут развиваться квантовые вычисления и насколько доступны квантовые компьютеры.