Čo je kvantová výpočtová technika?

Kvantové výpočty využívajú kvantovú mechaniku na spracovanie obrovského množstva informácií neuveriteľne vysokou rýchlosťou. Kvantovému počítaču trvá niekoľko minút až niekoľko hodín, kým vyrieši problém, ktorý by stolnému počítaču trvalo roky či desaťročia.

Kvantová výpočtová technika pripravuje pôdu pre novú generáciu superpočítačov. Očakáva sa, že tieto kvantové počítače prekonajú existujúcu technológiu v oblastiach, ako je modelovanie, logistika, analýza trendov, kryptografia a umela inteligencia.

Vysvetlenie kvantových výpočtov

Myšlienku kvantových počítačov prvýkrát predstavili začiatkom 80. rokov Richard Feynman a Yuri Manin. Feynman a Manin verili, že kvantový počítač dokáže simulovať dáta spôsobom, akým to stolný počítač nedokáže. Až koncom deväťdesiatych rokov výskumníci postavili prvé kvantové počítače.

Primárnou procesorovou jednotkou kvantového počítania sú kvantové bity alebo qubity. Qubity sa vytvárajú v kvantovom počítači pomocou kvantových mechanických vlastností jednotlivých atómov, subatomárnych častíc alebo supravodivých elektrických obvodov.

Qubity sú podobné bitom používaným stolnými počítačmi v tom, že qubity môžu byť v kvantovom stave 1 alebo 0. Qubity sa líšia v tom, že môžu byť aj v superpozícii stavov 1 a 0, čo znamená, že qubity môžu predstavovať 1 aj 0 súčasne.

Keď sú qubity v superpozícii, dva kvantové stavy sa sčítajú a výsledkom je ďalší kvantový stav. Superpozícia znamená, že sa súčasne spracováva viacero výpočtov. Dva qubity teda môžu predstavovať štyri čísla súčasne. Bežné počítače spracovávajú bity iba v jednom z dvoch možných stavov, 1 alebo 0, a výpočty sa spracovávajú jeden po druhom.

Kvantové počítače tiež používajú zapletenie na spracovanie qubitov. Keď je qubit zapletený, stav tohto qubitu závisí od stavu iného qubitu, takže jeden qubit odhaľuje stav jeho nepozorovaného páru.

Kvantový procesor je jadrom počítača

Vytváranie qubitov je náročná úloha. Udržiavanie qubitu na ľubovoľne dlhý čas si vyžaduje zmrazené prostredie. Supravodivé materiály potrebné na vytvorenie qubitu musia byť ochladené absolútna nula (asi mínus 272 stupňov Celzia). Qubity musia byť tiež tienené pred šumom na pozadí, aby sa znížili chyby vo výpočte.

Vnútro kvantového počítača vyzerá ako luxusný zlatý luster. A áno, je vyrobený zo skutočného zlata. Je to riediaca chladnička, ktorá ochladzuje kvantové čipy, takže počítač môže vytvárať superpozície a prepletať qubity bez straty akýchkoľvek informácií.

Kvantový počítač vyrába tieto qubity z akéhokoľvek materiálu, ktorý vykazuje kvantovo mechanické vlastnosti, ktoré možno ovládať. Projekty kvantových počítačov vytvárajú qubity rôznymi spôsobmi, ako je slučkovanie supravodivého drôtu, rotujúce elektróny a zachytávanie iónov alebo impulzov fotónov. Tieto qubity existujú iba pri teplotách pod bodom mrazu vytvorených v riediacej chladničke.

Programovací jazyk kvantových výpočtov

Kvantové algoritmy analyzujú údaje a ponúkajú simulácie založené na údajoch. Tieto algoritmy sú napísané v kvantovo zameranom programovacom jazyku. Výskumníci a technologické spoločnosti vyvinuli niekoľko kvantových jazykov.

Toto je niekoľko programovacích jazykov pre kvantové výpočty:

• QISKit: The Súprava kvantového informačného softvéru od IBM je kompletná knižnica na písanie, simuláciu a spúšťanie kvantových programov.
• Q#: Programovací jazyk zahrnutý v Microsoft Kvantová vývojová súprava. Vývojová súprava obsahuje kvantový simulátor a knižnice algoritmov.
• Cirq: A kvantový jazyk vyvinutý spoločnosťou Google ktorý používa knižnicu python na písanie obvodov a spúšťanie týchto obvodov v kvantových počítačoch a simulátoroch.
• les: Vývojárske prostredie vytvorené spoločnosťou Rigetti Computing, ktoré píše a spúšťa kvantové programy.

Používa sa pre kvantové výpočty

Skutočné kvantové počítače sa stali dostupnými v posledných rokoch a iba niekoľko veľkých technologických spoločností má kvantový počítač. Niektoré z týchto technologických spoločností zahŕňajú Google, IBM, Intel a Microsoft. Títo technologickí lídri spolupracujú s výrobcami, firmami poskytujúcimi finančné služby a biotechnologickými firmami na riešení rôznych problémov.

Dostupnosť služieb kvantového počítača a pokrok vo výpočtovej sile dáva výskumníkom a vedcom nové nástroje na nájdenie riešení problémov, ktoré sa predtým nedali vyriešiť. Kvantové výpočty znížili množstvo času a zdrojov, ktoré sú potrebné na analýzu neuveriteľného množstva údaje, vytvárať simulácie o týchto údajoch, vyvíjať riešenia a vytvárať nové technológie, ktoré opravujú problémy.

Podnikanie a priemysel využívajú kvantové výpočty na objavovanie nových spôsobov podnikania. Tu je niekoľko projektov kvantových počítačov, ktoré môžu byť prínosom pre podnikanie a spoločnosť:

• Letecký priemysel využíva kvantové výpočty na skúmanie lepších spôsobov riadenia leteckej dopravy.
• Finančné a investičné spoločnosti dúfajú, že pomocou kvantových výpočtov analyzujú riziko a návratnosť finančných investícií, optimalizujú portfóliové stratégie a vyrovnávajú finančné prechody.
• Výrobcovia využívajú kvantovú výpočtovú techniku, aby zlepšili svoje dodávateľské reťazce, zefektívnili svoje výrobné procesy a vyvinuli nové produkty.
• Biotechnologické firmy skúmajú spôsoby, ako urýchliť objavovanie nových liekov.

Nájdite kvantový počítač a experimentujte s kvantovým počítačom

Niektorí počítačoví vedci vyvíjajú metódy na simuláciu kvantových výpočtov na stolnom počítači.

Mnohé z najväčších svetových technologických spoločností ponúkajú kvantové služby. Keď sú tieto kvantové služby spárované so stolnými počítačmi a systémami, vytvárajú prostredie, kde kvantové spracovanie – so stolnými počítačmi – rieši zložité problémy.

• IBM ponúka Prostredie IBM Q s prístupom k niekoľkým skutočným kvantovým počítačom a simuláciám, ktoré môžete používať prostredníctvom cloudu.
• Alibaba Cloud ponúka a cloudová platforma kvantových výpočtov kde môžete spúšťať a testovať na mieru vytvorené kvantové kódy.
• Microsoft ponúka a kvantová vývojová súprava ktorý zahŕňa programovací jazyk Q#, kvantové simulátory a vývojové knižnice kódu pripraveného na použitie.
• Rigetti má kvantovú prvú cloudovú platformu, ktorá je momentálne v beta verzii. Ich platforma je vopred nakonfigurovaná pomocou Forest SDK.

Novinky o kvantovej výpočtovej technike v budúcnosti

Snom je, že kvantové počítače vyriešia problémy, ktoré sú v súčasnosti príliš veľké a príliš zložité na to, aby ich bolo možné vyriešiť pomocou štandardného hardvéru – najmä na modelovanie prostredia a obmedzovanie chorôb.

Stolné počítače nemajú priestor na spustenie týchto zložitých výpočtov a vykonanie tohto neuveriteľného množstva analýzy údajov. Kvantové výpočty zaberajú najväčšie veľké dáta zhromažďuje a spracováva tieto informácie za zlomok času, ktorý by zabral na stolnom počítači. Údaje, ktorých spracovanie a analýza na stolnom počítači by trvalo niekoľko rokov, trvá kvantovému počítaču len niekoľko dní.

Kvantová výpočtová technika je stále v plienkach, no má potenciál riešiť tie najzložitejšie svetové problémy rýchlosťou svetla. O tom, ako ďaleko porastie kvantová výpočtová technika a o dostupnosti kvantových počítačov, môže len hádať ktokoľvek.