Що таке квантові обчислення?

Квантові обчислення використовують квантову механіку для обробки величезної кількості інформації з неймовірно високою швидкістю. Квантовому комп’ютеру потрібно від кількох хвилин до кількох годин, щоб вирішити проблему, на вирішення якої настільному комп’ютеру знадобляться роки чи десятиліття.

Квантові обчислення готують основу для нового покоління суперкомп'ютерів. Очікується, що ці квантові комп’ютери перевершать існуючі технології в таких областях, як моделювання, логістика, аналіз тенденцій, криптографія та штучний інтелект.

Пояснення квантових обчислень

Ідея квантових обчислень була вперше уявлена ​​на початку 1980-х років Річардом Фейнманом і Юрієм Маніним. Фейнман і Манін вважали, що квантовий комп'ютер може моделювати дані так, як настільний комп'ютер не може. Лише наприкінці 1990-х дослідники побудували перші квантові комп’ютери.

Основним блоком обробки квантових обчислень є квантові біти або кубіти. Кубіти створюються в квантовому комп’ютері з використанням квантовомеханічних властивостей окремих атомів, субатомних частинок або надпровідних електричних кіл.

Кубіти подібні до бітів, які використовуються настільними комп’ютерами, оскільки кубіти можуть бути в квантовому стані 1 або 0. Кубіти відрізняються тим, що вони також можуть перебувати в суперпозиції станів 1 і 0, що означає, що кубіти можуть представляти як 1, так і 0 одночасно.

Коли кубіти знаходяться в суперпозиції, два квантові стани додаються разом і в результаті утворюється інший квантовий стан. Суперпозиція означає, що кілька обчислень обробляються одночасно. Отже, два кубіти можуть представляти чотири числа одночасно. Звичайні комп’ютери обробляють біти лише в одному з двох можливих станів, 1 або 0, і обчислення обробляються по одному.

Квантові комп’ютери також використовують заплутаність для обробки кубітів. Коли кубіт заплутаний, стан цього кубіта залежить від стану іншого кубіта, так що один кубіт розкриває стан його неспостережуваної пари.

Квантовий процесор є ядром комп'ютера

Створення кубітів - важке завдання. Щоб підтримувати кубіт протягом будь-якого періоду часу, потрібне заморожене середовище. Надпровідні матеріали, необхідні для створення кубіта, повинні бути охолоджені абсолютний нуль (близько мінус 272 за Цельсієм). Кубіти також повинні бути захищені від фонового шуму, щоб зменшити помилки в обчисленні.

Внутрішня частина квантового комп’ютера виглядає як вишукана золота люстра. І, так, він виготовлений із справжнього золота. Це холодильник для розведення, який охолоджує квантові чіпи, щоб комп’ютер міг створювати суперпозиції та заплутувати кубіти, не втрачаючи жодної інформації.

Квантовий комп’ютер виготовляє ці кубіти з будь-якого матеріалу, який має квантово-механічні властивості, якими можна керувати. Проекти квантових обчислень створюють кубіти різними способами, наприклад, зациклюючи надпровідний дріт, обертаються електрони та захоплюють іони або імпульси фотонів. Ці кубіти існують лише при температурах нижче нуля, створених у холодильнику для розведення.

Мова програмування квантових обчислень

Квантові алгоритми аналізують дані та пропонують моделювання на основі даних. Ці алгоритми написані мовою програмування, орієнтованою на квантування. Дослідники та технологічні компанії розробили кілька квантових мов.

Ось кілька мов програмування квантових обчислень:

• QISKit: The Набір програмного забезпечення Quantum Information від IBM — це повноцінна бібліотека для написання, моделювання та виконання квантових програм.
• Q#: мова програмування, що входить до складу Microsoft Набір квантової розробки. Набір для розробки включає квантовий симулятор і бібліотеки алгоритмів.
• Cirq: А квантова мова, розроблена Google який використовує бібліотеку Python для написання схем і запуску цих схем у квантових комп’ютерах і симуляторах.
• Лісовий: Середовище розробника, створене Rigetti Computing, яке пише і запускає квантові програми.

Використання для квантових обчислень

Справжні квантові комп’ютери стали доступними за останні кілька років, і лише кілька великих технологічних компаній мають квантовий комп’ютер. Деякі з цих технологічних компаній включають Google, IBM, Intel і Microsoft. Ці технологічні лідери співпрацюють з виробниками, компаніями з фінансових послуг та біотехнологічними фірмами для вирішення різноманітних проблем.

Доступність послуг квантових комп’ютерів і розвиток обчислювальної потужності дають дослідникам і вченим нові інструменти для пошуку рішень проблем, які раніше було неможливо вирішити. Квантові обчислення зменшили кількість часу та ресурсів, які потрібні для аналізу неймовірної кількості даних, створювати моделювання цих даних, розробляти рішення та створювати нові технології, які виправляють проблеми.

Бізнес і промисловість використовують квантові обчислення для вивчення нових способів ведення бізнесу. Ось кілька проектів квантових обчислень, які можуть принести користь бізнесу та суспільству:

• Аерокосмічна промисловість використовує квантові обчислення для дослідження кращих способів управління повітряним рухом.
• Фінансові та інвестиційні фірми сподіваються використовувати квантові обчислення для аналізу ризику та повернення фінансових інвестицій, оптимізації портфельних стратегій та вирішення фінансових змін.
• Виробники використовують квантові обчислення, щоб покращити свої ланцюги поставок, підвищити ефективність виробничих процесів і розробити нові продукти.
• Біотехнологічні фірми досліджують шляхи прискорення відкриття нових ліків.

Знайдіть квантовий комп'ютер і поекспериментуйте з квантовими обчисленнями

Деякі вчені розробляють методи моделювання квантових обчислень на настільному комп’ютері.

Багато найбільших світових технологічних компаній пропонують квантові послуги. У парі з настільними комп’ютерами та системами ці квантові послуги створюють середовище, де квантова обробка — за допомогою настільних комп’ютерів — вирішує складні проблеми.

• IBM пропонує Середовище IBM Q з доступом до кількох реальних квантових комп’ютерів і моделювання, які можна використовувати через хмару.
• Alibaba Cloud пропонує a хмарна платформа квантових обчислень де ви можете запускати та тестувати спеціально створені квантові коди.
• Microsoft пропонує а набір квантового розвитку який включає мову програмування Q#, квантові симулятори та бібліотеки розробки готового до використання коду.
• У Rigetti є перша квантова хмарна платформа, яка зараз знаходиться в бета-версії. Їхня платформа попередньо налаштована за допомогою пакета SDK Forest.

Новини квантових обчислень у майбутньому

Мрія полягає в тому, що квантові комп’ютери будуть вирішувати проблеми, які зараз занадто великі та занадто складні для вирішення за допомогою стандартного обладнання, зокрема для моделювання навколишнього середовища та стримування захворювань.

Настільні комп’ютери не мають місця для виконання цих складних обчислень і виконання такого неймовірного обсягу аналізу даних. Найбільше займають квантові обчислення великі дані збирає та обробляє цю інформацію за часткову частину часу, який потрібно було б на настільному комп’ютері. Дані, для обробки та аналізу яких на настільному комп’ютері знадобиться кілька років, для квантового комп’ютера потрібно всього кілька днів.

Квантові обчислення все ще знаходяться в зародковому стані, але вони мають потенціал для вирішення найскладніших світових проблем зі швидкістю світла. Наскільки далеко розростаться квантові обчислення і доступність квантових комп’ютерів, можна тільки здогадуватися.