Що таке квантові обчислення?

Квантові обчислення використовують квантову механіку для обробки величезних обсягів інформації з неймовірно високою швидкістю. Квантовому комп’ютеру потрібно кілька хвилин до декількох годин, щоб вирішити проблему, на вирішення якої настільному комп’ютеру знадобляться роки чи десятиліття. Квантові обчислення створюють 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

Вперше ідею квантових обчислень уявили на початку 1980-х Річард Фейнман та Юрій Манін. Фейнман і Манін вважали, що квантовий комп’ютер може імітувати дані так, як не може настільний комп’ютер. Лише наприкінці 90-х років дослідники створили перші квантові комп’ютери. Квантові обчислення використовують квантову механіку, таку як суперпозиція та переплутування, для виконання обчислень. Квантова механіка – це розділ фізики, який вивчає надзвичайно малі, ізольовані або холодні речі. Основною одиницею обробки квантових обчислень є квантові біти або кубіти. Кубіти створюються в квантовому комп’ютері з використанням квантово-механічних властивостей одиночних атомів, субатомних частинок або надпровідних електричних ланцюгів. Кубіти подібні до бітів, що використовуються настільними комп’ютерами, оскільки кубіти можуть знаходитися в квантовому стані 1 або 0. Кубіти відрізняються тим, що вони також можуть знаходитись у суперпозиції станів 1 і 0, тобто кубіти можуть представляти як 1, так і 0 одночасно. Коли кубіти знаходяться в суперпозиції, два квантові стани складаються разом і в результаті виникає 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, а обчислення обробляються по одному.

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

Квантовий процесор – це ядро ​​комп’ютера

Створення кубітів – складне завдання. Щоб підтримувати кубіт протягом будь-якого періоду часу, потрібне заморожене середовище. Надпровідні матеріали, необхідні для створення кубіта, повинні охолоджуватися до абсолютного нуля (близько мінус 272 Цельсія). Кубіти також повинні бути захищені від фонових шумів, щоб зменшити помилки в обчисленні. Всередині квантового комп’ютера виглядає вигадлива золота люстра. І так, це зроблено із справжнього золота. Це холодильник для розведення, який охолоджує квантові чіпи, щоб комп’ютер міг створювати суперпозиції та переплутувати кубіти, не втрачаючи жодної інформації.

Квантовий комп’ютер виготовляє ці кубіти з будь-якого матеріалу, який проявляє квантово-механічні властивості, якими можна керувати. Проекти квантових обчислень створюють кубіти різними способами, наприклад, петлею надпровідного дроту, обертанням електронів та захопленням іонів або імпульсів фотонів. Ці кубіти існують лише при температурах замерзання, створених у холодильнику для розведення.

Мова програмування квантових обчислень

Квантові алгоритми аналізують дані та пропонують моделювання на основі даних. Ці алгоритми написані квантово орієнтованою мовою програмування. Декілька квантових мов були розроблені дослідниками та технологічними компаніями. Ось декілька мов програмування квантових обчислень:

• QISKit: Quantum Information Software Kit від IBM – це повнотекстова бібліотека для написання, моделювання та запуску квантових програм.
• Q #: Мова програмування, що входить до комплекту розробки Microsoft Quantum. Комплект розробки включає квантовий симулятор та бібліотеки алгоритмів.
• Cirq: Квантова мова, розроблена Google, яка використовує бібліотеку python для написання схем та запуску цих схем у квантових комп’ютерах та симуляторах.
• Ліс: Середовище розробника, створене компанією Rigetti Computing, яке пише та 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 та Microsoft. Ці технологічні лідери працюють з виробниками, фірмами фінансових послуг та біотехнологічними фірмами для вирішення різноманітних проблем.

Наявність послуг квантових комп’ютерів та розвиток обчислювальних потужностей дає дослідникам і вченим нові інструменти для пошуку рішень проблем, які раніше було неможливо вирішити. Квантові обчислення скоротили кількість часу та ресурсів, необхідних для аналізу неймовірних обсягів даних, створення імітацій щодо цих даних, розробки рішень та створення нових технологій, що вирішують проблеми. Бізнес та промисловість використовують квантові обчислення для вивчення нових способів ведення бізнесу. Ось декілька 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 прибутковості фінансових інвестицій, оптимізації портфельних стратегій та врегулювання фінансових переходів.
• Виробники застосовують квантові обчислення для вдосконалення своїх ланцюгів поставок, підвищення ефективності виробничих процесів та розробки нових продуктів.
• Біотехнологічні фірми вивчають шляхи прискорення відкриття нових препаратів.

Знайдіть квантовий комп’ютер та експериментуйте з квантовими обчисленнями

Деякі інформатики розробляють методи імітації квантових обчислень на настільному комп’ютері. Багато найбільших світових технологічних компаній пропонують квантові послуги. У парі з настільними комп’ютерами та системами ці квантові служби створюють середовище, де квантова обробка – із настільними комп’ютерами – вирішує складні проблеми.

• IBM пропонує середовище IBM Q із доступом до кількох реальних квантових комп’ютерів та моделювань, якими ви можете користуватися через хмару.
• Alibaba Cloud пропонує хмарну платформу для квантових обчислень, де ви можете запускати та тестувати спеціально створені квантові коди.
• Корпорація Майкрософт пропонує комплект квантової розробки, що включає мову програмування Q #, квантові симулятори та бібліотеки розробки готового до використання коду.
• Рігетті має першу квантову хмарну платформу, яка зараз знаходиться в бета-версії. Їх платформа попередньо налаштована за допомогою Forest SDK.

Новини квантових обчислень у майбутньому

Мрія полягає в тому, щоб квантові комп’ютери вирішували проблеми, які в даний час занадто великі і занадто складні, щоб вирішувати їх за допомогою стандартного обладнання – особливо для екологічного моделювання та стримування хвороб. На настільних комп’ютерах немає місця для виконання цих складних обчислень та проведення такого неймовірного обсягу аналізу даних. Квантові обчислення займають найбільші колекції великих даних і обробляють цю інформацію за частку часу, який знадобиться на настільному комп’ютері. Дані, для обробки та аналізу яких настільному комп’ютеру знадобиться кілька років, для квантового комп’ютера потрібно всього кілька днів. Квантові обчислення все ще перебувають у зародковому стані, але вони мають потенціал для вирішення найскладніших світових проблем зі швидкістю світла. Будь-хто здогадується про те, наскільки будуть рости квантові обчислення, і про наявність квантових комп’ютерів.