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 задачу, на решение которой у настольного компьютера ушли бы годы или десятилетия.
Квантовые вычисления готовят почву 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 впервые была предложена в начале 1980-х годов 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 построили первые квантовые компьютеры.
Квантовые вычисления используют квантовую механику, такую как суперпозиция и запутанность, для выполнения вычислений. Квантовая механика - это раздел физики, изучающий очень маленькие, изолированные или холодные объекты.
Основной единицей обработки 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 смысле, что кубиты могут находиться в квантовом состоянии 1 или 0. Кубиты отличаются тем, что они также могут находиться в суперпозиции состояний 1 и 0, а это означает, что кубиты могут одновременно представлять и 1, и 0.
Когда кубиты находятся в суперпозиции, два квантовых состояния складываются вместе и приводят к другому квантовому состоянию. Суперпозиция означает, что несколько вычислений обрабатываются одновременно. Таким образом, два кубита могут одновременно представлять четыре числа. Обычные компьютеры обрабатывают биты только в одном из двух возможных состояний, 1 или 0, и вычисления выполняются по одному.
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. Чтобы поддерживать кубит в течение любого промежутка времени, требуется замороженная среда. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены до абсолютного нуля (около минус 272 градусов по Цельсию). Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить количество ошибок в вычислениях.
Квантовый компьютер внутри выглядит как причудливая золотая люстра. И да, он сделан из настоящего золота. Это холодильник растворения, 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 сверхпроводящую проволоку, вращая электроны и захватывая ионы или импульсы фотонов. Эти кубиты существуют только при отрицательных температурах, создаваемых в холодильнике растворения.
Язык программирования для квантовых вычислений
Квантовые алгоритмы анализируют данные и предлагают моделирование на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Несколько квантовых языков были разработаны исследователями и технологическими компаниями.
Вот несколько языков программирования для квантовых вычислений:
- QISKit: Quantum Information Software Kit от IBM - это полнофункциональная библиотека для написания, моделирования и запуска квантовых программ.
- Q: язык программирования, входящий в комплект Microsoft Quantum Development Kit. Комплект разработчика включает в себя квантовый симулятор и библиотеки алгоритмов.
- Cirq: квантовый язык, разработанный Google, который использует библиотеку python для написания схем и запуска этих схем в квантовых компьютерах и симуляторах.
- Forest: среда разработки, созданная Rigetti Computing, которая пишет и запускает квантовые программы.
Использование квантовых вычислений
Настоящие квантовые компьютеры стали доступны в последние несколько лет, и только несколько крупных технологических компаний имеют квантовый компьютер. Некоторые из этих технологических компаний включают Google, IBM, Intel и Microsoft. Эти технологические лидеры работают с производителями, фирмами, предоставляющими финансовые услуги, и биотехнологическими фирмами для решения множества проблем.
Доступность услуг квантовых компьютеров и развитие вычислительной мощности дает исследователям и ученым новые инструменты для поиска решений проблем, которые раньше было невозможно решить. Квантовые вычисления сократили количество времени и ресурсов, необходимых для анализа невероятных объемов данных, моделирования этих данных, разработки решений и создания новых технологий, решающих 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:
- Аэрокосмическая промышленность использует квантовые вычисления для поиска лучших способов управления воздушным движением.
- Финансовые и инвестиционные компании надеются использовать квантовые вычисления для анализа рисков и доходности финансовых вложений, оптимизации портфельных стратегий и урегулирования финансовых переходов.
- Производители внедряют квантовые вычисления для улучшения своих цепочек поставок, повышения эффективности производственных процессов и разработки новых продуктов.
- Биотехнологические фирмы изучают способы ускорить открытие новых лекарств.
Найти квантовый компьютер и поэкспериментировать с квантовыми вычислениями
Некоторые ученые-компьютерщики разрабатывают методы моделирования квантовых вычислений на настольном компьютере.
Многие крупнейшие мировые технологические компании предлагают квантовые услуги. В сочетании с настольными компьютерами и системами эти квантовые сервисы создают среду, в которой квантовая обработка - с настольными компьютерами - решает сложные проблемы.
- IBM предлагает среду IBM Q с доступом к нескольким реальным квантовым компьютерам и симуляциям, которые вы можете использовать через облако.
- Alibaba Cloud предлагает облачную платформу для квантовых вычислений, на которой вы можете запускать и тестировать специально созданные квантовые коды.
- Microsoft предлагает комплект для разработки квантов, который включает в себя язык программирования Q, квантовые симуляторы и библиотеки для разработки готового к использованию кода.
- Rigetti имеет первую облачную платформу, которая в настоящее время находится в стадии бета-тестирования. Их платформа предварительно сконфигурирована с их Forest SDK.
Новости квантовых вычислений в будущем
Мечта состоит в том, что квантовые компьютеры будут решать проблемы, которые в настоящее время слишком велики и сложны для решения на стандартном оборудовании, особенно для моделирования окружающей среды и сдерживания болезней.
Настольные компьютеры не имеют места для выполнения этих сложных вычислений и выполнения такого невероятного объема анализа данных. Квантовые вычисления берут самые большие коллекции больших данных и обрабатывают эту информацию за долю времени, которое потребовалось бы на настольном компьютере. Данные, на обработку и анализ которых у настольного компьютера ушло бы несколько лет, у квантового компьютера уходят всего за несколько дней.
Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но у них есть потенциал для решения самых сложных мировых проблем со скоростью света. Можно только догадываться, как далеко зайдут квантовые вычисления и насколько будут доступны квантовые компьютеры.
