Квантовото изчисление използва квантовата механика за обработка на огромни количества информация с невероятно висока скорост. Отнема няколко минути до няколко часа на квантовия компютър, за да реши проблем, който настолен компютър ще отнеме години или десетилетия.
Квантовите изчисления подготвят сцената за ново поколение суперкомпютри. Очаква се тези квантови компютри да надминат съществуващите технологии в области като моделиране, логистика, анализ на тенденции, криптография и изкуствен интелект.
Обяснение на квантовите изчисления
Идеята за квантово изчисление е представена за първи път в началото на 80-те години от Ричард Файнман и Юрий Манин. Фейнман и Манин вярваха, че квантовият компютър може да симулира данни по начини, по които настолен компютър не може. Едва в края на 90-те години изследователите създават първите квантови компютри.
Квантовото изчисление използва квантова механика, като суперпозиция и заплитане, за извършване на изчисления. Квантовата механика е клон на физиката, който изучава неща, които са изключително малки, изолирани или студени.
Основната единица за обработка на квантовите изчисления са квантовите битове или кубити. Кубитите се създават в квантовия компютър с помощта на квантово-механичните свойства на единични атоми, субатомни частици или свръхпроводящи електрически вериги.
Кюбитите са подобни на битовете, използвани от настолните компютри, тъй като кубитите могат да бъдат в квантово състояние 1 или 0. Кубитите се различават по това, че могат да бъдат и в суперпозиция на състоянията 1 и 0, което означава, че кубитите могат да представляват едновременно 1 и 0.
Когато кубитите са в суперпозиция, две квантови състояния се добавят заедно и водят до друго квантово състояние. Суперпозицията означава, че множество изчисления се обработват едновременно. И така, два кубита могат да представляват четири числа едновременно. Обикновените компютри обработват битове само в едно от двете възможни състояния, 1 или 0, и изчисленията се обработват едно по едно.
Квантовите компютри също използват заплитане за обработка на кубити. Когато един кубит е заплетен, състоянието на този кубит зависи от състоянието на друг кубит, така че един кубит разкрива състоянието на неговата ненаблюдавана двойка.
Квантовият процесор е ядрото на компютъра
Създаването на кубити е трудна задача. Необходима е замразена среда, за да се поддържа кубит за произволен период от време. Свръхпроводящите материали, необходими за създаването на кубит, трябва да бъдат охладени до абсолютна нула (около минус 272 по Целзий). Кубитите също трябва да бъдат защитени от фонов шум, за да се намалят грешките в изчислението.
Вътрешността на квантов компютър изглежда като луксозен златен полилей. И да, направено е от истинско злато. Това е хладилник за разреждане, който охлажда квантовите чипове, така че компютърът да може да създава суперпозиции и да заплита кубити, без да губи никаква информация.
Квантовият компютър прави тези кубити от всеки материал, който показва квантово-механични свойства, които могат да бъдат контролирани. Проектите за квантови изчисления създават кубити по различни начини, като завъртане на свръхпроводяща жица, въртене на електрони и улавяне на йони или импулси от фотони. Тези кубити съществуват само при температури под нулата, създадени в хладилника за разреждане.
Езикът за програмиране на квантовите изчисления
Квантовите алгоритми анализират данните и предлагат симулации въз основа на данните. Тези алгоритми са написани на квантов фокусиран език за програмиране. Няколко квантови езика са разработени от изследователи и технологични компании.
Това са някои от езиците за програмиране на квантовите изчисления:
- QISKit: Софтуерният комплект Quantum Information от IBM е библиотека с пълен стек за писане, симулиране и изпълнение на квантови програми.
- Q: Езикът за програмиране, включен в Microsoft Quantum Development Kit. Комплектът за разработка включва квантов симулатор и библиотеки с алгоритми.
- Cirq: Квантов език, разработен от Google, който използва библиотека на Python за писане на схеми и изпълнение на тези схеми в квантови компютри и симулатори.
- Forest: среда за разработчици, създадена от Rigetti Computing, която пише и изпълнява квантови програми.
Използване за квантово изчисление
Истинските квантови компютри станаха достъпни през последните няколко години и само няколко големи технологични компании имат квантов компютър. Някои от тези технологични компании включват Google, IBM, Intel и Microsoft. Тези технологични лидери работят с производители, фирми за финансови услуги и биотехнологични фирми за решаване на различни проблеми.
Наличието на квантови компютърни услуги и напредъкът в изчислителната мощ дава на изследователите и учените нови инструменти за намиране на решения на проблеми, които преди бяха невъзможни за разрешаване. Квантовите изчисления намалиха времето и ресурсите, необходими за анализиране на невероятни количества данни, създаване на симулации за тези данни, разработване на решения и създаване на нови технологии, които решават проблеми.
Бизнесът и индустрията използват квантово изчисление, за да изследват нови начини за правене на бизнес. Ето някои от проектите за квантово изчисление, които могат да бъдат от полза за бизнеса и обществото:
- Аерокосмическата индустрия използва квантово изчисление, за да изследва по-добри начини за управление на въздушния трафик.
- Финансови и инвестиционни фирми се надяват да използват квантово изчисление, за да анализират риска и възвръщаемостта на финансовите инвестиции, да оптимизират портфейлните стратегии и да уреждат финансови преходи.
- Производителите възприемат квантовите изчисления, за да подобрят своите вериги за доставки, да създадат ефективност в производствените си процеси и да разработят нови продукти.
- Биотехнологичните фирми проучват начини да ускорят откриването на нови лекарства.
Намерете квантов компютър и експериментирайте с квантовото изчисление
Някои компютърни учени разработват методи за симулиране на квантово изчисление на настолен компютър.
Много от най-големите технологични компании в света предлагат квантови услуги. Когато са сдвоени с настолни компютри и системи, тези квантови услуги създават среда, в която квантовата обработка - с настолни компютри - решава сложни проблеми.
- IBM предлага IBM Q среда с достъп до няколко реални квантови компютъра и симулации, които можете да използвате чрез облака.
- Alibaba Cloud предлага облачна платформа за квантови изчисления, където можете да изпълнявате и тествате персонализирани квантови кодове.
- Microsoft предлага квантов комплект за разработка, който включва езика за програмиране Q, квантови симулатори и библиотеки за разработка с готов за използване код.
- Rigetti има първа квантова облачна платформа, която в момента е в бета версия. Тяхната платформа е предварително конфигурирана с техния Forest SDK.
Новини за квантовите изчисления в бъдещето
Мечтата е, че квантовите компютри ще решат проблеми, които в момента са твърде големи и твърде сложни за решаване със стандартен хардуер - особено за моделиране на околната среда и ограничаване на болести.
Настолните компютри нямат място за извършване на тези сложни изчисления и извършване на това невероятно количество анализ на данни. Квантовото изчисление взема най-големите колекции от големи данни и обработва тази информация за част от времето, което би отнело на настолен компютър. Данните, чието обработване и анализиране ще отнеме няколко години на настолен компютър, отнема само няколко дни за квантовия компютър.
Квантовите изчисления все още са в начален стадий, но имат потенциала да решават най-сложните световни проблеми със скоростта на светлината. Докъде ще се разраснат квантовите компютри и наличието на квантови компютри, може да се гадае.
