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 проблему, на решение которой транзисторному настольному компьютеру потребуются годы или десятилетия.
Квантовые вычисления создают основу для нового поколения суперкомпьютеров. Ожидается, что эти квантовые компьютеры превзойдут существующие технологии в таких областях, как моделирование, логистика, анализ тенденций, криптография и искусственный интеллект.
Квантовые вычисления: что это такое
Идея квантовых вычислений была впервые предложена в начале 1980-х годов Ричардом Фейнманом и Юрием Маниным. Фейнман и Манин считали, что квантовый компьютер может моделировать данные способами, которые недоступны ламповым и транзисторным компьютерам. Лишь в конце 1990-х годов исследователи создали первые подобия квантовых компьютеров.
Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики, такие как суперпозиция и запутывание, для выполнения вычислений. Квантовая механика – это раздел физики, который изучает законы взаимодействия на уровень мельчайших частиц энергии.
Основной блок обработки квантовых вычислений – это квантовые биты или кубиты. Кубиты образуются в квантовом компьютере с использованием квантово-механических свойств отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей.
Кубиты похожи на биты, используемые в стандартном компьютере, тем, что кубиты могут находиться в квантовом состоянии 1 или 0. Но, кубиты отличаются тем, что они также могут находиться в суперпозиции состояния 1 и 0, то есть кубиты могут представлять как 1, так и 0 одновременно.
Когда кубиты находятся в суперпозиции, два квантовых состояния складываются вместе и приводят к другому квантовому состоянию. Суперпозиция означает, что несколько вычислений обрабатывается одновременно. Таким образом, два кубита могут представлять четыре числа одновременно. Обычные компьютеры обрабатывают биты только в одном из двух возможных состояний – 1 или 0, а вычисления обрабатываются по очереди.
Квантовые компьютеры также используют эффект запутывания для обработки кубитов. Когда кубит запутан, это означает, что состояние одного кубита влияет на состояние другого кубита, независимо от расстояния.
Квантовый процессор – это ядро компьютера
Создание кубитов – сложная задача. Требуется низкотемпературная среда для поддержания стабильного состояния кубита в течение любого отрезка времени. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены почти до абсолютного нуля (около минус 272 по Цельсию). Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях.
Внутренности квантового компьютера выглядят как роскошная золотая люстра. И да, многие комплектующие сделаны из настоящего золота. Это дорогущий холодильник, который используется для охлаждения квантовых чипов, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты, не теряя при этом никакой информации.
Квантовый компьютер создаёт эти кубиты из любого материала, который обладает квантово-механическими свойствами, доступными для управления. Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего проводника, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов. Эти кубиты существуют только при температурах близких к абсолютному нулю, создаваемых в холодильной установке.
Язык программирования квантовых вычислений
Квантовые алгоритмы предоставляют возможность анализировать данные и создавать модели на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Исследователи и технологические компании разработали несколько квантовых языков.
Вот некоторые из языков программирования квантовых вычислений:
- QISKit: Quantum Information Software Kit от IBM – это библиотека полного стека для написания, моделирования и запуска квантовых программ.
- Q#: язык программирования, включенный в 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 используется для написания и запуска квантовых программ.
Использование квантовых вычислений
Настоящие квантовые компьютеры стали доступны только 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, оказывающими финансовые услуги, и биотехнологическими компаниями, чтобы решить множество проблем.
Доступность квантовых компьютерных услуг и прогресс в области вычислительной мощности дают 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, которые решают проблемы.
Бизнес и промышленность используют квантовые вычисления для изучения новых способов ведения бизнеса.
Вот несколько проектов в области квантовых вычислений, которые могут принести пользу бизнесу и обществу:
- Аэрокосмическая отрасль использует квантовые вычисления для поиска лучшего способа управления воздушным движением.
- Финансовые и инвестиционные фирмы надеются использовать квантовые вычисления для анализа риска и доходности финансовых вложений, оптимизации портфельных стратегий и урегулирования финансовых переходов.
- Производители применяют квантовые вычисления для улучшения своих цепочек поставок, повышения эффективности своих производственных процессов и разработки новых продуктов.
- Биотехнологические компании изучают способы ускорения открытия новых лекарств.
Открытые эксперименты с квантовыми вычислениями
Значит ли это, что скоро у вас будет квантовый компьютер? Некоторые ученые изучают возможность моделирования квантовых вычислений на настольном компьютере.
Пока вы ждете свой квантовый компьютер, есть несколько возможностей поэкспериментировать с квантовыми устройствами и симуляторами. Многие крупнейшие мировые технологические компании предлагают квантовые услуги. Эти квантовые сервисы в сочетании с настольными компьютерами и системами создают среду, в которой квантовая обработка используется наряду с настольными компьютерами для решения сложных задач.
- 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, где вы можете запускать и тестировать пользовательские квантовые коды.
- Microsoft предлагает набор для квантовой разработки, который включает язык программирования Q#, квантовые симуляторы и библиотеки разработки готового к использованию кода.
- Rigetti имеет квантовую облачную платформу, которая в настоящее время находится в бета-версии.
Будущее квантовых вычислений
Мечта состоит в том, чтобы квантовые компьютеры дали нам возможность решать проблемы, которые ранее считались слишком ресурсоемкими и слишком сложными для решения. Мы надеемся, что эта технология поможет нам понять окружающую среду и найти лекарства от неизлечимых болезней.
Транзисторные компьютеры слишком медленны для таких сложных вычислений и выполнения такого невероятного объема анализа данных. Квантовые вычисления справляются (по крайней мере, теоретические) с гигантскими объёмами данных и обрабатывают их за долю времени настольного компьютера. Для обработки и анализа данных, на которые настольному компьютеру потребуется несколько лет, квантовому компьютеру нужно несколько дней.
Квантовые вычисления всё ещё находятся в зачаточном состоянии, но они способны решать самые сложные мировые проблемы со скоростью света. Никто не может точно сказать, насколько далеко вырастут квантовые вычисления и насколько будут доступны квантовые компьютеры. Существуют даже мнения, что квантовые вычисления так и останутся лабораторными проектами и не смогут выйти на промышленный уровень. Всё рассудит время!
А что Вы думаете о будущем квантовых вычислений? Расскажите в комментариях!
