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, которую 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 объяснили
Идея квантовых вычислений была впервые предложена в начале 1980-х годов Ричардом Фейнманом и Юрием Маниным. Фейнман и Манин считали, что квантовый компьютер может симулировать данные способами, которые не может настольный компьютер. Лишь в конце 1990-х годов исследователи создали первые квантовые компьютеры.
Квантовые вычисления используют квантовую механику, такую как суперпозиция и запутывание для выполнения вычислений. Квантовая механика — это раздел физики, который изучает вещи, которые чрезвычайно малы, изолированы или холодны.
Основной блок обработки квантовых вычислений — это 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, что кубиты могут находиться в квантовом состоянии 1 или 0. Кубиты отличаются тем, что они также могут находиться в суперпозиции состояний 1 и 0, что означает, что 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 обрабатываются одновременно. Итак, 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 одному.
Квантовые компьютеры также используют запутывание для обработки кубитов. Когда кубит запутан, это означает, что состояние этого кубита зависит от состояния другого кубита, так что один кубит показывает состояние его ненаблюдаемой пары.
Квантовый процессор — это ядро компьютера
Создание кубитов — сложная задача. Требуется замороженная среда для поддержания кубита в течение любого отрезка времени. Сверхпроводящие материалы, необходимые для создания кубита, должны быть охлаждены до абсолютного нуля (около минус 272 по Цельсию). Кубиты также должны быть защищены от фонового шума, чтобы уменьшить ошибки в вычислениях.
Внутри квантовый компьютер выглядит как роскошная золотая люстра. И да, это сделано из настоящего золота. Это холодильник для разбавления, который используется для охлаждения квантовых чипов, чтобы компьютер мог создавать суперпозиции и запутывать кубиты, не теряя при этом никакой информации.
Квантовый компьютер делает эти кубиты из любого материала, который обладает квантово-механическими свойствами, которыми можно управлять. Проекты квантовых вычислений создают кубиты различными способами, такими как зацикливание сверхпроводящего провода, вращение электронов и захват ионов или импульсов фотонов. Эти кубиты существуют только при температурах ниже нуля, создаваемых в холодильнике для разбавления.
Язык программирования квантовых вычислений
Квантовые алгоритмы обеспечивают возможность анализа данных и предлагают моделирование на основе данных. Эти алгоритмы написаны на квантово-ориентированном языке программирования. Несколько квантовых языков были разработаны исследователями и технологическими компаниями.
Вот некоторые из языков программирования квантовых вычислений:
- QISKit : Quantum Information Software Kit от IBM — это библиотека полного стека, предназначенная 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 используется для написания и запуска квантовых программ.
Использует для 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 фирмами, 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 исследования лучшего способа управления воздушным движением.
- Финансовые и инвестиционные фирмы надеются использовать квантовые вычисления для анализа риска и доходности финансовых инвестиций, 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.
Найдите квантовый компьютер и экспериментируйте 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 кода.
- Rigetti имеет квантово-первую облачную платформу, которая в настоящее время находится в бета-версии. Их платформа предварительно настроена с их Forest SDK.
Новости квантовых вычислений в будущем
Мечта состоит в том, чтобы квантовые компьютеры давали нам возможность решать проблемы, которые ранее считались слишком большими и слишком сложными для решения. Мы надеемся, что эта технология поможет нам понять окружающую среду и найти лекарства от неизлечимых болезней.
На настольных компьютерах нет места для выполнения сложных вычислений такого типа и выполнения такого невероятного объема анализа данных. Квантовые вычисления занимают самые большие из гигантских сборов больших данных и обрабатывают их за долю времени настольного компьютера. Для обработки и анализа данных, которые потребуются настольному компьютеру несколько лет, требуется всего несколько дней для квантового компьютера.
Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но они способны решать самые сложные мировые проблемы со скоростью света. Никто не может догадаться, насколько далеко вырастут квантовые вычисления, а также доступность квантовых компьютеров.