Przetwarzanie kwantowe wykorzystuje mechanikę kwantową do przetwarzania ogromnych ilości informacji z niewiarygodnie dużą szybkością. Rozwiązanie problemu, którego rozwiązanie zajęłoby komputerowi stacjonarnemu lata lub dekady, zajmuje komputerowi kwantowemu od kilku minut do kilku godzin.
Przetwarzanie kwantowe przygotowuje grunt pod nową generację superkomputerów. Oczekuje się, że te komputery kwantowe przewyższają istniejącą technologię w takich obszarach, jak modelowanie, logistyka, analiza trendów, kryptografia i sztuczna inteligencja.
Objaśnienie obliczeń kwantowych
Pomysł obliczeń kwantowych został po raz pierwszy wymyślony na początku lat 80. przez Richarda Feynmana i Yuri Manina. Feynman i Manin wierzyli, że komputer kwantowy może symulować dane w sposób, w jaki nie byłby w stanie komputer stacjonarny. Dopiero pod koniec lat 90. naukowcy zbudowali pierwsze komputery kwantowe.
Obliczenia kwantowe wykorzystują mechanikę kwantową, taką jak superpozycja i splątanie, do wykonywania obliczeń. Mechanika kwantowa to dziedzina fizyki, która bada rzeczy, które są niezwykle małe, izolowane lub zimne.
Podstawową jednostką przetwarzania obliczeń kwantowych są bity kwantowe lub kubity. Kubity są tworzone w komputerze kwantowym przy użyciu kwantowych właściwości mechanicznych pojedynczych atomów, cząstek subatomowych lub nadprzewodzących obwodów elektrycznych.
Kubity są podobne do bitów używanych przez komputery stacjonarne, ponieważ kubity mogą mieć stan kwantowy 1 lub 0. Kubity różnią się tym, że mogą również znajdować się w superpozycji stanów 1 i 0, co oznacza, że kubity mogą jednocześnie reprezentować zarówno 1, jak i 0.
Gdy kubity są w superpozycji, dwa stany kwantowe są sumowane i dają w wyniku kolejny stan kwantowy. Superpozycja oznacza, że wiele obliczeń jest przetwarzanych jednocześnie. Tak więc dwa kubity mogą jednocześnie reprezentować cztery liczby. Zwykłe komputery przetwarzają bity tylko w jednym z dwóch możliwych stanów, 1 lub 0, a obliczenia są przetwarzane pojedynczo.
Komputery kwantowe wykorzystują również splątanie do przetwarzania kubitów. Gdy kubit jest splątany, stan tego kubitu zależy od stanu innego kubitu, więc jeden kubit ujawnia stan swojej nieobserwowanej pary.
Procesor kwantowy to rdzeń komputera
Tworzenie kubitów to trudne zadanie. Utrzymanie kubitu przez dowolny czas wymaga zamrożonego środowiska. Materiały nadprzewodzące potrzebne do stworzenia kubitu muszą być schłodzone do zera absolutnego (około minus 272 stopni Celsjusza). Kubity muszą być również osłonięte przed szumem tła, aby zmniejszyć błędy w obliczeniach.
Wnętrze komputera kwantowego wygląda jak fantazyjny złoty żyrandol. I tak, jest wykonany z prawdziwego złota. Jest to lodówka do rozcieńczania, która chłodzi chipy kwantowe, dzięki czemu komputer może tworzyć superpozycje i plątać kubity bez utraty jakichkolwiek informacji.
Komputer kwantowy tworzy te kubity z dowolnego materiału, który wykazuje właściwości mechaniki kwantowej, które można kontrolować. Projekty obliczeń kwantowych tworzą kubity na różne sposoby, takie jak zapętlanie drutu nadprzewodzącego, wirowanie elektronów i wychwytywanie jonów lub impulsów fotonów. Te kubity istnieją tylko w temperaturach poniżej zera wytworzonych w lodówce do rozcieńczania.
Język programowania obliczeń kwantowych
Algorytmy kwantowe analizują dane i oferują symulacje na podstawie danych. Algorytmy te są napisane w języku programowania kwantowym. Naukowcy i firmy technologiczne opracowali kilka języków kwantowych.
Oto kilka języków programowania obliczeń kwantowych:
- QISKit: Quantum Information Software Kit firmy IBM to pełna biblioteka do pisania, symulacji i uruchamiania programów kwantowych.
- Q: Język programowania zawarty w zestawie Microsoft Quantum Development Kit. Zestaw rozwojowy zawiera symulator kwantowy i biblioteki algorytmów.
- Cirq: język kwantowy opracowany przez Google, który wykorzystuje bibliotekę Pythona do pisania obwodów i uruchamiania tych obwodów w komputerach kwantowych i symulatorach.
- Forest: Środowisko programistyczne stworzone przez Rigetti Computing, które pisze i uruchamia programy kwantowe.
Zastosowania w obliczeniach kwantowych
Prawdziwe komputery kwantowe stały się dostępne w ciągu ostatnich kilku lat, a tylko kilka dużych firm technologicznych ma komputer kwantowy. Niektóre z tych firm technologicznych to Google, IBM, Intel i Microsoft. Ci liderzy technologii współpracują z producentami, firmami świadczącymi usługi finansowe i firmami biotechnologicznymi, aby rozwiązywać różne problemy.
Dostępność usług komputerów kwantowych i postęp w zakresie mocy obliczeniowej dają badaczom i naukowcom nowe narzędzia do znajdowania rozwiązań problemów, które wcześniej były niemożliwe do rozwiązania. Obliczenia kwantowe zmniejszyły ilość czasu i zasobów potrzebnych do analizowania niewiarygodnych ilości danych, tworzenia symulacji dotyczących tych danych, opracowywania rozwiązań i tworzenia nowych technologii, które rozwiązują problemy.
Biznes i przemysł wykorzystują obliczenia kwantowe do odkrywania nowych sposobów prowadzenia działalności. Oto kilka projektów obliczeń kwantowych, które mogą przynieść korzyści biznesowi i społeczeństwu:
- Przemysł lotniczy wykorzystuje obliczenia kwantowe do badania lepszych sposobów zarządzania ruchem lotniczym.
- Firmy finansowe i inwestycyjne mają nadzieję wykorzystać obliczenia kwantowe do analizy ryzyka i zwrotu z inwestycji finansowych, optymalizacji strategii portfelowych i rozliczania przejść finansowych.
- Producenci stosują obliczenia kwantowe, aby ulepszać swoje łańcuchy dostaw, zwiększać wydajność procesów produkcyjnych i opracowywać nowe produkty.
- Firmy biotechnologiczne badają sposoby przyspieszenia odkrywania nowych leków.
Znajdź komputer kwantowy i eksperymentuj z obliczeniami kwantowymi
Niektórzy informatycy opracowują metody symulacji obliczeń kwantowych na komputerze stacjonarnym.
Wiele największych światowych firm technologicznych oferuje usługi kwantowe. W połączeniu z komputerami stacjonarnymi i systemami te usługi kwantowe tworzą środowisko, w którym przetwarzanie kwantowe - z komputerami stacjonarnymi - rozwiązuje złożone problemy.
- IBM oferuje środowisko IBM Q z dostępem do kilku prawdziwych komputerów kwantowych i symulacji, których można używać w chmurze.
- Alibaba Cloud oferuje platformę chmury obliczeniowej kwantowej, na której można uruchamiać i testować niestandardowe kody kwantowe.
- Microsoft oferuje zestaw do programowania kwantowego, który zawiera język programowania Q, symulatory kwantowe i biblioteki programistyczne z gotowym do użycia kodem.
- Rigetti ma pierwszą kwantową platformę chmurową, która jest obecnie w fazie beta. Ich platforma jest wstępnie skonfigurowana za pomocą pakietu Forest SDK.
Nowości w zakresie obliczeń kwantowych w przyszłości
Marzeniem jest, aby komputery kwantowe rozwiązywały problemy, które obecnie są zbyt duże i zbyt złożone, aby można je było rozwiązać za pomocą standardowego sprzętu, szczególnie w przypadku modelowania środowiskowego i powstrzymywania chorób.
Komputery stacjonarne nie mają miejsca, aby wykonywać te złożone obliczenia i przeprowadzać tak niesamowitą ilość analiz danych. Obliczenia kwantowe zajmują największe zbiory dużych zbiorów danych i przetwarzają te informacje w ułamku czasu, jaki zajęłoby to na komputerze stacjonarnym. Dane, których przetworzenie i analiza zajęłoby komputerowi stacjonarnemu kilka lat, w przypadku komputera kwantowego zajmuje zaledwie kilka dni.
Przetwarzanie kwantowe jest wciąż w powijakach, ale może rozwiązywać najbardziej złożone problemy świata z prędkością światła. Nikt nie zgadnie, jak daleko rozwiną się obliczenia kwantowe i jaka będzie ich dostępność.
