Что такое квантовый компьютер

Обновлено: 02.07.2024

Квантовые компьютеры выполняют расчеты на основе вероятности состояния объекта до его измерения, а не просто 1 или 0, что означает, что они могут обрабатывать экспоненциально больше данных по сравнению с классическими компьютерами.

Классические компьютеры выполняют логические операции, используя определенную позицию физического состояния. Обычно они бинарные, то есть его операции основаны на одной из двух позиций. Одно состояние — например, включено или выключено, вверх или вниз, 1 или 0 — называется битом.

В квантовых вычислениях операции вместо этого используют квантовое состояние объекта для создания так называемого кубита. Эти состояния представляют собой неопределенные свойства объекта до того, как они были обнаружены, например вращение электрона или поляризация фотона.

Вместо того, чтобы иметь четкую позицию, неизмеренные квантовые состояния возникают в смешанной «суперпозиции», мало чем отличающейся от монеты, вращающейся в воздухе, прежде чем она приземлится в вашей руке.

Эти суперпозиции могут быть переплетены с суперпозициями других объектов, что означает, что их конечные результаты будут математически связаны, даже если мы еще не знаем, что они из себя представляют.

Сложная математика, стоящая за этими неурегулированными состояниями запутанных «вращающихся монет», может быть включена в специальные алгоритмы, чтобы быстро решить проблемы, на решение которых у классического компьютера ушло бы много времени. если бы они вообще могли их вычислить.

Такие алгоритмы могут быть полезны при решении сложных математических задач, создании трудновзламываемых кодов безопасности или прогнозировании взаимодействия нескольких частиц в химических реакциях.

Типы квантовых компьютеров

Для создания функционального квантового компьютера необходимо удерживать объект в состоянии суперпозиции достаточно долго, чтобы с ним можно было выполнять различные процессы.

К сожалению, когда суперпозиция встречается с материалами, которые являются частью измеряемой системы, она теряет свое промежуточное состояние в так называемой декогеренции и становится скучным старым классическим фрагментом.

Устройства должны защищать квантовые состояния от декогеренции, но при этом делать их легко читаемыми.

Различные процессы решают эту проблему с разных точек зрения, будь то использование более надежных квантовых процессов или поиск более эффективных способов проверки на наличие ошибок.

Превосходство квантовых вычислений

В настоящее время классическая технология может справиться с любой задачей, поставленной перед квантовым компьютером. Квантовое превосходство описывает способность квантового компьютера превосходить свои классические аналоги.

Некоторые компании, такие как IBM и Google, заявляют, что мы, возможно, близки к этому, поскольку они продолжают объединять все больше кубитов и создавать более точные устройства.

Не все убеждены, что квантовые компьютеры стоят затраченных усилий. Некоторые математики считают, что существуют препятствия, которые практически невозможно преодолеть, что навсегда делает квантовые вычисления недоступными.

Время покажет, кто прав.

Все тематические статьи проверяются специалистами по проверке фактов на предмет их правильности и актуальности на момент публикации. Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции для обеспечения актуальности информации.

Квантовый компьютер использует некоторые почти мистические явления квантовой механики, чтобы обеспечить огромный скачок в вычислительной мощности. Квантовые машины обещают превзойти даже самые мощные суперкомпьютеры сегодняшнего и завтрашнего дня.

Однако они не уничтожат обычные компьютеры. Использование классической машины по-прежнему будет самым простым и экономичным решением большинства проблем. Но квантовые компьютеры обещают впечатляющие достижения в различных областях, от материаловедения до исследований в области фармацевтики. Компании уже экспериментируют с ними, разрабатывая более легкие и мощные аккумуляторы для электромобилей и помогая создавать новые лекарства.

Секрет мощности квантового компьютера заключается в его способности генерировать квантовые биты, или кубиты, и управлять ими.

Что такое кубит?

Современные компьютеры используют биты — поток электрических или оптических импульсов, представляющий 1 с или 0 с. Все, от ваших твитов и электронных писем до ваших песен в iTunes и видео на YouTube, по сути представляет собой длинные строки этих двоичных цифр.

Квантовые компьютеры, с другой стороны, используют кубиты, которые обычно представляют собой субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Генерация кубитов и управление ими — это научная и инженерная задача. Некоторые компании, такие как IBM, Google и Rigetti Computing, используют сверхпроводящие схемы, охлаждаемые до температур ниже, чем в глубоком космосе.Другие, такие как IonQ, улавливают отдельные атомы в электромагнитных полях на кремниевом чипе в камерах сверхвысокого вакуума. В обоих случаях цель состоит в том, чтобы изолировать кубиты в контролируемом квантовом состоянии.

Кубиты обладают необычными квантовыми свойствами, которые означают, что их связанная группа может обеспечить гораздо большую вычислительную мощность, чем такое же количество двоичных битов. Одно из этих свойств называется суперпозицией, а другое — запутанностью.

Что такое суперпозиция?

Кубиты могут одновременно представлять множество возможных комбинаций 1 и 0. Эта способность одновременно находиться в нескольких состояниях называется суперпозицией. Чтобы поместить кубиты в суперпозицию, исследователи манипулируют ими с помощью прецизионных лазеров или микроволновых лучей.

Благодаря этому парадоксальному явлению квантовый компьютер с несколькими кубитами в суперпозиции может одновременно обрабатывать огромное количество потенциальных результатов. Окончательный результат вычислений появляется только после измерения кубитов, что немедленно приводит к тому, что их квантовое состояние «схлопывается» либо до 1, либо до 0.

Что такое запутанность?

Исследователи могут генерировать пары кубитов, которые «запутаны», что означает, что два члена пары находятся в одном квантовом состоянии. Изменение состояния одного из кубитов мгновенно изменит состояние другого предсказуемым образом. Это происходит, даже если их разделяют очень большие расстояния.

Никто точно не знает, как и почему работает запутанность. Это даже сбило с толку Эйнштейна, который назвал это «жутким действием на расстоянии». Но это ключ к мощности квантовых компьютеров. В обычном компьютере удвоение количества битов удваивает его вычислительную мощность. Но благодаря запутанности добавление дополнительных кубитов к квантовой машине приводит к экспоненциальному увеличению ее способности обрабатывать числа.

Квантовые компьютеры используют запутанные кубиты в своего рода квантовой последовательной цепи, чтобы творить чудеса. Способность машин ускорять вычисления с использованием специально разработанных квантовых алгоритмов — вот почему так много говорят об их потенциале.

Хорошая новость. Плохая новость заключается в том, что квантовые машины гораздо более подвержены ошибкам, чем классические компьютеры, из-за декогеренции.

Что такое декогеренция?

Взаимодействие кубитов с окружающей средой таким образом, что их квантовое поведение ухудшается и в конечном итоге исчезает, называется декогеренцией. Их квантовое состояние чрезвычайно хрупко. Малейшая вибрация или изменение температуры — возмущения, известные на квантовом языке как «шум», — могут привести к тому, что они выпадут из суперпозиции, прежде чем их работа будет выполнена должным образом. Вот почему исследователи делают все возможное, чтобы защитить кубиты от внешнего мира в этих переохлаждаемых холодильниках и вакуумных камерах.

Но, несмотря на их усилия, шум по-прежнему вызывает множество ошибок в вычислениях. Умные квантовые алгоритмы могут компенсировать некоторые из них, и добавление большего количества кубитов также помогает. Однако, скорее всего, потребуются тысячи стандартных кубитов, чтобы создать один высоконадежный, известный как «логический» кубит. Это истощит вычислительную мощность квантового компьютера.

И вот в чем загвоздка: до сих пор исследователи не смогли сгенерировать более 128 стандартных кубитов (см. наш счетчик кубитов здесь). Так что до создания квантовых компьютеров, которые будут широко полезны, еще далеко.

Это не ослабило надежд первооткрывателей стать первыми, кто продемонстрирует «квантовое превосходство».

Что такое квантовое превосходство?

Это точка, в которой квантовый компьютер может выполнить математический расчет, явно недостижимый даже для самого мощного суперкомпьютера.

До сих пор неясно, сколько именно кубитов потребуется для достижения этой цели, поскольку исследователи продолжают находить новые алгоритмы для повышения производительности классических машин, а аппаратное обеспечение суперкомпьютеров постоянно совершенствуется. Но исследователи и компании прилагают все усилия, чтобы претендовать на это звание, проводя тесты на самых мощных в мире суперкомпьютерах.

В научном мире ведется множество споров о том, насколько значительным будет достижение этой вехи. Вместо того чтобы ждать объявления превосходства, компании уже начинают экспериментировать с квантовыми компьютерами таких компаний, как IBM, Rigetti и канадской фирмы D-Wave. Китайские фирмы, такие как Alibaba, также предлагают доступ к квантовым машинам.Некоторые предприятия покупают квантовые компьютеры, а другие используют компьютеры, доступные через службы облачных вычислений.

Где квантовый компьютер может оказаться наиболее полезным в первую очередь?

Одним из наиболее многообещающих применений квантовых компьютеров является моделирование поведения материи вплоть до молекулярного уровня. Производители автомобилей, такие как Volkswagen и Daimler, используют квантовые компьютеры для моделирования химического состава аккумуляторов электромобилей, чтобы найти новые способы улучшить их характеристики. А фармацевтические компании используют их для анализа и сравнения соединений, которые могут привести к созданию новых лекарств.

Машины также отлично подходят для задач оптимизации, поскольку они могут очень быстро обрабатывать огромное количество потенциальных решений. Airbus, например, использует их для расчета наиболее экономичных траекторий взлета и посадки самолетов. А Volkswagen представил сервис, который рассчитывает оптимальные маршруты движения автобусов и такси в городах, чтобы минимизировать заторы. Некоторые исследователи также считают, что машины можно использовать для ускорения искусственного интеллекта.

Для того чтобы квантовые компьютеры полностью реализовали свой потенциал, может потребоваться несколько лет. Университеты и предприятия, работающие над ними, сталкиваются с нехваткой квалифицированных исследователей в этой области и нехваткой поставщиков некоторых ключевых компонентов. Но если эти экзотические новые вычислительные машины оправдают возложенные на них надежды, они смогут преобразовать целые отрасли и ускорить глобальные инновации.

Джейк Франкенфилд — опытный писатель, освещающий широкий спектр тем деловых новостей. Его работы публиковались, в частности, в Investopedia и The New York Times. Он проделал обширную работу и исследования в области Facebook и сбора данных, Apple и пользовательского опыта, блокчейна и финансовых технологий, а также криптовалюты и будущего денег.

Дорета Клемонс, доктор философии, MBA, PMP, работает руководителем корпоративных ИТ и профессором уже 34 года. Она является адъюнкт-профессором в колледжах и университетах штата Коннектикут, Мэривилльском университете и Уэслианском университете Индианы. Она является инвестором в недвижимость и руководителем фонда Bruised Reed Housing Real Estate Trust, а также имеет лицензию штата Коннектикут на благоустройство жилья.

Кирстен Рорс Шмитт – опытный профессиональный редактор, писатель, корректор и специалист по проверке фактов. У нее есть опыт в области финансов, инвестиций, недвижимости и всемирной истории. На протяжении всей своей карьеры она писала и редактировала контент для многочисленных потребительских журналов и веб-сайтов, составляла резюме и контент для социальных сетей для владельцев бизнеса, а также создавала материалы для академических кругов и некоммерческих организаций. Кирстен также является основателем и директором Your Best Edit; найдите ее в LinkedIn и Facebook.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления – это область вычислений, ориентированная на разработку компьютерных технологий, основанных на принципах квантовой теории (которая объясняет поведение энергии и материала на атомном и субатомном уровнях). Используемые сегодня компьютеры могут кодировать информацию только в битах, принимающих значение 1 или 0, что ограничивает их возможности.

Квантовые вычисления, напротив, используют квантовые биты или кубиты. Он использует уникальную способность субатомных частиц, которая позволяет им существовать более чем в одном состоянии (т. е. в 1 и 0 одновременно).

Ключевые выводы

Квантовые вычисления – это изучение того, как использовать явления квантовой физики для создания новых способов вычислений.
Квантовые вычисления состоят из кубитов.
В отличие от обычного компьютерного бита, который может быть равен 0 или 1, кубит может быть любым из них или суперпозицией 0 и 1.
Мощность квантовых компьютеров растет экспоненциально с увеличением числа кубитов.
Это не похоже на классические компьютеры, где добавление дополнительных транзисторов увеличивает мощность только линейно.

Понимание квантовых вычислений

Суперпозиция и запутанность — две особенности квантовой физики, на которых основаны эти суперкомпьютеры. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять операции со скоростью, экспоненциально превышающей скорость обычных компьютеров, и потреблять гораздо меньше энергии.

Сфера квантовых вычислений зародилась в 1980-х годах. Затем было обнаружено, что некоторые вычислительные задачи можно решать с помощью квантовых алгоритмов более эффективно, чем с помощью их классических аналогов.

Квантовые вычисления могут внести значительный вклад в области финансов, военного дела и разведки, разработки и открытия лекарств, аэрокосмического проектирования, коммунальных услуг (ядерный синтез), проектирования полимеров, машинного обучения и искусственного интеллекта (ИИ), поиска больших данных, а также цифровое производство.

Его потенциал и предполагаемый размер рынка привлекли к работе в области квантовых вычислений некоторые из наиболее известных технологических компаний, в том числе IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba. , Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen и Amgen.

По данным Gartner, доля крупных компаний, планирующих реализовать инициативы в области квантовых вычислений к 2025 году.

Квантовый компьютер против классического компьютера

Квантовые компьютеры обрабатывают информацию по-разному. В классических компьютерах используются транзисторы, которые равны либо 1, либо 0. Квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут быть 1 или 0 одновременно. Количество кубитов, связанных вместе, экспоненциально увеличивает мощность квантовых вычислений. Между тем, соединение большего количества транзисторов увеличивает мощность только линейно.

Классические компьютеры лучше всего подходят для повседневных задач, которые должен выполнять компьютер. Между тем, квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования и анализа данных, например, для испытаний химических веществ или лекарств. Однако эти компьютеры должны быть очень холодными. Кроме того, они намного дороже и сложнее в изготовлении.

Классические вычислительные достижения включают добавление памяти для ускорения работы компьютеров. Между тем квантовые компьютеры помогают решать более сложные задачи. Хотя квантовые компьютеры могут работать с Microsoft Word не лучше и не быстрее, они могут решать сложные задачи быстрее.

Например, разрабатываемый квантовый компьютер Google может помочь во многих процессах, таких как ускорение обучения машинному обучению или помощь в создании более энергоэффективных батарей.

У квантовых вычислений есть ряд других приложений, включая безопасный обмен информацией. Другие методы включают борьбу с раком и различными проблемами со здоровьем, такими как рак, и разработку новых лекарств. Кроме того, квантовые компьютеры могут помочь улучшить радары и их способность обнаруживать такие объекты, как ракеты и самолеты. Другие области включают окружающую среду и использование квантовых вычислений для поддержания чистоты воды с помощью химических датчиков.

В 2019 году компания Google доказала, что квантовый компьютер может решить проблему за считанные минуты, в то время как классическому компьютеру для этого потребовалось бы 10 000 лет.

Реальный пример квантового компьютера

Компания Google (GOOG) тратит миллиарды долларов на свой план по созданию квантового компьютера к 2029 году. Компания открыла в Калифорнии кампус под названием Google AI, чтобы помочь ей достичь своей цели. Google инвестирует в эту технологию в течение многих лет. Как и другие компании, такие как Honeywell International (HON) и International Business Machine (IBM). В ближайшие годы IBM рассчитывает достичь важных вех в области квантовых вычислений.

Несмотря на то, что некоторые компании создали персональные (хотя и дорогие) квантовые компьютеры, на коммерческой основе по-прежнему нет ничего доступного. И есть интерес к квантовым вычислениям и их технологиям, поскольку JPMorgan Chase и Visa изучают эту технологию. После разработки Google сможет запустить службу квантовых вычислений через облако.

Компании также могут получить доступ к квантовым технологиям, не создавая квантовый компьютер. IBM планирует к 2023 году создать квантовый компьютер на 1000 кибитов. На данный момент IBM разрешает доступ к своим машинам, если они являются частью ее квантовой сети. В состав сети входят исследовательские организации, университеты и лаборатории.

Microsoft также предлагает компаниям доступ к квантовым технологиям через платформу Azure Quantum. В этом отличие от Google, который не продает доступ к своим квантовым компьютерам.

Часто задаваемые вопросы о квантовом компьютере

Какая компания была известна как "Quantum Computer Services, Inc?"

America Online (AOL) ранее называлась Quantum Computer Services Inc. Сначала AOL была основана как Quantum Computer Services в 1985 году. Компания была основана сотрудниками Control Video Corporation (CVC).

Как построить квантовый компьютер?

Создание квантового компьютера занимает много времени и стоит дорого. Google работал над созданием квантового компьютера в течение многих лет и потратил миллиарды долларов. Google рассчитывает, что его квантовый компьютер будет готов к 2029 году, а IBM – к 2023 году.

Сколько стоит квантовый компьютер?

Создание квантовых компьютеров по-прежнему стоит миллиарды долларов. Тем не менее, китайская компания Shenzhen SpinQ Technology планирует продавать настольный квантовый компьютер стоимостью 5000 долларов США потребителям для школ и колледжей. В прошлом году компания начала продавать квантовый компьютер за 50 000 долларов США.

Насколько быстр квантовый компьютер?

Квантовый компьютер во много раз быстрее классического компьютера и даже суперкомпьютера. Говорят, что квантовый компьютер Google, Sycamore, за 200 секунд выполнил расчет, на который одному из самых быстрых компьютеров в мире, IBM Summit, потребовалось бы 10 000 лет. IBM оспаривает это утверждение, заявляя, что это займет 2,5 дня, что все же более чем в 1000 раз медленнее, чем у квантовой машины Google.

Итог

Квантовые вычисления отличаются от классических вычислений тем, как они работают и для чего используются. Квантовые вычисления используют кубиты, которые могут быть 1 или 0 одновременно, в то время как классические компьютеры используют транзисторы, которые могут быть только 1 или 0. В результате квантовые вычисления намного мощнее и могут использоваться для анализа больших данных или моделирования. . Однако коммерческого квантового компьютера еще не было.

Это использование квантовой механики для выполнения вычислений на специализированном оборудовании.

Введение в квантовые вычисления

Чтобы полностью определить квантовые вычисления, нам нужно сначала определить некоторые ключевые термины.

Что такое квант?

Квант в «квантовых вычислениях» относится к квантовой механике, которую система использует для расчета выходных данных. В физике квант — это наименьшая возможная дискретная единица любого физического свойства. Обычно это относится к свойствам атомных или субатомных частиц, таких как электроны, нейтрино и фотоны.

Что такое кубит?

Кубит — это основная единица информации в квантовых вычислениях. Кубиты играют ту же роль в квантовых вычислениях, что и биты в классических вычислениях, но они ведут себя совсем по-другому. Классические биты являются двоичными и могут хранить только позицию 0 или 1, а кубиты могут содержать суперпозицию всех возможных состояний.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые компьютеры используют уникальное поведение квантовой физики, такое как суперпозиция, запутанность и квантовая интерференция, и применяют его к вычислениям. Это вводит новые концепции в традиционные методы программирования.

< бр />

Наложение

В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний. Они колеблются, пока их не наблюдают и не измеряют. Один из способов изобразить разницу между бинарной позицией и суперпозицией — представить себе монету. Классические биты измеряются путем «подбрасывания монеты» и выпадения орла или решки. Однако, если бы вы могли смотреть на монету и одновременно видеть орел и решку, а также каждое промежуточное состояние, монета находилась бы в суперпозиции.

Запутанность

Запутанность — это способность квантовых частиц сопоставлять результаты своих измерений друг с другом. Когда кубиты запутаны, они образуют единую систему и влияют друг на друга. Мы можем использовать измерения одного кубита, чтобы сделать выводы о других. Добавляя и запутывая больше кубитов в системе, квантовые компьютеры могут вычислять экспоненциально больше информации и решать более сложные задачи.

Квантовая интерференция

Квантовая интерференция — это внутреннее поведение кубита из-за суперпозиции, влияющее на вероятность его коллапса тем или иным образом. Квантовые компьютеры спроектированы и построены так, чтобы максимально уменьшить помехи и обеспечить наиболее точные результаты. С этой целью Microsoft использует топологические кубиты, которые стабилизируются путем манипулирования их структурой и окружения их химическими соединениями, защищающими их от внешнего вмешательства.

Как работают квантовые вычисления?

Квантовый компьютер состоит из трех основных частей:

Область, в которой находятся кубиты
Метод передачи сигналов кубитам
Классический компьютер для запуска программы и отправки инструкций.

Для некоторых методов хранения кубитов устройство, в котором хранятся кубиты, поддерживается при температуре чуть выше абсолютного нуля, чтобы обеспечить максимальную их согласованность и уменьшить помехи. В других типах корпусов кубитов используется вакуумная камера, чтобы свести к минимуму вибрации и стабилизировать кубиты.

Сигналы можно отправлять на кубиты различными способами, включая микроволны, лазер и напряжение.

Использование и области применения квантовых компьютеров

Квантовый компьютер не может делать все быстрее, чем классический компьютер, но есть несколько областей, в которых квантовые компьютеры могут оказать большое влияние.

Квантовое моделирование

Квантовые компьютеры исключительно хорошо подходят для моделирования других квантовых систем, поскольку в своих вычислениях они используют квантовые явления. Это означает, что они могут справиться со сложностью и неоднозначностью систем, которые перегрузили бы классические компьютеры. Примеры квантовых систем, которые мы можем моделировать, включают фотосинтез, сверхпроводимость и сложные молекулярные образования.

Криптография

Классическая криптография, например алгоритм Ривеста–Шамира–Адлемана (RSA), который широко используется для защиты передачи данных, основана на неразрешимости таких задач, как целочисленная факторизация или дискретное логарифмирование. Многие из этих проблем можно решить более эффективно с помощью квантовых компьютеров.

Оптимизация

Оптимизация — это процесс поиска наилучшего решения проблемы с учетом желаемого результата и ограничений. В науке и промышленности важные решения принимаются на основе таких факторов, как стоимость, качество и время производства, которые можно оптимизировать. Запуская квантовые алгоритмы оптимизации на классических компьютерах, мы можем найти решения, которые раньше были невозможны. Это помогает нам находить более эффективные способы управления сложными системами, такими как транспортные потоки, назначение выходов на посадку, доставка посылок и хранение энергии.

Квантовое машинное обучение

Машинное обучение на классических компьютерах меняет мир науки и бизнеса. Однако обучение моделей машинного обучения сопряжено с высокими вычислительными затратами, что препятствует расширению и развитию этой области. Чтобы ускорить прогресс в этой области, мы изучаем способы разработки и внедрения квантового программного обеспечения, которое обеспечивает более быстрое машинное обучение.

Поиск

Квантовый алгоритм, разработанный в 1996 году, значительно ускорил поиск неструктурированных данных, выполняя поиск за меньшее количество шагов, чем любой классический алгоритм.

Ресурсы Azure Quantum

Создавайте квантовые решения уже сегодня, как один из первых пользователей Azure Quantum Preview — полнофункциональной открытой облачной экосистемы. Получите доступ к программному обеспечению, оборудованию и готовым решениям и начните разработку на надежной, масштабируемой и безопасной платформе.

Читайте также: