Сьогодні активно обговорюють квантові обчислення, називаючи їх революційною сферою, яка здатна докорінно змінити підходи до розв’язання складних завдань у різних галузях. Ці твердження є цілком обґрунтованими, оскільки квантові обчислення пропонують принципово новий спосіб обробки інформації.
Багато організацій у світі виділяють значні кошти на дослідження і розробку квантових технологій, адже вони відкривають можливості для аналізу великої кількості варіантів та пошуку рішень для надскладних проблем.
Що являють собою квантові обчислення?
Квантові обчислення – це розділ інформатики, що ґрунтується на принципах квантової фізики, яка досліджує існування та взаємодію атомних частинок. Ця галузь науки описує поведінку матерії та енергії на атомному та субатомному рівнях.
В основі квантових комп’ютерів лежать квантові біти, або кубіти, здатні перебувати одночасно в кількох станах. Завдяки цій властивості, квантові комп’ютери можуть розв’язувати завдання, які класичним комп’ютерам зайняли б неймовірно багато часу або обчислювальних ресурсів.
Як працюють квантові обчислення?
Квантові обчислення використовують кубіти для створення квантових комп’ютерів, які містять квантові системи, наприклад, фотони та електрони. Ці системи застосовуються для виконання обчислень, що є надто складними для класичних комп’ютерів. Крім того, в квантових обчисленнях використовуються квантові логічні елементи для маніпулювання кубітами та виконання обчислень.
Квантові вентилі є аналогами логічних вентилів у класичних комп’ютерах, але вони працюють з кубітами. Дослідники використовують їх для створення та маніпулювання суперпозиціями та заплутуванням кубітів.
Мета квантових обчислень полягає в розширенні обчислювальних можливостей та розв’язанні складних задач, які сьогоднішні класичні комп’ютери не можуть опрацювати через їх двійкову природу та обмеження двома станами – 0 і 1. Натомість, квантові обчислення можуть перебувати в обох станах одночасно.
Відмінності між квантовими та класичними обчисленнями
Основні розбіжності між квантовими та класичними обчисленнями полягають у їх обчислювальних можливостях та принципах роботи. Квантові обчислення базуються на квантовій теорії.
Класичні обчислення використовують двійкові розряди, або біти, які можуть мати значення 0 або 1. Квантові комп’ютери використовують кубіти як одиницю даних. Квантові обчислення можуть одночасно приймати обидва значення (0 і 1) – це явище називається суперпозицією. Ця властивість дозволяє квантовим комп’ютерам одночасно перебувати у двох станах.
Щодо потужності, класичні обчислення мають меншу обчислювальну потужність, ніж квантові, оскільки їх потужність зростає лінійно залежно від кількості наявних транзисторів. Натомість, потужність квантових обчислень зростає експоненційно в залежності від кількості кубітів.
На відміну від класичних обчислень, які можна реалізувати за допомогою кодів на таких мовах програмування, як Java, SQL, PHP, C#, C++ та Python, квантові обчислення поєднують код, математику, фізику та алгоритми для досягнення конкретних цілей.
Через складну архітектуру, крихкість і високу вартість розробки та впровадження, квантові обчислення не створюються як універсальні машини для загального використання, їх розробляють для конкретних цілей та застосувань. Натомість, класичні комп’ютери є широко поширеними та загальнодоступними.
Квантові комп’ютери мають вищий рівень помилок порівняно з класичними і потребують особливих умов, наприклад, утримання в надхолодному приміщенні для регулювання температури. Класичні комп’ютери можуть працювати за кімнатної температури.
З точки зору застосування, квантові обчислення найкраще підходять для складних завдань, таких як моделювання, оптимізація, машинне навчання та інші ресурсомісткі операції. Класичні обчислення підходять для таких задач, як обробка текстів, робота з електронними таблицями та інші нересурсомісткі завдання.
Переваги квантових обчислень
Переваги квантових обчислень є значними, якщо їх правильно використовувати. Основні переваги розглянуті нижче:
- Швидкість: вони можуть обробляти дані в тисячі разів швидше, ніж традиційні комп’ютери.
- Безпека: алгоритми квантових обчислень можуть бути використані для покращення цифрового шифрування та захисту ІТ-інфраструктури організації.
- Можливість вирішувати складні проблеми: у 2019 році Google заявила, що її 54-кубітний процесор Sycamore виконав обчислення, які найшвидшому суперкомп’ютеру у світі знадобилося б 10 000 років, за 200 секунд.
- Покращення виявлення шахрайства: фінансові установи можуть використовувати квантові обчислення для створення точніших симуляторів торгівлі, розробки ефективних інвестиційних портфелів та покращення виявлення шахрайства.
- Дослідження: це допомагає науковцям створювати покращені моделі та методи розв’язання проблем у різних галузях, наприклад, у дослідженнях ліків у сфері охорони здоров’я та хімічних відкриттях у виробництві.
Особливості квантових обчислень
Нижче наведено основні характеристики квантових обчислень:
Суперпозиція
Здатність квантових систем перебувати одночасно у багатьох станах називається суперпозицією. Класичні комп’ютери можуть перебувати лише в одному стані одночасно (0 або 1), тобто їм не вистачає здатності до суперпозиції.
Заплутаність
Заплутаність виникає, коли два кубіти з’єднані між собою, і стан однієї частинки впливає на стан іншої, навіть якщо вони знаходяться на великій відстані. Заплутаність часто використовується для створення квантової мережі, що дозволяє квантовим комп’ютерам обмінюватися інформацією.
Інтерференція. В квантових системах інтерференція є результатом суперпозиції. Це хвильове явище, яке виникає, коли субатомні частинки взаємодіють та впливають одна на одну.
Інтерференція може бути конструктивною (коли хвилі підсилюють одна одну або посилюють правильну відповідь) або деструктивною (коли вони компенсують одна одну).
Декогеренція
Квантові системи є дуже чутливими до навколишнього середовища. Зовнішні впливи можуть призвести до руйнування квантової поведінки кубітів, що призведе до втрати ними квантових можливостей.
Наприклад, шум може спричинити вихід кубітів зі стану суперпозиції. Крім того, навіть зміни температури можуть вплинути на продуктивність. Саме тому потрібні суворо регульовані та контрольовані умови для роботи квантових комп’ютерів.
Обмеження та виклики квантових обчислень
Хоча квантові обчислення пропонують багато переваг, вони також мають певні недоліки, про які варто згадати:
- Декогеренція: на відміну від класичних комп’ютерів, квантові комп’ютери чутливі до шуму. Зовнішні впливи можуть призвести до виходу кубітів зі стану суперпозиції, перш ніж вони зможуть виконати необхідні обчислення.
- Потреба у фахівцях: через свою складність, квантові обчислення потребують залучення кваліфікованих фахівців.
- Квантова корекція помилок: під час обчислювальних операцій можуть виникати помилки, що призводить до неточних результатів. Потрібні надійні квантові системи, стійкі до зовнішніх впливів.
Застосування квантових обчислень у реальному житті
#1. Фінансове моделювання
Фінансові ринки є нестабільними та непередбачуваними. За допомогою квантових обчислень, фінансові організації можуть моделювати фінансові системи та використовувати ці технології для моделювання інвестицій, базуючись на очікуваній прибутковості.
Квантові обчислення також можна застосовувати для оптимізації портфеля, зниження ризику та управління, а також для ціноутворення опціонів. Ті, хто здійснює великі обсяги транзакцій, можуть використовувати квантові обчислення для прогнозування ринків та аналізу глобальної фінансової економіки.
#2. Оптимізація логістики
Квантові комп’ютери є ефективними в зборі даних у реальному часі для оптимізації логістики ланцюгів постачання, запасів та транспортування. Організаціям потрібно постійно розраховувати та перераховувати оптимальні маршрути для управління трафіком, флотом, повітряним рухом, вантажними перевезеннями та розподілом. Ці завдання можна виконувати за допомогою класичних обчислень.
Проте для великих організацій зі складними потребами в ланцюжку постачання, цей процес може стати дуже ресурсомістким. У таких випадках квантові обчислення можуть стати у пригоді.
#3. Покращення акумуляторів
Зі збільшенням популярності електромобілів (EV), виробники використовують можливості квантових обчислень для моделювання поведінки молекул та матеріалів, а також для розуміння літієвих сполук та хімії акумуляторів. Це дозволяє оптимізувати термін їх служби.
Крім електромобілів, квантові обчислення також застосовуються для накопичення відновлюваної енергії та мобільних пристроїв.
#4. Виробництво
Квантові обчислення використовуються для вдосконалення різних аспектів виробництва. Експертне дослідження IBM Institute for Business Value розподілило випадки використання квантових обчислень у виробництві на чотири категорії:
Відкриття:
- Хімія
- Матеріалознавство
- Фізика конденсованих середовищ
Дизайн:
- Аналіз методом скінченних різниць
- Структурний аналіз, гідро- та аеродинаміка
Контроль:
- Оптимізація
- Машинне навчання
- Класифікація
Постачання:
- Ланцюг поставок
- Оптимізація
- Моделювання ризиків
Ті, хто запровадить квантові обчислення в цих ключових сферах, отримають важливу перевагу, оскільки це допоможе знизити виробничі витрати та прискорити виробництво.
#5. Розробка моделей клімату
Квантові обчислення можуть допомогти у вирішенні глобальних проблем сталого розвитку, таких як зміна клімату. Згідно зі звітом Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (IPCC), викиди парникових газів потрібно значно скоротити до 2025 року, щоб уникнути серйозних кліматичних катастроф. Квантові обчислення можна застосовувати для зменшення негативного впливу на клімат.
Виробництво аміаку спричиняє від 1% до 2% глобальних викидів вуглекислого газу. Квантові обчислення можуть допомогти розробити альтернативні джерела чистої енергії, такі як покращені акумулятори для електромобілів, сонячна енергія тощо, що сприятиме процесу декарбонізації планети. Також, квантові обчислення можуть вдосконалити моделі прогнозування клімату та погоди, а також покращити управління енергетичними мережами.
#6. Автомобільна промисловість
Автомобільна промисловість швидко впроваджує технології квантових обчислень, про що свідчить партнерство між квантовими обчислювальними компаніями та виробниками автомобілів, такими як D-Wave Systems і Volkswagen; Zapata Computing та Bosch; та IBM Quantum та Mercedes-Benz.
Виробники оригінального обладнання (OEM) прагнуть використовувати квантові обчислення для оптимізації маршрутів та підвищення довговічності матеріалів.
#7. Розробка літаків
Аерокосмічні компанії можуть використовувати квантові обчислення в багатьох процесах, від оптимізації плану польоту до моделювання та оцифрування літаків. Airbus, аерокосмічна корпорація, що проектує, виробляє та продає комерційні літаки, інвестувала в IonQ, Q-CTRL та QC Ware, щоб використовувати квантові технології для розробки складних моделей літаків.
#8. Розробка ліків
Класичні комп’ютери наразі використовуються для проведення сотень мільйонів молекулярних симуляцій, але вони мають обмеження щодо розміру молекул, які можуть бути обчислені. Квантові обчислення дозволяють дослідженням та розробкам симулювати великі та складні молекули для покращення комп’ютерного пошуку ліків (CADD).
У 2021 році McKinsey & Company повідомила, що фармацевтична компанія витрачає близько 15% своїх продажів на дослідження та розробки, що становить понад 20% загальних витрат на дослідження та розробки в усіх галузях промисловості у світі.
Ці інвестиції допомагають фармацевтичній промисловості знаходити ефективні способи розробки мікро- та макромолекул, що допомагають лікувати хвороби. Завдяки квантовим обчисленням, дослідники можуть швидше виявляти невдалі варіанти та прискорити розробку ліків з вищими шансами на успіх.
#9. Машинне навчання
Здатність квантових комп’ютерів обробляти великі та складні масиви даних робить їх чудовим інструментом для машинного навчання. Квантове машинне навчання – це галузь дослідження, яка об’єднує квантові алгоритми з програмами машинного навчання.
Квантові алгоритми можуть мати поліноміальне або суперполіноміальне (експоненціальне) прискорення, що покращує швидкість обчислення. Завдяки квантовому машинному навчанню фахівці з даних можуть розробляти швидші та досконаліші алгоритми, виявляти складні закономірності в даних та розвивати програми комп’ютерного зору та навчання з підкріпленням.
Навчальні ресурси: квантові обчислення
Для подальшого навчання рекомендуємо наступні ресурси:
#1. Танці з Кубітами
Ця книга, написана Робертом С. Сутором, пояснює, як працюють квантові обчислення і як їх застосовують до наукових обчислень та штучного інтелекту. “Танці з Qubits” висвітлює відмінності між класичними та квантовими обчисленнями, описує їх застосування в різних галузях.
Читачі дізнаються про такі поняття, як суперпозиція, заплутування та інтерференція, а також про схеми та алгоритми. Цей ресурс надасть вам базові знання про квантові обчислення.
#2. Квантові обчислення: прикладний підхід
Написаний генеральним директором SandboxAQ (Джеком Д. Хідарі), компанії, що займається квантовими технологіями, цей матеріал поєднує теорію та практичне застосування квантових обчислень, включаючи приклади коду.
Книга складається з трьох частин: перша частина охоплює квантові обчислення та основи квантових схем, друга частина пояснює алгоритми квантових обчислень і містить код сучасних методів квантових обчислень, а третя частина розглядає математичні аспекти квантових обчислень.
#3. Квантові обчислення для всіх
Початківці, які шукають всеохоплюючий матеріал, знайдуть цей ресурс корисним. Він охоплює основи квантових обчислень та пояснює їх ключові компоненти, такі як кубіти, заплутування та квантова телепортація.
Автор цієї книги, Кріс Бернхардт, спрощує математику, що лежить в основі квантових обчислень, а також пояснює, як будуються квантові комп’ютери, що полегшує розуміння процесів розробки систем для тих, хто тільки починає знайомитися з квантовими комп’ютерами.
Висновок
Такі компанії, як Google, IBM та Microsoft, лідирують у розробці інноваційних рішень для квантових обчислень. Університети також активно долучаються до цього процесу. Дефіцит фахівців з квантових обчислень уповільнює прогрес, крім того, вартість створення квантового комп’ютера є високою, і не багато організацій мають ресурси, необхідні для цього.
Хоча квантові обчислення є дуже перспективними, вони ще перебувають на стадії розробки. Потрібно буде кілька років, щоб повністю розкрити їх потенціал і зробити їх таким же звичайним явищем, як класичні комп’ютери.
Ви також можете дізнатися про Fog Computing.