Існує багато галасу про квантові обчислення – про те, що це захоплююча сфера, яка революціонізує спосіб вирішення складних проблем у різних галузях. Обидва твердження справедливі, оскільки квантові обчислення являють собою новий спосіб обробки інформації.
Організації в усьому світі виділяють значні ресурси на розробку квантових обчислювальних технологій через їх здатність розглядати багато можливостей і пропонувати потенційні рішення складних проблем.
Що таке квантові обчислення?
Квантові обчислення — це галузь інформатики, заснована на принципах квантової фізики (вивчення того, як атомні частинки існують і взаємодіють одна з одною). Він пояснює поведінку матерії та енергії на атомному та субатомному рівнях.
У квантових комп’ютерах використовуються квантові біти або кубіти (вимовляються як «cue-bits»), які можуть існувати одночасно в кількох станах. Ця властивість дозволяє квантовим комп’ютерам вирішувати проблеми, які займуть у звичайних комп’ютерів непрактичну кількість часу або обчислювальних ресурсів.
Як працює квантове обчислення?
Квантові обчислення використовують кубіти для розробки квантових комп’ютерів, що містять квантові системи, такі як фотони та електрони. Вони часто використовуються для виконання обчислень, які зазвичай були б непрактичними для класичних комп’ютерів. Крім того, квантові обчислення використовують квантові логічні ворота для маніпулювання кубітами та виконання обчислень.
Квантові вентилі аналогічні логічним вентилям, які використовуються в класичних комп’ютерах, але працюють на квантових бітах – дослідники використовують їх для створення та маніпулювання суперпозиціями та заплутування кубітів.
Він прагне покращити обчислювальні можливості та вирішити складні проблеми, які сьогоднішні класичні комп’ютери не можуть вирішити через їх бінарний підхід і обмежене існування в двох станах – 0 і 1, тоді як квантові обчислення можуть мати обидва стани одночасно.
Різниця між квантовими обчисленнями та класичними обчисленнями
Відмінності між квантовими та класичними обчисленнями полягають у їхніх обчислювальних можливостях і тому, як вони працюють. Тоді як квантові обчислення базуються на квантовій теорії.
Класичні обчислення базуються на двійкових цифрах або бітах, які можуть мати значення 0 або 1. Квантові комп’ютери використовують кубіти як одиницю даних. Квантові обчислення можуть приймати обидва значення (0 і 1) одночасно — цей акт відомий як суперпозиція. Властивість, яка дозволяє квантовим комп’ютерам приймати два стани одночасно.
Коли справа доходить до потужності, класичні обчислення мають меншу обчислювальну потужність, ніж квантові, оскільки їхня потужність зростає на основі співвідношення 1:1 із доступними транзисторами. Для квантових обчислень потужність значно зростає залежно від кількості кубітів.
На відміну від класичних обчислень, які можуть бути реалізовані за допомогою кодів, написаних на таких мовах програмування, як Java, SQL, PHP, C#, C++ і Python, зокрема, квантові обчислення поєднують код, математику, фізику та алгоритми для виконання своєї конкретної мети.
Через складну архітектуру, крихкість і високу вартість розробки та впровадження квантові обчислення не створюються як універсальна машина для загального використання, вони розроблені для певної мети та випадку використання. З іншого боку, класичні комп’ютери широко поширені і легкодоступні.
Квантові комп’ютери мають вищі показники помилок, ніж класичні обчислення, і вимагають додаткового догляду, наприклад, утримання в ультрахолодному приміщенні для регулювання тепла. Навпаки, класичні комп’ютери можуть працювати при кімнатній температурі.
З точки зору зручності використання, квантові обчислення підходять для таких складних завдань, як моделювання, оптимізація, машинне навчання та інші ресурсомісткі операції. Класичні обчислення підходять для таких завдань, як обробка текстів, обчислення електронних таблиць та інших завдань, що не потребують ресурсів.
Переваги квантових обчислень
Переваги квантових обчислень величезні, якщо їх правильно використовувати. Основні переваги ми розібрали нижче.
- Швидкість: вони можуть обробляти дані в тисячу разів швидше, ніж звичайні комп’ютери.
- Безпека: його алгоритм можна використовувати для покращення цифрового шифрування та захисту ІТ-інфраструктури організації.
- Здатність вирішувати складні проблеми: у 2019 році Google заявив, що її Sycamore – 54-кубітний процесор – виконав обчислення, для виконання яких найшвидшому у світі суперкомп’ютеру знадобилося 10 000 років за 200 секунд.
- Покращення виявлення шахрайства: фінансові установи можуть використовувати квантові обчислення для створення кращих симуляторів торгівлі, розробки ефективних інвестиційних портфелів і покращення виявлення шахрайства.
- Дослідження: це допомагає вченим розробляти кращі моделі та підходи до вирішення проблем у різних галузях промисловості, таких як дослідження ліків у сфері охорони здоров’я та хімічні відкриття у виробництві.
Особливості квантових обчислень
Нижче наведено ключові особливості квантових обчислень.
Суперпозиція
Здатність квантових систем існувати одночасно в багатьох станах відома як суперпозиція. Класичні комп’ютери можуть існувати лише в одному стані одночасно (0 або 1), тобто їм не вистачає можливості суперпозиції.
Обплутаність
Заплутаність відбувається, коли два кубіти з’єднані разом, і стан однієї частинки впливає на іншу, навіть якщо вони знаходяться на відстані миль один від одного. Його часто використовують для створення квантової мережі, що дозволяє квантовим комп’ютерам обмінюватися інформацією.
Інтерференція У квантових системах інтерференція є побічним продуктом суперпозиції. Це хвильове явище, яке виникає, коли субатомні частинки взаємодіють і впливають.
Воно може бути або конструктивним (коли хвилі підсилюють одна одну або посилюють правильну відповідь), або деструктивним (коли вони компенсують одна одну).
Декогеренція
Квантові системи крихкі й чутливі до навколишнього середовища; перешкоди з їхнього середовища можуть призвести до розпаду квантової поведінки кубітів, що призведе до втрати ними квантових можливостей.
Наприклад, шум може спричинити випадання кубітів із суперпозиції. Мало того, навіть зміни температури можуть вплинути на його продуктивність. Звідси необхідність утримувати його в строго регульованому та контрольованому середовищі.
Обмеження та проблеми квантових обчислень
Хоча квантові обчислення пропонують багато переваг, вони також мають деякі недоліки, про які варто згадати.
- Декогеренція: на відміну від класичних комп’ютерів, квантові комп’ютери чутливі до шуму. Порушення можуть призвести до того, що він випаде з суперпозиції, перш ніж він зможе виконати свої завдання.
- Потрібен фахівець: через його складність потрібен різноманітний пул квантових спеціалістів.
- Квантова корекція помилок: під час обчислювальних операцій можуть виникнути помилки, що призведе до сумнівних результатів. Потрібна відмовостійка квантова система, щоб протистояти перешкодам з оточення.
Застосування в реальному житті та використання квантових обчислень
#1. Фінансове моделювання
Фінансовий ринок нестабільний і дуже непередбачуваний. За допомогою квантових обчислень фінансові організації можуть симулювати фінансові системи та використовувати технологію для моделювання інвестицій на основі очікуваної прибутковості.
Його також можна використовувати в аспектах оптимізації портфеля, зниження ризику та управління, а також ціноутворення опціонів. Ті, хто виконує великі обсяги транзакцій, можуть використовувати квантові обчислення для прогнозування ринків і аналізу глобальної фінансової економіки.
#2. Оптимізація логістики
Квантові комп’ютери перевершують, коли йдеться про збір даних у реальному часі для оптимізації логістики ланцюга поставок, запасів і транспортування. Організаціям необхідно постійно розраховувати та перераховувати оптимальні маршрути управління трафіком, роботи флоту, управління повітряним рухом, вантажні перевезення та розподіл – це можливо за допомогою класичних обчислень.
Але для великих організацій із складними потребами в ланцюжку постачання цей процес може стати ресурсомістким, і квантові обчислення можуть врятувати ситуацію.
#3. Кращі батареї
Оскільки електричні транспортні засоби (EV) стають звичним явищем у нашому суспільстві, виробники використовують квантові обчислювальні можливості для моделювання поведінки молекул і матеріалів і розуміння літієвих сполук і хімії акумуляторів, щоб оптимізувати термін служби акумуляторів.
Крім електромобілів, квантові обчислення також застосовуються в накопичувачах відновлюваної енергії та мобільних пристроях.
#4. Виробництво
Квантові обчислення використовуються для вдосконалення багатьох аспектів виробництва. Експертне дослідження IBM Institute for Business Value розділило випадки використання квантових обчислень у виробництві на чотири категорії.
Відкрийте для себе
- Хімія
- Матеріалознавство
- Фізика конденсованого середовища
Дизайн
- Скінченно різницевий аналіз
- Структурний аналіз Гідро/аеродинаміка
КОНТРОЛЬ
- Оптимізація
- Машинне навчання
- Класифікація
Постачання
- Ланцюг поставок
- оптимізація
- Моделювання ризиків
Ті, хто запровадить квантові обчислення в цих ключових сферах, отримають вирішальну перевагу, оскільки це допоможе знизити виробничі витрати та збільшити швидкість виробництва.
#5. Розробка моделей клімату
Квантові обчислення можуть допомогти вирішити постійні проблеми сталого розвитку, такі як зміна клімату. Згідно зі звітом Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (IPCC), викиди парникових газів необхідно значно скоротити до 2025 року, щоб уникнути серйозних кліматичних катастроф. Квантові обчислення можна використовувати для зменшення впливу на клімат.
Виробництво аміаку забезпечує від 1 до 2% глобальних викидів вуглекислого газу — квантові обчислення можуть допомогти розробити альтернативну чисту енергію, таку як кращі батареї для електромобілів, сонячна енергія тощо, щоб полегшити процес декарбонізації землі. Це також може сприяти вдосконаленню моделей прогнозування клімату та погоди, а також управління мережею.
#6. Автомобільна промисловість
Автомобільна промисловість швидко впроваджує технологію квантових обчислень, це видно в партнерстві між компаніями квантових обчислень і виробниками автомобілів, включаючи D-Wave Systems і Volkswagen; Zapata Computing і Bosch; і навіть IBM Quantum і Mercedes-Benz.
Виробники оригінального обладнання (OEM) прагнуть використовувати квантові обчислення для оптимізації маршрутів і підвищення довговічності матеріалів.
#7. Розробка літаків
Аерокосмічні компанії можуть використовувати квантові обчислення для багатьох процесів, від оптимізації плану польоту до моделювання та оцифрування літаків. Airbus, аерокосмічна корпорація, яка проектує, виробляє та продає комерційні літаки, інвестувала в IonQ, Q-CTRL і QC Ware, щоб використовувати квантові технології для розробки складних моделей літаків.
#8. Розробка ліків
Класичні комп’ютери наразі використовуються для запуску сотень мільйонів молекулярних симуляцій, але є обмеження щодо розміру молекули, який вони можуть обчислити. Квантові обчислення дозволяють дослідженням і 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 відсотків своїх продажів на дослідження та розробки, що становить понад 20 відсотків загальних витрат на дослідження та розробки в усіх галузях промисловості в усьому світі.
Ці інвестиції, зокрема, допомагають фармацевтичній промисловості знаходити ефективні способи розробки мікромолекул і макромолекул, які допомагають лікувати хвороби. Завдяки квантовим обчисленням дослідники можуть швидко зазнати невдач і прискорити розробку ліків із вищими шансами на успіх.
#9. Машинне навчання
Здатність квантових комп’ютерів обробляти великі та складні дані робить їх хорошим кандидатом для машинного навчання. Квантове машинне навчання — це область 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 спеціалісти з даних можуть розробляти швидші та досконаліші алгоритми, розв’язувати складні шаблони даних і розвивати програми комп’ютерного зору та навчання з підкріпленням.
Навчальні ресурси: квантові обчислення
Для подальшого навчання ми рекомендуємо наступні ресурси.
#1. Танці з Кубітами
Ця книга, написана Робертом С. Сутором, пояснює, як квантові обчислення працюють і застосовуються до наукових обчислень і ШІ. Танці з Qubits охоплюють відмінності між класичним і квантовим обчисленням і описують випадки його використання в різних галузях.
Читачі також дізнаються про такі поняття, як суперпозиція, заплутування та інтерференція, а також про схеми та алгоритми. Цей ресурс навчить вас основам і основам квантових обчислень.
#2. Квантові обчислення: прикладний підхід
Написаний генеральним директором SandboxAQ (Джеком Д. Хідарі), компанією з квантових технологій, цей матеріал поєднує теорію та практичність квантових обчислень, включаючи практичний код.
Книга складається з трьох частин: перша частина охоплює квантові обчислення та основи квантових схем, друга частина пояснює алгоритми квантових обчислень і містить код поточних методів квантових обчислень, а третя частина охоплює математичні аспекти квантових обчислень.
#3. Квантові обчислення для всіх
Початківці, які шукають всеохоплюючий матеріал, знайдуть цей ресурс корисним. Він охоплює основи квантового обчислення та пояснює його ключові компоненти, такі як кубіти, заплутаність і 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 тим, хто вперше знайомиться з квантовими комп’ютерами.
Висновок
Такі компанії, як Google, IBM і Microsoft, лідирують в інноваціях квантових обчислювальних рішень — університети також не залишаються позаду. Дефіцит фахівців з квантових обчислень сприяє повільному прогресу, плюс вартість створення квантового комп’ютера висока, і не багато організацій мають ресурси, необхідні для його створення.
Хоча квантові обчислення дають багато обіцянок, їх ще немає. Знадобиться кілька років, щоб повністю реалізувати свій потенціал і стати звичайним явищем, як класичні комп’ютери.
Ви також можете прочитати про Fog Computing.