O komputerach kwantowych krąży wiele szumu — o tym, że jest to ekscytująca dziedzina i rewolucjonizuje sposób, w jaki rozwiązujemy złożone problemy w różnych branżach. Oba stwierdzenia są prawdziwe, ponieważ obliczenia kwantowe reprezentują nowy sposób przetwarzania informacji.
Organizacje na całym świecie przeznaczają znaczne środki na rozwój technologii obliczeń kwantowych ze względu na ich zdolność do rozważania wielu możliwości i proponowania potencjalnych rozwiązań złożonych problemów.
Spis treści:
Co to są komputery kwantowe?
Obliczenia kwantowe to dziedzina informatyki oparta na zasadach fizyki kwantowej (badanie sposobu istnienia cząstek atomowych i interakcji między nimi). Wyjaśnia zachowanie materii i energii na poziomie atomowym i subatomowym.
Komputery kwantowe używają bitów kwantowych lub kubitów (czyt. cue-bitów), które mogą istnieć jednocześnie w wielu stanach. Ta właściwość pozwala komputerom kwantowym rozwiązywać problemy, które wymagałyby konwencjonalnych komputerów niepraktycznej ilości czasu lub zasobów obliczeniowych.
Jak działa komputer kwantowy?
Obliczenia kwantowe wykorzystują kubity do tworzenia komputerów kwantowych zawierających układy kwantowe, takie jak fotony i elektrony. Są często używane do wykonywania obliczeń, które normalnie byłyby niepraktyczne dla klasycznych komputerów. Ponadto obliczenia kwantowe wykorzystują kwantowe bramki logiczne do manipulowania kubitami i wykonywania obliczeń.
Bramki kwantowe są analogiczne do bramek logicznych używanych w klasycznych komputerach, ale działają na bitach kwantowych – naukowcy używają ich do tworzenia superpozycji i manipulowania nimi oraz splątania kubitów.
Dąży do poprawy możliwości obliczeniowych i rozwiązywania złożonych problemów, których dzisiejsze klasyczne komputery nie są w stanie rozwiązać ze względu na binarne podejście i ograniczone przebywanie w dwóch stanach – 0 i 1, podczas gdy komputery kwantowe mogą przyjmować oba stany jednocześnie.
Różnica między komputerami kwantowymi a komputerami klasycznymi
Obliczenia kwantowe i obliczenia klasyczne różnią się możliwościami obliczeniowymi i sposobem działania. Podczas gdy obliczenia kwantowe opierają się na teorii kwantowej.
Klasyczne obliczenia opierają się na cyfrach lub bitach binarnych, które mogą przyjmować wartość 0 lub 1. Komputery kwantowe używają kubitów jako jednostki danych. Obliczenia kwantowe mogą jednocześnie przyjmować obie wartości (0 i 1) — czynność ta znana jest jako superpozycja. Właściwość, która pozwala komputerom kwantowym przyjmować jednocześnie dwa stany.
Jeśli chodzi o moc, klasyczne obliczenia mają mniejszą moc obliczeniową niż obliczenia kwantowe, ponieważ ich moc wzrasta w oparciu o stosunek 1:1 z dostępnymi tranzystorami. W przypadku obliczeń kwantowych moc znacznie wzrasta w zależności od liczby kubitów.
W przeciwieństwie do klasycznych obliczeń, które można zaimplementować za pomocą kodów napisanych w językach programowania, takich jak między innymi Java, SQL, PHP, C#, C++ i Python, obliczenia kwantowe łączą kod, matematykę, fizykę i algorytmy, aby służyć określonemu celowi.
Ze względu na złożoną architekturę, kruchość oraz wysokie koszty rozwoju i wdrożenia komputery kwantowe nie są tworzone jako maszyny ogólnego przeznaczenia do użytku publicznego, są one projektowane do określonego celu i przypadku użycia. Z drugiej strony klasyczne komputery są powszechne i łatwo dostępne.
Komputery kwantowe mają wyższy wskaźnik błędów niż klasyczne komputery i wymagają dodatkowej ostrożności, na przykład trzymania w bardzo zimnym pomieszczeniu w celu regulacji ciepła. Natomiast klasyczne komputery mogą działać w temperaturze pokojowej.
Pod względem użyteczności obliczenia kwantowe nadają się do złożonych zadań, takich jak symulacje, optymalizacja, uczenie maszynowe i inne operacje wymagające dużych zasobów. Klasyczne przetwarzanie jest odpowiednie do zadań takich jak przetwarzanie tekstu, obliczenia w arkuszach kalkulacyjnych i inne zadania niewymagające dużej ilości zasobów.
Korzyści z obliczeń kwantowych
Korzyści z obliczeń kwantowych są ogromne, jeśli są używane prawidłowo. Poniżej przeanalizowaliśmy najważniejsze zalety.
- Szybkość: mogą przetwarzać dane tysiąc razy szybciej niż konwencjonalne komputery.
- Bezpieczeństwo: jego algorytm może być wykorzystany do poprawy cyfrowego szyfrowania i ochrony infrastruktury IT organizacji.
- Umiejętność rozwiązywania złożonych problemów: w 2019 roku Google twierdził, że jego Sycamore – 54-kubitowy procesor – wykonał obliczenia, których ukończenie w 200 sekund zajęłoby najszybszemu na świecie superkomputerowi 10 000 lat.
- Usprawnij wykrywanie oszustw: instytucje finansowe mogą wykorzystywać obliczenia kwantowe do tworzenia lepszych symulatorów handlu, projektowania efektywnych portfeli inwestycyjnych i usprawniania wykrywania oszustw.
- Badania: Pomaga naukowcom opracowywać lepsze modele i podejścia do rozwiązywania problemów w różnych branżach, takich jak badania nad lekami w opiece zdrowotnej i odkrycia chemiczne w produkcji.
Cechy komputerów kwantowych
Poniżej przedstawiono kluczowe cechy obliczeń kwantowych.
Nałożenie
Zdolność układów kwantowych do jednoczesnego istnienia w wielu stanach jest znana jako superpozycja. Klasyczne komputery mogą istnieć tylko w jednym stanie na raz (0 lub 1), co oznacza, że nie mają możliwości superpozycji.
Splątanie
Splątanie występuje, gdy dwa kubity są ze sobą połączone, a stan jednej cząstki wpływa na drugą, mimo że dzielą je kilometry. Jest często używany do tworzenia sieci kwantowych, umożliwiając komputerom kwantowym wymianę informacji.
Interferencja W systemach kwantowych interferencja jest produktem ubocznym superpozycji. Jest to zjawisko falowe, które występuje, gdy cząstki subatomowe wchodzą w interakcje i wpływają na nie.
Może być konstruktywna (gdy fale wzmacniają się nawzajem lub wzmacniają właściwą odpowiedź) lub destrukcyjna (gdy wzajemnie się znoszą).
Dekoherencja
Systemy kwantowe są delikatne i wrażliwe na otoczenie; zakłócenia z ich otoczenia mogą spowodować zanik kwantowego zachowania kubitów – przez co utracą one swoje możliwości kwantowe.
Na przykład szum może powodować wypadanie kubitów z superpozycji. Co więcej, nawet zmiany temperatury mogą wpływać na jego wydajność. Stąd potrzeba trzymania go w wysoce regulowanym i kontrolowanym środowisku.
Ograniczenia i wyzwania komputerów kwantowych
Chociaż obliczenia kwantowe mają wiele zalet, mają również pewne wady, o których warto wspomnieć.
- Dekoherencja: W przeciwieństwie do klasycznych komputerów, komputery kwantowe są wrażliwe na szum. Zakłócenie może spowodować, że wypadnie z superpozycji, zanim będzie mógł wykonać swoje zadania.
- Wymaga specjalisty: ze względu na swoją złożoność wymaga zróżnicowanej puli specjalistów kwantowych.
- Kwantowa korekcja błędów: podczas operacji obliczeniowych mogą wystąpić błędy, prowadzące do wątpliwych wyników. Wymagany jest system kwantowy odporny na uszkodzenia, aby wytrzymać zakłócenia z otoczenia.
Zastosowania i zastosowania komputerów kwantowych w życiu codziennym
# 1. Modelowanie finansowe
Rynek finansowy jest niestabilny i wysoce nieprzewidywalny. Dzięki komputerom kwantowym organizacje finansowe mogą symulować systemy finansowe i wykorzystywać tę technologię do modelowania inwestycji na podstawie oczekiwanych zwrotów.
Może być również stosowany w aspektach optymalizacji portfela, redukcji ryzyka i zarządzania, a także wyceny opcji. Ci, którzy przeprowadzają transakcje o dużej wartości, mogą wykorzystać obliczenia kwantowe do przewidywania rynków i analizowania globalnej gospodarki finansowej.
#2. Optymalizacja logistyki
Komputery kwantowe przodują, jeśli chodzi o gromadzenie danych w czasie rzeczywistym w celu optymalizacji logistyki łańcucha dostaw, zapasów i transportu. Organizacje muszą stale obliczać i przeliczać optymalne trasy zarządzania ruchem, operacji floty, kontroli ruchu lotniczego, frachtu i dystrybucji – jest to wykonalne przy użyciu klasycznych obliczeń.
Jednak w przypadku dużych organizacji o złożonych potrzebach związanych z łańcuchem dostaw proces ten może wymagać dużych zasobów, a obliczenia kwantowe mogą uratować sytuację.
#3. Lepsze akumulatory
Ponieważ pojazdy elektryczne (EV) stają się powszechne w naszym społeczeństwie, producenci wykorzystują możliwości obliczeń kwantowych do symulacji zachowania cząsteczek i materiałów oraz zrozumienia związków litu i chemii akumulatorów w celu optymalizacji ich żywotności.
Oprócz pojazdów elektrycznych obliczenia kwantowe mają również zastosowanie w magazynowaniu energii odnawialnej i urządzeniach mobilnych.
#4. Produkcja
Obliczenia kwantowe są wykorzystywane do ulepszania wielu aspektów produkcji. Analiza ekspercka opublikowana przez IBM Institute for Business Value podzieliła przypadki użycia obliczeń kwantowych w produkcji na cztery kategorie.
Odkryć
- Chemia
- Inżynieria materiałowa
- Fizyka materii skondensowanej
Projekt
- Analiza różnic skończonych
- Analiza strukturalna Hydro/aerodynamika
Kontrola
- Optymalizacja
- Nauczanie maszynowe
- Klasyfikacja
Dostarczać
- Łańcuch dostaw
- optymalizacja
- Modelowanie ryzyka
Ci, którzy przyjmą komputery kwantowe w tych kluczowych obszarach, uzyskają decydującą przewagę, ponieważ pomoże to obniżyć koszty produkcji i zwiększyć szybkość produkcji.
#5. Rozwój modeli klimatycznych
Obliczenia kwantowe mogą pomóc w rozwiązaniu trwałych problemów związanych ze zrównoważonym rozwojem, takich jak zmiana klimatu. Według raportu Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC), emisje gazów cieplarnianych muszą zostać znacznie ograniczone przed 2025 r., aby uniknąć poważnych katastrof klimatycznych. Obliczenia kwantowe można wykorzystać do zmniejszenia wpływu na klimat.
Produkcja amoniaku odpowiada za od 1 do 2% globalnych emisji dwutlenku węgla — obliczenia kwantowe mogą pomóc w opracowaniu alternatywnych źródeł czystej energii, takich jak lepsze akumulatory do pojazdów elektrycznych, energia słoneczna i nie tylko, w celu ułatwienia procesu dekarbonizacji ziemi. Może również ułatwić ulepszanie modeli w prognozowaniu klimatu i pogody, a także zarządzaniu siecią.
#6. Branża motoryzacyjna
Przemysł motoryzacyjny szybko przyjmuje technologię obliczeń kwantowych, co jest widoczne w partnerstwach między firmami zajmującymi się komputerami kwantowymi a producentami samochodów, w tym D-Wave Systems i Volkswagen; Zapata Computing i Bosch; a nawet IBM Quantum i Mercedes-Benz.
Producenci oryginalnego sprzętu (OEM) chcą wykorzystać obliczenia kwantowe do optymalizacji tras i zwiększenia trwałości materiałów.
#7. Rozwój samolotów
Firmy z branży lotniczej mogą wykorzystywać obliczenia kwantowe do wielu procesów, od optymalizacji planów lotów po modelowanie i cyfryzację samolotów. Airbus, korporacja lotnicza, która projektuje, produkuje i sprzedaje samoloty komercyjne, zainwestowała w IonQ, Q-CTRL i QC Ware, aby wykorzystać technologie kwantowe do opracowywania złożonych modeli samolotów.
#8. Rozwój leków
Klasyczne komputery są obecnie używane do przeprowadzania setek milionów symulacji molekularnych, ale istnieją ograniczenia co do wielkości cząsteczek, które mogą obliczyć. Obliczenia kwantowe umożliwiają badaniom i rozwojowi symulowanie dużych i złożonych cząsteczek w celu usprawnienia wspomaganego komputerowo odkrywania leków (CADD).
Firma McKinsey & Company poinformowała w 2021 r., że farmaceutyka wydaje około 15 procent swojej sprzedaży na badania i rozwój, co stanowi ponad 20 procent całkowitych wydatków na badania i rozwój we wszystkich branżach na całym świecie.
Ta inwestycja częściowo pomaga przemysłowi farmaceutycznemu znaleźć skuteczne sposoby opracowywania mikrocząsteczek i makrocząsteczek, które pomagają leczyć choroby i choroby. Dzięki komputerom kwantowym naukowcy mogą szybko zawieść i przyspieszyć rozwój leków z większą szansą na sukces.
#9. Nauczanie maszynowe
Zdolność komputerów kwantowych do przetwarzania dużych i złożonych danych czyni je dobrym kandydatem do uczenia maszynowego. Kwantowe uczenie maszynowe to dziedzina nauki, która integruje algorytmy kwantowe z programami uczenia maszynowego.
Algorytmy kwantowe mogą mieć przyspieszenie wielomianowe lub superwielomianowe (wykładnicze), co poprawia szybkość obliczeń. Dzięki kwantowemu uczeniu maszynowemu praktycy danych mogą opracowywać szybsze i bardziej zaawansowane algorytmy, rozwiązywać złożone wzorce danych oraz rozwijać aplikacje do przetwarzania obrazu komputerowego i uczenia się przez wzmacnianie.
Zasoby edukacyjne: Obliczenia kwantowe
W celu dalszej nauki zalecamy następujące zasoby.
# 1. Taniec z Qubitami
Ta książka, której autorem jest Robert S. Sutor, wyjaśnia, jak działają obliczenia kwantowe i ma zastosowanie do obliczeń naukowych i sztucznej inteligencji. Dancing with Qubits omawia różnice między komputerami klasycznymi i kwantowymi oraz opisuje przypadki ich użycia w różnych branżach.
Czytelnicy poznają również pojęcia takie jak superpozycja, splątanie i interferencja, a także obwody i algorytmy. Z tego zasobu dowiesz się o podstawach i podstawach obliczeń kwantowych.
#2. Obliczenia kwantowe: podejście stosowane
Napisany przez dyrektora generalnego SandboxAQ (Jack D. Hidary), firmy zajmującej się technologią kwantową, materiał ten łączy w sobie teorię i praktyczność obliczeń kwantowych, w tym kod praktyczny.
Książka składa się z trzech części: część pierwsza obejmuje podstawy obliczeń kwantowych i obwodów kwantowych, część druga wyjaśnia algorytmy obliczeń kwantowych i zawiera kod na temat aktualnych metod obliczeń kwantowych, a część trzecia obejmuje matematyczne aspekty obliczeń kwantowych.
#3. Komputery kwantowe dla każdego
Początkujący, którzy szukają materiałów all-inclusive, uznają ten zasób za korzystny. Obejmuje podstawy obliczeń kwantowych i wyjaśnia ich kluczowe elementy, takie jak kubity, splątanie i teleportacja kwantowa.
Autor tej książki, Chris Bernhardt, upraszcza matematykę stojącą za komputerami kwantowymi, a także wyjaśnia, jak zbudowane są komputery kwantowe, ułatwiając tym, którzy są nowicjuszami w dziedzinie komputerów kwantowych, zrozumienie procesu opracowywania systemów.
Wniosek
Firmy takie jak Google, IBM i Microsoft przodują w innowacjach rozwiązań do obliczeń kwantowych — uniwersytety również nie pozostają w tyle. Niedobór specjalistów od obliczeń kwantowych przyczynia się do jego powolnego postępu, a koszt budowy komputera kwantowego jest wysoki, a niewiele organizacji dysponuje zasobami potrzebnymi do jego stworzenia.
Chociaż obliczenia kwantowe niosą ze sobą wiele obietnic, to jeszcze ich nie ma. Minie kilka lat, zanim w pełni wykorzysta swój potencjał i stanie się powszechny jak klasyczne komputery.
Możesz także przeczytać o Fog Computing.