Какво представляват квантовите компютри?

Квантовите компютри имат потенциала драстично да увеличат разнообразието и точността на изчисленията, отваряйки нови приложения за компютри и подобрявайки нашите модели на физически феномени. И все пак, докато квантовите компютри виждат нарастващо медийно отразяване, мнозина все още не са сигурни как квантовите компютри се различават от обикновените компютри. Нека да разгледаме как работят квантовите компютри, някои от техните приложения и предстоящото им бъдеще.

Какво е квантов компютър?

Преди да можем смислено да изследваме как квантовите компютри работи, първо трябва да дефинираме квантови компютри. Кратката дефиниция на квантов компютър е следната: компютър, базиран на квантовата механика, който е в състояние да извършва определени сложни изчисления с много по-голяма ефективност от традиционните компютри. Това е кратко определение на квантовите компютри, но ще искаме да отделим известно време, за да разберем наистина какво отличава квантовите компютри от традиционните компютри.

Обикновените компютри кодират информация с двоична система: представяйки всеки бит от данните като единица или нула. Поредици от единици и нули са верижно свързани, за да представят сложни части от информация като текст, изображения и аудио. И все пак в тези двоични системи информацията може да се съхранява само като единици и нули, което означава, че има твърдо ограничение за това как данните се представят и интерпретират и че когато данните стават по-сложни, те задължително трябва да стават все по-дълги низове от единици и нули.

Причината квантовите компютри да могат по-ефективно да съхраняват и интерпретират данни е, че те не използват битове за представяне на данни, а по-скоро използват „qubits”. Кубитите са субатомни частици като фотони и електрони. Кубитите имат няколко интересни свойства, които ги правят полезни за нови методи на изчисление. Qubits имат две свойства, от които компютърните инженери могат да се възползват: суперпозиции и заплитане.

Квантовите суперпозиции позволяват на кубитите да съществуват не само в състояние „едно“ или състояние „нула“, но и в континуум между тези състояния, което означава, че повече информация може да се съхранява с помощта на кубити. Междувременно квантовото заплитане се отнася до феномен, при който могат да се генерират двойки кубити и ако един кубит се промени, другият кубит също се променя по предвидим начин. Тези квантови свойства могат да се използват за представяне и структуриране на сложни данни по по-ефективни начини.

Как работят квантовите компютри

Квантовите „суперпозиции“ получават името си от факта, че могат да бъдат в повече от една позиция едновременно. Докато битовете могат да бъдат само в две позиции, кубитите могат да съществуват в множество състояния наведнъж.

Отчасти благодарение на съществуването на квантови суперпозиции, квантовият компютър е способен да изчислява много различни потенциални резултати едновременно. След като изчисленията са направени, кубитите се измерват, което създава краен резултат чрез колапса на квантовото състояние до 0 или 1, което означава, че след това резултатът може да бъде интерпретиран от традиционните компютри.

Изследователите и инженерите на квантовите компютри могат да променят позицията, в която се намират кубитите, като използват микровълни или прецизни лазери.

Компютърните инженери могат да се възползват от квантовото заплитане, за да подобрят драматично процесорната мощ на компютрите. Квантовото заплитане се отнася до факта, че два кубита могат да бъдат свързани заедно по такъв начин, че промяната на единия кубит променя другия кубит по надежден начин. Не е напълно разбрано защо кубитите могат да установят такава връзка или как точно работи този феномен, но учените го разбират достатъчно добре, за да се възползват потенциално от него за квантовите компютри. Поради квантовото заплитане, добавянето на допълнителни кубити към квантовата машина не само удвоява мощността на обработка на компютъра, но може да увеличи мощността на обработка експоненциално.

Ако всичко това изглежда твърде абстрактно, можем да опишем колко полезни са суперпозициите, като си представим лабиринт. За да може един нормален компютър да се опита да реши лабиринт, той трябва да изпробва всеки път от лабиринта, докато намери успешен маршрут. Въпреки това, един квантов компютър може по същество да изследва всички различни пътища наведнъж, тъй като не е обвързан с нито едно дадено състояние.

Всичко това означава, че свойствата на заплитането и суперпозициите правят квантовите компютри полезни, защото могат да се справят с несигурността, способни са да изследват повече възможни състояния и резултати. Квантовите компютри ще помогнат на учените и инженерите да моделират по-добре и да разберат ситуации, които са многостранни, с много променливи.

За какво се използват квантовите компютри?

Сега, когато имаме по-добра интуиция за това как работят квантовите компютри, нека проучим възможното случаи на използване на квантовите компютри.

Вече споменахме факта, че квантовите компютри могат да се използват за извършване на традиционни изчисления с много по-бързи темпове. Въпреки това, квантовата компютърна технология може да се използва за постигане на неща, които може дори да не са възможни или са крайно непрактични с традиционните компютри.

Едно от най-обещаващите и интересни приложения на квантовите компютри е в областта на изкуствения интелект. Квантовите компютри имат силата да подобряват моделите, създадени от невронни мрежи, както и софтуера, който ги поддържа. В момента Google използва своите квантови компютри за подпомагат създаването на самоуправляващи се превозни средства.

Квантовите компютри също играят роля в анализа на химични взаимодействия и реакции. Дори най-напредналите нормални компютри могат да моделират само реакции между сравнително прости молекули, което те постигат чрез симулиране на свойствата на въпросните молекули. Квантовите компютри обаче позволяват на изследователите да създават модели, които имат точните квантови свойства като молекулите, които изследват. По-бързото и по-точно моделиране на молекули би помогнало за създаването на нови терапевтични лекарства и нови материали за използване при създаването на енергийни технологии, като например по-ефективни слънчеви панели.

Могат да се използват и квантови компютри за по-добро прогнозиране на времето. Времето е съвкупност от много събития и формулите, използвани за прогнозиране на метеорологичните модели, са сложни и съдържат много променливи. Може да отнеме изключително много време, за да се извършат всички изчисления, необходими за прогнозиране на времето, през което самите метеорологични условия могат да се променят. За щастие, уравненията, използвани за прогнозиране на времето, имат вълнова природа, която квантовият компютър може да използва. Квантовите компютри могат да помогнат на изследователите да изградят по-точни климатични модели, които са необходими в свят, в който климатът се променя.

Квантовите компютри и алгоритми също могат да се използват, за да се гарантира поверителността на данните на хората. Квантова криптография използва принципа на квантовата несигурност, при който всеки опит за измерване на обект завършва с промени в този обект. Опитите за прихващане на комуникации биха повлияли на получената комуникация и биха показали доказателства за манипулиране.

Бъдещето на квантовите изчисления

Повечето от употребите на квантовите компютри ще бъдат ограничени до академичните среди и бизнеса. Малко вероятно е потребителите/широката публика да получат квантови смартфони, поне не в скоро време. Това е така, защото изисква специализирано оборудване за работа с квантов компютър. Квантовите компютри са силно чувствителни към смущения, тъй като дори най-малките промени в околната среда могат да накарат кубитите да изместят позицията си и да излязат от състоянието на суперпозиция. Това се нарича декохерентност и е една от причините напредъкът в квантовите компютри да изглежда толкова бавен в сравнение с обикновените компютри. Квантовите компютри обикновено трябва да работят в условия на изключително ниски температури, изолирани от друго електрическо оборудване.

Дори и с всички предпазни мерки, шумът все още успява да създаде грешки в изчисленията и изследователите търсят начини да направят кубитите по-надеждни. За да се постигне квантово превъзходство, където квантовият компютър напълно засенчва мощността на настоящ суперкомпютър, кубитите трябва да бъдат свързани заедно. Един наистина квантов върховен компютър може да изисква хиляди кубити, но най-добрите квантови компютри днес могат обикновено се справят само с около 50 кубита. Изследователите непрекъснато проправят път към създаването на по-стабилни и надеждни кубити. Експерти в областта на квантовите компютри прогнозират, че това са мощни и надеждни квантови устройства може да бъде тук след десетилетие.