Co jsou kvantové počítače?

Kvantové počítače mají potenciál dramaticky zvýšit rozmanitost a přesnost výpočtů, otevírat nové aplikace pro počítače a vylepšovat naše modely fyzikálních jevů. Přestože kvantové počítače zaznamenávají rostoucí mediální pokrytí, mnozí si stále nejsou jisti, jak se kvantové počítače liší od běžných počítačů. Podívejme se, jak fungují kvantové počítače, některé jejich aplikace a jejich nadcházející budoucnost.

Co je to kvantový počítač?

Než budeme moci smysluplně prozkoumat, jak kvantové počítače pracovat, musíme nejprve definovat kvantové počítače. Krátká definice kvantového počítače je tato: počítač založený na kvantové mechanice, který je schopen provádět určité složité výpočty s mnohem větší účinností než tradiční počítače. To je rychlá definice kvantových počítačů, ale budeme chtít chvíli trvat, než skutečně pochopíme, co odděluje kvantové počítače od tradičních počítačů.

Běžné počítače kódují informace binárním systémem: reprezentujícím každý bit dat buď jako jedničku nebo nulu. Řady jedniček a nul jsou zřetězeny, aby reprezentovaly složité kusy informací, jako je text, obrázky a zvuk. Přesto v těchto binárních systémech mohou být informace vždy uloženy pouze jako jedničky a nuly, což znamená, že existuje tvrdý limit pro to, jak jsou data reprezentována a interpretována, a že jak se data stávají složitějšími, musí se nutně stávat delšími a delšími řetězci jedniček a nuly.

Důvod, proč jsou kvantové počítače schopny efektivněji ukládat a interpretovat data, je ten, že k reprezentaci dat nepoužívají bity, ale používají „qubits“. Qubity jsou subatomární částice jako fotony a elektrony. Qubity mají několik zajímavých vlastností, díky kterým jsou užitečné pro nové metody výpočtu. Qubity mají dvě vlastnosti, které mohou počítačoví inženýři využít: superpozice a zapletení.

Kvantové superpozice umožňují, aby qubity existovaly nejen v „jednom“ nebo „nulovém“ stavu, ale podél kontinua mezi těmito stavy, což znamená, že pomocí qubitů lze uchovávat více informací. Mezitím se kvantové zapletení týká jevu, kdy lze generovat páry qubitů, a pokud se změní jeden qubit, změní se i druhý qubit, a to předvídatelným způsobem. Tyto kvantové vlastnosti lze použít k reprezentaci a strukturování složitých dat efektivněji.

Jak fungují kvantové počítače

Kvantové „superpozice“ získaly svůj název podle skutečnosti, že mohou být ve více než jedné pozici současně. Zatímco bity mohou být pouze ve dvou pozicích, qubity mohou existovat ve více stavech najednou.

Částečně díky existenci kvantových superpozic je kvantový počítač schopen vypočítat mnoho různých potenciálních výsledků současně. Jakmile jsou výpočty provedeny, změří se qubity, což vytvoří konečný výsledek kolapsem kvantového stavu na 0 nebo 1, což znamená, že výsledek může být interpretován tradičními počítači.

Výzkumníci a inženýři kvantové výpočetní techniky mohou změnit polohu qubitů pomocí mikrovln nebo přesných laserů.

Počítačoví inženýři mohou využít kvantové zapletení k dramatickému zlepšení výpočetního výkonu počítačů. Kvantové provázání odkazuje na skutečnost, že dva qubity lze propojit tak, že změna jednoho z qubitů spolehlivě změní druhý qubit. Není zcela pochopeno, proč qubity mohou vytvořit takový vztah nebo jak tento jev přesně funguje, ale vědci to chápou dostatečně dobře, aby toho potenciálně využili pro kvantové počítače. Díky kvantovému zapletení přidání dalších qubitů do kvantového stroje nejen zdvojnásobí výpočetní výkon počítače, ale může exponenciálně škálovat výpočetní výkon.

Pokud se to všechno zdálo příliš abstraktní, můžeme popsat, jak jsou superpozice užitečné, představou bludiště. Aby se normální počítač pokusil vyřešit bludiště, musí vyzkoušet každou cestu bludiště, dokud nenajde úspěšnou cestu. Kvantový počítač by však v podstatě mohl prozkoumat všechny různé cesty najednou, protože není vázán na žádný daný stav.

To vše znamená, že díky vlastnostem zapletení a superpozic jsou kvantové počítače užitečné, protože se umí vypořádat s nejistotou, jsou schopny prozkoumat více možných stavů a ​​výsledků. Kvantové počítače pomohou vědcům a inženýrům lépe modelovat a porozumět situacím, které jsou mnohostranné a s mnoha proměnnými.

K čemu slouží kvantové počítače?

Nyní, když máme lepší intuici, jak fungují kvantové počítače, pojďme prozkoumat možné případy použití pro kvantové počítače.

Již jsme se zmiňovali o tom, že kvantové počítače lze použít k provádění tradičních výpočtů mnohem rychlejším tempem. Kvantovou počítačovou technologií však lze dosáhnout věcí, které s tradičními počítači ani nejsou možné nebo jsou vysoce nepraktické.

Jedna z nejslibnějších a nejzajímavějších aplikací kvantových počítačů je v oblasti umělé inteligence. Kvantové počítače mají sílu vylepšovat modely vytvořené neuronovými sítěmi a také software, který je podporuje. Google k tomu v současnosti využívá své kvantové počítače pomáhat při vytváření samořiditelných vozidel.

Kvantové počítače také hrají roli v analýze chemické interakce a reakce. I ty nejpokročilejší normální počítače dokážou pouze modelovat reakce mezi relativně jednoduchými molekulami, čehož dosahují simulací vlastností dotyčných molekul. Kvantové počítače však umožňují výzkumníkům vytvářet modely, které mají přesné kvantové vlastnosti jako molekuly, které zkoumají. Rychlejší a přesnější modelování molekul by pomohlo při vytváření nových terapeutických léků a nových materiálů pro použití při vytváření energetických technologií, jako jsou účinnější solární panely.

Lze použít i kvantové počítače lépe předpovídat počasí. Počasí je soutokem mnoha událostí a vzorce používané k předpovědi počasí jsou složité a obsahují mnoho proměnných. Provedení všech výpočtů potřebných k předpovědi počasí může trvat extrémně dlouho, během nichž se mohou vyvíjet i samotné povětrnostní podmínky. Naštěstí rovnice používané k předpovědi počasí mají vlnovou povahu, kterou kvantový počítač dokáže využít. Kvantové počítače mohou výzkumníkům pomoci vytvořit přesnější klimatické modely, které jsou nezbytné ve světě, kde se klima mění.

Kvantové počítače a algoritmy lze také použít k zajištění ochrany osobních údajů. Kvantová kryptografie využívá princip kvantové neurčitosti, kde jakýkoli pokus změřit objekt skončí provedením změn tohoto objektu. Pokusy o zachycení komunikace by ovlivnily výslednou komunikaci a ukázaly by známky manipulace.

Budoucnost kvantového počítání

Většina použití kvantových počítačů bude omezena na akademiky a podniky. Je nepravděpodobné, že spotřebitelé / široká veřejnost dostanou kvanta smartphonů, alespoň ne v dohledné době. K provozu kvantového počítače totiž vyžaduje specializované vybavení. Kvantové počítače jsou vysoce citlivé na rušení, protože i ty nejmenší změny v okolním prostředí mohou způsobit, že qubity posunou polohu a vypadnou ze stavu superpozice. Tomu se říká dekoherence a je to jeden z důvodů, proč se zdá, že pokroky v kvantových počítačích přicházejí tak pomalu ve srovnání s běžnými počítači. Kvantové počítače obvykle potřebují pracovat v podmínkách extrémně nízkých teplot, izolované od ostatních elektrických zařízení.

I přes všechna opatření se hluku stále daří vytvářet chyby ve výpočtech a výzkumníci hledají způsoby, jak učinit qubity spolehlivějšími. K dosažení kvantové nadvlády, kde kvantový počítač plně zastíní výkon současného superpočítače, je třeba qubity propojit. Skutečně kvantový nejvyšší počítač by mohl vyžadovat tisíce qubitů, ale ty nejlepší dnešní kvantové počítače mohou obvykle se zabývají pouze kolem 50 qubitů. Výzkumníci se neustále snaží vytvářet stabilnější a spolehlivější qubity. Odborníci v oblasti kvantových počítačů předpovídají, že výkonná a spolehlivá kvantová zařízení může tu být do deseti let.