Что такое квантовые компьютеры?

Квантовые компьютеры могут значительно увеличить разнообразие и точность вычислений, открыв новые приложения для компьютеров и улучшив наши модели физических явлений. Тем не менее, хотя квантовые компьютеры все чаще освещаются в средствах массовой информации, многие до сих пор не уверены в том, чем квантовые компьютеры отличаются от обычных компьютеров. Давайте рассмотрим, как работают квантовые компьютеры, некоторые их применения и их ближайшее будущее.

Что такое квантовый компьютер?

Прежде чем мы сможем осмысленно изучить, как квантовые компьютеры работать, нам нужно сначала определить квантовые компьютеры. Краткое определение квантового компьютера таково: компьютер, основанный на квантовой механике, способный выполнять определенные сложные вычисления с гораздо большей эффективностью, чем традиционные компьютеры. Это краткое определение квантовых компьютеров, но нам потребуется некоторое время, чтобы действительно понять, что отличает квантовые компьютеры от традиционных компьютеров.

Обычные компьютеры кодируют информацию в двоичной системе: каждый бит данных представляется либо единицей, либо нулем. Последовательности единиц и нулей связаны вместе для представления сложных фрагментов информации, таких как текст, изображения и аудио. Тем не менее, в этих двоичных системах информация может храниться только в виде единиц и нулей, а это означает, что существует жесткое ограничение на то, как данные представляются и интерпретируются, и что по мере того, как данные становятся более сложными, они обязательно должны становиться все более и более длинными последовательностями единиц и нули.

Причина, по которой квантовые компьютеры могут более эффективно хранить и интерпретировать данные, заключается в том, что они не используют биты для представления данных, а используюткубиты». Кубиты — это субатомные частицы, такие как фотоны и электроны. У кубитов есть пара интересных свойств, которые делают их полезными для новых методов вычислений. У кубитов есть два свойства, которыми могут воспользоваться компьютерные инженеры: суперпозиции и запутанность.

Квантовые суперпозиции позволяют кубитам существовать не только в «единичном» или «нулевом» состоянии, но и в континууме между этими состояниями, а это означает, что с помощью кубитов можно хранить больше информации. Между тем, квантовая запутанность относится к явлению, когда могут генерироваться пары кубитов, и если один кубит изменяется, другой кубит также изменяется предсказуемым образом. Эти квантовые свойства можно использовать для более эффективного представления и структурирования сложных данных.

Как работают квантовые компьютеры

Квантовые «суперпозиции» получили свое название из-за того, что они могут находиться более чем в одном положении одновременно. В то время как биты могут находиться только в двух позициях, кубиты могут находиться в нескольких состояниях одновременно.

Отчасти благодаря существованию квантовых суперпозиций квантовый компьютер способен одновременно вычислять множество различных потенциальных результатов. После завершения вычислений кубиты измеряются, что создает окончательный результат за счет коллапса квантового состояния до 0 или 1, что означает, что результат может быть интерпретирован традиционными компьютерами.

Исследователи и инженеры в области квантовых вычислений могут изменить положение кубитов, используя микроволны или прецизионные лазеры.

Компьютерные инженеры могут воспользоваться преимуществами квантовой запутанности, чтобы значительно повысить вычислительную мощность компьютеров. Квантовая запутанность относится к тому факту, что два кубита могут быть связаны друг с другом таким образом, что изменение одного из кубитов надежно изменяет другой кубит. Не совсем понятно, почему кубиты могут устанавливать такие отношения или как именно работает это явление, но ученые понимают его достаточно хорошо, чтобы потенциально использовать его для квантовых компьютеров. Из-за квантовой запутанности добавление дополнительных кубитов к квантовой машине не просто удваивает вычислительную мощность компьютера, но может экспоненциально масштабировать вычислительную мощность.

Если все это показалось вам слишком абстрактным, мы можем описать, как полезны суперпозиции, представив себе лабиринт. Чтобы обычный компьютер попытался пройти лабиринт, он должен попробовать каждый путь лабиринта, пока не найдет успешный маршрут. Однако квантовый компьютер мог бы одновременно исследовать все различные пути, поскольку он не привязан к какому-то одному заданному состоянию.

Все это говорит о том, что свойства запутанности и суперпозиции делают квантовые компьютеры полезными, потому что они могут работать с неопределенностью, они способны исследовать больше возможных состояний и результатов. Квантовые компьютеры помогут ученым и инженерам лучше моделировать и понимать многогранные ситуации со многими переменными.

Для чего используются квантовые компьютеры?

Теперь, когда у нас есть лучшее представление о том, как работают квантовые компьютеры, давайте рассмотрим возможные Варианты использования квантовых компьютеров.

Мы уже упоминали о том, что квантовые компьютеры можно использовать для выполнения традиционных вычислений в гораздо более быстром темпе. Однако квантовая компьютерная технология может использоваться для достижения целей, которые могут быть даже невозможны или крайне непрактичны с традиционными компьютерами.

Одно из самых многообещающих и интересных применений квантовых компьютеров находится в области искусственного интеллекта. Квантовые компьютеры способны улучшить модели, созданные нейронными сетями, а также программное обеспечение, которое их поддерживает. В настоящее время Google использует свои квантовые компьютеры для помощь в создании беспилотных автомобилей.

Квантовые компьютеры также играют важную роль в анализе химические взаимодействия и реакции. Даже самые продвинутые обычные компьютеры могут моделировать только реакции между относительно простыми молекулами, чего они достигают, моделируя свойства рассматриваемых молекул. Однако квантовые компьютеры позволяют исследователям создавать модели, обладающие точно такими же квантовыми свойствами, как и молекулы, которые они исследуют. Более быстрое и точное моделирование молекул поможет в создании новых терапевтических препаратов и новых материалов для использования в энергетических технологиях, таких как более эффективные солнечные панели.

Квантовые компьютеры также могут быть использованы чтобы лучше предсказывать погоду. Погода — это слияние многих событий, и формулы, используемые для прогнозирования погодных условий, сложны и содержат множество переменных. Выполнение всех расчетов, необходимых для прогнозирования погоды, может занять очень много времени, в течение которого сами погодные условия могут меняться. К счастью, уравнения, используемые для предсказания погоды, имеют волновую природу, которую может использовать квантовый компьютер. Квантовые компьютеры могут помочь исследователям построить более точные климатические модели, которые необходимы в мире, где климат меняется.

Квантовые компьютеры и алгоритмы также могут использоваться для обеспечения конфиденциальности данных людей. Квантовая криптография использует принцип квантовой неопределенности, когда любая попытка измерить объект приводит к изменению этого объекта. Попытки перехватить сообщения повлияют на итоговое сообщение и продемонстрируют доказательства несанкционированного доступа.

Будущее квантовых вычислений

Большинство применений квантовых компьютеров будет ограничено академическими кругами и предприятиями. Маловероятно, что потребители/широкая публика получат квантовые смартфоны, по крайней мере, не в ближайшее время. Это связано с тем, что для работы квантового компьютера требуется специальное оборудование. Квантовые компьютеры очень чувствительны к помехам, поскольку даже самые незначительные изменения в окружающей среде могут привести к тому, что кубиты сместятся и выйдут из состояния суперпозиции. Это называется декогеренцией, и это одна из причин, по которой квантовые компьютеры продвигаются так медленно по сравнению с обычными компьютерами. Квантовые компьютеры обычно должны работать в условиях экстремально низких температур, изолированных от другого электрического оборудования.

Даже со всеми предосторожностями шум все же умудряется создавать ошибки в расчетах, и исследователи ищут способы сделать кубиты более надежными. Чтобы достичь квантового превосходства, когда квантовый компьютер полностью затмевает мощность современного суперкомпьютера, кубиты должны быть связаны друг с другом. По-настоящему квантовому суперкомпьютеру могут потребоваться тысячи кубитов, но лучшие квантовые компьютеры сегодня могут обычно имеют дело только с 50 кубитами. Исследователи постоянно работают над созданием более стабильных и надежных кубитов. Специалисты в области квантовых компьютеров прогнозируют, что мощные и надежные квантовые устройства может быть здесь в течение десятилетия.