Что такое квантовые компьютеры?

Квантовые компьютеры имеют потенциал значительно увеличить разнообразие и точность вычислений, открывая новые применения для компьютеров и улучшая наши модели физических явлений. Однако, хотя квантовые компьютеры получают все больше внимания в СМИ, многие все еще не уверены, как квантовые компьютеры отличаются от обычных компьютеров. Давайте рассмотрим, как работают квантовые компьютеры, некоторые из их применений и их будущее.

Что такое квантовый компьютер?

Прежде чем мы сможем осмысленно рассмотреть, как квантовые компьютеры работают, нам нужно сначала определить квантовые компьютеры. Короткое определение квантового компьютера следующее: компьютер, основанный на квантовой механике, который может выполнять определенные сложные вычисления с гораздо большей эффективностью, чем традиционные компьютеры. Это быстрое определение квантовых компьютеров, но мы хотим потратить некоторое время, чтобы действительно понять, что отличает квантовые компьютеры от традиционных компьютеров.

Обычные компьютеры кодируют информацию с помощью двоичной системы: представляя каждую единицу данных как единицу или ноль. Серии единиц и нулей соединяются вместе, чтобы представить сложные части информации, такие как текст, изображения и аудио. Однако в этих двоичных системах информация может быть хранена только как единицы и нули, что означает, что существует жесткий предел того, как данные представлены и интерпретируются, и что по мере увеличения сложности данных они должны обязательно становиться длиннее и длиннее строками единиц и нулей.

Причина, по которой квантовые компьютеры могут более эффективно хранить и интерпретировать данные, заключается в том, что они не используют биты для представления данных, а используют “кубиты“. Кубиты – это субатомные частицы, такие как фотоны и электроны. Кубиты имеют несколько интересных свойств, которые могут быть использованы для новых методов вычислений. Кубиты имеют два свойства, которые могут быть использованы компьютерными инженерами: суперпозиции и запутанность.

Квантовые суперпозиции позволяют кубитам существовать не только в состоянии “единица” или “ноль”, но и вдоль континуума между этими состояниями, что означает, что может быть хранена более информация с помощью кубитов. Тем временем квантовая запутанность относится к явлению, при котором пары кубитов могут быть сгенерированы, и если один кубит изменен, другой кубит изменяется в предсказуемом порядке. Эти квантовые свойства могут быть использованы для представления и структурирования сложных данных более эффективными способами.

Как работают квантовые компьютеры

Квантовые “суперпозиции” получили свое название оттого, что они могут находиться в более чем одном положении одновременно. Хотя биты могут находиться только в двух положениях, кубиты могут существовать в нескольких состояниях одновременно.

Благодаря существованию квантовых суперпозиций квантовый компьютер может рассчитывать многие разные потенциальные результаты одновременно. Как только вычисления выполнены, кубиты измеряются, что создает окончательный результат путем коллапса квантового состояния к 0 или 1, что означает, что результат может быть затем интерпретирован традиционными компьютерами.

Исследователи и инженеры квантовых компьютеров могут изменить положение кубитов, используя микроволны или точные лазеры.

Компьютерные инженеры могут использовать квантовую запутанность, чтобы значительно улучшить мощность компьютеров. Квантовая запутанность относится к тому, что два кубита могут быть связаны вместе таким образом, что изменение одного кубита изменяет другой кубит предсказуемым образом. Не до конца понятно, почему кубиты могут установить такое отношение или как это явление работает точно, но ученые понимают это достаточно хорошо, чтобы потенциально использовать его для квантовых компьютеров. Благодаря квантовой запутанности добавление дополнительных кубитов к квантовой машине не только удваивает мощность компьютера, но и может масштабировать мощность экспоненциально.

Если все это показалось немного абстрактным, мы можем описать, как суперпозиции полезны, представив себе лабиринт. Для того чтобы обычный компьютер попытался решить лабиринт, он должен попробовать каждый путь лабиринта, пока не найдет успешный маршрут. Однако квантовый компьютер может по сути исследовать все разные пути одновременно, поскольку он не привязан к какому-либо одному состоянию.

Все это говорит о том, что свойства запутанности и суперпозиций делают квантовые компьютеры полезными, потому что они могут справиться с неопределенностью, они способны исследовать больше возможных состояний и результатов. Квантовые компьютеры помогут ученым и инженерам лучше моделировать и понимать ситуации, которые являются многогранными, с множеством переменных.

Для чего используются квантовые компьютеры?

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

Мы уже упоминали, что квантовые компьютеры могут быть использованы для выполнения традиционных вычислений с гораздо большей скоростью. Однако технология квантовых компьютеров может быть использована для достижения вещей, которые могут быть невозможны или очень непрактичны с традиционными компьютерами.

Одним из самых перспективных и интересных применений квантовых компьютеров является область искусственного интеллекта. Квантовые компьютеры имеют силу улучшить модели, созданные нейронными сетями, а также программное обеспечение, которое их поддерживает. Google в настоящее время использует свои квантовые компьютеры для помощи в создании самоходных транспортных средств.

Квантовые компьютеры также играют роль в анализе химических взаимодействий и реакций. Даже самые передовые обычные компьютеры могут моделировать реакции только между относительно простыми молекулами, которые они достигают,模улируя свойства молекул в вопросе. Квантовые компьютеры, однако, позволяют исследователям создавать модели, которые имеют точные квантовые свойства, как молекулы, которые они исследуют. Более быстрое и точное моделирование молекул будет способствовать созданию новых терапевтических препаратов и новых материалов для использования в создании энергетических технологий, таких как более эффективные солнечные панели.

Квантовые компьютеры также могут быть использованы для лучшего прогнозирования погоды. Погода – это совокупность многих событий, и формулы, используемые для прогнозирования погодных условий, сложны и содержат много переменных. Это может занять очень долгое время, чтобы выполнить все необходимые вычисления для прогнозирования погоды, в течение которого сами погодные условия могут измениться. К счастью, уравнения, используемые для прогнозирования погоды, имеют волновую природу, которую квантовый компьютер может использовать. Квантовые компьютеры могут помочь исследователям создать более точные модели климата, которые необходимы в мире, где климат меняется.

Квантовые компьютеры и алгоритмы также могут быть использованы для обеспечения конфиденциальности данных людей. Квантовая криптография использует принцип неопределенности, где любая попытка измерить объект приводит к изменениям в этом объекте. Попытки перехватить сообщения повлияют на результирующее сообщение и покажут доказательства вмешательства.

Будущее квантовых компьютеров

Большинство применений квантовых компьютеров будут ограничены академией и бизнесом. Вряд ли потребители/общественность получат квантовые смартфоны, по крайней мере, не скоро. 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 вызвать смещение кубитов и выход из суперпозиционного состояния. Это называется декогеренцией, и это одна из причин, по которой достижения в квантовых компьютерах кажутся такими медленными по сравнению с обычными компьютерами. Квантовые компьютеры обычно должны работать в условиях экстремально низких температур, изолированных от другого электрооборудования.

Даже с всеми предосторожностями шум все равно создает ошибки в расчетах, и исследователи ищут способы сделать кубиты более надежными. Чтобы достичь квантового превосходства, где квантовый компьютер полностью превосходит мощность современного суперкомпьютера, кубиты необходимо связать вместе. На самом деле квантово-верхний компьютер может потребовать тысяч кубитов, но лучшие квантовые компьютеры сегодня могут обычно иметь дело только с около 50 кубитами. Исследователи постоянно делают успехи в создании более стабильных и надежных кубитов. Эксперты в области квантовых компьютеров предсказывают, что мощные и надежные квантовые устройства могут появиться в течение десятилетия.