Що таке квантові комп'ютери?

Квантові комп’ютери мають потенціал значно збільшити різноманітність і точність обчислень, відкриваючи нові програми для комп’ютерів і покращуючи наші моделі фізичних явищ. Хоча квантові комп’ютери все частіше висвітлюються в засобах масової інформації, багато хто досі не впевнені, чим квантові комп’ютери відрізняються від звичайних комп’ютерів. Давайте розглянемо, як працюють квантові комп’ютери, деякі з їхніх застосувань і майбутнє.

Що таке квантовий комп'ютер?

Перш ніж ми зможемо змістовно вивчити, як квантові комп’ютери працювати, нам потрібно спочатку визначити квантові комп'ютери. Коротке визначення квантового комп’ютера таке: комп’ютер, заснований на квантовій механіці, здатний виконувати певні складні обчислення з набагато більшою ефективністю, ніж традиційні комп’ютери. Це коротке визначення квантових комп’ютерів, але нам потрібно витратити трохи часу, щоб справді зрозуміти, чим квантові комп’ютери відрізняються від традиційних.

Звичайні комп’ютери кодують інформацію за допомогою двійкової системи: кожен біт даних представляється як одиниця або нуль. Серії одиниць і нулів об’єднані разом, щоб представити складні фрагменти інформації, як-от текст, зображення та аудіо. Проте в цих двійкових системах інформація може зберігатися лише у вигляді одиниць і нулів, а це означає, що існує жорстке обмеження на те, як дані представлено та інтерпретовано, і що коли дані стають складнішими, вони обов’язково повинні ставати довшими й довшими рядками одиниць і нулі.

Причина, по якій квантові комп’ютери можуть більш ефективно зберігати та інтерпретувати дані, полягає в тому, що вони не використовують біти для представлення даних, а використовують «кубіти”. Кубіти - це субатомні частинки, такі як фотони та електрони. Кубіти мають кілька цікавих властивостей, які роблять їх корисними для нових методів обчислень. Кубіти мають дві властивості, якими комп’ютерні інженери можуть скористатися: суперпозиції та заплутування.

Квантові суперпозиції дозволяють кубітам існувати не тільки в стані «один» або «нуль», а й уздовж континууму між цими станами, тобто за допомогою кубітів можна зберігати більше інформації. Тим часом, квантова заплутаність відноситься до явища, коли пари кубітів можуть генеруватися, і якщо один кубіт змінюється, інший кубіт також змінюється передбачуваним способом. Ці квантові властивості можна використовувати для більш ефективного представлення та структурування складних даних.

Як працюють квантові комп'ютери

Квантові «суперпозиції» отримали свою назву через те, що вони можуть перебувати в кількох положеннях одночасно. Хоча біти можуть перебувати лише в двох положеннях, кубіти можуть існувати в кількох станах одночасно.

Частково завдяки існуванню квантових суперпозицій квантовий комп’ютер здатний обчислювати багато різних потенційних результатів одночасно. Після завершення обчислень кубіти вимірюються, що створює кінцевий результат шляхом колапсу квантового стану до 0 або 1, тобто результат може бути інтерпретований традиційними комп’ютерами.

Дослідники та інженери квантових обчислень можуть змінити положення кубітів за допомогою мікрохвиль або точних лазерів.

Комп’ютерні інженери можуть скористатися перевагами квантової заплутаності, щоб значно підвищити обчислювальну потужність комп’ютерів. Квантова заплутаність стосується того факту, що два кубіти можуть бути пов’язані між собою таким чином, що зміна одного з кубітів надійно змінює інший кубіт. До кінця не зрозуміло, чому кубіти можуть встановлювати такий зв’язок або як саме працює це явище, але вчені розуміють це досить добре, щоб потенційно скористатися цим для квантових комп’ютерів. Через квантову заплутаність додавання додаткових кубітів до квантової машини не просто подвоює обчислювальну потужність комп’ютера, а може експоненціально збільшувати обчислювальну потужність.

Якщо все це здається надто абстрактним, ми можемо описати, наскільки корисні суперпозиції, уявивши лабіринт. Щоб звичайний комп’ютер спробував розгадати лабіринт, він повинен спробувати кожен шлях лабіринту, поки не знайде успішний маршрут. Однак квантовий комп’ютер може по суті досліджувати всі різні шляхи одночасно, оскільки він не прив’язаний до жодного стану.

Все це означає, що властивості заплутаності та суперпозиції роблять квантові комп’ютери корисними, оскільки вони можуть мати справу з невизначеністю, вони здатні досліджувати більше можливих станів і результатів. Квантові комп’ютери допоможуть вченим та інженерам краще моделювати та розуміти багатогранні ситуації з багатьма змінними.

Для чого використовуються квантові комп’ютери?

Тепер, коли ми маємо краще інтуїтивне уявлення про те, як працюють квантові комп’ютери, давайте досліджуватимемо можливі випадки використання квантових комп’ютерів.

Ми вже згадували про те, що квантові комп’ютери можна використовувати для виконання традиційних обчислень набагато швидше. Однак технологія квантового комп’ютера може бути використана для досягнення речей, які можуть навіть бути неможливими або вкрай непрактичними за допомогою традиційних комп’ютерів.

Одне з найбільш перспективних і цікавих застосувань квантових комп’ютерів – це сфера штучного інтелекту. Квантові комп’ютери здатні покращувати моделі, створені нейронними мережами, а також програмне забезпечення, яке їх підтримує. Зараз Google використовує свої квантові комп’ютери, щоб сприяти створенню безпілотних автомобілів.

Квантові комп’ютери також відіграють певну роль в аналізі хімічні взаємодії та реакції. Навіть найдосконаліші звичайні комп’ютери можуть лише моделювати реакції між відносно простими молекулами, чого вони досягають шляхом моделювання властивостей відповідних молекул. Однак квантові комп’ютери дозволяють дослідникам створювати моделі, які мають точні квантові властивості, як і молекули, які вони досліджують. Швидше та точніше моделювання молекул допоможе у створенні нових терапевтичних препаратів і нових матеріалів для використання у створенні енергетичних технологій, таких як більш ефективні сонячні панелі.

Також можна використовувати квантові комп’ютери щоб краще передбачати погоду. Погода є сукупністю багатьох подій, і формули, які використовуються для прогнозування погодних умов, є складними та містять багато змінних. Виконання всіх розрахунків, необхідних для прогнозування погоди, може зайняти дуже багато часу, протягом якого можуть змінюватися самі погодні умови. На щастя, рівняння, які використовуються для прогнозування погоди, мають хвильову природу, яку може використовувати квантовий комп’ютер. Квантові комп’ютери можуть допомогти дослідникам побудувати більш точні кліматичні моделі, які необхідні у світі, де клімат змінюється.

Квантові комп’ютери та алгоритми також можна використовувати для забезпечення конфіденційності даних людей. Квантова криптографія використовує принцип квантової невизначеності, коли будь-яка спроба виміряти об’єкт закінчується внесенням змін до цього об’єкта. Спроби перехопити комунікацію вплинуть на отриману комунікацію та свідчать про втручання.

Майбутнє квантових обчислень

Більшість використання квантових комп’ютерів обмежуватиметься академіками та підприємствами. Малоймовірно, що споживачі/широкий загал отримають квантові смартфони, принаймні найближчим часом. Це тому, що для роботи квантового комп’ютера потрібне спеціальне обладнання. Квантові комп’ютери дуже чутливі до збурень, оскільки навіть найменші зміни в навколишньому середовищі можуть призвести до зміни позиції кубітів і виходу зі стану суперпозиції. Це називається декогеренцією, і це одна з причин того, що прогрес у квантових комп’ютерах, здається, відбувається так повільно порівняно зі звичайними комп’ютерами. Квантовим комп’ютерам зазвичай доводиться працювати в умовах екстремально низьких температур, ізольовано від іншого електричного обладнання.

Навіть з усіма запобіжними заходами, шум все ще створює помилки в обчисленнях, і дослідники шукають способи зробити кубіти більш надійними. Щоб досягти квантової переваги, де квантовий комп’ютер повністю затьмарює потужність нинішнього суперкомп’ютера, кубіти повинні бути пов’язані між собою. Справді найкращий квантовий комп’ютер може вимагати тисячі кубітів, але найкращі квантові комп’ютери сьогодні можуть зазвичай мають справу лише з приблизно 50 кубітами. Дослідники постійно просуваються до створення більш стабільних і надійних кубітів. Фахівці в області квантових комп'ютерів прогнозують потужні і надійні квантові пристрої може бути тут протягом десяти років.