Що таке Квантовий Комп’ютер?

Квантові комп’ютери мають потенціал значно збільшити різноманітність і точність обчислень, відкриваючи нові застосування для комп’ютерів і покращуючи наші моделі фізичних явищ. Однак, хоча квантові комп’ютери отримують все більше медійного висвітлення, багато людей все ще не впевнені в тому, як квантові комп’ютери відрізняються від звичайних комп’ютерів. Давайте розглянемо, як працюють квантові комп’ютери, деякі з їхніх застосувань і їхнє майбутнє.

Що таке Квантовий Комп’ютер?

Перед тим, як ми зможемо суттєво розглянути, як квантові комп’ютери працюють, нам потрібно спочатку визначити квантові комп’ютери. Коротке визначення квантового комп’ютера таке: комп’ютер, заснований на квантовій механіці, який能够 виконувати певні складні обчислення з набагато більшою ефективністю, ніж традиційні комп’ютери. Це швидке визначення квантових комп’ютерів, але нам потрібно витратити деякий час, щоб повністю зрозуміти, що відрізняє квантові комп’ютери від традиційних комп’ютерів.

Звичайні комп’ютери кодують інформацію за допомогою двійкової системи: представляють кожний біт даних як 0 або 1. Серії 0 і 1 сполучаються разом, щоб представити складні частини інформації, такі як текст, зображення та аудіо. Однак у цих двійкових системах інформація може бути збережена тільки як 0 і 1, що означає, що існує жорсткий ліміт того, як дані представляються і інтерпретуються, і що з ростом складності даних вони повинні обов’язково ставати довшими і довшими рядками 0 і 1.

Причина, по якій квантові комп’ютери можуть більш ефективно зберігати і інтерпретувати дані, полягає в тому, що вони не використовують біти для представлення даних, а скористуються “кубітами“. 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, які інженери-комп’ютерники можуть використовувати: суперпозицію і заплутування.

Квантові суперпозиції дозволяють кубітам існувати не тільки в стані “0” або “1”, а й по континууму між цими станами, що означає, що можна зберігати більше інформації за допомогою кубітів. З іншого боку, квантове заплутування відноситься до явища, при якому пари кубітів можуть бути згенеровані, і якщо один кубіт змінюється, інший кубіт змінюється передбачуваним чином. Ці квантові властивості можна використовувати для представлення і структуризації складних даних більш ефективними способами.

Як Працюють Квантові Комп’ютери

Квантові “суперпозиції” отримали свою назву від того, що вони можуть бути в більш ніж одному стані одночасно. Хоча біти можуть бути тільки в двох станах, кубіти можуть існувати в декількох станах одночасно.

Дякуючи частково існуванню квантових суперпозицій, квантовий комп’ютер здатний обчислювати багато різних потенційних результатів одночасно. Після завершення обчислень кубіти вимірюються, що створює кінцевий результат через колапс квантового стану до 0 або 1, що означає, що результат може бути потім інтерпретований традиційними комп’ютерами.

Дослідники квантових комп’ютерів і інженери можуть змінити стан кубітів, використовуючи мікрохвильову або лазерну обробку.

Інженери-комп’ютерники можуть скористатися квантовим заплутуванням, щоб суттєво покращити потужність комп’ютерів. Квантове заплутування відноситься до того факту, що два кубіти можуть бути пов’язані таким чином, що зміна одного кубіту змінює інший кубіт передбачуваним чином. Не повністю зрозуміло, чому кубіти можуть встановити такий зв’язок або як це явище працює точно, але вчені розуміють це досить добре, щоб потенційно скористатися ним для квантових комп’ютерів. Через квантове заплутування додавання додаткових кубітів до квантової машини не просто подвоює потужність комп’ютера, а може збільшити її експоненційно.

Якщо все це здається трохи абстрактним, ми можемо описати, як суперпозиції корисні, уявляючи лабіринт. Для звичайного комп’ютера спробувати вирішити лабіринт потрібно спробувати кожний шлях лабіринту, поки не знайде успішний маршрут. Однак квантовий комп’ютер міг би по суті дослідити всі різні шляхи одночасно, оскільки він не прив’язаний до якогось одного стану.

Все це означає, що властивості заплутування і суперпозицій роблять квантові комп’ютери корисними, оскільки вони можуть справлятися з невизначеністю, вони здатні досліджувати більше можливих станів і результатів. Квантові комп’ютери допоможуть вченим і інженерам краще моделювати і розуміти ситуації, які є багатовимірними, з багатьма змінними.

Для Чого Використовуються Квантові Комп’ютери?

Тепер, коли у нас є краще розуміння того, як працюють квантові комп’ютери, давайте розглянемо можливі застосування квантових комп’ютерів.

Ми вже натякнули на те, що квантові комп’ютери можуть бути використані для виконання традиційних обчислень з набагато більшою швидкістю. Однак технологія квантових комп’ютерів може бути використана для досягнення речей, які можуть бути неможливі або дуже непрактичні з традиційними комп’ютерами.

Одним з найбільш перспективних і цікавих застосувань квантових комп’ютерів є область штучного інтелекту. Квантові комп’ютери мають потенціал покращити моделі, створені нейронними мережами, а також програмне забезпечення, яке їх підтримує. Google (GOOGL ) зараз використовує свої квантові комп’ютери, щоб допомогти у створенні самохідних транспортних засобів.

Квантові комп’ютери також мають роль у аналізі хімічних взаємодій і реакцій. Навіть найпередовіші звичайні комп’ютери можуть тільки моделювати реакції між відносно простими молекулами, що вони досягають шляхом симуляції властивостей молекул у питаннях. Квантові комп’ютери, однак, дозволяють дослідникам створювати моделі, які мають точні квантові властивості, як і молекули, які вони досліджують. Швидше і точніше моделювання молекул допоможе у створенні нових терапевтичних препаратів і нових матеріалів для використання в створенні енергетичних технологій, таких як більш ефективні сонячні панелі.

Квантові комп’ютери також можуть бути використані для кращого прогнозування погоди. Погода – це збіг багатьох подій, а формули, які використовуються для прогнозування погодних умов, складні і містять багато змінних. Це може зайняти дуже тривалий час, щоб виконати всі обчислення, необхідні для прогнозування погоди, протягом якого погодні умови самі можуть змінитися. На щастя, рівняння, які використовуються для прогнозування погоди, мають хвильовий характер, який квантовий комп’ютер може використати. Квантові комп’ютери можуть допомогти дослідникам створювати більш точні кліматичні моделі, які необхідні у світі, де клімат змінюється.

Квантові комп’ютери і алгоритми також можуть бути використані, щоб допомогти забезпечити конфіденційність даних людей. Квантовая криптографія використовує принцип квантової невизначеності, згідно з яким будь-яка спроба виміряти об’єкт призводить до змін цього об’єкта. Спроби перехопити зв’язок будуть впливати на результативне повідомлення і показуватимуть ознаки втручання.

Майбутнє Квантових Комп’ютерів

Більшість застосувань квантових комп’ютерів будуть обмежені академічними та бізнес-колами. Невідомо, чи отримають споживачі/загальна публіка квантові смартфони, хоча б не в найближчому майбутньому. Це пов’язано з тим, що для роботи квантового комп’ютера потрібне спеціальне обладнання. Квантові комп’ютери дуже чутливі до порушень, оскільки навіть найменші зміни в навколишньому середовищі можуть призвести до зміни кубітів і виходу з суперпозиційного стану. Це називається декогеренцією, і це одна з причин, чому прогрес у сфері квантових комп’ютерів здається таким повільним у порівнянні з традиційними комп’ютерами. Квантові комп’ютери зазвичай повинні працювати в умовах екстремально низьких температур, ізольованих від інших електричних пристроїв.

Навіть з усіма заходами безпеки, шум все ж таки створює помилки в обчисленнях, і дослідники шукають способи зробити кубіти більш надійними. Для досягнення квантової зверхності, де квантовий комп’ютер повністю перевершує потужність сучасного суперкомп’ютера, кубіти повинні бути пов’язані разом. Справді квантово-зверхній комп’ютер міг би потребувати тисяч кубітів, але найкращі квантові комп’ютери сьогодні можуть зазвичай тільки справлятися з близько 50 кубітами. Дослідники постійно роблять кроки до створення більш стабільних і надійних кубітів. Експерти в галузі квантових комп’ютерів передбачають, що потужні і надійні квантові пристрої можуть з’явитися впродовж десятиліття.