Има много шум около квантовите изчисления – за това как това е вълнуваща област и революционизира начина, по който решаваме сложни проблеми в различни индустрии. И двете твърдения са верни, тъй като квантовите изчисления представляват нов начин за обработка на информация.
Организациите по света отделят значителни ресурси за разработването на квантови изчислителни технологии поради способността им да разглеждат много възможности и да предлагат потенциални решения на сложни проблеми.
Съдържание
Какво е квантово изчисление?
Квантовото изчисление е област на компютърните науки, базирана на принципа на квантовата физика (изследването на това как атомните частици съществуват и взаимодействат една с друга). Той обяснява поведението на материята и енергията на атомно и субатомно ниво.
Квантовите компютри използват квантови битове или кубити (произнасяни cue-bits), които могат да съществуват едновременно в множество състояния. Това свойство позволява на квантовите компютри да решават проблеми, които биха отнели на конвенционалните компютри непрактично количество време или изчислителни ресурси.
Как работи квантовото изчисление?
Квантовото изчисление използва кубити за разработване на квантови компютри, включващи квантови системи като фотони и електрони. Те често се използват за извършване на изчисления, които обикновено биха били непрактични за класическите компютри. Освен това, квантовото изчисление използва квантови логически порти за манипулиране на кубити и извършване на изчисления.
Квантовите порти са аналогични на логическите порти, използвани в класическите компютри, но работят с квантови битове – изследователите ги използват, за да създават и манипулират суперпозиции и да заплитат кубити.
Той се стреми да подобри изчислителните възможности и да реши сложните проблеми, които днешните класически компютри не могат да разрешат поради техния бинарен подход и ограниченото съществуване в две състояния – 0 и 1, докато квантовите изчисления могат да приемат и двете състояния едновременно.
Разлика между квантовите изчисления и класическите изчисления
Разликите между квантовите изчисления и класическите изчисления се състоят в техните изчислителни възможности и начина им на работа. Докато квантовите изчисления се основават на квантовата теория.
Класическото изчисление се основава на двоични цифри или битове, които могат да приемат стойността на 0 или 1. Квантовите компютри използват кубити като своя единица данни. Квантовото изчисление може да приеме и двете стойности (0s и 1s) едновременно – този акт е известен като суперпозиция. Свойство, което позволява на квантовите компютри да приемат две състояния едновременно.
Що се отнася до мощността, класическото изчисление има по-малка изчислителна мощност от квантовото изчисление, тъй като мощността му се увеличава въз основа на съотношението 1:1 с наличните транзистори. За квантовите изчисления мощността се увеличава значително въз основа на броя кубити.
За разлика от класическите компютри, които могат да бъдат реализирани с кодове, написани на програмни езици като Java, SQL, PHP, C#, C++ и Python, между другото, квантовите компютри съчетават код, математика, физика и алгоритми, за да обслужват специфичната си цел.
Поради сложната си архитектура, крехкостта и високите разходи за разработка и внедряване, квантовите компютри не са създадени като машина с общо предназначение за обществено използване, те са проектирани за конкретна цел и случай на употреба. От друга страна, класическите компютри са широко разпространени и лесно достъпни.
Квантовите компютри имат по-висок процент грешки от класическите компютри и изискват допълнителни грижи, като например да бъдат държани в ултрастудена стая, за да се регулира топлината. Обратно, класическите компютри могат да работят при стайна температура.
По отношение на използваемостта, квантовите изчисления са подходящи за сложни задачи като симулация, оптимизация, машинно обучение и други операции, изискващи големи ресурси. Класическите изчисления са подходящи за задачи като текстообработка, изчисления с електронни таблици и други задачи, които не изискват големи ресурси.
Предимства на квантовите изчисления
Ползите от квантовите изчисления са огромни, когато се използват правилно. По-долу анализирахме основните заслуги.
- Скорост: Те могат да обработват данни хиляди пъти по-бързо от конвенционалните компютри.
- Сигурност: Неговият алгоритъм може да се използва за подобряване на цифровото криптиране и защита на ИТ инфраструктурата на организацията.
- Способност за решаване на сложни проблеми: През 2019 г. Google заяви, че неговият Sycamore – 54-кубитов процесор – извършва изчисление, което ще отнеме на най-бързия суперкомпютър в света 10 000 години, за да завърши за 200 секунди.
- Подобрете откриването на измами: Финансовите институции могат да използват квантово изчисление, за да създадат по-добри търговски симулатори, да проектират ефективни инвестиционни портфейли и да подобрят откриването на измами.
- Изследвания: Помага на учените да разработят по-добри модели и подходи за решаване на проблеми в различни индустрии, като изследване на лекарства в здравеопазването и химически открития в производството.
Характеристики на квантовите изчисления
Следните са основните характеристики на квантовите изчисления.
Суперпозиция
Способността на квантовите системи да съществуват едновременно в множество състояния е известна като суперпозиция. Класическите компютри могат да съществуват само в едно състояние в даден момент (0 или 1), което означава, че им липсва способност за суперпозиция.
Заплитане
Заплитането възниква, когато два кубита са свързани заедно и състоянието на едната частица влияе на другата, въпреки че са на километри един от друг. Често се използва за създаване на квантова мрежа, позволяваща на квантовите компютри да споделят информация.
Интерференция В квантовите системи интерференцията е страничен продукт на суперпозицията. Това е вълнов феномен, който възниква, когато субатомните частици взаимодействат и влияят.
То може да бъде градивно (когато вълните се подсилват взаимно или усилват правилния отговор) или разрушително (когато взаимно се компенсират).
Декохерентност
Квантовите системи са крехки и чувствителни към заобикалящата ги среда; смущенията от тяхната среда могат да причинят разпадане на квантовото поведение на кубитите – което ги кара да загубят своите квантови способности.
Например, шумът може да доведе до изпадане на кубити от суперпозиция. Не само това, дори температурните промени могат да повлияят на работата му. Оттук и необходимостта да се държи в силно регулирана и контролирана среда.
Ограничения и предизвикателства на квантовите изчисления
Докато квантовото изчисление предлага много предимства, то има и някои недостатъци, които си струва да се споменат.
- Декохерентност: За разлика от класическите компютри, квантовите компютри са чувствителни към шум. Смущението може да доведе до изпадане от суперпозиция, преди да успее да изпълни задачите си.
- Изисква специалист: Поради своята сложност изисква разнообразен набор от квантови специалисти.
- Квантова корекция на грешки: Има вероятност да се появят грешки по време на изчислителни операции, което води до съмнителни резултати. Необходима е устойчива на грешки квантова система, за да устои на смущения от околната среда.
Реални приложения и употреби на квантовите изчисления
#1. Финансово моделиране
Финансовият пазар е нестабилен и силно непредвидим. С квантовите изчисления финансовите организации могат да симулират финансови системи и да използват технологията за моделиране на инвестиции въз основа на очакваната възвръщаемост.
Може да се използва и в аспектите на оптимизиране на портфейла, намаляване на риска и управление, плюс ценообразуване на опции. Тези, които извършват транзакции с голям обем, могат да използват квантовите изчисления, за да прогнозират пазарите и да анализират глобалната финансова икономика.
#2. Оптимизация на логистиката
Квантовите компютри се отличават, когато става въпрос за събиране на данни в реално време за оптимизиране на логистиката, инвентара и транспорта на веригата за доставки. Организациите трябва непрекъснато да изчисляват и преизчисляват оптимални маршрути за управление на трафика, операции на флота, контрол на въздушното движение, товари и дистрибуция – това е възможно с класическите изчисления.
Но за големи организации със сложни нужди на веригата за доставки този процес може да стане ресурсоемък и квантовите изчисления могат да спасят ситуацията.
#3. По-добри батерии
Тъй като електрическите превозни средства (EV) стават нещо обичайно в нашето общество, производителите използват възможности за квантово изчисление, за да симулират поведението на молекули и материали и да разберат литиевите съединения и химията на батериите, за да оптимизират продължителността на живота на батериите.
Освен електромобилите, квантовото изчисление има приложения и при съхранение на възобновяема енергия и мобилни устройства.
#4. производство
Квантовото изчисление се използва за подобряване на много аспекти на производството. Експертна информация, публикувана от IBM Institute for Business Value, разделя случаите на използване на квантовите изчисления в производството в четири категории.
Открийте
- Химия
- Материалознание
- Физика на кондензираната материя
Дизайн
- Анализ на крайните разлики
- Структурен анализ Хидро/аеродинамика
контрол
- Оптимизация
- Машинно обучение
- Класификация
Снабдяване
- Верига за доставки
- оптимизация
- Моделиране на риска
Тези, които възприемат квантовите изчисления в тези ключови области, ще спечелят решаващо предимство, тъй като ще помогнат за намаляване на производствените разходи и ще увеличат скоростта на производство.
#5. Разработване на климатични модели
Квантовото изчисление може да помогне за решаването на постоянни проблеми с устойчивостта като изменението на климата. Според доклада на Междуправителствения панел по изменение на климата (IPCC), емисиите на парникови газове трябва да бъдат значително намалени преди 2025 г., за да се избегнат големи климатични катастрофи. Квантовото изчисление може да се използва за намаляване на въздействието върху климата.
Производството на амоняк допринася между 1 и 2% от глобалните емисии на въглероден диоксид — квантовите изчисления могат да помогнат за разработването на алтернативна чиста енергия, като например по-добри батерии за електрически превозни средства, слънчева енергия и други, за да се улесни процеса на декарбонизация на земята. Може също така да улесни подобренията на модела при прогнозирането на климата и времето, както и управлението на мрежата.
#6. Автомобилна индустрия
Автомобилната индустрия бързо възприема квантовата изчислителна технология, това е очевидно в партньорствата между компании за квантови изчисления и производители на автомобили, включително D-Wave Systems и Volkswagen; Zapata Computing и Bosch; и дори IBM Quantum и Mercedes-Benz.
Производителите на оригинално оборудване (OEM) търсят да използват квантовите изчисления за оптимизиране на маршрута и подобряване на издръжливостта на материалите.
#7. Разработка на самолети
Аерокосмическите компании могат да използват квантовите изчисления за много процеси, от оптимизиране на полетни планове до моделиране и дигитализация на самолети. Airbus, аерокосмическа корпорация, която проектира, произвежда и продава търговски самолети, инвестира в IonQ, Q-CTRL и QC Ware, за да използва квантовите технологии при разработването на сложни модели на самолети.
#8. Разработване на лекарства
Класическите компютри в момента се използват за изпълнение на стотици милиони молекулярни симулации, но има ограничение за размера на молекулата, която те могат да изчислят. Квантовите изчисления позволяват научноизследователска и развойна дейност за симулиране на големи и сложни молекули за подобряване на компютърно подпомаганото откриване на лекарства (CADD).
McKinsey & Company съобщи през 2021 г., че фармацевтиката изразходва около 15 процента от продажбите си за научноизследователска и развойна дейност, което представлява над 20 процента от общите разходи за научноизследователска и развойна дейност във всички индустрии по света.
Тази инвестиция отчасти помага на фармацевтичната индустрия да намери ефективни начини за разработване на микромолекули и макромолекули, които да помогнат за лечението на заболявания. С квантовите изчисления изследователите могат бързо да се провалят и да ускорят разработването на лекарства с по-голям шанс за успех.
#9. Машинно обучение
Способността на квантовите компютри да обработват големи и сложни данни ги прави добър кандидат за машинно обучение. Квантовото машинно обучение е област на изследване, която интегрира квантови алгоритми с програми за машинно обучение.
Квантовите алгоритми могат да имат полиномиално или суперполиномиално (експоненциално) ускорение, което подобрява изчислителната скорост. С квантовото машинно обучение, практикуващите данни могат да разработват по-бързи и по-усъвършенствани алгоритми, да решават сложни модели на данни и да напредват в разработването на приложения за компютърно зрение и обучение за укрепване.
Учебни ресурси: Квантово изчисление
За по-нататъшно обучение препоръчваме следните ресурси.
#1. Танцувайки с кубити
С автор Робърт С. Сутор, тази книга обяснява как квантовите изчисления работят и се прилагат към научните изчисления и ИИ. Dancing with Qubits обхваща разликите между класическото и квантовото изчисление и описва случаите на употреба в различни индустрии.
Читателите също ще научат концепции като суперпозиция, заплитане и намеса, както и схеми и алгоритми. Този ресурс ще ви научи на основите и най-важните неща на квантовите изчисления.
#2. Квантово изчисление: Приложен подход
Написан от изпълнителния директор на SandboxAQ (Джак Д. Хидари), компания за квантови технологии – този материал съчетава теорията и практичността на квантовите изчисления, включително практически код.
Книгата има три части: Първа част обхваща квантовите изчисления и основите на квантовите схеми, втората част обяснява квантовите изчислителни алгоритми и предоставя код на текущите квантови изчислителни методи, а третата част обхваща математическите аспекти на квантовите изчисления.
#3. Квантово изчисление за всеки
Начинаещите, които търсят всеобхватен материал, ще намерят този ресурс за полезен. Той обхваща основите на квантовото изчисление и обяснява неговите ключови компоненти, като кубити, заплитане и квантова телепортация.
Авторът на тази книга, Крис Бернхард, опростява математиката зад квантовите компютри и също така обяснява как се изграждат квантовите компютри, което улеснява тези, които са нови в квантовите компютри, да разберат процеса на разработване на системите.
Заключение
Компании като Google, IBM и Microsoft са водещи в иновациите на решенията за квантови изчисления – университетите също не са изоставени. Недостигът на специалисти по квантово изчисление допринася за бавния му напредък, плюс цената за изграждане на квантов компютър е висока и не много организации разполагат с ресурсите, необходими за създаването на такъв.
Въпреки че квантовото изчисление има много обещания, то все още не е там. Ще отнеме няколко години, за да реализира пълния си потенциал и да стане нещо обичайно като класическите компютри.
Можете също да прочетете за Fog Computing.