Квантовые вычисления представляют собой инновационный подход. В нем используются специализированные технологии. Включая компьютерное оборудование и алгоритмы, основанные на принципах квантовой механики. Эти методы позволяют решать сложные задачи, с которыми сталкиваются классические компьютеры или суперкомпьютеры. Отличительной чертой квантовых вычислений является их существенное отличие от традиционных компьютеров, применяемых на протяжении десятилетий. Квантовый компьютер и квантовые вычисления переосмысливают возможности обработки информации. Они открывают новые горизонты и переворачивают привычные представления о компьютерных системах.
Квантовый компьютер и квантовые вычисления: зачем нам нужны квантовые компьютеры?
Когда ученые и инженеры сталкиваются со сложными проблемами, они обращаются к суперкомпьютерам. Это очень большие классические компьютеры. Часто с тысячами классических ядер CPU и GPU, способные выполнять очень большие вычисления и продвинутый искусственный интеллект. Однако даже суперкомпьютеры – это машины, основанные на двоичном коде. Они опираются на транзисторную технологию XX века. Им сложно решать определенные задачи.
Если суперкомпьютер заходит в тупик, это, скорее всего, потому, что большую классическую машину попросили решить задачу с высокой степенью сложности. Когда классические компьютеры терпят неудачу, это часто связано со сложностью.
Сложные задачи – это задачи с большим количеством переменных, взаимодействующих между собой сложным образом. Моделирование поведения отдельных атомов в молекуле – сложная задача. Ведь все различные электроны взаимодействуют друг с другом. Выявление тонких схем мошенничества в финансовых операциях или новых физических явлений в суперколлайдере – тоже сложные проблемы. Есть ряд сложных проблем, которые мы не знаем, как решить с помощью классических компьютеров любого масштаба.
Основополагающие принципы квантовой физики играют ключевую роль в функционировании реального мира. Использование квантовых состояний квантовых битов в процессе вычислений открывает перед нами уникальные возможности для более глубокого понимания окружающей нас среды. Во многих случаях квантовые компьютеры становятся наилучшими инструментами для анализа и интерпретации сложных физических явлений, обогащая наше понимание мира.
Квантовый компьютер и квантовые вычисления: почему квантовые компьютеры быстрее
Давайте рассмотрим пример, иллюстрирующий способность квантовых компьютеров преодолевать ограничения классических вычислительных систем:
Классический компьютер успешно справляется с задачами, такими как сортировка больших баз данных молекул. Однако он оказывается недостаточно эффективным для более сложных задач, например, моделирования поведения этих молекул.
Сегодня, если ученые хотят узнать, как поведет себя молекула, они должны синтезировать ее и экспериментировать с ней в реальном мире. Если они хотят узнать, как небольшое изменение повлияет на ее поведение, им обычно приходится синтезировать новую версию и проводить эксперимент заново. Это дорогостоящий и длительный процесс. К тому же он препятствует прогрессу в таких разных областях, как медицина и разработка полупроводников.
Классический суперкомпьютер может попытаться смоделировать поведение молекулы с помощью грубой силы. При это используя множество процессоров для изучения всех возможных вариантов поведения каждой части молекулы. Но как только он переходит за пределы самых простых и понятных молекул, суперкомпьютер останавливается. Ни один компьютер не обладает достаточной рабочей памятью, чтобы обработать все возможные варианты поведения молекул с помощью всех известных методов.
Квантовые алгоритмы используют новый подход к решению подобных сложных задач – создание многомерных вычислительных пространств. Это оказывается гораздо более эффективным способом решения сложных задач, таких как химическое моделирование.
У нас нет хорошего способа создать эти вычислительные пространства с помощью классических компьютеров. Что, конечно же, ограничивает их полезность без квантовых вычислений. Промышленные химики уже изучают способы интеграции квантовых методов в свою работу. Это лишь один пример. Инженерные фирмы, финансовые учреждения, глобальные судоходные компании – и многие другие – изучают варианты использования квантовых компьютеров для решения важных проблем в своих областях. На горизонте вырисовывается взрывной рост выгод от квантовых исследований и разработок. По мере масштабирования квантового оборудования и развития квантовых алгоритмов многие крупные проблемы должны найти решение.
Квантовый компьютер и квантовые вычисления: как работают квантовые компьютеры?
Квантовый процессор представляет собой пластину размером не больше той, что находится в ноутбуке.
Квантовая аппаратная система размером с автомобиль состоит в основном из систем охлаждения. Это нужно чтобы поддерживать сверхпроводящий процессор при ультрахолодной рабочей температуре.
Классический процессор использует классические биты для выполнения своих операций. Квантовый компьютер использует кубиты (CUE-биты) для выполнения многомерных квантовых алгоритмов.
Сверхпроводники
Ваш настольный компьютер, скорее всего, использует вентилятор, чтобы достаточно охладиться для работы. Квантовые процессоры должны быть очень холодными. Примерно на сотую долю градуса выше абсолютного нуля, чтобы избежать “декогеренции”. Или сохранения своих квантовых состояний. Чтобы добиться этого, мы используем переохлажденные сверхтекучие жидкости. При таких сверхнизких температурах некоторые материалы демонстрируют важный квантово-механический эффект: электроны движутся сквозь них без сопротивления. Это делает их “сверхпроводниками”.
Когда электроны проходят через сверхпроводники, они объединяются, образуя “пары Купера”. Эти пары могут переносить заряд через барьеры, или изоляторы, благодаря процессу, известному как квантовое туннелирование. Два сверхпроводника, расположенные по обе стороны от изолятора, образуют джозефсоновский переход.
Управление
В квантовых компьютерах в качестве сверхпроводящих кубитов используются джозефсоновские переходы. Обстреливая эти кубиты микроволновыми фотонами, мы можем управлять их поведением и заставлять их удерживать, изменять и считывать отдельные единицы квантовой информации.
Суперпозиция
Сам по себе кубит не очень полезен. Но он может выполнить важный трюк: перевести хранящуюся в нем квантовую информацию в состояние суперпозиции, которое представляет собой комбинацию всех возможных конфигураций кубита. Группы кубитов в состоянии суперпозиции могут создавать сложные, многомерные вычислительные пространства. В этих пространствах можно по-новому представить сложные проблемы.
Запутанность
Квантовая запутанность – это эффект, который коррелирует поведение двух отдельных вещей. Физики обнаружили, что при запутывании двух кубитов изменения в одном из них напрямую влияют на другой.
Интерференция
В среде запутанных кубитов, находящихся в состоянии суперпозиции, существуют волны вероятностей. Это вероятности результатов измерения системы. Эти волны могут нарастать друг на друга, когда многие из них достигают пика при определенном исходе, или отменять друг друга, когда пики и впадины взаимодействуют. Это обе формы интерференции.
Вычисления на квантовом компьютере происходят путем подготовки суперпозиции всех возможных состояний вычислений. Квантовая схема, подготовленная пользователем, использует интерференцию выборочно на компонентах суперпозиции в соответствии с алгоритмом. В результате интерференции многие возможные результаты аннулируются, а другие усиливаются. Усиленные результаты являются решениями вычислений.
Заключение
Квантовые вычисления представляют собой революционный подход к решению сложных задач, которые выходят за рамки возможностей классических компьютеров. Путем использования квантовых принципов и технологий, квантовые компьютеры обещают преодолеть границы, которые ранее казались непреодолимыми.
Преимущества квантовых вычислений явно видны в примере моделирования поведения молекул. Там, где классические компьютеры оказываются неэффективными, квантовые компьютеры демонстрируют свою мощь, используя новый подход к обработке информации. Создание многомерных вычислительных пространств и использование принципов квантовой механики позволяют справиться с задачами, которые ранее казались невыполнимыми.
Сегодня множество отраслей, начиная от химической промышленности до финансов и науки, уже исследуют и применяют квантовые вычисления для решения своих задач. Ожидается, что с развитием технологий и алгоритмов квантовых вычислений, мы будем свидетелями взрывного роста в области научных исследований, инноваций и технологического прогресса.
Квантовые компьютеры представляют не просто следующий шаг в эволюции вычислительной технологии, а настоящий прорыв. Это открывает новые горизонты для наших возможностей в области вычислений и науки.
