Квантовые вычисления могут быть одной из самых захватывающих тем в информатике сегодня. По сути, это вычисления, основанные на законах квантовой механики. В квантовых вычислениях мы используем то, что знаем о том, как ведут себя мельчайшие физические объекты, для решения реальных проблем.
Так же, как классические компьютеры были в первые дни своего развития, квантовые компьютеры дороги в создании и хрупки в обслуживании. Тем не менее, компании и исследовательские институты усердно работали над развитием этой технологии, потому что они могли предложить впечатляющую вычислительную мощность для решения определенных сложных задач. Хотя эти квантовые машины хранятся в закрытых помещениях, квантовые компьютеры теперь более доступны для общественности, чем когда-либо прежде. Вы не найдете лабораторию квантовых компьютеров в местной библиотеке, но вы можете начать вычисления на квантовом процессоре уже сегодня через облако, не выходя из собственного дома (по желанию: в пижаме).
Сегодня мы обсудим чудеса квантовых вычислений и любопытные законы физики, на которых они основаны.
Понимание квантовых систем
Квантовые физические системы ведут себя совсем иначе, чем классические физические системы большего масштаба. Каждая физическая сущность в самом маленьком масштабе состоит из атомов и субатомных частиц. То, как взаимодействуют эти мельчайшие физические объекты, предсказывается принципами квантовой механики.
Квантовые физические системы представляют собой системы с двумя состояниями, в которых частица может находиться в любом из этих состояний:
- Чистое состояние : фиксированное и единственное состояние, как в классической системе.
- Квантовое состояние : несколько состояний одновременно
Квантовое состояние также известно как состояние суперпозиции. Особенность состояния суперпозиции в том, что его нельзя наблюдать. На самом деле любое измерение квантовой системы приводит к ее коллапсу в чистое состояние. Это означает, что мы можем наблюдать квантовые системы только в классическом состоянии, хотя они могут находиться в суперпозиции до того, как мы проведем измерения.
Мы можем думать о сущности в суперпозиции как о монетке, вращающейся на столе. Пока он вращается, он находится в суперпозиции, подвешенный между вероятностями выпадения орла или решки. При измерении он превращается в чистое состояние орла или решки.
«По сути, в физике элементарных частиц все находится везде одновременно. Вот что такое суперпозиция. Квантовая реальность — это суперпозиция всех возможностей». — Грант Гарибян, квантовый ученый Калифорнийского технологического института.
Другой принцип квантовой механики, который мы используем в квантовых вычислениях, — это квантовая запутанность. Квантовая запутанность — это явление, связывающее две или более частиц в зависимых отношениях. Запутанные частицы могут влиять друг на друга на больших расстояниях (даже в миллиардах световых лет).
Как люди, наши большие размеры не позволяют нам использовать суперпозицию, чтобы одновременно находиться на пляже и в конференц-зале. Но как программисты, мы можем сделать следующую лучшую вещь : использовать принципы квантовой механики для выполнения мощных вычислений.
Поначалу принципы квантовой механики могут показаться нелогичными. Они бросают вызов тому, что мы видим невооруженным глазом. Но прорывы квантовой механики были опробованы и протестированы, и сегодня они произвели революцию в технологиях. Мы использовали эти прорывы для создания ядерной энергии, создания классических транзисторов и продолжаем использовать их для квантовых вычислений.
Если вам интересно, вы можете попробовать эти игры, которые помогут вам лучше понять принципы квантовой механики:
- Квантовые шахматы : попробуйте сыграть в шахматы с наложенными друг на друга и запутанными фигурами.
- Q-PATHS : Используйте этот инструмент, чтобы помочь вам понять квантовую запутанность.
Основы квантовых вычислений
В системах квантовых вычислений мы найдем квантовые аналоги многих наших знакомых друзей из классических вычислительных систем:
- Бит → Квантовый бит (кубит)
- Транзистор → Квантовый транзистор
- Центральный процессор (CPU) → Квантовый процессор (QPU)
- Логический вентиль → Квантовый логический вентиль
- Схема → Квантовая схема
- Алгоритм → Квантовый алгоритм
Поскольку они управляются квантовой механикой, компоненты систем квантовых вычислений работают совсем иначе, чем компоненты классических вычислительных систем.
Некоторые из особенностей квантовых вычислительных систем включают в себя:
- Квантовые логические вентили всегда обратимы, в отличие от классических логических вентилей.
- Квантовые биты могут принимать два или более значений одновременно, в отличие от классических битов.
Давайте немного познакомимся со структурным элементом квантовых компьютеров: кубитом. Как и биты, кубиты являются наименьшими единицами хранения в квантовом компьютере.
Итак, если квантовые системы касаются мира в субатомном масштабе, вы можете задаться вопросом: насколько крошечным должен быть кубит — и как мы можем их создать?
Кубиты — это действительно самые маленькие вещи, в которых мы знаем, как хранить некоторую информацию.
Кубиты могут быть:
- Природные материалы (например, фотоны или атомы)
- Инженерные материалы (например, сверхпроводящие цепи)
Если вам интересно, в следующей таблице представлены некоторые из наиболее распространенных материалов, используемых в настоящее время в качестве кубитов [1] (а также их соответствующие состояния для представления данных):
Кубиты устроены иначе, чем биты. Но это, конечно, не все, что отличается.
Кубит — это квантовая физическая система, поэтому, применяя то, что мы узнали ранее, кубит может находиться в одном из следующих состояний:
- Чистое состояние : 0 или 1
- Квантовое состояние (т.е. суперпозиция) : несколько значений одновременно
Это означает, что, в отличие от классического бита, кубиты могут использовать квантовые эффекты, такие как суперпозиция, чтобы одновременно принимать несколько значений. Это позволяет квантовым компьютерам учитывать экспоненциально больше возможностей, прежде чем получить результат. Это одна из причин, по которой квантовые вычисления могут решать подмножество сложных задач со скоростью, которая поразила бы классические компьютеры (при условии, что они могут чувствовать).
Мы можем использовать квантовые алгоритмы для выполнения мощных вычислений, некоторые из которых включают в себя:
- Алгоритм Шора для факторизации одного большого числа
- Алгоритм поиска Гровера для поиска в большом наборе данных, таком как неупорядоченный список.
Зачем изучать квантовые вычисления?
Многие компании пытались доказать квантовое превосходство, представление о том, что квантовый компьютер может решать проблемы, которые классические компьютеры не могут решить за разумное время вычислений. Хотя квантовые компьютеры в некоторых случаях превзошли классические компьютеры, они никогда не будут быстрее классических компьютеров во всех случаях.
Тем не менее, у изучения квантовых вычислений есть огромные преимущества. Квантовые компьютеры стали более доступными, чем когда-либо прежде, и сейчас самое подходящее время для участия в этой области.
Варианты использования квантовых вычислений можно найти в различных дисциплинах, в том числе:
- Криптография : взломать шифрование с невероятной скоростью
- Физика : создание симуляций реальных квантовых систем.
- Машинное обучение и искусственный интеллект : помогая машинам быстрее учиться с помощью квантовых вычислений
