Введение в квантовые вычисления: кубиты, суперпозиция и многое другое

Введение в квантовые вычисления Технологии

Квантовые вычисления — это совпадение математики, физики и информатики. Хотя сегодня он не получил широкого распространения, он может стать очень полезным инструментом во многих различных отраслях. Квантовые вычисления превосходят классические вычисления по многим параметрам, что означает, что их можно использовать для решения определенных типов сложных проблем. Сегодня мы исследуем некоторые из основных аспектов квантовых вычислений, такие как кубиты, квантовая физика, варианты использования и многое другое.

Квантовые вычисления и квантовые компьютеры

Во-первых, давайте определимся, что мы имеем в виду, когда говорим » квант». Термин » квант» происходит от изучения квантовой механики, области физики, изучающей физические свойства природы в небольшом атомном и субатомном масштабе. Это основа квантовой физики. Большая часть работ в этой области описывает поведение и значение мелких частиц, таких как атомы, электроны и фотоны.

Квантовые вычисления используют свойства квантовых состояний, такие как запутанность и суперпозиция, для выполнения вычислений. Крупные технологические компании, такие как IBM, Microsoft, Intel и Google, внедряют квантовые вычисления и инвестируют в них, а также проводят исследования в области квантовых вычислений. Мы по-прежнему многого не понимаем в квантовом мире, но мы знаем, что в квантовых вычислениях есть большой потенциал. Насколько мы понимаем, квантовые компьютеры могут хранить и обрабатывать большие объемы данных, а это означает, что у нас есть много вычислительной мощности для использования в областях, требующих сложных вычислений.

Квантовые компьютеры — это устройства, используемые для выполнения квантовых вычислений. Квантовые компьютеры содержат квантовые процессоры, которые могут изолировать квантовые частицы, чтобы ими можно было манипулировать и изучать. Есть разные способы управлять этими квантовыми частицами. Один из способов — охладить процессор до отрицательных температур. Другой способ — манипулировать частицами с помощью лазера.

Как работает квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры основаны на квантовой суперпозиции. Суперпозиция позволяет квантовым объектам одновременно существовать в более чем одном состоянии или местоположении. Это означает, что объект может находиться в двух состояниях одновременно, оставаясь единым объектом. Это позволяет нам исследовать гораздо более богатые наборы состояний.

Квантовые компьютеры используют переплетение кубитов и вероятности суперпозиции для выполнения операций. Этими операциями можно манипулировать, увеличивая или уменьшая определенные вероятности, что приводит нас к правильным и неправильным ответам, которые мы ищем. Квантовые компьютеры имеют большой потенциал, чтобы взять на себя много различных путей.

Квантовый компьютер состоит из трех основных частей :

  • Деталь, содержащая кубиты
  • Деталь, передающая сигналы кубитам
  • Классический компьютер, умеющий запускать программы и отдавать инструкции

Как упоминалось ранее, есть разные способы манипулировать квантовыми частицами. В некоторых квантовых компьютерах часть, в которой хранятся кубиты, поддерживается при температуре замерзания, чтобы улучшить когерентность и минимизировать интерфейс. В других квантовых компьютерах часть, в которой хранятся кубиты, находится в вакуумной камере, которая снижает вибрации и помогает сбалансировать кубиты. Часть квантового компьютера, передающая сигналы кубитам, может использовать микроволны, лазеры и напряжение для отправки этих сигналов.

Что такое квантовое превосходство? Многие организации, занимающиеся квантовыми вычислениями, работают над достижением квантового превосходства. Квантовое превосходство продемонстрировало бы квантовое устройство, способное решить проблему, которую ни один классический компьютер не может решить за приемлемое время. Несмотря на то, что современные квантовые компьютеры добились поразительных достижений, мы все еще не можем доказать квантовое превосходство для решения полезных, реальных проблем.

Читайте также:  Чат-боты и искусственный интеллект в разработке веб-приложений

Квантовые компьютеры против классических компьютеров

Давайте рассмотрим некоторые из основных различий между квантовыми компьютерами и классическими компьютерами.

  • Обработка информации : в то время как обычные компьютеры полагаются на транзисторы, которые представляют двоичные файлы 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты. Кубиты следуют принципу суперпозиции и могут представлять как 0, так и 1 одновременно.
  • Мощность : мощность квантовых компьютеров растет экспоненциально пропорционально количеству кубитов, связанных вместе. Это отличается от того, что происходит в классических вычислениях. Мощность классического компьютера линейно увеличивается с количеством транзисторов.
  • Приложения : квантовые компьютеры лучше подходят для сложных задач, таких как задачи оптимизации, анализ и обработка данных, а также моделирование. Классические компьютеры лучше подходят для повседневной обработки.
  • Строительные блоки : сверхпроводящие устройства с квантовым интерфейсом (SQUID) или квантовые транзисторы являются основными строительными блоками квантовых компьютеров. В классических компьютерах используются КМОП-транзисторы.
  • Обработка данных : в квантовых вычислениях обработка данных происходит в квантовом блоке обработки (QPU), который состоит из взаимосвязанных кубитов. В классических вычислениях обработка данных происходит в центральном процессоре (ЦП), который состоит из арифметического и логического блока (АЛУ, регистров процессора и блока управления.
  • Представление информации : классические компьютеры используют биты, а квантовые компьютеры — кубиты.
  • Скорость : квантовые компьютеры могут решать определенные задачи в сотни миллионов раз быстрее, чем традиционные компьютеры. Например, в 2019 году квантовый компьютер Google провел вычисления менее чем за четыре минуты, на которые самому мощному суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет.

Qubits

Квантовый бит или кубит может представлять ноль, один или оба одновременно. Это основная единица квантовой информации и наименьшая возможная единица цифровой информации. Квантовая информация — это данные для квантовых состояний. Кубит может быть построен с использованием любой двухуровневой квантовой системы. Есть много способов построить кубиты. В отличие от транзисторов в классических вычислениях, мы до сих пор не знаем оптимального способа создания кубита. Это большое внимание в исследованиях квантовых вычислений.

Мы можем манипулировать состоянием кубитов для выполнения значимых квантовых вычислений. Кубит может иметь много разных состояний. Одним из ключевых аспектов является то, что все квантовые операции должны быть обратимыми. Квантовые логические вентили — это базовые квантовые схемы, которые работают с небольшим количеством кубитов. Они являются строительными блоками квантовых схем и выполняют операции с кубитами. Квантовые схемы состоят из комбинации нескольких квантовых вентилей, применяемых к некоторым кубитам.

Superconducting qubits

Сверхпроводящие квантовые вычисления — это реализация квантовых вычислений. Такие компании, как Google, IBM и Intel, исследуют сверхпроводящие квантовые вычисления. Сверхпроводящие кубиты имеют более высокую скорость затвора и представляют собой твердотельные конструкции. Они являются наиболее продвинутыми из кубитовых технологий и построены с использованием существующих полупроводниковых технологий.

Роль квантовой физики

Теперь мы перейдем к некоторым аспектам квантовой физики и их роли в квантовых вычислениях.

Квантовая интерференция

Квантовая интерференция — это побочный продукт суперпозиции. Это позволяет нам смещать измерения кубита в сторону желаемого состояния или набора состояний. Помните, что кубит может быть равен нулю, одному или обоим одновременно из-за суперпозиции. Кубиты имеют определенную вероятность схлопнуться до нуля или единицы в зависимости от их расположения. Эта вероятность определяется квантовой интерференцией. Короче говоря, квантовая интерференция позволяет нам влиять на состояние кубита, чтобы повлиять на вероятность желаемого результата.

Квантовая запутанность

Одно из квантовых свойств квантовых вычислений называется запутанностью. Квантовая запутанность позволяет двум или более квантовым частицам запутаться. Когда эти частицы запутываются, они становятся единой системой. Это означает, что все квантовые частицы в этой запутанности описываются как одно целое. Квантовая запутанность дает кубитам больше вычислительной мощности, потому что она добавляет больше кубитов в систему. Всякий раз, когда мы применяем операцию к одной частице, она также коррелирует с другими запутанными частицами.

Читайте также:  Топ-5 практических примеров использования AR и VR в индустрии развлечений

Квантовая decoherence

Квантовая decoherence — это аспект квантовой физики, который препятствует прогрессу квантовых вычислений. Когда мы пытаемся наблюдать или измерять квантовые частицы, они могут схлопнуть состояние суперпозиции. Это называется декогеренцией. Квантовая декогеренция приводит к ошибкам в квантовых вычислительных системах. Это затрудняет сохранение суперпозиций в течение достаточно длительного времени для выполнения действительно полезных вычислений.

Длина когерентности — это время, в течение которого кубит может сохранять свои квантовые свойства. Чтобы увеличить эту длину и построить отказоустойчивые квантовые компьютеры, нам необходимо использовать квантовую коррекцию ошибок (QEC). Мы можем использовать QEC для увеличения длины когерентности путем исправления ошибок декогерентности.

Примеры использования квантовых вычислений

Квантовые вычисления имеют множество реальных приложений. Современные исследователи ищут лучшие квантовые алгоритмы, которые будут превосходить классические алгоритмы. Хотя нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем использовать квантовые вычисления в больших и полезных масштабах, мы уже знаем некоторые области и отрасли, которые получат выгоду от квантовых вычислений. Давайте посмотрим на некоторые из его потенциальных приложений:

Поиск

Квантовые алгоритмы могут помочь ускорить поиск неструктурированных данных.

Квантовое моделирование

Квантовые компьютеры могут моделировать другие квантовые системы, потому что в их вычислениях есть квантовые явления. Это означает, что мы могли моделировать более сложные квантовые системы, такие как фотосинтез и сверхпроводимость.

Оптимизация

Квантовые вычисления могут помочь нам в решении наших проблем оптимизации. Мы можем запускать алгоритмы квантовой оптимизации, чтобы помочь нам найти лучшие способы управления сложными системами, такими как доставка пакетов и потоки трафика.

Криптография

Алгоритмы квантовой криптографии могут взломать традиционные ключи криптографии, которые в настоящее время слишком сложны для взлома классических компьютеров.

Здравоохранение

Квантовые вычисления могут помочь улучшить такие вещи, как ценообразование, диагностическая помощь, визуализация и точная медицина.

Финансы

Квантовые алгоритмы могут помочь ускорить важные финансовые расчеты, что поможет нам делать более обоснованные прогнозы.

Химическая и биологическая инженерия

Химическая и биологическая инженерия состоит из движения и взаимодействия квантовой механики. Способность моделировать квантовую механику была одной из главных мотиваций Ричарда Фейнмана при создании квантового компьютера. Квантовое моделирование может помочь инженерам предсказать свойства новых молекул, что поможет нам в открытии материалов и разработке фармацевтических препаратов.

Искусственный интеллект

Квантовые вычисления могут помочь нам обрабатывать очень большие объемы данных, чтобы помочь нам принимать более обоснованные решения и делать прогнозы в мире ИИ. Квантовое машинное обучение — это растущая область, в которой основное внимание уделяется тому, как квантовые алгоритмы могут помочь ускорить работу ИИ.

Подведение итогов и следующие шаги

Поздравляем, вы делаете первые шаги в области квантовых вычислений! Мы все еще находимся на ранних стадиях превращения квантовых вычислений в реальность. Предстоит еще много работы и исследований. Хотя квантовые вычисления еще не совсем готовы к использованию в мире, они могут стать очень мощным инструментом во многих различных отраслях.

Мы рассмотрели лишь часть основной информации о квантовых вычислениях. Есть еще чему поучиться, например:

  • Алгоритм Шора
  • Моделирование квантовых состояний
  • Библиотеки и фреймворки квантовых вычислений
Оцените статью
bestprogrammer.ru
Добавить комментарий