Что такое квантовые вычисления?

Термин “квант” в "квантовых вычислениях" обозначает квантовую механику, используемую системой для вычисления выходных данных. В физике квант относится к минимально возможной единице любого физического элемента. Это относится к составляющим свойствам атомных или субатомных частиц, таких как фотоны, нейтрино и электроны. Таким образом, квантовые компьютеры используют особенности квантовой физики, такие как квантовая интерференция, суперпозиция и запутанность, и используют это в вычислениях. Запутанность и суперпозиция позволяют суперкомпьютерам поддерживать операции на скоростях, относительно более высоких, чем у традиционных компьютеров, при минимальном потреблении энергии.

Квантовые вычисления - это новейшая версия вычислительной технологии, которая включает в себя компьютер определенного типа, который в 158 миллионов раз быстрее по сравнению с самым совершенным суперкомпьютером из существующих на сегодняшний день. Это инструмент с такими большими возможностями, что ему может потребоваться всего четыре минуты для выполнения задачи, на выполнение которой традиционному суперкомпьютеру потребовалось бы десять тысяч лет.

Как работают квантовые компьютеры?

Квантовые компьютеры проводят вычисления в соответствии с вероятностью состояния объекта до его измерения, вместо единиц и нулей, что означает, что существует возможность обработки большего количества данных по сравнению с традиционными компьютерами. Традиционные компьютеры выполняют логические операции, используя точное положение физического состояния. Традиционные компьютеры обычно являются двоичными; их операции основаны на одном из двух положений. Таким образом, бит состоит из одного состояния, вверх или вниз, включено или выключено, 1 или 0.

Когда дело доходит до квантовых вычислений, операции используют квантовое состояние объекта для создания того, что называется кубитом. Это неспецифические свойства объекта до его обнаружения, такие как спин электрона или поляризация фотона. Вместо заданного положения происходит неквантифицированное квантовое состояние в смешанной ‘суперпозиции", а не то же самое, что монета, вращающаяся в воздухе перед приземлением на вашу руку.

Такие суперпозиции могут быть переплетены с суперпозициями других объектов, что означает, что их конечные результаты будут математически связаны, даже если мы понятия не имеем, что это такое. Сложная математика, которая объясняет вращающиеся монеты в этих состояниях неурегулированной запутанности, может быть подключена к специальным алгоритмам, чтобы сократить время решения задач, которые потребовались бы в традиционную компьютерную эпоху.

Зачем нам нужны квантовые компьютеры?

Когда инженеры и ученые сталкиваются со сложными проблемами, суперкомпьютеры являются их единственным решением. Это огромные традиционные компьютеры, обычно с тысячами традиционных графических процессоров и ядер центрального процессора. Однако суперкомпьютеры также сталкиваются с трудностями, когда дело доходит до некоторых видов задач. Если суперкомпьютер сбит с толку определенной проблемой, обычно это происходит потому, что традиционную гигантскую машину попросили решить проблему с высоким уровнем сложности. Традиционные компьютеры обычно выходят из строя из-за сложностей.

Сложные задачи включают в себя задачи с несколькими переменными, переплетенными сложным образом. Манипулирование поведением каждого атома в молекуле является сложной проблемой из-за всех различных электронов, переплетенных друг с другом.

Почему квантовый компьютер быстрее?

Давайте рассмотрим примеры, демонстрирующие превосходство квантовых компьютеров над классическими компьютерами. Суперкомпьютеры могут быть хороши при решении сложных задач, таких как сортировка большого информационного пула белковых последовательностей. Однако он столкнется с трудностями, когда дело дойдет до определения поведения таких белков. Белки представляют собой длинные цепочки аминокислот, которые материализуются в важные биологические машины, когда они складываются в сложные формы. Определение того, как сворачиваются белки, является проблемой, имеющей важнейшие медицинские и биологические последствия.

Традиционный суперкомпьютер может попытаться свернуть белок со слишком большим усилием, используя преимущества своих многочисленных процессоров, чтобы определить каждую возможность изгиба химической цепи, прежде чем найти ответ. Однако по мере увеличения сложности и длины последовательности белка суперкомпьютер заходит в тупик. Цепочку из 100 аминокислот гипотетически можно было бы свернуть любым из триллионов вариантов. Ни один классический компьютер не обладает способностями определять все потенциальные комбинации каждого сгиба.

Традиционные компьютеры не могут создавать такие вычислительные пространства; следовательно, для них невозможно идентифицировать такие шаблоны. Уже существуют ранние квантовые алгоритмы, которые могут определять шаблоны свертывания новыми, все более эффективными способами без необходимости в утомительных процессах проверки классических компьютеров. По мере увеличения производства квантового оборудования и развития этого алгоритма они смогут решать любые проблемы сворачивания белка, слишком сложные для любых суперкомпьютеров.

Квантовые алгоритмы используют новый подход к такого рода сложным проблемам, генерируя многомерные пространства, в которых возникают шаблоны, соединяющие отдельные точки данных. Поскольку традиционные компьютеры не способны создавать эти вычислительные области, они не способны обнаруживать шаблоны. В случае с белками уже существуют ранние квантовые алгоритмы, которые могут находить шаблоны сворачивания совершенно новыми, более эффективными методами без необходимости в трудоемких процедурах тестирования, используемых традиционными компьютерами. По мере совершенствования квантовых технологий и алгоритмов они, возможно, смогут решать проблемы сворачивания белка, которые слишком сложны для любого суперкомпьютера.

Каковы основные проблемы в будущем квантовых вычислений?

Определение работоспособного подхода

Квантовые вычисления могут быть реализованы несколькими различными способами. Из-за высоких инвестиционных затрат на квантовые вычисления и квантовые схемы экспериментирование с различными способами потребует много времени и денег. Наиболее вероятным решением в настоящее время, по-видимому, являются отдельные методы для разных целей. Аналоговая квантовая модель, универсальная модель квантовых вентилей и квантовый отжиг - вот некоторые из текущих методологий, которые исследуются фирмами, занимающимися контролем качества.

Создание стабильных квантовых процессоров и исправление ошибок

Для использования возможностей квантовой механики необходимо проводить манипуляции на меньших масштабах, возможно, меньше атома. Проблемы стабильности и проверки ошибок усугубляются при малых размерах.

Ценность исправления ошибок в кубитах, по мнению квантовых исследователей, больше, чем общее количество полученных кубитов. Сложные проблемы по-прежнему трудно решать, потому что кубитами нельзя точно управлять.

Поддержание высоких затрат на операции

Стабильность и исправление ошибок зависят от достижений в области технологических инвестиций, исследовательских ресурсов и квантовой механики. Различные группы экспериментируют с различными способами, чтобы приобрести наиболее доступную технологию квантовых вычислений. Потребуется некоторое время, чтобы определить, какой метод будет успешным в определенных местах.

Источник: contentsiphon.com

Комментарии: