Что такое квантовые вычисления? Руководство для начинающих

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — это другая парадигма по сравнению с классическими вычислениями, которые мы все знаем (компьютеры и другие устройства, которые мы сейчас используем ежедневно). Квантовые вычисления основаны на использовании законов квантовой механики, что подразумевает, что частица может находиться в двух состояниях одновременно.

Как родились квантовые вычисления?

Идея квантовых вычислений возникла потому, что стало все труднее производить более мелкие микросхемы, что могло сделать невозможным продолжение уменьшения размера этих микросхем в будущем, так что классические вычисления достигли бы своего предела. Из-за этого необходимо было открыть новые технологии, которые преодолели бы это ограничение.

Как работают квантовые вычисления?

Кратко, квантовые вычисления основаны на использовании кубитов, а не битов, используемых классическими вычислениями. Как бит, кубит может принимать значения 1 и 0, но, используя законы квантовой механики, он может принимать оба значения одновременно (может быть 80% 1 и 20% 0), что открывает возможность применения логических операций, которые не могли быть применены к битам.

Для чего нужны квантовые вычисления?

Квантовые вычисления имеют несколько преимуществ перед классическими, среди которых выделяются большая вычислительная мощность и меньшее потребление энергии. Это открывает дверь к решению проблем, которые до сих пор были неразрешимы с использованием классических вычислений. Используя конвенциональную систему для нахождения лучшего решения проблемы, необходимо было бы протестировать все возможные решения, однако с квантовыми вычислениями это не потребуется. Способные находиться в нескольких состояниях одновременно, квантовая система могла бы тестировать эти решения одновременно, способная решить проблему за меньшее время. Это может позволить важные достижения в других областях, таких как Искусственный интеллект и Глубокое обучение, так как это позволило бы создавать более сложные и эффективные модели или в изучении взаимодействия между частицами, что позволило бы создавать новые материалы.

Каков его текущий статус?

Область квантовых вычислений едва продвинулась вперед, однако в последние годы несколько технологических компаний начали исследовать эту область. IBM объявила, что будет продавать первый квантовый компьютер для коммерческого использования. И несколько дней назад Google объявила, что достигла квантового превосходства в журнале Nature, выполнив за минуты программы, для которых обычному компьютеру потребовались бы годы. Хотя неясно, насколько это правда, и хотя может пройти годы, чтобы закончить разработку и достичь результатов по действительно сложным проблемам, ясно, что квантовые вычисления приносят важные достижения и что, хотя в настоящее время они не могут использоваться для решения сложных проблем, их можно использовать для более мелких ситуаций и достигать лучших результатов, чем классические вычисления.

Каково будущее квантовых вычислений?

Сегодня квантовые вычисления имеют важные ограничения. Каждый кубит должен быть полностью изолирован, с по крайней мере одним кабельным соединением, эксклюзивным для него, и должен поддерживаться при очень низких температурах. В настоящее время модели, представленные Google и IBM, имеют около 53 кубитов. Оценивается, что для того, чтобы квантовый компьютер взломал текущую систему шифрования, потребуется 100 миллионов кубитов, так что это все еще довольно далеко от решения действительно сложных проблем. Следующие шаги в этой области будут улучшением текущего дизайна, через который они работают, и увеличением количества кубитов, которые может использовать квантовый компьютер.

Вы можете узнать больше о кубитах в этом YouTube видео, которое мы любим: