Kvantno računalništvo uporablja kvantno mehaniko za obdelavo ogromnih količin informacij pri neverjetno visoki hitrosti. Kvantni računalnik potrebuje od nekaj minut do nekaj ur, da reši problem, za katerega bi namizni računalnik potreboval leta ali desetletja.
Kvantno računalništvo postavlja temelje za novo generacijo superračunalnikov. Pričakuje se, da bodo ti kvantni računalniki presegli obstoječo tehnologijo na področjih, kot so modeliranje, logistika, analiza trendov, kriptografija in umetna inteligenca.
Razloženo kvantno računalništvo
Zamisel o kvantnem računalništvu sta si v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja prvič zamislila Richard Feynman in Jurij Manin. Feynman in Manin sta verjela, da lahko kvantni računalnik simulira podatke na načine, ki jih namizni računalnik ne more. Šele v poznih devetdesetih letih prejšnjega stoletja so raziskovalci izdelali prve kvantne računalnike.
Kvantno računalništvo za izvajanje izračunov uporablja kvantno mehaniko, kot sta superpozicija in prepletenost. Kvantna mehanika je veja fizike, ki preučuje stvari, ki so izjemno majhne, izolirane ali hladne.
Primarna procesna enota kvantnega računalništva so kvantni biti ali kubiti. Qubiti so ustvarjeni v kvantnem računalniku z uporabo kvantno mehanskih lastnosti posameznih atomov, subatomskih delcev ali superprevodnih električnih vezij.
Kubiti so podobni bitom, ki jih uporabljajo namizni računalniki, saj so lahko kubiti v kvantnem stanju 1 ali 0. Kubiti se razlikujejo po tem, da so lahko tudi v superpoziciji stanj 1 in 0, kar pomeni, da lahko kubiti hkrati predstavljajo 1 in 0.
Ko so kubiti v superpoziciji, se dve kvantni stanji seštejeta in povzročita drugo kvantno stanje. Superpozicija pomeni, da se več izračunov obdeluje hkrati. Torej lahko dva kubita predstavljata štiri števila hkrati. Običajni računalniki obdelujejo bite samo v enem od dveh možnih stanj, 1 ali 0, in izračuni se obdelujejo enega za drugim.
Kvantni računalniki uporabljajo tudi prepletenost za obdelavo kubitov. Ko je kubit zapleten, je stanje tega kubita odvisno od stanja drugega kubita, tako da en kubit razkrije stanje svojega neopazovanega para.
Kvantni procesor je jedro računalnika
Ustvarjanje kubitov je težka naloga. Za ohranitev kubita za poljubno dolgo časa je potrebno zamrznjeno okolje. Superprevodne materiale, potrebne za ustvarjanje kubita, je treba ohladiti na absolutno ničlo (približno minus 272 Celzija). Qubiti morajo biti tudi zaščiteni pred hrupom iz ozadja, da se zmanjšajo napake v izračunu.
Notranjost kvantnega računalnika je videti kot eleganten zlat lestenec. In ja, narejen je iz pravega zlata. To je hladilnik za redčenje, ki hladi kvantne čipe, tako da lahko računalnik ustvarja superpozicije in zapleta kubite, ne da bi pri tem izgubil katero koli informacijo.
Kvantni računalnik naredi te kubite iz katerega koli materiala, ki kaže kvantno mehanske lastnosti, ki jih je mogoče nadzorovati. Projekti kvantnega računalništva ustvarjajo kubite na različne načine, kot so zankanje superprevodne žice, vrtenje elektronov in lovljenje ionov ali impulzov fotonov. Ti kubiti obstajajo samo pri temperaturah pod lediščem, ustvarjenih v hladilniku za redčenje.
Programski jezik za kvantno računalništvo
Kvantni algoritmi analizirajo podatke in ponujajo simulacije na podlagi podatkov. Ti algoritmi so napisani v kvantno osredotočenem programskem jeziku. Raziskovalci in tehnološka podjetja so razvili več kvantnih jezikov.
To je nekaj programskih jezikov za kvantno računalništvo:
- QISKit: IBM-ov komplet programske opreme Quantum Information je knjižnica polnega sklada za pisanje, simulacijo in izvajanje kvantnih programov.
- Q: programski jezik, vključen v Microsoftov komplet za kvantni razvoj. Razvojni komplet vključuje kvantni simulator in knjižnice algoritmov.
- Cirq: kvantni jezik, ki ga je razvil Google in uporablja knjižnico python za pisanje vezij in zagon teh vezij v kvantnih računalnikih in simulatorjih.
- Forest: okolje za razvijalce, ki ga je ustvaril Rigetti Computing, ki piše in izvaja kvantne programe.
Uporabe za kvantno računalništvo
Pravi kvantni računalniki so postali na voljo v zadnjih nekaj letih in le nekaj velikih tehnoloških podjetij ima kvantni računalnik. Nekatera od teh tehnoloških podjetij vključujejo Google, IBM, Intel in Microsoft. Ti tehnološki voditelji sodelujejo s proizvajalci, podjetji za finančne storitve in biotehnološkimi podjetji pri reševanju različnih težav.
Razpoložljivost kvantnih računalniških storitev in napredek v računalniški moči dajeta raziskovalcem in znanstvenikom nova orodja za iskanje rešitev za težave, ki jih prej ni bilo mogoče rešiti. Kvantno računalništvo je zmanjšalo količino časa in virov, potrebnih za analizo neverjetnih količin podatkov, ustvarjanje simulacij o teh podatkih, razvoj rešitev in ustvarjanje novih tehnologij, ki odpravljajo težave.
Podjetja in industrija uporabljajo kvantno računalništvo za raziskovanje novih načinov poslovanja. Tukaj je nekaj projektov kvantnega računalništva, ki lahko koristijo podjetju in družbi:
- Letalska industrija uporablja kvantno računalništvo za raziskovanje boljših načinov za upravljanje zračnega prometa.
- Finančna in investicijska podjetja upajo, da bodo s kvantnim računalništvom analizirali tveganje in donosnost finančnih naložb, optimizirali portfeljske strategije in poravnali finančne prehode.
- Proizvajalci sprejemajo kvantno računalništvo za izboljšanje svojih dobavnih verig, ustvarjanje učinkovitosti proizvodnih procesov in razvoj novih izdelkov.
- Biotehnološka podjetja raziskujejo načine za pospešitev odkrivanja novih zdravil.
Poiščite kvantni računalnik in eksperimentirajte s kvantnim računalništvom
Nekateri računalniški znanstveniki razvijajo metode za simulacijo kvantnega računalništva na namiznem računalniku.
Mnoga največja tehnološka podjetja na svetu ponujajo kvantne storitve. V povezavi z namiznimi računalniki in sistemi te kvantne storitve ustvarijo okolje, v katerem kvantna obdelava – z namiznimi računalniki – rešuje zapletene probleme.
- IBM ponuja okolje IBM Q z dostopom do več pravih kvantnih računalnikov in simulacij, ki jih lahko uporabljate prek oblaka.
- Alibaba Cloud ponuja platformo za kvantno računalništvo v oblaku, kjer lahko izvajate in testirate kvantne kode po meri.
- Microsoft ponuja kvantni razvojni komplet, ki vključuje programski jezik Q, kvantne simulatorje in razvojne knjižnice kode, pripravljene za uporabo.
- Rigetti ima kvantno prvo platformo v oblaku, ki je trenutno v različici beta. Njihova platforma je vnaprej konfigurirana z njihovim Forest SDK.
Novice kvantnega računalništva v prihodnosti
Sanje so, da bodo kvantni računalniki rešili probleme, ki so trenutno preveliki in preveč zapleteni, da bi jih rešili s standardno strojno opremo - zlasti za okoljsko modeliranje in zajezitev bolezni.
Namizni računalniki nimajo prostora za izvajanje teh zapletenih izračunov in izvedbo te neverjetne količine analiz podatkov. Kvantno računalništvo zajema največje velike zbirke podatkov in te informacije obdela v delčku časa, ki bi ga potreboval namizni računalnik. Podatki, za obdelavo in analizo katerih bi namizni računalnik potreboval več let, kvantni računalnik potrebuje le nekaj dni.
Kvantno računalništvo je še v povojih, vendar ima potencial za reševanje najbolj zapletenih svetovnih problemov s svetlobno hitrostjo. O tem, kako daleč bo kvantno računalništvo raslo in o razpoložljivosti kvantnih računalnikov, lahko ugibamo.
