Kvantové výpočty využívají kvantovou mechaniku ke zpracování obrovského množství informací neuvěřitelně vysokou rychlostí. Kvantovému počítači trvá několik minut až několik hodin, než vyřeší problém, který by stolnímu počítači trval roky nebo desetiletí.
Kvantové výpočty připravují půdu pro novou generaci superpočítačů. Očekává se, že tyto kvantové počítače překonávají stávající technologie v oblastech, jako je modelování, logistika, analýza trendů, kryptografie a umělá inteligence.
Vysvětlení kvantových počítačů
Myšlenku kvantových počítačů poprvé představili na počátku 80. let Richard Feynman a Yuri Manin. Feynman a Manin věřili, že kvantový počítač dokáže simulovat data způsobem, který stolní počítač nedokáže. Teprve koncem 90. let výzkumníci postavili první kvantové počítače.
Kvantové výpočty využívají k provádění výpočtů kvantovou mechaniku, jako je superpozice a zapletení. Kvantová mechanika je odvětví fyziky, které studuje věci, které jsou extrémně malé, izolované nebo studené.
Primární procesorovou jednotkou kvantového počítání jsou kvantové bity nebo qubity. Qubity jsou vytvářeny v kvantovém počítači pomocí kvantově mechanických vlastností jednotlivých atomů, subatomárních částic nebo supravodivých elektrických obvodů.
Qubity jsou podobné bitům používaným stolními počítači v tom, že qubity mohou být v kvantovém stavu 1 nebo 0. Qubity se liší v tom, že mohou být také v superpozici stavů 1 a 0, což znamená, že qubity mohou současně představovat jak 1, tak 0.
Když jsou qubity v superpozici, sečtou se dva kvantové stavy a výsledkem je další kvantový stav. Superpozice znamená, že se současně zpracovává více výpočtů. Dva qubity tedy mohou představovat čtyři čísla současně. Běžné počítače zpracovávají bity pouze v jednom ze dvou možných stavů, 1 nebo 0, a výpočty jsou zpracovávány jeden po druhém.
Kvantové počítače také používají zapletení ke zpracování qubitů. Když je qubit zapletený, stav tohoto qubitu závisí na stavu jiného qubitu, takže jeden qubit odhaluje stav jeho nepozorovaného páru.
Kvantový procesor je jádrem počítače
Vytváření qubitů je obtížný úkol. Udržování qubitu po libovolně dlouhou dobu vyžaduje zmrazené prostředí. Supravodivé materiály potřebné k vytvoření qubitu musí být ochlazeny na absolutní nulu (asi minus 272 Celsia). Qubity musí být také odstíněny před šumem na pozadí, aby se snížily chyby ve výpočtu.
Vnitřek kvantového počítače vypadá jako luxusní zlatý lustr. A ano, je vyroben ze skutečného zlata. Je to zřeďovací lednička, která ochlazuje kvantové čipy, takže počítač může vytvářet superpozice a proplétat qubity bez ztráty jakékoli informace.
Kvantový počítač vyrábí tyto qubity z jakéhokoli materiálu, který vykazuje kvantově mechanické vlastnosti, které lze ovládat. Projekty kvantových počítačů vytvářejí qubity různými způsoby, jako je smyčkování supravodivého drátu, rotující elektrony a zachycování iontů nebo pulsů fotonů. Tyto qubity existují pouze při teplotách pod bodem mrazu vytvořených v ředící chladničce.
The Quantum Computing Programming Language
Kvantové algoritmy analyzují data a nabízejí simulace založené na datech. Tyto algoritmy jsou napsány v kvantově zaměřeném programovacím jazyce. Několik kvantových jazyků bylo vyvinuto výzkumníky a technologickými společnostmi.
Toto je několik z programovacích jazyků pro kvantové výpočty:
- QISKit: Sada Quantum Information Software Kit od IBM je kompletní knihovna pro psaní, simulaci a spouštění kvantových programů.
- Q: Programovací jazyk obsažený v sadě Microsoft Quantum Development Kit. Vývojová sada obsahuje kvantový simulátor a knihovny algoritmů.
- Cirq: Kvantový jazyk vyvinutý společností Google, který používá pythonovou knihovnu k zápisu obvodů a spouštění těchto obvodů v kvantových počítačích a simulátorech.
- Forest: Vývojářské prostředí vytvořené společností Rigetti Computing, které píše a spouští kvantové programy.
Použití pro kvantové výpočty
Skutečné kvantové počítače se staly dostupnými v posledních několika letech a pouze několik velkých technologických společností má kvantový počítač. Některé z těchto technologických společností zahrnují Google, IBM, Intel a Microsoft. Tito technologickí lídři spolupracují s výrobci, firmami poskytujícími finanční služby a biotechnologickými firmami na řešení různých problémů.
Dostupnost služeb kvantových počítačů a pokrok v oblasti výpočetního výkonu dává výzkumníkům a vědcům nové nástroje k nalezení řešení problémů, které dříve nebylo možné vyřešit. Kvantové výpočty snížily množství času a zdrojů, které jsou potřeba k analýze neuvěřitelného množství dat, vytváření simulací o těchto datech, vývoji řešení a vytváření nových technologií, které řeší problémy.
Podniky a průmysl využívají kvantové výpočty k objevování nových způsobů podnikání. Zde je několik projektů kvantových počítačů, které mohou být přínosem pro podnikání a společnost:
- Letecký průmysl využívá kvantové výpočty ke zkoumání lepších způsobů řízení leteckého provozu.
- Finanční a investiční firmy doufají, že pomocí kvantových počítačů analyzují riziko a návratnost finančních investic, optimalizují strategie portfolia a vypořádávají finanční přechody.
- Výrobci zavádějí kvantové výpočty, aby zlepšili své dodavatelské řetězce, zvýšili efektivitu svých výrobních procesů a vyvinuli nové produkty.
- Biotechnologické firmy zkoumají způsoby, jak urychlit objevování nových léků.
Najděte kvantový počítač a experimentujte s kvantovým počítačem
Někteří počítačoví vědci vyvíjejí metody pro simulaci kvantových počítačů na stolním počítači.
Mnoho největších světových technologických společností nabízí kvantové služby. Když jsou tyto kvantové služby spárovány se stolními počítači a systémy, vytvářejí prostředí, kde kvantové zpracování – se stolními počítači – řeší složité problémy.
- IBM nabízí prostředí IBM Q s přístupem k několika skutečným kvantovým počítačům a simulacím, které můžete používat prostřednictvím cloudu.
- Alibaba Cloud nabízí cloudovou platformu pro kvantové výpočty, kde můžete spouštět a testovat vlastní kvantové kódy.
- Microsoft nabízí kvantovou vývojovou sadu, která obsahuje programovací jazyk Q, kvantové simulátory a vývojové knihovny kódu připraveného k použití.
- Rigetti má první kvantovou cloudovou platformu, která je momentálně ve verzi beta. Jejich platforma je předem nakonfigurována pomocí sady Forest SDK.
Kvantové počítačové novinky v budoucnosti
Snem je, že kvantové počítače vyřeší problémy, které jsou v současnosti příliš velké a příliš složité na to, aby je bylo možné vyřešit standardním hardwarem – zejména pro modelování prostředí a omezování nemocí.
Stolní počítače nemají prostor pro provádění těchto složitých výpočtů a provádění tak neuvěřitelného množství analýzy dat. Quantum computing shromažďuje největší velké objemy dat a zpracovává tyto informace za zlomek času, který by zabral stolní počítač. Data, jejichž zpracování a analýza by u stolního počítače trvala několik let, trvá kvantovému počítači jen několik dní.
Kvantové výpočty jsou stále v plenkách, ale mají potenciál řešit ty nejsložitější světové problémy rychlostí světla. Jak daleko poroste kvantová výpočetní technika a jaká bude dostupnost kvantových počítačů, může kdokoli hádat.
