Как квантовые вычисления могут изменить мир
Квантовая физика уже значительно повлияла на нашу жизнь. Изобретения лазера и транзистора на самом деле являются следствием квантовой теории – и поскольку оба эти компонента являются основным строительным блоком любого электронного устройства сегодня, то, что вы наблюдаете, по сути, является «квантовой механикой в действии».
Сказав это, квантовая индустрия теперь настроена произвести революцию в компьютерном мире, поскольку прилагаются значительные усилия, чтобы использовать истинную мощь квантовой области. Квантовые вычисления могут найти приложения в различных секторах, таких как безопасность, здравоохранение, энергетика и даже индустрия развлечений.
Квантовые и классические компьютеры
История квантовой теории насчитывает более века. Однако нынешний квантовый ажиотаж связан с недавними результатами исследований, которые показывают, что неопределенность, неотъемлемое свойство квантовых частиц, может служить мощным оружием для реализации квантового потенциала.
Согласно теории, по-видимому, невозможно знать все свойства отдельных квантовых частиц (то есть электронов или фотонов). Рассмотрим пример классического GPS, который может точно предсказать скорость, местоположение и направление вашего движения, пока вы доберетесь до желаемого пункта назначения.
Однако квантовая GPS не может точно определить все вышеперечисленные свойства квантовой частицы, поскольку законы квантовой физики не позволяют это сделать. Это порождает вероятностный язык квантового мира, а не классический язык достоверности.
В этом случае вероятностный язык подразумевает приписывание вероятностей различным свойствам квантовых частиц, таким как скорость, положение и направление движения, которые, по-видимому, трудно определить с уверенностью. Эта вероятностная природа квантовых частиц порождает возможность, которая позволяет всему и вся происходить в любой момент времени.
В свете вычислений двоичные 0 и 1, представленные в виде кубитов (квантовых битов), обладают свойством быть 1 или 0 в любой момент времени.
Вышеупомянутое представление оставляет горький привкус во рту, поскольку в классических машинах 0 и 1 связаны с переключателями и схемами, которые включаются и выключаются в разные моменты времени. Следовательно, незнание их точного состояния (то есть включено или выключено) было бы неразумным в контексте вычислений.
На самом деле это могло вызвать ошибки в расчетах. Однако обработка информации в квантовом мире основана на концепции квантовой неопределенности, в которой «суперпозиция» 0 и 1 – это не ошибка, а функция. Это позволяет быстрее обрабатывать данные и облегчает более быстрое общение.
На пороге квантовых вычислений
Следствием вероятностного свойства квантовой теории является то, что точное копирование квантовой информации, по-видимому, невозможно. С точки зрения безопасности это важно, поскольку киберпреступники, намеревающиеся скопировать квантовые ключи для шифрования и отправки сообщений, в конечном итоге потерпят неудачу, даже если они получат доступ к квантовым компьютерам.
Здесь важно подчеркнуть, что такое высокопроизводительное шифрование (то есть сложный метод преобразования секретных данных или ключей в код, предотвращающий несанкционированный доступ) является результатом законов физики, а не алгоритмов с математическими сценариями, используемых сегодня. Математическое шифрование можно взломать с помощью мощных компьютеров, однако взлом квантового шифрования требует переписывания фундаментальных законов физики.
Поскольку квантовое шифрование отличается от современных методов шифрования, точно так же квантовые компьютеры отличаются от классических на очень фундаментальном уровне. Рассмотрим аналогию с автомобилем и телегой, запряженной волами. Здесь автомобиль подчиняется определенным законам физики, которые доставят вас к желаемому пункту назначения в более короткие сроки по сравнению с аналогом. Та же философия применима к квантовому компьютеру и классическому компьютеру.
Квантовый компьютер использует вероятностную природу квантовой физики для уникального выполнения вычислений и обработки данных. Он может выполнять вычислительные задачи в гораздо более быстром темпе, а также совершать прыжок в традиционно невозможные концепции, такие как квантовая телепортация. Эта форма передачи данных может проложить путь для Интернета будущего, то есть для квантового Интернета.
Что можно использовать с квантовым компьютером сегодня?
Квантовые компьютеры могут быть полезны для научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций, государственных органов и академических институтов, поскольку они могут помочь в решении сложных проблем, с которыми современные компьютеры считают сложной задачей.
Одним из важных приложений может быть разработка лекарств, где он может беспрепятственно моделировать и анализировать химические вещества и молекулы, поскольку молекулы функционируют по тем же законам квантовой физики, что и квантовые компьютеры. Кроме того, может стать возможным эффективное квантово-химическое моделирование, поскольку самые быстрые суперкомпьютеры сегодня не в состоянии достичь цели.
Кроме того, квантовые компьютеры могут решать сложные задачи оптимизации и помогать в быстром поиске несортированных данных. В этом отношении существует множество приложений, начиная от сортировки, казалось бы, динамических климатических, медицинских или финансовых данных, до оптимизации логистики или транспортных потоков.
Квантовые компьютеры также хорошо распознают закономерности в данных, например, в задачах машинного обучения. Кроме того, квантовые компьютеры могут сыграть решающую роль в разработке моделей для предсказания будущего, например, в прогнозировании погоды.
Готовимся к квантовому будущему
Поскольку гонка за квантовое будущее выходит на первый план, инвесторы и государственные органы тратят миллиарды долларов на квантовые исследования и разработки. Глобальная коммуникационная сеть, использующая спутниковое квантовое распределение ключей, уже создана, что открывает путь для дальнейших разработок.
Такие компании, как Google, Amazon, Microsoft, IBM и другие, вкладывают большие средства в разработку ресурсов квантовых вычислений, то есть оборудования и программного обеспечения.
Согласно Cosmos , группа исследователей в Китае построила квантовый компьютер, который выполнил сложные вычисления чуть более чем за 60 минут, на выполнение которых у классического компьютера потребовалось бы не менее 8 лет.
Это изюминка разработок квантовых вычислений, произошедших за последние два года. Считается, что научное сообщество наконец-то достигло неуловимого «квантового преимущества» – квантовые вычисления могут решить самую сложную проблему, для понимания которой классическим вычислениям может потребоваться буквально непрактичное время.
Квантовая веха была впервые достигнута Google в 2019 году, когда они использовали кубиты, которые использовали ток для выполнения вычислений. Позже в 2020 году китайская команда использовала фотонные кубиты, чтобы ускорить процесс. Теперь, в 2021 году, другая китайская команда (во главе с Цзянь-Вей Паном из Китайского университета науки и технологий в Шанхае) снова превзошла Google.
В исследовательской статье, опубликованной на сервере предварительной печати ArXiv , участвовавшая исследовательская группа раскрыла свои выводы о квантовом преимуществе, в котором они использовали сверхпроводящие кубиты на квантовом процессоре Zuchongzhi, который состоит из 66 кубитов. Команда продемонстрировала, что Zuchongzhi может манипулировать 56 кубитами для решения вычислительной задачи, направленной на проверку мощности компьютеров.
Принятие неопределенности
Быстрые темпы развития мира квантовых технологий за последние пять лет были весьма захватывающими. Согласно The Quantum Daily , к концу 2030 года квантовая индустрия, как ожидается, будет оцениваться в несколько миллиардов долларов. Хотя до такого крупномасштабного развертывания необходимо преодолеть различные практические проблемы, тем не менее, будущее кажется безоблачным.
К счастью, квантовая теория проливает свет на более светлую сторону «непредсказуемости». Согласно теории, два кубита могут быть заблокированы друг с другом с вероятностью, что каждый кубит остается неопределенным по отдельности, но синхронизируется с другим, если рассматривать его как единое целое – подразумевая, что оба кубита равны 0 или 1.
Эта индивидуальная непредсказуемость и комбинированная уверенность называется «запутанностью» – это удобный инструмент для большинства современных алгоритмов квантовых вычислений. Следовательно, осторожно обращаясь с неопределенностью, организации могут принять форму, чтобы принять квантовое будущее.