Квантовите компютри. Вероятно сте чували удивителни неща за тях и техния потенциал да променят света, но как точно? Виждали ли сте ги? Научна фантастика ли са или са реалност? Нека научим повече за тях, сега!
Какво представляват квантовите компютри?
Това са компютри, базирани на принципа на квантовата механика и работят с кубити (квантови битове). Докато традиционните битове могат да бъдат 0 или 1, кубитите на квантовите компютри могат да бъдат 0 и 1 едновременно! Това означава много повече потенциал за много бързо решаване на сложни изчисления, съхраняване на данни и др.
Какво е квантов бит или кубит?
В обикновените изчисления ние използваме бита като основна единица информация. Битът може да има стойност нула или единица. Едната или другата стойност в даден момент. Да кажем като пример, че ако токът преминава през верига, имате единица. Ако не премине, имате нула. Говорейки за квантово изчисление, кубитът или квантовият бит е основната единица информация, използвана от квантов компютър. Един квантов бит може да има и двете стойности (нула и единица), насложени едновременно. Това отваря интересни и полезни шансове за извършване на много квантови алгоритми, следователно извършване на различни сложни изчисления по много бърз начин. Можете да имате квантов бит от физически величини, атом, частица, вълна, фотон, спин на електрон или енергийни нива на молекула или атом и т.н. Според учените, ако можете да приложите принципите на квантовата физика към количество, тогава можете да го използвате (количеството) като квантов бит или кубит.
Какви са принципите на квантовата механика, използвани от квантовите компютри?
Квантовата механика е интересен дял от физиката. Той изучава съществуването, взаимодействието и потенциала на атомните и субатомните частици. Някои от неговите принципи се използват от квантовите компютри за извършване на изчисления, които са невъзможни за обикновените компютри. Нека навлезем по-дълбоко в темата!
Суперпозиция. Това е свойството на квантовите системи да съществуват в множество състояния едновременно. Това означава, че кубитът може да бъде в суперпозиция на 0 и 1 едновременно, вместо да бъде ограничен само до едното или другото, както се случва с битовете.
Заплитане. В квантовите системи състоянието на един кубит зависи от състоянието на друг, дори когато те са физически разделени. Между тях има зависимост, такава че състоянието на един кубит не може да се разглежда независимо от състоянието на друг кубит и измерванията, практикувани на един кубит, могат да повлияят на състоянието на другия. Този принцип е жизненоважен, за да могат квантовите алгоритми да изчисляват много по-бързо от традиционните алгоритми. По този начин алгоритъмът на Гроувър може да търси в несортирана база данни или алгоритъмът на Шор може да разчита много големи числа по много бърз начин.
Фотонните завъртания са често срещан пример за използвани кубити. Като се има предвид, че един фотон може да се върти нагоре (едно състояние) или да се върти надолу (нулево състояние), ако имате няколко заплетени фотона, те трябва да имат противоположни завъртания. Ако единият е надолу, другият трябва да е нагоре.
Актуални предизвикателства на квантовите компютри
Предложението и развитието на квантовите компютри датират от 80-те години на миналия век. Имена като Ричард Фейнман, Юрий Манин и много други силно подкрепят потенциала на квантовите компютри за решаване на сложни проблеми много по-бързо от обикновен компютър. През 90-те години се състоят първите експериментални реализации на прости квантови алгоритми, използващи малък брой кубити или квантови битове. Имало е важен напредък, но все още е имало и много предизвикателства. Трябва да се направи много, за да се достигне пълният потенциал на квантовите компютри.
Изграждане на надеждни кубити. Огромно предизвикателство е да се изградят стабилни кубити без грешки. Причината е, че кубитите са много чувствителни към факторите на околната среда. Те могат лесно да бъдат нарушени от електромагнитно излъчване, температурни колебания и т.н. Запазването на деликатните квантови състояния е от съществено значение за правилното изпълнение на квантовите изчисления, но това е много трудна мисия поради тяхната чувствителност. В момента се изследват и тестват различни материали и дизайни, за да се изградят стабилни кубити без грешки.
Контролиране и измерване на кубити. Тъй като кубитите са толкова деликатни, всяко взаимодействие с околната среда и нейните различни елементи може да ги накара да загубят своите квантови състояния. Настоящите усилия са насочени към разработването на техники, които позволяват да се контролират и измерват кубитите, без да се нарушават техните квантови състояния.
Разработване на корекция на грешки. Обикновените компютри изпитват повреда в битовете за данни. Не се случва често, но е възможно. При сценарий на неуспех са важни техниките, които позволяват корекции за продължаване на изчисленията. Обикновено данните, съхранявани от последователност от битове, се копират, така че забелязването на точния бит от последователността, който е има проблем, е лесно и следователно може да се коригира.
С квантовите компютри предизвикателството е много по-трудно. Кубитите са трудни за работа и цялата информация, която те съдържат, може да бъде унищожена много лесно, причинявайки грешки в квантовите изчисления. Кубитите са склонни към грешки и техниките за извършване на корекции са съществена необходимост. Но не можете да използвате същите техники, използвани от обикновените компютри, защото квантовата информация не може да бъде копирана.
В процес на разработване са различни подходи. Реалността е, че все още не са готови!
Увеличаване на потенциала на квантовите системи. Целта е да се изградят мащабни квантови компютри за решаване на по-големи и по-сложни проблеми, отколкото обикновените компютри могат да управляват. В момента има напредък, но все пак съществуващите квантови системи са „малки“, което означава, че не могат да покажат пълния си потенциал. Очакванията са, че квантовите компютри трябва да революционизират решението на много сложни изчисления и начина, по който разбираме Вселената.
Разработване на софтуер и алгоритми. Има много работа по разработването на квантови компютри, но ще се нуждаем от софтуер и алгоритми, които могат да извлекат най-доброто от техните специфични и привлекателни характеристики. Много способен компютър без софтуер ще бъде безсмислен. Тези компютри ще изискват своя език за програмиране, персонализирана операционна система и приложения. Вече има алгоритми, предназначени за изпълнение на специфични задачи, но са необходими и алгоритми с общо предназначение, за да се използват в по-широк кръг от проблеми.
Кои компании правят квантови компютри в момента?
Различни правителствени агенции, академични институции и компании разработват квантови компютри. Това са някои от основните играчи в областта:
- Microsoft. Microsoft проучва и разработва квантови компютри от началото на 2000-те години. Компанията също така разработва квантови приложения, софтуер и алгоритми. Най-новият им квантов компютър е 50-кубитов, наречен Microsoft Quantum и е достъпен чрез облачната платформа, Azure Quantum.
- IBM. IBM също работи върху разработването на квантови компютри, квантови приложения, софтуер и алгоритми от началото на 2000-те. Можем да споменем неговата IBM Quantum System One, 127-кубитов квантов компютър, достъпен чрез облачната платформа на IBM, IBM Quantum.
- Google. Google се присъедини към конкуренцията в средата на 2000-те години. Компанията е разработила няколко квантови приложения и алгоритми, като оптимизационни алгоритми и химически симулации. Текущият квантов компютър на Google е 72-кубитов, достъпен чрез Google Cloud Quantum (облачна платформа).
- D-Wave Systems. D-Wave Systems произвежда квантови компютри, базирани на специфичен вид квантово изчисление, насочено към оптимизиране на проблеми. То се нарича квантово отгряване (quantum annealing). Сегашният квантов компютър на компанията се нарича D-Wave 2000Q. Той е 2048 qubit компютър, достъпен чрез Leap, облачната платформа на D-Wave.
- Rigetti Computing. Rigetti Computing е стартираща компания, която разработва квантови компютри, базирани на свръхпроводящи кубити (superconducting qubits). Най-новият квантов компютър на Rigetti е 2048 qubit, наречен Rigetti Aspen-9 и е достъпен чрез Rigetti Quantum Cloud (облачна платформа).
- IonQ. IonQ е друг стартъп, разработващ квантови компютри, базирани на уловени йони. Сегашният квантов компютър на компанията има 32 кубита, името му е IonQ Quantum и е достъпен чрез IonQ Cloud.
Освен това има няколко прототипа в ход. Например, изследователи от Университета на Нов Южен Уелс в Австралия са създали квантов компютър, който има 4 кубита и може да бъде програмиран чрез използване на светлина. Екип от разработчици в Калифорнийския университет в Санта Барбара създадоха 246-кубитов компютър.
Заключение
Да, квантовите компютри вече съществуват! Те са нещо истинско, а не само научна фантастика. Те са собственост на различни предприятия и могат да бъдат достъпни през интернет (квантов облак). Те са достъпен начин за изследователите и бизнеса да използват квантови изчислителни ресурси и инструменти, без да се налага да инвестират огромната сума пари, която изисква тяхното създаване.
Вярно е обаче, че след много години те все още са в ранен етап на развитие. Анализирайки техните възможности и предизвикателства, можете да разберете защо учените и изследователите ги намират за супер привлекателни, докато инженерите мразят тяхната сложност.
Как квантовите компютри ще променят света? Ясно е, че чрез революция в ключови научни области и решаване на сложни проблеми, които са извън обсега на обикновените компютри. Създаване на квантово устойчиви криптографски алгоритми за защита на комуникациите, разработване на много по-ефективни лекарства и терапии за изключително кратко време, ефективни решения за рационализиране на операциите и подобряване на използването на ресурсите, проектиране на нови материали за подобряване на електрониката, съхранението на енергия и възобновяемата енергия , подобряване на изкуствения интелект и анализ на данни за рекордно кратко време, точни прогнози за времето и по-добра готовност за бедствия. Съвсем скоро бихме могли да живеем по-дълго, по-здрави и в един процъфтяващ и здравословен свят!
Вълнуващо, нали? Но ще трябва да почакаме. През 2023 г. се очаква квантовите компютри да продължат да се използват предимно за изследователски и развойни цели, както и за решаване на специфични проблеми в области като науката за материалите, химията и криптографията. Малко вероятно е те да бъдат широко приети за изчислителни задачи с общо предназначение в близко бъдеще. Те определено ще прекроят света ни, но не днес!