O kvantových počítačích je spousta humbuku – o tom, jak je to vzrušující obor a převratný způsob, jak řešíme složité problémy v různých průmyslových odvětvích. Obě tvrzení platí, protože kvantové výpočty představují nový způsob zpracování informací.
Organizace po celém světě věnují značné prostředky na vývoj kvantových výpočetních technologií, protože jsou schopny zvažovat mnoho možností a nabízet potenciální řešení složitých problémů.
Table of Contents
Co je kvantové počítání?
Quantum computing je obor počítačové vědy založený na principu kvantové fyziky (studium toho, jak atomové částice existují a jak se vzájemně ovlivňují). Vysvětluje chování hmoty a energie na atomární a subatomární úrovni.
Kvantové počítače používají kvantové bity nebo qubity (vyslovuje se cue-bits), které mohou existovat současně ve více stavech. Tato vlastnost umožňuje kvantovým počítačům řešit problémy, které by konvenčním počítačům zabraly nepraktické množství času nebo výpočetních zdrojů.
Jak funguje kvantové počítání?
Kvantové výpočty používají qubity k vývoji kvantových počítačů obsahujících kvantové systémy, jako jsou fotony a elektrony. Často se používají k provádění výpočtů, které by byly pro klasické počítače obvykle nepraktické. Navíc kvantové výpočty používají kvantová logická hradla k manipulaci s qubity a provádění výpočtů.
Kvantová hradla jsou analogická s logickými hradly používanými v klasických počítačích, ale fungují na kvantových bitech – výzkumníci je používají k vytváření a manipulaci s superpozicemi a propletením qubitů.
Usiluje o zlepšení výpočetních schopností a řešení složitých problémů, které dnešní klasické počítače nedokážou vyřešit kvůli jejich binárnímu přístupu a omezené existenci ve dvou stavech – 0 a 1, zatímco kvantové výpočty mohou nabývat obou stavů současně.
Rozdíl mezi Quantum Computing a Classic Computing
Rozdíly mezi kvantovým počítáním a klasickým počítáním spočívají v jejich výpočetních schopnostech a v tom, jak fungují. Zatímco kvantové výpočty jsou založeny na kvantové teorii.
Klasické výpočty jsou založeny na binárních číslicích nebo bitech, které mohou nabývat hodnoty 0 nebo 1. Kvantové počítače používají jako jednotku dat qubity. Kvantové výpočty mohou nabývat obou hodnot (0s a 1s) současně – tento akt je známý jako superpozice. Vlastnost, která umožňuje kvantovým počítačům zaujmout dva stavy najednou.
Pokud jde o výkon, klasické výpočty mají menší výpočetní výkon než kvantové výpočty, protože jejich výkon se zvyšuje na základě vztahu 1:1 s dostupnými tranzistory. Pro kvantové výpočty se výkon výrazně zvyšuje na základě počtu qubitů.
Na rozdíl od klasického počítání, které lze implementovat pomocí kódů napsaných v programovacích jazycích, jako je Java, SQL, PHP, C#, C++ a Python, mimo jiné, kvantové počítání kombinuje kód, matematiku, fyziku a algoritmy, aby sloužily svému specifickému účelu.
Vzhledem ke své složité architektuře, křehkosti a vysokým nákladům na vývoj a implementaci nejsou kvantové výpočty vytvořeny jako univerzální stroj pro veřejné použití, jsou navrženy pro konkrétní účel a případ použití. Na druhou stranu klasické počítače jsou rozšířené a snadno dostupné.
Kvantové počítače mají vyšší chybovost než klasické výpočty a vyžadují zvláštní péči, jako je umístění v ultrachladné místnosti kvůli regulaci tepla. Naproti tomu klasické počítače mohou fungovat při pokojové teplotě.
Pokud jde o použitelnost, kvantové výpočty jsou vhodné pro složité úkoly, jako je simulace, optimalizace, strojové učení a další operace náročné na zdroje. Klasické výpočty jsou vhodné pro úlohy, jako je zpracování textu, tabulkové výpočty a další úlohy nenáročné na zdroje.
Výhody kvantového počítání
Výhody kvantového počítání jsou při správném použití obrovské. Níže jsme analyzovali hlavní přednosti.
- Rychlost: Dokážou zpracovat data tisíckrát rychleji než běžné počítače.
- Zabezpečení: Jeho algoritmus lze použít ke zlepšení digitálního šifrování a ochraně IT infrastruktury organizace.
- Schopnost řešit složité problémy: V roce 2019 Google prohlásil, že jeho Sycamore – 54qubitový procesor – provedl výpočet, který by nejrychlejšímu superpočítači na světě zabral 10 000 let, než by ho dokončil za 200 sekund.
- Zlepšení odhalování podvodů: Finanční instituce mohou využívat kvantové výpočty k vytváření lepších simulátorů obchodování, navrhování efektivních investičních portfolií a zlepšování odhalování podvodů.
- Výzkum: Pomáhá vědcům vyvinout lepší modely a přístupy k řešení problémů v různých průmyslových odvětvích, jako je výzkum léků ve zdravotnictví a chemické objevy ve výrobě.
Vlastnosti kvantového počítání
Níže jsou uvedeny klíčové rysy kvantového počítání.
Superpozice
Schopnost kvantových systémů existovat současně v mnoha stavech je známá jako superpozice. Klasické počítače mohou existovat pouze v jednom stavu najednou (0 nebo 1), což znamená, že nemají schopnost superpozice.
Zapletení
Zapletení nastává, když jsou dva qubity spojeny dohromady a stav jedné částice ovlivňuje druhou, i když jsou od sebe na míle daleko. Často se používá k vytvoření kvantové sítě, která umožňuje kvantovým počítačům sdílet informace.
Interference V kvantových systémech je interference vedlejším produktem superpozice. Je to vlnový jev, ke kterému dochází, když subatomární částice interagují a ovlivňují.
Může být buď konstruktivní (kdy se vlny vzájemně posilují nebo zesilují správnou odpověď), nebo destruktivní (když se navzájem ruší).
Dekoherence
Kvantové systémy jsou křehké a citlivé na své okolí; interference z jejich prostředí může způsobit, že se kvantové chování qubitů rozpadne, čímž ztratí své kvantové schopnosti.
Například šum může způsobit, že qubity vypadnou ze superpozice. Nejen to, dokonce i změny teploty mohou ovlivnit jeho výkon. Z toho vyplývá potřeba udržovat jej ve vysoce regulovaném a kontrolovaném prostředí.
Omezení a výzvy kvantového počítání
Zatímco kvantové výpočty nabízejí mnoho výhod, mají také některé nevýhody, které stojí za zmínku.
- Dekoherence: Na rozdíl od klasických počítačů jsou kvantové počítače citlivé na šum. Rušení může způsobit, že vypadne ze superpozice dříve, než dokončí své úkoly.
- Vyžaduje specialistu: Vzhledem ke své složitosti vyžaduje různorodou skupinu kvantových specialistů.
- Kvantová oprava chyb: Během výpočetních operací se pravděpodobně vyskytnou chyby, které vedou k pochybným výstupům. Kvantový systém odolný proti poruchám je nutný, aby odolal rušení z okolí.
Reálné aplikace a použití kvantového počítání
#1. Finanční modelování
Finanční trh je nestálý a vysoce nepředvídatelný. S kvantovými výpočty mohou finanční organizace simulovat finanční systémy a používat tuto technologii k modelování investic na základě očekávaných výnosů.
Může být také použit v aspektech optimalizace portfolia, snižování rizika a správy, plus oceňování opcí. Ti, kteří provádějí velkoobjemové transakce, mohou využít kvantové výpočty k předpovídání trhů a analýze globální finanční ekonomiky.
#2. Optimalizace logistiky
Kvantové počítače vynikají, pokud jde o shromažďování dat v reálném čase pro optimalizaci logistiky dodavatelského řetězce, zásob a přepravy. Organizace musí neustále počítat a přepočítávat optimální trasy řízení provozu, provozu flotily, řízení letového provozu, nákladu a distribuce – to je proveditelné klasickým počítačem.
Ale pro velké organizace s komplexními potřebami dodavatelského řetězce může být tento proces náročný na zdroje a kvantové výpočty mohou být schopny situaci zachránit.
#3. Lepší baterie
Vzhledem k tomu, že elektrická vozidla (EV) se v naší společnosti stávají běžnou součástí, výrobci využívají kvantové výpočetní schopnosti k simulaci chování molekul a materiálů a porozumění sloučeninám lithia a chemii baterií, aby optimalizovali životnost baterií.
Kromě elektromobilů má kvantové počítání také aplikace v oblasti skladování obnovitelné energie a mobilních zařízení.
#4. Výrobní
Kvantové výpočty se používají ke zlepšení mnoha aspektů výroby. Expertní pohled, který zveřejnil IBM Institute for Business Value, rozdělil případy použití kvantových počítačů ve výrobě do čtyř kategorií.
Objevit
- Chemie
- Věda o materiálech
- Fyzika kondenzovaných látek
Design
- Analýza konečných rozdílů
- Strukturální analýza Hydro/aerodynamika
Řízení
- Optimalizace
- Strojové učení
- Klasifikace
Zásobování
- Dodavatelský řetězec
- optimalizace
- Modelování rizik
Ti, kteří přijmou kvantové výpočty v těchto klíčových oblastech, získají rozhodující výhodu, protože pomohou snížit výrobní náklady a zvýšit rychlost výroby.
#5. Vývoj klimatických modelů
Kvantové výpočty by mohly pomoci vyřešit přetrvávající problémy udržitelnosti, jako je změna klimatu. Podle zprávy Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC) je třeba do roku 2025 výrazně snížit emise skleníkových plynů, aby se předešlo velkým klimatickým katastrofám. Kvantové výpočty lze použít ke snížení dopadu klimatu.
Výroba čpavku přispívá 1 až 2 % celosvětových emisí oxidu uhličitého – kvantové výpočty mohou pomoci při vývoji alternativní čisté energie, jako jsou lepší baterie pro elektrická vozidla, solární energie a další, aby se usnadnil proces dekarbonizace Země. Může také usnadnit modelová vylepšení v oblasti předpovědi klimatu a počasí a také řízení sítě.
#6. Automobilový průmysl
Automobilový průmysl rychle přijímá technologii kvantových počítačů, což je zřejmé z partnerství mezi společnostmi zabývajícími se kvantovou výpočetní technikou a výrobci automobilů, včetně D-Wave Systems a Volkswagen; Zapata Computing a Bosch; a dokonce i IBM Quantum a Mercedes-Benz.
Výrobci originálního vybavení (OEM) se snaží využít kvantové výpočty pro optimalizaci trasy a zvýšení odolnosti materiálu.
#7. Vývoj letadel
Letecké společnosti mohou využívat kvantové výpočty pro mnoho procesů, od optimalizace letového plánu po modelování letadel a digitalizaci. Airbus, letecká společnost, která navrhuje, vyrábí a prodává komerční letadla, investovala do IonQ, Q-CTRL a QC Ware, aby využila kvantové technologie při vývoji složitých modelů letadel.
#8. Vývoj léků
Klasické počítače se v současné době používají ke spouštění stovek milionů molekulárních simulací, ale velikost molekul, které mohou vypočítat, je omezena. Quantum computing umožňuje výzkumu a vývoji simulovat velké a složité molekuly pro zlepšení počítačem podporovaného objevování léků (CADD).
Společnost McKinsey & Company v roce 2021 uvedla, že farmacie utrácejí asi 15 procent svých tržeb na výzkum a vývoj, což představuje více než 20 procent celkových výdajů na výzkum a vývoj ve všech odvětvích po celém světě.
Tato investice částečně pomáhá farmaceutickému průmyslu najít účinné způsoby, jak vyvinout mikromolekuly a makromolekuly, které pomohou léčit nemoci a nemoci. S kvantovými výpočty mohou výzkumníci rychle selhat a urychlit vývoj léků s vyšší šancí na úspěch.
#9. Strojové učení
Schopnost kvantových počítačů zpracovávat velká a složitá data z nich dělá dobrého kandidáta pro strojové učení. Kvantové strojové učení je obor, který integruje kvantové algoritmy s programy strojového učení.
Kvantové algoritmy mohou mít polynomiální nebo superpolynomiální (exponenciální) zrychlení, což zvyšuje výpočetní rychlost. Díky kvantovému strojovému učení mohou datoví praktici vyvíjet rychlejší a pokročilejší algoritmy, řešit složité datové vzory a pokročit ve vývoji aplikací počítačového vidění a posilování učení.
Učební zdroje: Quantum Computing
Pro další učení doporučujeme následující zdroje.
#1. Tanec s Qubits
Tato kniha, kterou napsal Robert S. Sutor, vysvětluje, jak funguje kvantové počítání a jak se vztahuje na vědecké výpočty a umělou inteligenci. Dancing with Qubits pokrývá rozdíly mezi klasickým a kvantovým počítáním a popisuje případy jeho použití v různých odvětvích.
Čtenáři se také naučí pojmy jako superpozice, zapletení a interference, stejně jako obvody a algoritmy. Tento zdroj vás naučí základy a základy kvantového počítání.
#2. Quantum Computing: Aplikovaný přístup
Napsal generální ředitel SandboxAQ (Jack D. Hidary), společnost zabývající se kvantovými technologiemi – tento materiál kombinuje teorii a praktičnost kvantového počítání, včetně praktického kódu.
Kniha má tři části: První část pokrývá základy kvantových počítání a kvantových obvodů, druhá část vysvětluje algoritmy kvantových počítání a poskytuje kód současných metod kvantového počítání a třetí část pokrývá matematické aspekty kvantových počítání.
#3. Kvantová výpočetní technika pro každého
Začátečníci, kteří hledají komplexní materiál, najdou tento zdroj přínosem. Pokrývá základy kvantového počítání a vysvětluje jeho klíčové součásti, jako jsou qubity, zapletení a kvantová teleportace.
Autor této knihy, Chris Bernhardt, zjednodušuje matematiku za kvantovými počítači a také vysvětluje, jak jsou kvantové počítače stavěny, což usnadňuje těm, kteří s kvantovými počítači začínají, pochopit proces vývoje systémů.
Závěr
Společnosti jako Google, IBM a Microsoft vedou inovace kvantových výpočetních řešení – pozadu nezůstávají ani univerzity. Nedostatek specialistů na kvantové počítače přispívá k jeho pomalému pokroku a navíc náklady na stavbu kvantového počítače jsou vysoké a jen málo organizací má zdroje potřebné k jeho vytvoření.
I když kvantové výpočty skrývají mnoho slibů, zatím to tak není. Bude trvat několik let, než se naplno rozvine jeho potenciál a stane se běžným jako klasické počítače.
Můžete si také přečíst o Fog Computing.