Време за четене: 6 минути
Квантовото изчисление е област на компютърните науки, фокусирана върху развитието на технологии, базирани на принципите на квантовата теория. Квантовото изчисление използва уникалното поведение на квантовата физика за решаване на проблеми, които са твърде сложни за класическото изчисление.
Развитието на квантовите компютри бележи скок напред в изчислителните способности, с потенциал за огромно повишаване на производителността в специфични случаи на употреба. Например, очаква се квантовото изчисление да се справи отлично със задачи като факторизация на цели числа и симулации и показва потенциал за използване в индустрии като фармацевтика, здравеопазване, производство, киберсигурност и финанси.
Според индустриалното търговско издание The Quantum Insider има повече от 600 компании и повече от 30 национални лаборатории и правителствени агенции по целия свят, които разработват квантова изчислителна технология. Това включва базирани в САЩ технологични гиганти като Amazon, Google, Hewlett Packard Enterprise, Hitachi, IBM, Intel и Microsoft, както и Масачузетския технологичен институт, Оксфордския университет и Националната лаборатория в Лос Аламос. Други страни, включително Обединеното кралство, Австралия, Канада, Китай, Германия, Израел, Япония и Русия, са направили значителни инвестиции в квантови изчислителни технологии. Обединеното кралство наскоро стартира програма за квантови изчисления, финансирана от правителството. През 2020 г. индийското правителство въведе своята Национална мисия за квантови технологии и приложения.
Глобалният пазар на квантови изчисления през 2021 г. беше оценен на 395 милиона щатски долара, според доклада „Пазар на квантови изчисления“ от Markets N Research. Докладът прогнозира, че пазарът ще нарасне до приблизително 532 милиона долара до 2028 г.
Въпреки че квантовото изчисление е бързо развиваща се технология, то има потенциала да бъде разрушителна технология, след като достигне зрялост. Компаниите за квантови изчисления се появяват по целия свят, но експертите изчисляват, че може да отнеме години, преди квантовите изчисления да донесат практически ползи.
Първият наличен в търговската мрежа квантов компютър беше пуснат през 2011 г. от D-Wave Systems. През 2019 г. IBM пусна Quantum System One, а през ноември 2022 г. представи най-големия квантов компютър досега, Osprey.
Въпреки че идеята за използване на квантов компютър може да бъде вълнуваща, малко вероятно е повечето организации да изградят или купят такъв. Вместо това те могат да изберат да използват базирани на облак услуги, които позволяват отдалечен достъп. Например Amazon Braket, Microsoft Azure Quantum и Rigetti Quantum Cloud Services предоставят квантово изчисление като услуга.
Търговските квантови компютри се предлагат от 5000 до 15 милиона долара в зависимост от мощността на обработка. Например квантов компютър с 50 qbits може да струва до 10 милиона долара.
Как работи квантовото изчисление?
Квантовата теория обяснява природата и поведението на енергията и материята на квантово или атомно и субатомно ниво. Квантовото изчисление се възползва от начина, по който работи квантовата материя: Когато класическото изчисление използва двоични битове – 1s и 0s – квантовото изчисление използва 1s, 0s и 1 и 0 едновременно. Квантовият компютър печели голяма част от своята процесорна мощ, защото битовете могат да бъдат в множество състояния едновременно.
Квантовите компютри се състоят от област, която съдържа кубити, методът, който прехвърля сигнали към кубитите, и класически компютър, който изпълнява програма и изпраща инструкции.
Кубитът или квантовият бит е еквивалентен на бит в класическото изчисление. Точно както битът е основната единица информация в класическия компютър, кубитът е основната единица информация в квантовия компютър. Квантовите компютри използват частици като електрони или фотони, на които е даден заряд или поляризация, за да действат като 0, 1 или и двете като 0 и 1. Двата най-подходящи аспекта на квантовата физика са принципите на суперпозиция и заплитане.
Суперпозицията се отнася до поставяне на квантовата информация, която кубитът държи в състояние на всички възможни конфигурации, докато заплитането се отнася до един кубит, който директно променя друг.
Квантовите компютри обикновено са ресурсоемки и изискват значително количество енергия и охлаждане, за да работят правилно. Квантовият изчислителен хардуер се състои най-вече от охладителни системи, които поддържат свръхпроводящ процесор при определена свръхохладена температура. Хладилник за разреждане, например, може да се използва като охлаждаща течност, която поддържа температурата в диапазон от миликелвини (mK). Като пример, IBM използва тази охлаждаща течност, за да поддържа своята квантово готова система до около 25 mK, което е сравнимо с -459 градуса по Фаренхайт. При тази супер ниска температура електроните могат да преминават през свръхпроводници, които създават електронни двойки.
Характеристики на квантовите изчисления
Квантовите компютри са проектирани да извършват сложни изчисления с огромни количества данни, като използват следните функции:
Суперпозиция. Суперпозицията се отнася до кубити, които са във всички конфигурации наведнъж. Мислете за кубит като за електрон в магнитно поле. Спинът на електрона може да бъде или в съответствие с полето, известно като състояние на въртене нагоре, или противоположно на полето, известно като състояние на въртене надолу. Промяната на въртенето на електрона от едно състояние в друго се постига чрез използване на импулс от енергия, като например от лазер. Ако се използва само половин единица лазерна енергия и частицата е изолирана от всички външни влияния, тя влиза в суперпозиция от състояния. Частицата се държи така, сякаш е в двете състояния едновременно.
Тъй като кубитите приемат суперпозиция от 0 и 1, това означава, че броят на изчисленията, които един квантов компютър може да предприеме, е 2^n, където n е броят на използваните кубити. Квантовият компютър, състоящ се от 500 кубита, има потенциала да направи 2^500 изчисления в една стъпка.
Заплитане. Заплетените частици са заплетени двойки кубити, които съществуват в състояние, при което промяната на един кубит директно променя другия. Познаването на спиновото състояние на една заплетена частица – нагоре или надолу – показва въртенето на другата в обратната посока. В допълнение, поради суперпозицията, измерената частица няма една посока на въртене, преди да бъде измерена. Състоянието на въртене на измерваната частица се определя по време на измерването и се съобщава на свързаната частица, която едновременно приема обратната посока на въртене.
Квантовото заплитане позволява на кубитите, разделени на големи разстояния, да взаимодействат един с друг моментално. Без значение колко голямо е разстоянието между корелираните частици, те остават заплетени, докато са изолирани.
Квантовата суперпозиция и заплитането заедно създават изключително подобрена изчислителна мощност. Ако се добавят повече кубити, увеличеният капацитет се разширява експоненциално.
Какво е квантовата теория?
Развитието на квантовата теория започва през 1900 г. с презентация на немския физик Макс Планк пред Германското физическо общество. Планк представи идеята, че енергията и материята съществуват в отделни единици. По-нататъшното развитие на редица учени през следващите 30 години доведе до съвременното разбиране на квантовата теория.
Елементите на квантовата теория включват следното:
Енергията, подобно на материята, се състои от дискретни единици – за разлика от непрекъсната вълна.
Елементарните частици енергия и материя, в зависимост от условията, могат да се държат като частици или вълни.
Движението на елементарните частици по своята същност е случайно и следователно непредсказуемо.
Едновременното измерване на две допълващи се стойности – като позицията и импулса на частица – е погрешно. Колкото по-точно се измерва една стойност, толкова по-грешно ще бъде измерването на другата стойност.
Използване и ползи от квантовите изчисления
Квантовото изчисление има потенциала да предложи следните предимства:
Скорост. Квантовите компютри са невероятно бързи в сравнение с класическите компютри. Например квантовите компютри имат потенциала да ускорят моделите за управление на финансов портфейл, като например модела Монте Карло за измерване на вероятността от резултати и свързаните с тях рискове.
Способност за решаване на сложни процеси. Квантовите компютри са проектирани да извършват множество сложни изчисления едновременно. Това може да бъде особено полезно за факторизации, които могат да помогнат за разработването на технологии за дешифриране.
Симулации. Квантовите компютри могат да изпълняват сложни симулации. Те са достатъчно бързи, за да се използват за симулиране на по-сложни системи от класическите компютри. Например, това може да бъде полезно за молекулярни симулации, които са важни при разработването на лекарства с рецепта.
Оптимизация. Със способността на квантовите изчисления да обработват огромни количества сложни данни, те имат потенциала да трансформират изкуствения интелект и машинното обучение.
Ограничения на квантовите изчисления
Въпреки че ползите от квантовите изчисления са обещаващи, все още има огромни пречки за преодоляване:
Намеса. Най-малкото смущение в квантовата система може да доведе до колапс на квантовото изчисление – процес, известен като декохерентност. Квантовият компютър трябва да бъде напълно изолиран от всички външни смущения по време на изчислителната фаза. Известен успех е постигнат с използването на кубити в интензивни магнитни полета.
Корекция на грешка. Кубитите не са цифрови битове данни и не могат да използват конвенционална корекция на грешки. Коригирането на грешки е критично в квантовите изчисления, където дори една грешка в изчислението може да доведе до колапс на валидността на цялото изчисление. Има обаче значителен напредък в тази област с разработен алгоритъм за коригиране на грешки, който използва 9 кубита – 1 изчислителен и 8 корекционни. Система от IBM може да се задоволи с общо 5 кубита – 1 изчислителен и 4 коригиращи.
Спазване на изхода. Извличането на изходни данни след завършване на квантовото изчисление рискува повреда на данните. Разработки като алгоритми за търсене в бази данни, които разчитат на специалната форма на вълната на вероятностната крива в квантовите компютри, могат да избегнат този проблем. Това гарантира, че след като всички изчисления бъдат извършени, актът на измерване вижда декохерирането на квантовото състояние в правилния отговор.
Има и други проблеми за преодоляване, като например как да се борави със сигурността и квантовата криптография. Дългосрочното съхранение на квантова информация също е било проблем в миналото. Но последните пробиви направиха някаква форма на квантово изчисление практична.
Сравнение на класическо и квантово изчисление
Класическото изчисление разчита на принципи, изразени от булевата алгебра, обикновено работещи на принципа на логическата врата. Данните трябва да се обработват в ексклузивно двоично състояние по всяко време – или 0 за изключено, или 1 за включено. Тези стойности са битове. Милионите транзистори и кондензатори в сърцето на компютрите могат да бъдат само в едно състояние във всяка точка. Все още има ограничение за това колко бързо тези устройства могат да бъдат накарани да превключват състоянията.
За сравнение, квантовите компютри работят с двурежимна логическа врата – XOR и режим, наречен QO1, който им позволява да променят 0 в суперпозиция на 0 и 1. В квантовия компютър могат да се използват частици като електрони или фотони . На всяка частица е даден заряд или поляризация, действаща като представяне на 0 и 1. Всяка частица се нарича квантов бит или кубит. Естеството и поведението на тези частици формират основата на квантовите изчисления и квантовото превъзходство.