Co jsou kvantové výpočty?
Je to použití kvantové mechaniky ke spouštění výpočtů na specializovaném hardwaru.
Úvod do kvantových výpočtů
Abychom mohli plně definovat kvantové výpočty, musíme nejdřív definovat několik klíčových termínů.
Co je kvantum?
Termín kvantum se v rámci „kvantových výpočtů“ používá k označení kvantové mechaniky, kterou systémy používají k výpočtu výstupů. Ve fyzice je kvantum nejmenší možná diskrétní jednotka libovolné fyzické vlastnosti. Zpravidla odkazuje na částice na atomické a subatomické úrovni, jako jsou elektrony, neutrina a fotony.
Co je to qubit?
Qubit je základní jednotka informace v kvantových výpočtech. Qubity hrají v kvantových výpočtech podobnou roli jako bity ve výpočtech klasických, ale chovají se naprosto jinak. Klasické bity jsou binární a představují hodnotu 0 nebo 1, zatímco qubity představují superpozici všech možných stavů.
Co jsou kvantové výpočty?
Kvantové počítače využívají jedinečné vlastnosti kvantové fyziky, jako jsou superpozice, provázání a kvantová interference, a využívají je pro výpočetní funkce. Do tradičních programovacích metod se tak vnášejí nové koncepty.
Superpozice
V superpozici se kvantové částice nacházejí v kombinaci několika možných stavů současně. Kolísají, dokud nedojde k jejich prozkoumání a změření. Jedním ze způsobů, jak znázornit rozdíl mezi binární pozicí a superpozicí, je představit si mince. Klasické bity se měří tak, že se „hodí mincí“ a zjistí se, jestli padla panna nebo orel. Kdybyste se ale mohli na rub i líc mince dívat současně společně se všemi mezistavy, mince by byla v superpozici.
Provázání
Provázání je schopnost kvantových částic vzájemně korelovat výsledky svých měření. Když jsou qubity provázané, tvoří jediný systém a vzájemně se ovlivňují. Měření z jednoho qubitu se dají využít k formulování závěrů o ostatních qubitech. Pokud se do systému přidá a prováže víc qubitů, kvantové počítače mohou vypočítat exponenciálně více informací a řešit složitější problémy.
Kvantová interference
Kvantová interference je chování qubitu vyplývající z jeho podstaty. Díky superpozici stavů je možné ovlivňovat pravděpodobnost kolapsu superpozice do jednoho z možných výsledků. Kvantové počítače jsou navržené a sestavené tak, aby co nejvíce omezovaly interferenci a zajišťovaly co nejpřesnější výsledky. K tomuto účelu Microsoft používá topologické qubity, které jsou stabilizované tak, že se manipuluje s jejich strukturou a obklopí se chemickými sloučeninami, které je chrání před interferencí vnějšího prostředí.
Jak fungují kvantové výpočty?
Kvantový počítač má tyto tři základní části:
- Oblast, ve které jsou umístěné qubity
- Metoda pro přenos signálů do qubitů
- Klasický počítač pro spouštění programů a odesílání pokynů
Některé metody uchovávání qubitů pracují jen při teplotách těsně nad absolutní nulou, aby se maximalizovala jejich koherence a omezila interference. Jiné způsoby uchovávání qubitů používají vakuovou komoru, která minimalizuje vibrace a zajišťuje stabilitu.
Signály mohou být na qubity přenášeny s využitím nejrůznějších metod, včetně mikrovln, laserů nebo elektrického napětí.
Oblasti využití kvantových počítačů
Kvantový počítač nedělá všechno rychleji než klasický počítač, ale existuje pár oblastí, které mají kvantové počítače potenciál výrazně ovlivnit.
Kvantová simulace
Kvantové počítače mimořádně dobře modelují jiné kvantové systémy, protože ve svých výpočtech využívají fenomén kvanta. To znamená, že dokážou zvládnout složitost a nejednoznačnost systémů, které by klasické počítače přetížily. Mezi příklady kvantových systémů, které můžeme modelovat, patří fotosyntéza, supravodivost nebo práce se složitými molekulami.
Kryptografie
Klasická kryptografie, jako je například algoritmus RSA (Rivest-Shamir-Adleman), která se široce používá k zabezpečení přenosu dat, spoléhá na mimořádnou složitost problémů, jako jsou rozklad celých čísel na dvě prvočísla nerušivé nebo diskrétní logaritmy. Mnohé z těchto problémů je možné efektivněji vyřešit pomocí kvantových počítačů.
Optimalizace
Optimalizace je proces nalezení nejlepšího řešení problému s ohledem na požadovaný výsledek a zadané omezující podmínky. Ve vědě i v průmyslu se klíčová rozhodnutí dělají na základě faktorů, jako jsou náklady, kvalita a výrobní doba. Všechny tyto faktory je možné optimalizovat. Spuštěním optimalizačních algoritmů inspirovaných kvantovou mechanikou na klasických počítačích je možné nacházet řešení, která dřív nebyla neuskutečnitelná. Díky tomu můžeme nacházet lepší způsoby správy složitých systémů, jako jsou toky provozu, přiřazování stojánek letadlům, doručování balíčků nebo ukládání energií.
Kvantové strojové učení
Strojové učení na klasických počítačích způsobilo ve světě vědy a obchodu skutečný převrat. Trénování modelů strojového učení ale s sebou nese vysoké výpočetní náklady a stojí tak v cestě většímu využití a rozvoji v této oblasti. Pro zrychlení postupu v této oblasti teď hledáme způsoby vytváření a implementace kvantového softwaru, který zajistí rychlejší strojové učení.
Hledání
Kvantový algoritmus vyvinutý v roce 1996 dramaticky zrychluje vyhledávání v nestrukturované databázi a potřebuje méně kroků než jakýkoli algoritmus v klasickém počítači.
Prostředky Azure Quantum
Jako uživatel kompletního otevřeného cloudového ekosystému Azure Quantum verze Preview v rané fázi můžete sestavovat kvantová řešení už dnes. Využijte možnost přístupu k softwaru, hardwaru a předem sestaveným řešením a začněte vyvíjet na důvěryhodné, škálovatelné a zabezpečené platformě.
Další informace o ekosystému Azure Quantum
Začínáme vyvíjet se sadou Quantum Development Kit
Získejte přehled o technologii Microsoftu pro kvantové výpočty
Začněte vytvářet produkty s využitím Azure
Vyzkoušejte služby cloud computingu v Azure zdarma po dobu až 30 dnů nebo začněte s průběžnými platbami. Nemusíte se předem k ničemu zavázat a zrušení je možné kdykoli.