Mi az a kvantuminformatika?
A kvantummechanika használata számítások futtatására speciális hardveren.
Bevezetés a kvantuminformatikába
A kvantuminformatika teljes körű definiálásához először definiálnunk kell néhány alapvető kifejezést.
Mi az a kvantum?
A "kvantuminformatika" kifejezésben a kvantum azt a kvantummechanikát jelenti, amelyet a rendszer a kimenetek kiszámításához használ. A fizikában a kvantum bármely fizikai tulajdonság lehető legkisebb különálló egysége. Általában az atomi vagy a szubatomi részecskék, például az elektronok, a neutrínók vagy a fotonok tulajdonságaira alkalmazzák.
Mi az a kvantumbit?
A qubit az információk alapegysége a kvantum-számítástechnikában. A qubitek ahhoz hasonló szerepet játszanak a kvantuminformatikában, amilyet a klasszikus számítástechnikában a bitek, de ezektől nagyon eltérően viselkednek. A klasszikus bitek binárisak, és csak egy pozícióban lehetnek: 0 vagy 1; a qubitek azonban szuperpozícióban vannak, vagyis az összes lehetséges állapotban.
Mi az a kvantuminformatika?
A kvantumszámítógép a kvantumfizika egyedülálló viselkedését (például a szuperpozíciót, az összefonódást és a kvantuminterferenciát) használja ki, és ezeket alkalmazza a számításnál. Ez új fogalmakat vezet be a hagyományos programozási módszerekhez képest.
Szuperpozíció
A szuperpozícióban a kvantumrészecskék az összes lehetséges állapotnak a kombinációjában vannak. Ingadoznak egészen addig, amíg meg nem mérjük őket. A bináris pozíció és a szuperpozíció közötti különbséget el lehet képzelni például egy pénzérme példájával. A klasszikus biteket úgy kapjuk, hogy "feldobjuk az érmét", és vagy fejet vagy írást kapunk. Ha azonban az érmét úgy látnánk, hogy egyszerre jelenik meg a fej és az írás is, sőt az összes köztes állapot is, akkor a pénzérme szuperpozícióban lenne.
Összefonódás
Az összefonódás a kvantumrészecskék azon képessége, amellyel korrelálni tudják egymással a mérési eredményeiket. Amikor a qubitek összefonódnak, akkor egyetlen rendszert alkotnak, és hatással vannak egymásra. Az egyik qubitből származó mérések alapján következtetéseket vonhatunk le a másikra vonatkozóan. Ha több qubitet adunk hozzá összefonódással egy rendszerhez, akkor a számítógép hatványozottan több információt tud kiszámítani, és bonyolultabb problémákat is meg tud oldani.
Kvantuminterferencia
A kvantuminterferencia a qubit a szuperpozíció miatti eredendő viselkedése, amellyel az egyik vagy másik értékkel való egybeesés valószínűsége befolyásolható. A kvantumszámtógépeket úgy tervezték meg és alakították ki, hogy az interferenciát a lehető legnagyobb mértékben csökkentsék a legpontosabb eredmények érdekében. Ennek érdekében a Microsoft topológiai qubiteket használ, amelyeknél a stabilizációt úgy érjük el, hogy manipuláljuk a szerkezetüket, és olyan kémiai vegyületekkel vesszük körbe őket, amelyek védik őket a külső interferenciától.
Hogyan működik a kvantuminformatika?
A kvantumszámtógép három alapvető részből áll:
- Egy olyan terület, ahol a qubitek találhatók
- Egy módszer arra, hogy a jeleket a quibetekhez irányítsuk
- Egy klasszikus számítógép a program futtatására és az utasítások elküldésére
A qubitek tárolásának egyes módszerei esetében a qubiteket tároló egységet az abszolút nullát alig meghaladó hőmérsékleten tartják a koherencia maximalizálása és az interferencia csökkentése érdekében. Más típusú qubittárolók egy vákuumkamra segítségével minimalizálják a rezgéseket és stabilizálják a qubiteket.
Jelek különböző módszerekkel küldhetők a qubiteknek, például mikrohullámok, lézer és feszültség használatával.
A kvantumszámítógép használata és alkalmazási területei
A kvantumszámítógép nem képes mindent gyorsabban végrehajtani, mint egy klasszikus számítógép, de egyes területeken a kvantumszámítógép rendkívüli eredményekre lehet képes.
Kvantumszimuláció
A kvantumszámítógépek különösen jól használhatók más kvantumrendszerek modellezéséhez, mivel kvantumjelenségeket használnak a számításaiknál. Ez azt jelenti, hogy képesek kezelni a rendszerek olyan fokú bonyolultságát és kétértelműségét is, ami a klasszikus számítógépeket túlterhelné. Modellezni tudjuk például az olyan kvantumrendszereket, mint a fotoszintézis, a szupervezetés vagy a bonyolult molekulaszerkezetek.
Titkosítás
A klasszikus kriptográfia – például a Rivest–Shamir–Adleman (RSA) algoritmus, amelyet széles körben használnak az adatátvitel biztonságossá tételéhez – a problémák megoldhatatlanságán alapszik, ilyen például a prímfelbontás vagy a különálló algoritmusok. Ezek közül sok hatékonyabban megoldható kvantumszámítógépek használatával.
Optimalizálás
Az optimalizálás az a folyamat, amelynek célja egy probléma legjobb megoldásának megtalálása a kívánt kimenet és a korlátozások tekintetében. A tudomány és az ipar területén a kritikus fontosságú döntéseket olyan tényezőkre alapozzák, mint a költségek, a minőség és a termelési idő – ezek mindegyike optimalizálható. Ha a klasszikus számítógépeken kvantuminspirált optimalizálási algoritmusokat futtatunk, korábban elérhetetlen megoldásokat is megkaphatunk. Ez segít abban, hogy olyan bonyolult rendszereket is jobban tudjunk kezelni, mint a forgalomirányítás, a repülőgépek kapukhoz való hozzárendelése, a csomagszállítás vagy az energiatárolás.
Kvantumalapú gépi tanulás
A klasszikus számítógépekkel végzett gépi tanulás forradalmasítja a tudományos és az üzleti világot. A gépi tanulási modellek betanítása azonban jelentős számítási költséggel jár, és ez hátráltatta ennek a területnek az elterjedtségét és fejlesztését. Hogy felgyorsítsuk a terület fejlesztését, olyan módszereken dolgozunk, amelyekkel olyan kvantumszoftverek alakíthatók ki és valósíthatók meg, amelyek lehetővé teszik a gyorsabb gépi tanulást.
Keresés
Egy 1996-ban kifejlesztett kvantumalgoritmus drasztikusan felgyorsította a strukturálatlan adatok keresését, mivel a keresést kevesebb lépésből hajtotta végre, mint bármely klasszikus algoritmus.
Azure Quantum-források
Már ma létrehozhat kvantummegoldásokat az Azure Quantumnak, a teljes értékű nyitott felhőalapú ökoszisztéma előzetes verziójának korai felhasználójaként. Szoftvereket, hardvereket és előre elkészített megoldásokat használhat, és elkezdheti a munkát egy megbízható, skálázható és biztonságos platformon.
További információ az Azure Quantumról
Kezdje el a munkát a Quantum Development Kittel
A Microsoft kvantuminformatikai technológiájának áttekintése
Kezdje meg a fejlesztést az Azure-ban
30 napig ingyen kipróbálhatja az Azure felhőalapú számítási szolgáltatásait, de használatalapú fizetéssel is használatba veheti őket. Nincs előzetes kötelezettségvállalás – bármikor lemondható.