Hva er kvantedatabehandling?

Det er bruken av kvantemekanikk til å kjøre beregninger på spesialisert maskinvare.

En innføring i kvantedatabehandling

For at vi skal kunne definere kvantedatabehandling, må vi først definere noen nøkkelbegreper.

Hva er et kvant?

«Kvant» i «kvantedatabehandling» refererer til kvantemekanismene som systemet bruker til å beregne utdata. I fysikk er et kvant den minste mulige udelelige mengden av en fysisk størrelse. Det brukes vanligvis om egenskapene til atomære eller subatomære partikler som elektroner, nøytrinoer og fotoner.

Hva er en kvantebit?

En kvantebit er den grunnleggende informasjonsenheten i kvantedatabehandling. Kvantebiter har en lignende rolle i kvantedatabehandling som biter har i klassisk databehandling, men de fungerer på en svært annerledes måte. Klassiske biter er binære og kan bare ha posisjonen 0 eller 1, men kvantebiter kan ha en superposisjon med alle mulige tilstander.

Hva er kvantedatabehandling?

Kvantedatamaskiner utnytter den unike atferden til kvantefysikk, blant annet superposisjon, sammenfiltring og kvanteinterferens, og bruker den i databehandling. På den måten introduseres tradisjonelle programmeringsmetoder for nye konsepter.

Superposisjon

I superposisjon er kvantepartikler en kombinasjon av alle mulige tilstander. De fluktuerer frem til de blir observert og målt. En måte å forestille seg forskjellen mellom binær posisjon og superposisjon på, er å se for seg en mynt. Klassiske biter måles ved å «slå mynt og kron». Hvis du imidlertid kunne se begge både mynt og kron samtidig – og i tillegg alle tilstandene i mellom – ville mynten vært i superposisjon.

Sammenfiltring

Sammenfiltring er kvantepartiklenes evne til å korrelere måleresultatene med hverandre. Når kvantebiter sammenfiltres, danner de et enkeltsystem og påvirker hverandre. Vi kan bruke målingene fra én kvantebit til å konkludere om de andre. Ved å legge til og sammenfiltre flere kvantebiter i et system kan kvantedatamaskiner beregne eksponentielt mer informasjon og løse mer kompliserte problemer.

Kvanteinterferens

Kvanteinterferens er den iboende atferden til en kvantebit, på grunn av superposisjon, som påvirker sannsynligheten til at den på en eller annen måte kollapser. Kvantedatamaskiner utformes og bygges for å redusere interferens så mye som mulig og sikre så nøyaktige resultater som mulig. For å oppnå dette bruker Microsoft topologiske kvantebiter, som stabiliseres ved å manipulere strukturen og omgi dem med kjemiske forbindelser som beskytter dem mot interferens utenfra.

Hvordan fungerer kvantedatabehandling?

A quantum computer has three primary parts:

  • An area that houses the qubits
  • A method for transferring signals to the qubits
  • A classical computer to run a program and send instructions

For some methods of qubit storage, the unit that houses the qubits is kept at a temperature just above absolute zero to maximize their coherence and reduce interference. Other types of qubit housing use a vacuum chamber to help minimize vibrations and stabilize the qubits.

Signals can be sent to the qubits using a variety of methods, including microwaves, laser, and voltage.

Bruksområder for kvantedatabehandling

En kvantedatamaskin kan ikke gjøre alt raskere enn en klassisk datamaskin, men det finnes enkelte områder der kvantedatamaskiner har potensialet til å bidra stort.

Kvantesimulering

Kvantedatamaskiner fungerer særlig godt til modellering av andre kvantesystemer, ettersom de bruker kvantefenomener i databehandlingen. Dette betyr at de kan håndtere kompleksiteten og tvetydigheten til systemer som ville overbelastet klassiske datamaskiner. Blant kvantesystemene vi kan modellere, finner vi fotosyntese, superledere og komplekse molekylære formasjoner.

Kryptografi

Klassisk kryptografi – for eksempel Rivest-Shamir-Adleman-algoritmen (RSA) som ofte brukes til å sikre dataoverføringer – er avhengig av kompliserte problemer som heltallsfaktorisering eller diskrete logaritmer. Mange av disse problemene kan løses på en mer effektiv måte ved å bruke kvantedatamaskiner.

optimalisering

Optimalisering er prosessen med å finne den beste løsningen på et problem, gitt ønsket resultat og begrensninger. I forskningen og industrien blir viktige avgjørelser tatt basert på faktorer som kostnad, kvalitet og produksjonstid – og alt dette kan optimaliseres. Ved å kjøre kvanteinspirerte optimaliseringsalgoritmer på klassiske datamaskiner kan vi komme frem til løsninger som tidligere var umulige å finne. På denne måten kan vi finne bedre måter å administrere komplekse systemer på, for eksempel trafikkflyt, gatetilordninger på flyplasser, pakkelevering og energilagring.

Kvantemaskinlæring

Maskinlæring på klassiske datamaskiner er i ferd med å revolusjonere vitenskapen og forretningsverdenen. Opplæring av maskinlæringsmodeller har imidlertid høye databehandlingskostnader, noe som har hindret omfanget og utviklingen av feltet. For å få fart på fremdriften i dette området utforsker vi nye måter å konstruere og implementere kvanteprogramvare på for å få raskere maskinlæring.

Søk

En kvantealgoritme utviklet i 1996 gjorde det betydelig raskere å løse ustrukturerte datasøk ved å kjøre søket med færre trinn enn det klassiske algoritmer kunne gjøre.

Azure Quantum-ressurser

Utvikle kvanteløsninger i dag ved å være blant de første som tar i bruk forhåndsversjonen av Azure Quantum, et komplett åpent skyøkosystem. Få tilgang til programvare, maskinvare og forhåndsbygde løsninger, og kom i gang med utviklingen på en anerkjent, skalerbar og sikker plattform.