Pomiń nawigację

Co to są obliczenia kwantowe?

Jest to użycie mechaniki kwantowej do wykonywania obliczeń na wyspecjalizowanym sprzęcie.

Wprowadzenie do obliczeń kwantowych

Aby w pełni zdefiniować obliczenia kwantowe, należy najpierw zdefiniować kluczowe terminy.

Co to jest kwant?

Kwant w „obliczeniach kwantowych” odnosi się do mechaniki kwantowej, której system używa do obliczania danych wyjściowych. W fizyce kwant jest najmniejszą możliwą jednostką dyskretną każdej właściwości fizycznej. Zazwyczaj odnosi się do właściwości cząstek atomowych lub mniejszych, takich jak elektrony, neutrino i fotony.

Co to jest kubit?

Kubit to podstawowa jednostka informacji używana w obliczeniach kwantowych. Kubity odgrywają rolę w obliczeniach kwantowych podobną do roli bitów w obliczeniach klasycznych, ale działają w różny sposób. Klasyczne bity są binarne i mogą zawierać tylko pozycję 0 lub 1, ale kubity mogą być w superpozycji we wszystkich możliwych stanach.

Co to są obliczenia kwantowe?

Komputery kwantowe wykorzystują unikatowe zachowanie fizyki kwantowej, takie jak superpozycja, splątanie i zakłócenia kwantowe, oraz stosują je do obliczeń. Wprowadza to nowe pojęcia dla tradycyjnych metod programistycznych.

Superpozycja

W przypadku superpozycji cząstki kwantowe są kombinacją wszystkich możliwych stanów. Zmieniają się one do momentu ich zaobserwowania i zmierzenia. Jednym ze sposobów na zobrazowanie różnicy między pozycją binarną a superpozycją jest przykład monety. Klasyczne bity są mierzone przez „przerzucenie monety” i uzyskiwany jest wynik orła lub reszki. Jeśli jednak możesz przyjrzeć się monecie i zobaczyć zarówno orła, jak i reszkę w tym samym czasie oraz każdy stan pośredni, moneta jest w superpozycji.

Splątanie

Splątanie to zdolność cząstek kwantowych do wzajemnego korelowania wyników pomiarów. Gdy kubity są splątane, tworzą jeden system i mają wpływ na siebie. Możemy użyć pomiarów z jednego kubitu, aby wyciągnąć wnioski o pozostałych. Przez dodawanie i splątanie większej liczby kubitów w systemie komputery kwantowe umożliwiają obliczanie wykładniczo większej ilości informacji i rozwiązywanie bardziej skomplikowanych problemów.

Zakłócenia kwantowe

Interferencja kwantowa to wewnętrzne zachowanie kubitu spowodowane superpozycją, wpływające na prawdopodobieństwo jego kolapsu w jedną lub drugą stronę. Komputery kwantowe są zaprojektowane i skonstruowane w taki sposób, aby zmniejszyć liczbę zakłóceń i zapewnić najdokładniejsze wyniki. W tym celu firma Microsoft korzysta z topologicznych kubitów, które są stabilizowane przez manipulowanie ich strukturą i otoczenie ich związkami chemicznymi chroniącymi je przed zakłóceniami z zewnątrz.

Jak działają obliczenia kwantowe?

Komputer kwantowy składa się z trzech głównych części:

  • Obszaru, w którym znajdują się kubity
  • Metody przesyłania sygnałów do kubitów
  • Klasycznego komputera służącego do uruchamiania programu i wysyłania instrukcji

W przypadku niektórych metod magazynowania kubitów jednostka, w której znajdują się kubity, jest przetrzymywana w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu, aby zmaksymalizować ich spójność i ograniczyć zakłócenia. Inne typy magazynów kubitów korzystają z komory próżniowej w celu zminimalizowania drgań i ustabilizowania kubitów.

Istnieją różne metody wysyłania sygnałów do kubitów, w szczególności mikrofale, laser i napięcie elektryczne.

Użycie komputerów kwantowych i obszary aplikacji

Komputer kwantowy nie robi wszystkiego szybciej niż klasyczny komputer, ale istnieje kilka obszarów, w których komputery kwantowe mogą mieć duży wpływ.

Symulacja kwantowa

Komputery kwantowe działają wyjątkowo dobrze w przypadku modelowania innych systemów kwantowych, ponieważ wykorzystują zjawiska kwantowe w swoich obliczeniach. Oznacza to, że mogą one obsługiwać złożoność i niejednoznaczność systemów, które mogłyby przeciążać klasyczne komputery. Przykłady systemów kwantowych, które możemy modelować, obejmują fotosyntezę, nadprzewodnictwo i złożone formacje molekularne.

Kryptografia

Klasyczna kryptografia — na przykład algorytm Rivest–Shamir–Adleman (RSA), który jest powszechnie używany do zabezpieczania transmisji danych — zależy od stopnia trudności problemów, takich jak faktoryzacja liczb całkowitych lub logarytmy dyskretne. Wiele z tych problemów można rozwiązać wydajniej przy użyciu komputerów kwantowych.

Optymalizacja

Optymalizacja to proces znajdowania najlepszego rozwiązania problemu, uwzględniając jego żądany wynik i ograniczenia. W dziedzinie nauki i przemysłu kluczowe decyzje są podejmowane w oparciu o takie czynniki jak koszt, jakość i czas produkcji — wszystko to można zoptymalizować. Uruchamiając algorytmy optymalizacji inspirowanej fizyką kwantową na klasycznych komputerach, można znaleźć rozwiązania, które były wcześniej niemożliwe. Ułatwia to znalezienie lepszych sposobów zarządzania złożonymi systemami, takimi jak przepływy ruchu, przypisania bramek samolotowych, dostarczanie paczek i magazynowanie energii.

Kwantowe uczenie maszynowe

Uczenie maszynowe na komputerach klasycznych rewolucjonizuje świat nauki i biznesu. Jednak trenowanie modeli uczenia maszynowego wiąże się z wysokim kosztem obliczeń i utrudnia zwiększanie zakresu i rozwój w tej dziedzinie. Aby przyspieszyć postęp w tym obszarze, poznajemy sposoby opracowywania i implementowania oprogramowania kwantowego, które umożliwia szybsze uczenie maszynowe.

Wyszukiwanie

Opracowany w 1996 r. algorytm kwantowy znacząco przyspieszył rozwiązanie dla wyszukiwania danych bez struktury, uruchamiając wyszukiwanie w mniejszej liczbie kroków niż klasyczny algorytm.

Zasoby dotyczące usługi Azure Quantum

Twórz rozwiązania kwantowe już dzisiaj jako wczesny użytkownik usługi Azure Quantum w wersji zapoznawczej — otwartego kompleksowego ekosystemu chmurowego. Uzyskaj dostęp do oprogramowania, sprzętu oraz wstępnie skompilowanych rozwiązań i rozpocznij tworzenie na zaufanej, skalowalnej i bezpiecznej platformie.