Что такое квантовые вычисления?
Это выполнение вычислений на специализированном оборудовании с применением квантовой механики.
Введение в квантовые вычисления
Чтобы дать полное определение квантовым вычислениям, сначала нужно определить некоторые ключевые термины.
Что такое квант?
Слово "квантовые" в словосочетании "квантовые вычисления" относится к квантовой механике, принципы которой система использует для вычисления результатов. В физике квант — это наименьшая возможная дискретная единица любого физического свойства. Обычно это касается свойств атомных или субатомных частиц, таких как электроны, нейтрино и фотоны.
Что такое кубит?
Кубит — базовая единица информации в квантовых вычислениях. Кубиты играют в квантовых вычислениях ту же роль, что и биты в классических вычислениях, но ведут себя по-другому. Классические биты являются двоичными и могут пребывать только в позиции 0 или 1, но кубиты могут пребывать в суперпозиции всех возможных состояний.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые компьютеры используют уникальное поведение квантовых систем — такое как суперпозиция, запутанность и квантовая интерференция — и применяют его к вычислениям. Это позволяет вводить новые понятия в традиционные методы программирования.
Суперпозиция
В суперпозиции квантовые частицы представляют комбинацию всех возможных состояний. Они меняются, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Один из способов проиллюстрировать разницу между двоичной позицией и суперпозицией — представить себе монету. Классические биты измеряются путем "подбрасывания монеты" с результатом "орел" или "решка". Но если вы могли бы взглянуть на монету и увидеть одновременно орла и решку, а также все промежуточные состояния, это значило бы, что монета находится в суперпозиции.
Запутанность
Запутанность — взаимозависимость квантовых частиц, когда результаты измерения одних частиц влияют на состояние других. Когда кубиты запутаны, они образуют единую систему и влияют друг на друга. Мы можем использовать измерения одного кубита, чтобы делать выводы о других. Добавляя больше кубитов в систему и запутывая их, квантовые компьютеры могут вычислять экспоненциально больше информации и решать более сложные задачи.
Квантовая интерференция
Квантовая интерференция — внутреннее поведение кубита, обусловленное суперпозицией, которое влияет на вероятность его итогового коллапса. Квантовые компьютеры проектируются и создаются для максимального подавления интерференции и обеспечения наиболее точных результатов. С этой целью Майкрософт использует топологические кубиты, которые стабилизируются за счет манипулирования их структурой и окружения их химическими соединениями, которые защищают кубиты от внешней интерференции.
По какому принципу работают квантовые вычисления?
Квантовый компьютер состоит из трех основных частей:
- область, в которой размещаются кубиты;
- метод передачи сигналов кубитам;
- классический компьютер для выполнения программ и отправки инструкций.
Некоторые способы организации хранилища кубитов предусматривают поддержание в нем температуры чуть выше абсолютного нуля для обеспечения максимальной когерентности кубитов и уменьшения интерференции. В других случаях хранилище представляет собой вакуумную камеру, что позволяет минимизировать вибрации и стабилизировать кубиты.
Для передачи кубитам сигналов применяются различные способы, в том числе с использованием микроволн, лазера и разности потенциалов.
Использование и области применения квантовых компьютеров
Квантовый компьютер не может выполнять все задачи быстрее, чем классический компьютер, но есть несколько областей, в которых квантовые компьютеры могут быть очень полезными.
Квантовое моделирование
Квантовые компьютеры отлично подходят для моделирования других квантовых систем, так как они используют в своих вычислениях квантовые явления. Это означает, что они могут справиться со сложностью и неопределенность систем, которые будут перегружать классические компьютеры. К примерам квантовых систем, которые можно моделировать, относятся фотосинтез, сверхпроводимость и сложные молекулярные образования.
Шифрование
Классическая криптография, например алгоритм Ривеста — Шамира — Адлемана (RSA), который широко используется для защиты данных при их передаче, опирается на неразрешимость таких проблем, как целочисленная факторизация или дискретные логарифмы. Многие из этих проблем можно решать более эффективно с помощью квантовых компьютеров.
Оптимизация
Оптимизация — это процесс поиска наилучшего решения проблемы с учетом желаемого результата и ограничений. В науке и промышленности критически важные решения принимаются на основе таких факторов, как стоимость, качество и время производства, — и все эти факторы можно оптимизировать. Выполняя алгоритмы квантовой оптимизации на классических компьютерах, мы можем находить решения, которые ранее были невозможны. Это позволяет открывать более эффективные способы управления сложными системами, такими как потоки транспорта, назначение выходов на посадку в самолет, доставка посылок, накопление и хранение энергии.
Квантовое машинное обучение
Машинное обучение на классических компьютерах революционным образом меняет сферы науки и бизнеса. Однако обучение моделей машинного обучения связано с высокими затратами на вычисления, что ограничивает масштабы и развитие этой области. Чтобы стимулировать прогресс в этой области, мы изучаем способы разработки и внедрения квантового программного обеспечения, которое позволяет ускорить машинное обучение.
Поиск
Квантовый алгоритм, разработанный в 1996 году, значительно ускорил поиск в неструктурированных данных и включал меньшее количество шагов, чем любой другой классический алгоритм.
Ресурсы Azure Quantum
Создавайте квантовые решения уже сегодня, став одним из ранних пользователей предварительной версии Azure Quantum — полнофункциональной открытой облачной экосистемы. Получите доступ к программному обеспечению, оборудованию и готовым решениям и приступите к разработке на надежной, масштабируемой и безопасной платформе.
Начало разработки с помощью пакета средств разработки Quantum
Начните создавать приложения с Azure
Опробуйте службы Azure для облачных вычислений бесплатно в течение 30 дней или начните работу с оплатой по мере использования. Никаких предварительных обязательств — подписку можно отменить в любое время.