Vad är kvantberäkning?
Med sammanflätning avses användning av kvantmekanik för att köra beräkningar på specialiserad maskinvara.
Introduktion till kvantberäkning
För att kunna ge en fullständig definition av kvantberäkning måste vi först definiera några viktiga termer.
Vad är kvantum?
Kvant i "kvantberäkning" refererar till den kvantmekanik som systemet använder för att beräkna utdata. I fysik är en kvantum den minsta möjliga diskreta enheten för en fysisk egenskap. Det avser vanligtvis egenskaper för atomära eller subatomära partiklar som elektroner, neutriner och fotoner.
Vad är en kvantbit?
En kvantbit är den grundläggande informationsenheten inom kvantberäkning. Kvantbitar har en liknande roll inom kvantberäkning som bitar har i klassiska beräkningar, men de har ett helt annat beteende. Klassiska bitar är binära och kan bara ha värdet 0 eller 1. Kvantbitar däremot kan ha alla möjliga tillstånd.
Vad är kvantberäkning?
Kvantdatorer utnyttjar kvantfysikens unika beteende, till exempel superposition, sammanflätning och kvantinterferens, och använder det för att göra beräkningar. Detta introducerar nya begrepp för traditionella programmeringsmetoder.
Superposition
I superposition är kvantpartiklar en kombination av alla möjliga tillstånd. De växlar tills de observeras och mäts. Ett sätt att beskriva skillnaden mellan en binär position och superposition är att föreställa sig ett mynt. Klassiska bitar mäts genom att "myntet kastas" och resultatet blir krona eller klave. Men om du kunde se både krona och klave samtidigt – och alla lägen myntet kan ha däremellan – skulle myntet vara i superposition.
Sammanflätning
Sammanflätning är möjligheten för kvantpartiklar att korrelera sina mätningsresultat med varandra. När kvantbitar är sammanflätade utgör de ett enda system och påverkar varandra. Vi kan använda måtten från en kvantbit för att dra slutsatser om de andra. Genom att lägga till fler kvantbitar i ett system kan kvantdatorer beräkna exponentiellt mer information och lösa mer komplicerade problem.
Kvantinterferens
Kvantinterferens är det inneboende beteendet hos en kvantbit som kommer av att superposition påverkar sannolikheten att den kollapsar åt ettdera hållet. Kvantdatorer är utformade och skapade för att minska interferensen så mycket som möjligt och säkerställa de mest exakta resultaten. Därför använder Microsoft topologiska kvantbitar. För att stabilisera dem manipuleras deras struktur och de omges med kemiska föreningar som skyddar dem från yttre interferens.
Hur fungerar kvantberäkning?
En kvantdator består av tre huvudsakliga delar:
- En plats för kvantbitarna
- En metod för att överföra signaler till kvantbitarna
- En klassisk dator för att köra ett program och skicka instruktioner
För vissa metoder för kvantbitslagring hålls den enhet som lagrar kvantbitar vid en temperatur strax ovanför absolut noll så att deras koherens maximeras och interferensen minskas. Andra typer av kvantbitslagring använder en vakuumkammare för att minimera vibrationer och stabilisera kvantbitarna.
Signaler kan skickas till kvantbitar med en mängd olika metoder, till exempel mikrovågor, laser och spänning.
Användningsområden för kvantdatorer
En kvantdator kan inte göra allt snabbare än en vanlig dator, men det finns några områden där kvantdatorer kan göra en stor skillnad.
Kvantsimulering
Kvantdatorer fungerar otroligt bra för att modellera andra kvantsystem eftersom de använder kvantfenomen i beräkningen. Det innebär att de kan hantera komplexitet och tvetydighet i system som skulle överbelasta vanliga datorer. Exempel på kvantsystem som vi kan modellera är supraledning och komplexa molekylära formationer.
Kryptografi
Klassisk kryptografi, till exempel RSA-algoritmen (Rivest–Shamir–Adleman), som ofta används för att skydda dataöverföringar, är beroende av svårigheten att lösa problem som heltalsfaktorisering eller diskreta logaritmer. Många av dessa kan lösas på effektivare sätt med hjälp av kvantdatorer.
Optimering
Optimering är processen för att hitta den bästa lösningen på ett problem baserat på önskat resultat och gällande begränsningar. Inom forskning och industri fattas viktiga beslut baserat på faktorer som kostnad, kvalitet och produktionstid, och alla dess kan optimeras. Genom att köra kvantinspirerade optimeringsalgoritmer på vanliga datorer kan vi hitta lösningar som tidigare var omöjliga. Detta hjälper oss att hitta bättre sätt att hantera komplexa system, till exempel trafikflöden, tilldelning av gater för flygplan, paketleveranser och energilagring.
Kvantmaskininlärning
Maskininlärning på vanliga datorer håller på att revolutionera både forsknings- och företagsvärlden. Träning av maskininlärningsmodeller medför dock höga beräkningskostnader och detta har begränsat det här områdets omfattning och utveckling. För att påskynda utvecklingen utforskar vi sätt att utforma och implementera kvantprogramvara som möjliggör snabbare maskininlärning.
Sök
En kvantalgoritm som utvecklades 1996 möjliggjorde en mycket snabbare lösning på ostrukturerade datasökningar. Sökningen kunde köras med färre steg än vad som var möjligt med klassiska algoritmer.
Azure Quantum-resurser
Azure Quantum är ett heltäckande öppet molnekosystem. Du kan börja skapa kvantlösningar med förhandsversionen redan nu. Få åtkomst till programvara, maskinvara och färdiga lösningar och börja utveckla på en betrodd, skalbar och säker plattform.
Börja utveckla med Quantum Development Kit
Börja skapa med Azure
Prova Azures tjänster för molnbaserad databehandling kostnadsfritt i upp till 30 dagar, eller sätt igång med användningsbaserad betalning. Det finns inga förhandsåtaganden – avsluta när du vill.