Что вам нужно знать
- Квантовые вычисления используют кубиты, которые могут представлять несколько состояний одновременно, что позволяет этим машинам решать задачи гораздо более эффективно, чем классические компьютеры.
- Он основан на принципах квантовой физики, таких как суперпозиция, запутанность и интерференция, которые позволяют осуществлять массовую параллельную обработку данных.
- Квантовые компьютеры превосходны в решении сложных задач, таких как моделирование молекул, оптимизация логистики и разработка новых материалов — областях, в которых традиционные компьютеры испытывают трудности.
- Ведущие компании, такие как Google, IBM, Microsoft и Amazon гонку по созданию практичных квантовых систем, реальные аппаратные средства которых уже доступны через облако.
- Несмотря на то, что квантовая технология все еще находится в экспериментальной стадии, она быстро развивается, и в ближайшие 5–10 лет ожидаются потенциальные прорывы.
Квантовые вычисления могут изменить многие отрасли, от здравоохранения до кибербезопасности — даже если вы никогда не будете использовать их напрямую, их влияние коснется и вас. tion. Затем свяжитесь с отделом по борьбе с мошенничеством вашего банка.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — это передовая форма вычислений, основанная на принципах квантовой физики (науки о поведении крошечных частиц, таких как атомы). В то время как обычные биты могут иметь значение 0 или 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты (кубиты), которые могут иметь значение 0 и 1 одновременно.
Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать огромные объемы информации и одновременно исследовать бесчисленное количество возможных решений. Они могут решать проблемы в таких областях, как химия и логистика, на решение которых классическим компьютерам потребовались бы миллионы лет.
Что такое квантовые вычисления, объясненные простыми словами?
Это может быть сложно понять. Попытайтесь представить себе квантовые вычисления как одновременное пробование всех возможных ответов на сложный вопрос, а не по одному за другим. Это достигается за счет использования частиц, которые могут одновременно находиться в нескольких состояниях. Это происходит благодаря странному свойству квантовой физики, называемому суперпозицией, которое мы более подробно объясним ниже.
Это не магия. Это очень умная физика. Используя сложные явления, такие как запутанность, квантовые компьютеры могут параллельно обрабатывать сложные данные. Это открывает новые возможности для решения некоторых из самых сложных проблем в мире.
Как работает квантовый компьютер?
Квантовые вычисления основаны на странном и удивительно мощном поведении частиц, которые настолько малы, что их невозможно увидеть. Чтобы по-настоящему понять, что происходит, необходимо ознакомиться с несколькими ключевыми понятиями квантовой физики. Именно эти необычные правила дают квантовым компьютерам преимущество, позволяя им решать сложные задачи гораздо быстрее, чем машины, которые мы используем сегодня.
Суперпозиция
Как упоминалось ранее, суперпозиция является одной из ключевых причин, по которым квантовые компьютеры могут выполнять свои задачи. Она позволяет кубиту находиться в состоянии 0, 1 или — и здесь есть изюминка — одновременно в состоянии 0 и 1. Традиционный бит может выбрать только одно из этих состояний, но кубиту не нужно выбирать.
Благодаря этой способности квантовый компьютер может одновременно проверять бесчисленное количество возможностей. Представьте, что вы работаете над огромной головоломкой: классический компьютер проверяет по одному элементу за раз. Квантовый компьютер ведет себя так, как будто он пробует каждый элемент в каждом месте одновременно, превращая огромные, трудоемкие задачи в нечто гораздо более управляемое.
Поведение квантового компьютера
Запутанность
Запутанность — это странный квантовый эффект, при котором два или более кубита соединяются таким образом, что ведут себя как единая система. После соединения они остаются связанными, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга — в пределах лаборатории или по всей планете. Измените состояние одного, и другой мгновенно отреагирует.
Эта связь позволяет кубитам обмениваться информацией и работать вместе так, как это просто невозможно для классических битов. Результат? Они могут решать проблемы гораздо быстрее и эффективнее, действуя не как отдельные элементы, а как части одной скоординированной, мощной машины.
Помехи
Квантовые компьютеры основаны на волновых свойствах частиц. Так же, как волны могут усиливать или гасить друг друга, квантовые состояния могут делать то же самое посредством интерференции.
Интерференция позволяет квантовым алгоритмам (пословично) подталкивать компьютер к правильным ответам и отталкивать от неправильных. Эту интерференцию можно контролировать, чтобы квантовые компьютеры увеличивали вероятность получения правильного решения при проведении окончательного измерения.
Декогеренция
Одной из самых больших проблем в квантовых вычислениях является явление, называемое декогерентностью. Представьте себе квантовое состояние как мыльный пузырь — красивый, хрупкий и исчезающий в мгновение ока, если его ткнуть. Даже самый слабый шум или малейшее вмешательство извне могут его лопнуть.
Когда этот пузырь лопается, информация внутри кубитов разрушается, и все вычисления теряют смысл. Чтобы этого не произошло, ученые работают над способами изолировать кубиты от окружающей среды и разрабатывают умные приемы исправления ошибок, чтобы сохранить их стабильность достаточно долго, чтобы получить полезный ответ.
Квантовые вычисления против классических вычислений
Классические компьютеры отлично справляются с повседневными задачами, такими как запуск приложений, просмотр потокового видео, работа в Интернете. Они созданы для таких общих задач и с легкостью их выполняют.
Квантовые компьютеры, с другой стороны, оживают, когда задачи становятся чрезвычайно сложными. Когда есть горы переменных и бесконечные возможности для сортировки, они могут найти ответы за долю секунды. Такие задачи, которые могут занять классический компьютер на века.
Классические вычисления
Классические компьютеры используют биты традиционным образом. Это привычные строительные блоки современных вычислений. Как упоминалось ранее, каждый бит может находиться в одном состоянии за раз: 0 или 1. Эта простая система лежит в основе всего, от вашего телефона до самых современных суперкомпьютеров.
Классические компьютеры работают, выполняя вычисления шаг за шагом, следуя логическим инструкциям для получения ответа. Они обрабатывают данные линейным образом и благодаря этой системе обработки являются невероятно надежными для таких задач, как работа с электронными таблицами и даже игры.
Но по мере усложнения задач, особенно тех, которые имеют множество возможных решений, классические компьютеры сталкиваются с трудностями, поскольку им приходится проверять каждый вариант по очереди.
Квантовые вычисления
Мы объяснили, что биты квантового компьютера могут одновременно быть и 0, и 1 благодаря суперпозиции. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно тестировать множество возможных решений, что делает их идеальными для решения определенных типов сложных задач.
Эти компьютеры используют параллельный характер квантовой механики. Это похоже на то, как поднять 10 камней одновременно, чтобы увидеть, что находится под ними, в то время как традиционный компьютер должен делать это по одному.
Квантовые компьютеры не быстрее во всем. Они разработаны для дополнения классических машин.
Где квантовые компьютеры имеют преимущество
Квантовые компьютеры вышли за рамки теории и уже проходят испытания в реальных условиях. В некоторых ситуациях они оказываются гораздо более подходящими, чем традиционные машины.
Одной из интересных областей является моделирование. Квантовые компьютеры могут имитировать поведение атомов и квантовых материалов способами, которые классические компьютеры просто не в состоянии повторить. Это открывает путь к прорывам в таких областях, как химия и физика, от разработки новых форм материи до создания более эффективных способов хранения энергии.
Оптимизация — это одна из областей, в которой квантовые вычисления могут стать настоящим прорывом. Многие повседневные задачи — от прокладки самого быстрого маршрута доставки до балансировки инвестиционного портфеля — сводятся к просеиванию бесконечного множества возможностей в поисках оптимального решения. Квантовые алгоритмы могут одновременно обрабатывать все эти переменные и за считанные секунды выдать оптимальное решение.
Кибербезопасность — еще одна важная проблема. Достаточно мощный квантовый компьютер может мгновенно взломать традиционное шифрование. Но не все так плохо — та же технология может помочь создать квантово-безопасную криптографию. Именно поэтому технологические компании уже спешат внедрить новые стандарты безопасности, разработанные для квантовой эры.
Еще есть медицина. Квантовые симуляции позволяют моделировать взаимодействие молекул на невероятно детальном уровне, помогая ученым быстрее открывать новые лекарства или материалы. Выгода может быть огромной: прорывные методы лечения станут доступны пациентам на несколько лет раньше, чем при использовании современных методов.
Как выглядит квантовый компьютер?
Квантовые компьютеры не похожи на ноутбуки или серверы, которые мы используем сегодня. Обычно это большие сложные машины, размещенные в помещениях с контролируемой температурой, чтобы обеспечить их максимальную стабильность.
В основе многих квантовых систем лежит высокое цилиндрическое устройство, называемое криостатом. Эта камера охлаждает квантовыйпроцессордо температур, близких к абсолютному нулю (холоднее, чем в космическом пространстве), поскольку кубиты должны работать в состояниях с ультранизким энергетическим уровнем, чтобы сохранять квантовые свойства.
Вокруг квантового чипа расположены слои проводки, управляющей электроники и классических компьютеров. Классические системы помогают подготовить и измерить квантовые состояния.
Поскольку эти машины большие и хрупкие, большинство пользователей получают к ним доступ через [облако](malwarebytes), а не владеют ими или управляют ими напрямую. На данный момент квантовые вычисления остаются прерогативой специализированных лабораторий и облачных сервисов, а не потребительских настольных компьютеров.
Насколько далеко продвинулась технология квантовых вычислений?
Квантовые вычисления — это не просто теоретическая концепция. Сегодня уже существуют реальные квантовые компьютеры. Следует отметить, что эта технология все еще находится на ранней стадии развития, и, скорее всего, пройдет еще несколько лет, прежде чем квантовые компьютеры станут широко использоваться в повседневных приложениях. Исследование McKinsey прогнозирует , что к 2030 году будет работать 5000 квантовых компьютеров.
Большинство современных квантовых компьютеров являются экспериментальными и работают в специализированных исследовательских лабораториях. Эти ранние системы обычно имеют всего несколько сотен кубитов. Для работы им требуются экстремальные условия, и они должны храниться при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Не стоит ожидать, что в ближайшее время они появятся в продаже.
Одной из самых больших проблем является исправление ошибок. Как объяснялось ранее, кубиты чрезвычайно чувствительны к шуму и помехам, поэтому современные квантовые компьютеры по-прежнему испытывают проблемы с надежностью и масштабируемостью.
В 2019 году Google объявила о достижении квантового превосходства, что означает, что ее квантовый компьютер решил задачу быстрее, чем любой известный классический компьютер. Хотя эта конкретная задача не имела практического значения, она продемонстрировала возможности квантовых компьютеров.
В ближайшей перспективе ожидается, что квантовые вычисления будут приносить пользу благодаря гибридным подходам. Это означает, что квантовые компьютеры могут помогать классическим компьютерам в решении конкретных задач, таких как оптимизация химических реакций или моделирование квантовых систем.
Прогресс идет стабильно, и в следующем десятилетии квантовые компьютеры, вероятно, станут более распространенными. Мы можем увидеть дальнейшие прорывы в области надежности, что значительно ускорит развитие квантовых вычислений.
Ведущие компании в области квантовых вычислений
Квантовые вычисления — одна из самых захватывающих областей технологий. Это привело к тому, что некоторые из крупнейших компаний мира вступили в гонку за лидерство в этой сфере. Многие организации вкладывают миллиарды в создание первых практичных крупномасштабных квантовых компьютеров.
Каждая компания имеет свой подход к решению квантовых задач, используя различные аппаратные и программные стратегии. Некоторые компании создают собственные квантовые процессоры, а другие сосредоточены на облачных сервисах, которые предоставляют исследователям и разработчикам удаленный доступ к квантовым машинам. Все эти инвестиции, вероятно, ускорят развитие.
Google и чип Willow
Мы уже объясняли, как Google заявила о достижении квантового превосходства с помощью своего чипа Sycamore, решив за 200 секунд задачу, на которую суперкомпьютеру потребовались бы тысячи лет. С тех пор Google работает над созданием отказоустойчивого квантового компьютера, способного решать реальные задачи. Ее текущая цель — к 2029 году создать полезный квантовый компьютер с функцией исправления ошибок.
Новейший квантовый чип Google называется Willow. Willow превосходит предыдущие модели благодаря более высокой производительности кубитов и более эффективной коррекции ошибок. Он является частью амбициозного плана Google по масштабированию квантового оборудования до тысяч или миллионов кубитов, необходимых для получения практического квантового преимущества, то есть достижения того момента, когда квантовый компьютер сможет решать задачи быстрее и эффективнее, чем так называемый классический компьютер.
Google также активно сотрудничает с академическими партнерами и открывает исходный код некоторых своих квантовых инструментов. Это может способствовать расширению квантовой экосистемы.
IBM и сверхпроводящие кубиты
IBM — одна из самых авторитетных компаний в области квантовых вычислений. Она занимается разработкой квантовых технологий уже несколько десятилетий и одной из первых предложила облачный доступ к квантовым компьютерам через свою платформу IBM Quantum.
Подход IBM основан на использовании сверхпроводящих кубитов, которые представляют собой схемы, охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, для проявления квантового поведения. Квантовая дорожная карта компании включает в себя план по масштабированию текущих устройств до систем с 2000 кубитами, а следующий крупный чип будет называться Blue Jay. Ожидается, что он будет готов к эксплуатации к 2029 году.
Корпоративные партнеры уже могут проводить квантовые эксперименты и запускать приложения на реальном оборудовании IBM через облако. IBM также активно участвует в разработке квантового программного обеспечения, помогая развивать набор инструментов и платформы с открытым исходным кодом, такие как Qiskit.
Microsoft и Azure Quantum
Microsoft применяет уникальный подход к квантовым вычислениям. Компания уделяет внимание как инновациям в области аппаратного обеспечения, так и созданию комплексного набора квантового программного обеспечения. Azure Quantum — это их облачная платформа. Она позволяет пользователям запускать квантовые алгоритмы на различных типах аппаратного обеспечения благодаря партнерству с несколькими квантовыми компаниями.
Вместо того, чтобы создавать только один тип квантового компьютера, Microsoft предоставляет разработчикам доступ к машинам таких компаний, как IonQ, Quantinuum и Rigetti. Это осуществляется через облачный интерфейс Azure.
Microsoft также вкладывает значительные средства в топологические кубиты. Это новый подход, который в будущем может привести к созданию более стабильных и устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. Эта технология все еще находится в стадии разработки, но благодаря своей стратегии, ориентированной в первую очередь на программное обеспечение, и гибридным квантово-классическим инструментам Microsoft играет ключевую роль в помощи предприятиям в изучении квантового потенциала.
Azure Quantum также предоставляет мощные инструменты для разработки квантовых алгоритмов. Это может упростить для ученых и разработчиков написание кода, который в конечном итоге сможет работать на будущем квантовом оборудовании.
Amazon Braket
Amazonвышла на рынок квантовых вычислений через свою облачную платформу AWS. Amazon дает пользователям возможность тестировать квантовые алгоритмы на реальном квантовом оборудовании от нескольких партнеров, не создавая собственных квантовых компьютеров.
С помощью Braket пользователи могут проводить симуляции и эксперименты на оборудовании таких компаний, как IonQ и Oxford Quantum Circuits. Это позволяет исследователям и разработчикам изучать возможности квантовых технологий уже сегодня.
Цель Amazon— стимулировать инновации и эксперименты, предоставляя разработчикам удобные инструменты для поддержки развивающейся квантовой экосистемы. Amazon также Amazon ставку на то, что доступ к разнообразному оборудованию через облако ускорит прогресс в области квантовых технологий.
Известные стартапы и исследовательские лаборатории
Некоторые из самых интересных инноваций в области квантовых вычислений появляются в стартапах и исследовательских лабораториях по всему миру.
- Rigetti. Пионер в области сверхпроводящих кубитных систем. Rigetti предлагает облачные квантовые вычисления и разрабатывает все более мощные чипы.
- IonQ. Использует технологию захваченных ионов. Это обеспечивает высокую точность и длительное время когерентности. IonQ уже является ключевым партнером для облачных платформ, таких как AWS и Azure.
- Xanadu. Специализируется на фотонных квантовых вычислениях, в которых вместо переохлажденных металлов используется свет. Это потенциально открывает возможности для создания более масштабируемых квантовых решений, работающих при комнатной температуре.
Многие университеты и национальные лаборатории (включая MIT и Caltech) вносят свой вклад в развитие квантовой науки. Университеты часто тесно сотрудничают как с крупными технологическими компаниями, так и со стартапами.
Что сегодня возможно с помощью квантовых компьютеров?
Сегодняшние квантовые компьютеры все еще находятся на ранней экспериментальной стадии. Они еще не готовы заменить классические компьютеры или решать самые большие проблемы мира. Однако они уже используются для исследований и экспериментов по проверке концепции.
Вышеупомянутые облачные сервисы предоставляют исследователям и разработчикам доступ к реальным квантовым процессорам для тестирования новых квантовых алгоритмов и изучения возможностей квантовых систем.
До сих пор квантовые компьютеры использовались для:
- Моделирование малых молекул и химических реакций
- Исследуйте новые материалы на квантовом уровне
- Оптимизация небольших логистических задач
- Изучите другие квантовые явления, такие как запутанность и интерференция.
- Передовые исследования в области квантовой криптографии
Современные машины по-прежнему ограничены в размерах и надежности. Они часто обрабатывают всего несколько сотен кубитов с относительно высокой частотой ошибок. Это означает, что они пока не могут превзойти классические суперкомпьютеры в решении большинства реальных задач. На данный момент квантовые компьютеры являются в первую очередь инструментом для научных исследований.
Что будет дальше
В ближайшие несколько лет в области квантовых вычислений произойдут значительные прорывы. Компании и исследователи сосредоточивают свое внимание на нескольких ключевых областях. Одной из основных задач является увеличение количества надежных кубитов при сохранении их качества. Компании работают над увеличением масштаба своих квантовых процессоров с сотен до тысяч (и в конечном итоге до миллионов) кубитов.
Исследователи разрабатывают новые методы для решения проблемы стабильности. Ключевым прорывом станет появление более эффективного способа стабилизации кубитов и автоматической коррекции ошибок во время вычислений.
Большинство экспертов прогнозируют, что через 5–10 лет мы начнем наблюдать практические преимущества квантовых технологий, когда квантовые компьютеры превзойдут классические в конкретных, ценных приложениях.
По мере совершенствования аппаратного обеспечения квантовые компьютеры начнут приносить реальную пользу в таких отраслях, как:
- Фармацевтика. Моделирование молекул для разработки новых лекарственных препаратов
- Материаловедение. Открытие новых материалов с уникальными свойствами
- Финансы. Оптимизация инвестиционных стратегий и анализ рисков
- Логистика. Решение сложных задач по маршрутизации и организации цепочки поставок
Проблемы и ограничения
Несмотря на свои перспективы, квантовые компьютеры сегодня сталкиваются с серьезными проблемами и ограничениями.
Как уже упоминалось, кубиты являются хрупкими и подверженными ошибкам, и эта проблема известна как декогеренция. Это затрудняет выполнение длительных и надежных вычислений.
Системы нуждаются в изоляции от вибраций и электромагнитном экранировании. Создание и обслуживание таких систем является сложным и дорогостоящим процессом. Это не то, что можно легко масштабировать.
С точки зрения сырой мощности, современные квантовые машины все еще ограничены. Для повседневных задач, таких как обработка текстов или работа с таблицами, обычный ноутбук гораздо более практичен. Квантовые компьютеры не предназначены для замены традиционных устройств в повседневных задачах и, вероятно, никогда не заменят их.
Преодоление этих проблем потребует многих лет исследований, но потенциальные выгоды делают эту гонку достойной участия.
Почему это важно для вас
Квантовые вычисления — это не только теоретическая наука или крупные технологические компании, соревнующиеся за первые полосы газет. Это технология, которая может незаметно изменить мир вокруг вас. Будущее квантовых вычислений затронет каждого.
Мы уже кратко коснулись того факта, что квантовые вычисления могут помочь быстрее, чем когда-либо прежде, открывать новые лекарства и методы лечения заболеваний. Исследователи могут предсказать, как новые лекарства будут взаимодействовать с организмом человека, исследуя и моделируя их на квантовом уровне. Это может ускорить клинические испытания и снизить затраты. Это может привести к прорывам в лечении заболеваний, которые были проблемой на протяжении всей истории человечества.
Это также дает надежду на решение сложных энергетических и климатических проблем. Квантовые симуляции могут помочь нам разработать более совершенные батареи и повысить эффективность солнечных батарей. Кроме того, они позволяют ученым более точно моделировать крупномасштабные климатические системы и могут открыть новые возможности. Это могут стать мощными новыми инструментами в борьбе с изменением климата.
Еще одна область, в которой квантовые вычисления будут иметь прямое влияние на вашу жизнь, — это кибербезопасность. Многие из наиболее широко используемых сегодня методов шифрования — это алгоритмы, которые защищают ваши банковские счета, личные сообщения и данные. Они основаны на математических задачах, которые классические компьютеры с трудом решают.
Достаточно мощный квантовый компьютер может взломать эти коды за считанные минуты. Именно поэтому исследователи сейчас ведут гонку по разработке квантово-безопасного шифрования, которое сможет противостоять возможностям будущих квантовых машин.
В то же время квантовые вычисления могут также обеспечить более надежные формы шифрования. Такие технологии, как квантовая распределение ключей (QKD), могут сделать возможным создание каналов связи, которые практически невозможно взломать при текущих условиях, и обеспечить конфиденциальность конфиденциальных данных на десятилетия вперед.
В правильных руках квантовые вычисления делают нас более безопасными. В неправильных руках они могут представлять серьезную опасность.
Даже если вы никогда не будете напрямую использовать квантовый компьютер, его возможности затронут все отрасли, на которые вы полагаетесь. Одним словом: квантовые вычисления могут изменить основу цифрового мира, с которым вы взаимодействуете каждый день.
Похожие статьи:
Как машинное обучение усиливает меры кибербезопасности?
Как искусственный интеллект влияет на меры кибербезопасности?
Как блокчейн повышает безопасность и прозрачность транзакций?
Как поисковые системы с искусственным интеллектом улучшают пользовательский опыт и безопасность?
Каковы основные преимущества использования облачных вычислительных сервисов?