Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν την κβαντική μηχανική για να επεξεργάζονται τεράστιες ποσότητες πληροφοριών με απίστευτα υψηλό ρυθμό ταχύτητας. Χρειάζονται μερικά λεπτά έως αρκετές ώρες για να λύσει ένας κβαντικός υπολογιστής ένα πρόβλημα που ένας επιτραπέζιος υπολογιστής θα χρειαζόταν χρόνια ή δεκαετίες για να λύσει.
Ο κβαντικός υπολογιστής θέτει τις βάσεις για μια νέα γενιά υπερυπολογιστών. Αυτοί οι κβαντικοί υπολογιστές αναμένεται να ξεπεράσουν την υπάρχουσα τεχνολογία σε τομείς όπως η μοντελοποίηση, η εφοδιαστική, η ανάλυση τάσεων, η κρυπτογραφία και η τεχνητή νοημοσύνη.
Εξήγηση Κβαντικού Υπολογισμού
Η ιδέα του κβαντικού υπολογισμού φαντάστηκε για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 1980 από τους Richard Feynman και Yuri Manin. Ο Feynman και ο Manin πίστευαν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορούσε να προσομοιώσει δεδομένα με τρόπους που ένας επιτραπέζιος υπολογιστής δεν μπορούσε. Μόλις στα τέλη της δεκαετίας του 1990 οι ερευνητές κατασκεύασαν τους πρώτους κβαντικούς υπολογιστές.
Ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιεί την κβαντική μηχανική, όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή, για την εκτέλεση υπολογισμών. Η κβαντομηχανική είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετά πράγματα που είναι εξαιρετικά μικρά, μεμονωμένα ή ψυχρά.
Η κύρια μονάδα επεξεργασίας του κβαντικού υπολογισμού είναι τα κβαντικά bit ή qubits. Τα qubits δημιουργούνται στον κβαντικό υπολογιστή χρησιμοποιώντας τις κβαντομηχανικές ιδιότητες μεμονωμένων ατόμων, υποατομικών σωματιδίων ή υπεραγώγιμων ηλεκτρικών κυκλωμάτων.
Τα qubits είναι παρόμοια με τα bit που χρησιμοποιούνται από επιτραπέζιους υπολογιστές, καθώς τα qubits μπορεί να είναι σε κβαντική κατάσταση 1 ή 0. Τα qubits διαφέρουν στο ότι μπορούν επίσης να βρίσκονται σε μια υπέρθεση των καταστάσεων 1 και 0, που σημαίνει ότι τα qubits μπορούν να αντιπροσωπεύουν και το 1 και το 0 ταυτόχρονα.
Όταν τα qubits βρίσκονται σε υπέρθεση, δύο κβαντικές καταστάσεις προστίθενται μαζί και καταλήγουν σε μια άλλη κβαντική κατάσταση. Η υπέρθεση σημαίνει ότι πολλαπλοί υπολογισμοί επεξεργάζονται ταυτόχρονα. Έτσι, δύο qubits μπορούν να αντιπροσωπεύουν τέσσερις αριθμούς ταυτόχρονα. Οι κανονικοί υπολογιστές επεξεργάζονται bit μόνο σε μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις, 1 ή 0, και οι υπολογισμοί επεξεργάζονται ένα κάθε φορά.
Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν επίσης εμπλοκή για την επεξεργασία qubits. Όταν ένα qubit μπλέκεται, η κατάσταση αυτού του qubit εξαρτάται από την κατάσταση ενός άλλου qubit, έτσι ώστε ένα qubit να αποκαλύπτει την κατάσταση του μη παρατηρούμενου ζεύγους του.
Ο κβαντικός επεξεργαστής είναι ο πυρήνας του υπολογιστή
Η δημιουργία qubits είναι μια δύσκολη εργασία. Χρειάζεται ένα παγωμένο περιβάλλον για να διατηρηθεί ένα qubit για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα. Τα υπεραγώγιμα υλικά που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός qubit πρέπει να ψυχθούν στο απόλυτο μηδέν (περίπου μείον 272 Κελσίου). Τα qubits πρέπει επίσης να προστατεύονται από το θόρυβο του περιβάλλοντος για να μειωθούν τα σφάλματα στον υπολογισμό.
Το εσωτερικό ενός κβαντικού υπολογιστή μοιάζει με φανταχτερό χρυσό πολυέλαιο. Και, ναι, είναι φτιαγμένο με πραγματικό χρυσό. Είναι ένα ψυγείο αραίωσης που ψύχει τα κβαντικά τσιπ, έτσι ώστε ο υπολογιστής να μπορεί να δημιουργεί υπερθέσεις και να μπλέκει qubit χωρίς να χάσει καμία από τις πληροφορίες.
Ο κβαντικός υπολογιστής κατασκευάζει αυτά τα qubits από οποιοδήποτε υλικό που εμφανίζει κβαντομηχανικές ιδιότητες που μπορούν να ελεγχθούν. Τα έργα κβαντικών υπολογιστών δημιουργούν qubits με διαφορετικούς τρόπους, όπως η δημιουργία βρόχου υπεραγώγιμου σύρματος, η περιστροφή ηλεκτρονίων και η παγίδευση ιόντων ή παλμών φωτονίων. Αυτά τα qubits υπάρχουν μόνο στις θερμοκρασίες υπόψυξης που δημιουργούνται στο ψυγείο αραίωσης.
Η Γλώσσα Προγραμματισμού των Κβαντικών Υπολογιστών
Οι κβαντικοί αλγόριθμοι αναλύουν τα δεδομένα και προσφέρουν προσομοιώσεις με βάση τα δεδομένα. Αυτοί οι αλγόριθμοι είναι γραμμένοι σε μια κβαντική γλώσσα προγραμματισμού. Πολλές κβαντικές γλώσσες έχουν αναπτυχθεί από ερευνητές και εταιρείες τεχνολογίας.
Αυτές είναι μερικές από τις γλώσσες προγραμματισμού κβαντικών υπολογιστών:
- QISKit: Το Quantum Information Software Kit από την IBM είναι μια βιβλιοθήκη πλήρους στοίβας για τη σύνταξη, την προσομοίωση και την εκτέλεση κβαντικών προγραμμάτων.
- Q: Η γλώσσα προγραμματισμού που περιλαμβάνεται στο Microsoft Quantum Development Kit. Το κιτ ανάπτυξης περιλαμβάνει έναν κβαντικό προσομοιωτή και βιβλιοθήκες αλγορίθμων.
- Cirq: Μια κβαντική γλώσσα που αναπτύχθηκε από την Google που χρησιμοποιεί μια βιβλιοθήκη python για τη σύνταξη κυκλωμάτων και την εκτέλεση αυτών των κυκλωμάτων σε κβαντικούς υπολογιστές και προσομοιωτές.
- Forest: Ένα περιβάλλον προγραμματιστή που δημιουργήθηκε από την Rigetti Computing που γράφει και εκτελεί κβαντικά προγράμματα.
Χρήσεις για Κβαντικό Υπολογισμό
Οι πραγματικοί κβαντικοί υπολογιστές έχουν γίνει διαθέσιμοι τα τελευταία χρόνια και μόνο λίγες μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας διαθέτουν κβαντικό υπολογιστή. Μερικές από αυτές τις εταιρείες τεχνολογίας περιλαμβάνουν την Google, την IBM, την Intel και τη Microsoft. Αυτοί οι ηγέτες τεχνολογίας συνεργάζονται με κατασκευαστές, εταιρείες χρηματοοικονομικών υπηρεσιών και εταιρείες βιοτεχνολογίας για να λύσουν μια ποικιλία προβλημάτων.
Η διαθεσιμότητα υπηρεσιών κβαντικών υπολογιστών και η πρόοδος στην υπολογιστική ισχύ δίνει σε ερευνητές και επιστήμονες νέα εργαλεία για να βρουν λύσεις σε προβλήματα που προηγουμένως ήταν αδύνατο να επιλυθούν. Ο κβαντικός υπολογιστής έχει μειώσει τον χρόνο και τους πόρους που απαιτούνται για την ανάλυση απίστευτων ποσοτήτων δεδομένων, τη δημιουργία προσομοιώσεων σχετικά με αυτά τα δεδομένα, την ανάπτυξη λύσεων και τη δημιουργία νέων τεχνολογιών που διορθώνουν προβλήματα.
Οι επιχειρήσεις και η βιομηχανία χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές για να εξερευνήσουν νέους τρόπους επιχειρηματικής δραστηριότητας. Ακολουθούν μερικά από τα έργα κβαντικών υπολογιστών που μπορεί να ωφελήσουν τις επιχειρήσεις και την κοινωνία:
- Η αεροδιαστημική βιομηχανία χρησιμοποιεί κβαντικούς υπολογιστές για να διερευνήσει καλύτερους τρόπους διαχείρισης της εναέριας κυκλοφορίας.
- Οι χρηματοοικονομικές και επενδυτικές εταιρείες ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τον κβαντικό υπολογισμό για να αναλύσουν τον κίνδυνο και την απόδοση των χρηματοοικονομικών επενδύσεων, να βελτιστοποιήσουν τις στρατηγικές χαρτοφυλακίου και να διευθετήσουν χρηματοοικονομικές μεταβάσεις.
- Οι κατασκευαστές υιοθετούν τον κβαντικό υπολογισμό για να βελτιώσουν τις αλυσίδες εφοδιασμού τους, να δημιουργήσουν αποτελεσματικότητες στις διαδικασίες παραγωγής τους και να αναπτύξουν νέα προϊόντα.
- Οι εταιρείες βιοτεχνολογίας διερευνούν τρόπους για να επιταχύνουν την ανακάλυψη νέων φαρμάκων.
Βρείτε έναν κβαντικό υπολογιστή και πειραματιστείτε με τον κβαντικό υπολογιστή
Μερικοί επιστήμονες υπολογιστών αναπτύσσουν μεθόδους για την προσομοίωση κβαντικών υπολογιστών σε επιτραπέζιο υπολογιστή.
Πολλές από τις μεγαλύτερες εταιρείες τεχνολογίας στον κόσμο προσφέρουν κβαντικές υπηρεσίες. Όταν συνδυάζονται με επιτραπέζιους υπολογιστές και συστήματα, αυτές οι κβαντικές υπηρεσίες δημιουργούν ένα περιβάλλον όπου η κβαντική επεξεργασία -με επιτραπέζιους υπολογιστές- επιλύει πολύπλοκα προβλήματα.
- Η IBM προσφέρει το περιβάλλον IBM Q με πρόσβαση σε αρκετούς πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές και προσομοιώσεις που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μέσω του cloud.
- Το Alibaba Cloud προσφέρει μια πλατφόρμα cloud κβαντικών υπολογιστών όπου μπορείτε να εκτελέσετε και να δοκιμάσετε προσαρμοσμένους κβαντικούς κώδικες.
- Η Microsoft προσφέρει ένα κιτ κβαντικής ανάπτυξης που περιλαμβάνει τη γλώσσα προγραμματισμού Q, κβαντικούς προσομοιωτές και βιβλιοθήκες ανάπτυξης έτοιμου προς χρήση κώδικα.
- Rigetti έχει μια κβαντική πλατφόρμα cloud που είναι αυτή τη στιγμή σε beta. Η πλατφόρμα τους είναι προδιαμορφωμένη με το Forest SDK.
Ειδήσεις κβαντικών υπολογιστών στο μέλλον
Το όνειρο είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα λύσουν προβλήματα επί του παρόντος πολύ μεγάλα και πολύ περίπλοκα για να τα λύσουν με τυπικό υλικό-ιδιαίτερα για περιβαλλοντική μοντελοποίηση και περιορισμό ασθενειών.
Οι επιτραπέζιοι υπολογιστές δεν έχουν χώρο για να εκτελέσουν αυτούς τους πολύπλοκους υπολογισμούς και να εκτελέσουν αυτόν τον απίστευτο όγκο ανάλυσης δεδομένων. Ο κβαντικός υπολογιστής λαμβάνει τις μεγαλύτερες συλλογές μεγάλων δεδομένων και επεξεργάζεται αυτές τις πληροφορίες σε ένα κλάσμα του χρόνου που θα χρειαζόταν σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή. Τα δεδομένα που θα χρειαζόταν ένας επιτραπέζιος υπολογιστής αρκετά χρόνια για να επεξεργαστεί και να αναλυθεί χρειάζονται μόνο λίγες ημέρες για έναν κβαντικό υπολογιστή.
Ο κβαντικός υπολογιστής είναι ακόμα σε αρχικό στάδιο, αλλά έχει τη δυνατότητα να λύσει τα πιο περίπλοκα παγκόσμια προβλήματα με την ταχύτητα του φωτός. Ο καθένας μπορεί να μαντέψει πόσο μακριά θα αναπτυχθεί ο κβαντικός υπολογιστής και ως προς τη διαθεσιμότητα κβαντικών υπολογιστών.
