Kvantová výpočetní technika využívá kvantovou mechaniku ke zpracování obrovského množství informací při neuvěřitelně vysoké rychlosti. Kvantovému počítači trvá několik minut až několika hodin, než vyřeší problém, který by stolnímu počítači trvalo roky nebo desetiletí. Kvantové výpočty připravují půdu pro novou generaci superpočítačů. Očekává se, že tyto kvantové počítače překonají stávající technologie v oblastech, jako je modelování, logistika, analýza trendů, kryptografie a umělá inteligence.
Kvantové výpočty vysvětleny
Myšlenku kvantového výpočtu si poprvé představili na počátku 80. let Richard Feynman a Yuri Manin. Feynman a Manin věřili, že kvantový počítač dokáže simulovat data způsoby, které stolní počítač neumí. Teprve na konci 90. let vědci postavili první kvantové počítače. Kvantové výpočty používají k provádění výpočtů kvantovou mechaniku, jako je superpozice a zapletení. Kvantová mechanika je odvětví fyziky, které studuje věci, které jsou extrémně malé, izolované nebo chladné. Primární jednotkou zpracování kvantových výpočtů jsou kvantové bity nebo qubity. Qubity jsou vytvářeny v kvantovém počítači pomocí kvantově mechanických vlastností jednotlivých atomů, subatomárních částic nebo supravodivých elektrických obvodů. Qubity jsou podobné bitům používaným stolními počítači, v nichž mohou být qubity v kvantovém stavu 1 nebo 0. Qubits se liší v tom, že mohou být také v superpozici stavů 1 a 0, což znamená, že qubits mohou představovat současně 1 i 0. Když jsou qubity v superpozici, dva kvantové stavy se sčítají a výsledkem je další kvantový stav. Superpozice znamená, že se současně zpracovává více výpočtů. Takže dva qubity mohou představovat čtyři čísla současně. Běžné počítače zpracovávají bity pouze v jednom ze dvou možných stavů, 1 nebo 0, a výpočty se zpracovávají po jednom.
Kvantový procesor je jádrem počítače
Vytváření qubits je obtížný úkol. Udržování qubitu po libovolnou dobu trvá zmrazené prostředí. Supravodivé materiály potřebné k vytvoření qubitu musí být ochlazeny na absolutní nulu (asi mínus 272 stupňů Celsia). Kvitaty musí být také chráněny před hlukem v pozadí, aby se snížily chyby ve výpočtu. Vnitřek kvantového počítače vypadá jako ozdobný zlatý lustr. A ano, je vyroben ze skutečného zlata. Jedná se o lednici na ředění, která chladí kvantové čipy, takže počítač může vytvářet superpozice a zaplétat qubity, aniž by ztratil jakoukoli informaci.
Programovací jazyk kvantové výpočetní techniky
Kvantové algoritmy analyzují data a na základě těchto dat nabízejí simulace. Tyto algoritmy jsou psány v kvantově zaměřeném programovacím jazyce. Výzkumníci a technologické společnosti vyvinuli několik kvantových jazyků. Toto je několik programovacích jazyků kvantové výpočetní techniky:
- QISKit: Sada Quantum Information Software Kit od IBM je knihovna s plným zásobníkem pro psaní, simulaci a spouštění kvantových programů.
- Q #: Programovací jazyk obsažený v sadě Microsoft Quantum Development Kit. Vývojová sada obsahuje knihovny kvantového simulátoru a algoritmů.
- Cirq: Kvantový jazyk vyvinutý společností Google, který používá knihovnu pythonu k psaní obvodů a spouštění těchto obvodů v kvantových počítačích a simulátorech.
- Les: Vývojářské prostředí vytvořené společností Rigetti Computing, které píše a spouští kvantové programy.
Využití pro kvantové výpočty
Skutečné kvantové počítače se staly dostupnými v posledních několika letech a kvantový počítač má jen několik velkých technologických společností. Mezi tyto technologické společnosti patří Google, IBM, Intel a Microsoft. Tito technologičtí lídři spolupracují s výrobci, finančními firmami a biotechnologickými společnostmi na řešení řady problémů.
- Letecký a kosmický průmysl využívá kvantové výpočty k prozkoumání lepších způsobů řízení letového provozu.
- Finanční a investiční společnosti doufají, že budou pomocí kvantového výpočtu analyzovat riziko a návratnost finančních investic, optimalizovat portfoliové strategie a vypořádat finanční přechody.
- Výrobci využívají kvantové výpočty, aby zlepšili své dodavatelské řetězce, zvýšili efektivitu svých výrobních procesů a vyvíjeli nové produkty.
- Biotechnologické firmy zkoumají způsoby, jak urychlit objev nových léků.
Najděte kvantový počítač a experimentujte s kvantovým výpočtem
Někteří vědci v oblasti výpočetní techniky vyvíjejí metody simulace kvantového výpočtu na stolním počítači. Mnoho z největších světových technologických společností nabízí kvantové služby. Ve spojení se stolními počítači a systémy vytvářejí tyto kvantové služby prostředí, kde kvantové zpracování – se stolními počítači – řeší složité problémy.
- IBM nabízí prostředí IBM Q s přístupem k několika skutečným kvantovým počítačům a simulacím, které můžete použít prostřednictvím cloudu.
- Alibaba Cloud nabízí cloudovou platformu pro kvantové výpočty, kde můžete spouštět a testovat vlastní kvantové kódy.
- Microsoft nabízí kvantovou vývojovou sadu, která obsahuje programovací jazyk Q #, kvantové simulátory a vývojové knihovny kódu připraveného k použití.
- Rigetti má vůbec první cloudovou platformu, která je aktuálně v beta verzi. Jejich platforma je předkonfigurovaná s jejich Forest SDK.
Novinky v oblasti kvantové výpočetní techniky v budoucnosti
Snem je, že kvantové počítače vyřeší problémy, které jsou v současné době příliš velké a příliš složité na to, aby je bylo možné vyřešit pomocí standardního hardwaru – zejména pro modelování prostředí a omezování chorob. Stolní počítače nemají prostor pro provádění těchto složitých výpočtů a provádění tohoto neuvěřitelného množství analýzy dat. Kvantové výpočty zabírají největší sběr velkých dat a zpracovávají tyto informace za zlomek času, který by trvalo na stolním počítači. Data, která by stolnímu počítači trvalo zpracování a analýza několik let, trvá kvantovému počítači jen několik dní. Kvantové výpočty jsou stále v plenkách, ale mají potenciál řešit nejsložitější světové problémy rychlostí světla. Kdokoli odhaduje, jak daleko kvantové výpočty porostou, a dostupnost kvantových počítačů.