Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления – это многосторонняя область, объединяющая в себе аспекты информатики, физики и математики, которая использует квантовую механику для ускорения решения сложных проблем по сравнению с классическими компьютерами. Область квантовых вычислений включает в себя исследование оборудования и разработку приложений. Квантовые компьютеры могут решать определенные типы проблем быстрее, чем это делают классические компьютеры, потому что они пользуются преимуществами квантовых механических эффектов, таких как суперпозиция и квантовая интерференция. Примерами некоторых приложений, работа которых может быть ускорена за счет квантовых компьютеров, являются приложения с использованием машинного обучения (МО), оптимизации и имитации физических систем. Потенциальными примерами внедрения могут служить оптимизация портфеля в финансовой отрасли или имитация химических систем, решение проблем, которые на данный момент невозможно решить даже на самых мощных суперкомпьютерах, представленных на рынке.
В чем преимущество квантовых вычислений?
В настоящее время ни один квантовый компьютер не может выполнить полезную задачу быстрее, дешевле или эффективнее, чем классический. Квантовое преимущество – это порог, при достижении которого созданная нами квантовая система может выполнять операции, которые лучший из возможных классических компьютеров не может смоделировать за любое разумное время.
Что такое квантовая механика?
Квантовая механика – это область физики, которая изучает поведение частиц на микроскопическом уровне. На субатомном уровне уравнения, описывающие поведение частиц, отличаются от тех, которые описывают макроскопический мир вокруг нас. Квантовые компьютеры используют преимущества такого поведения для выполнения вычислений совершенно новым способом.
Что такое кубит?
Квантовые биты, или кубиты, представлены квантовыми частицами. Манипулирование кубитами с помощью управляющих устройств лежит в основе вычислительной мощности квантового компьютера. Кубиты в квантовых компьютерах аналогичны битам в классических компьютерах. По своей сути, процессор классической машины выполняет всю свою работу, манипулируя битами. Аналогично, квантовый процессор выполняет всю свою работу, обрабатывая кубиты.
Чем кубиты отличаются от классических битов?
В классических вычислениях бит – это электронный сигнал, который либо включен, либо выключен. Таким образом, значение классического бита может быть единицей (включено) или нулем (выключено). Однако, поскольку кубиты основаны на законах квантовой механики, они могут находиться в суперпозиции состояний.
Каковы принципы квантовых вычислений?
Квантовый компьютер работает с использованием квантовых принципов. Для полного понимания квантовых принципов требуется новый словарь терминов, включающий такие понятия, как суперпозиция, запутанность и декогеренция. Давайте разберемся в этих принципах ниже.
Суперпозиция
Суперпозиция утверждает, что, подобно волнам в классической физике, вы можете сложить два или более квантовых состояния, и результатом будет другое действительное квантовое состояние. И наоборот, каждое квантовое состояние можно представить как сумму двух или более других отдельных состояний. Эта суперпозиция кубитов придает квантовым компьютерам присущий им параллелизм, позволяя им обрабатывать миллионы операций одновременно.
Запутанность
Квантовая запутанность возникает, когда две системы связаны настолько тесно, что знание об одной из них дает вам немедленное знание о другой, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Квантовые процессоры позволяют делать выводы об одной частице, измеряя другую. Например, с их помощью можно определить, что если один кубит вращается вверх, то другой всегда будет вращаться вниз, и наоборот. Квантовая запутанность позволяет квантовым компьютерам быстрее решать сложные задачи.
Когда квантовое состояние измеряется, волновая функция схлопывается, и вы измеряете состояние как ноль или единицу. В этом известном или детерминированном состоянии кубит действует как классический бит. Запутанность – это способность кубитов соотносить свое состояние с другими кубитами.
Декогеренция
Декогеренция – это потеря квантового состояния в кубите. Факторы окружающей среды, такие как радиация, могут вызвать коллапс квантового состояния кубитов. Большой инженерной задачей при создании квантового компьютера является разработка различных функций, которые пытаются задержать декогеренцию состояния, например, создание специальных структур, экранирующих кубиты от внешних полей.
Каковы компоненты квантового компьютера?
Квантовые компьютеры имеют аппаратное и программное обеспечение, аналогичное классическому компьютеру.
Квантовое оборудование
Квантовое оборудование состоит из трех основных компонентов.
Квантовая плоскость данных
Квантовая плоскость данных является ядром квантового компьютера и включает в себя физические кубиты и структуры, необходимые для их удержания на месте.
Плоскость управления и измерения
Плоскость управления и измерения преобразует цифровые сигналы в аналоговые или волновые сигналы управления. Эти аналоговые сигналы выполняют операции над кубитами в квантовой плоскости данных.
Плоскость процессора управления и процессора хостинга
Плоскость процессора управления реализует квантовый алгоритм или последовательность операций. Процессор хостинга взаимодействует с квантовым программным обеспечением и предоставляет цифровой сигнал или классическую последовательность битов в плоскость управления и измерения.
Квантовое программное обеспечение
Квантовое программное обеспечение реализует уникальные квантовые алгоритмы с помощью квантовых схем. Квантовая схема – это вычислительная процедура, определяющая серию логических квантовых операций над базовыми кубитами. Разработчики могут использовать различные инструменты создания программного обеспечения и библиотеки для кодирования квантовых алгоритмов.
Каковы типы квантовых технологий?
Никто еще не показал лучший способ создания отказоустойчивого квантового компьютера, и множество компаний и исследовательских групп изучают различные типы кубитов. Ниже мы приводим краткий пример этих технологий.
Процессоры ионных ловушек на основе вентилей
Квантовый компьютер на основе вентилей – это устройство, которое принимает входные данные и преобразует их в соответствии с заранее определенной унитарной операцией. Операция обычно представлена квантовой схемой и является аналогом операций с вентилями в традиционной электронике. Однако квантовые вентили полностью отличаются от электронных.
Компьютеры на ионных ловушках реализуют кубиты, используя электронные состояния электрически заряженных атомов (ионов). Эти ионы подвешены в пространстве и удерживаются над микрофабричной ловушкой с помощью электромагнитного поля. В системах на основе захваченных ионов применяются квантовые вентили с использованием лазеров для манипулирования электронным состоянием иона. В кубитах на захваченных ионах используются природные, а не синтетические атомы.
Сверхпроводящие процессоры на основе вентилей
Сверхпроводимость – это набор физических свойств, которые можно наблюдать в некоторых материалах, таких как ртуть и гелий, при очень низких температурах. В этих материалах можно наблюдать характерную критическую температуру, ниже которой электрическое сопротивление равно нулю, а поля магнитного потока исчезают. Электрический ток через петлю из сверхпроводящего провода может сохраняться неограниченно долго без источника энергии.
Сверхпроводящие квантовые вычисления – это реализация квантового компьютера в сверхпроводящих электронных схемах. Сверхпроводящие кубиты создаются из сверхпроводящих электрических контуров, которые работают при сверхнизких температурах.
Фотонные процессоры
Квантовый фотонный процессор – это устройство, которое манипулирует светом для вычислений. Фотонные квантовые компьютеры используют квантовые источники света, которые излучают импульсы сжатого света с кубитовыми эквивалентами, соответствующими режимам непрерывного оператора, таким как позиция или импульс.
Процессоры нейтральных атомов
Технология кубитов на основе нейтральных атомов похожа на технологию ионных ловушек. Однако для захвата кубита и удержания его в нужном положении используется свет, а не электромагнитные силы. Атомы не заряжены, и схемы могут работать при комнатной температуре
Процессоры атомов Ридберга
Атом Ридберга – это возбужденный атом с одним или несколькими электронами, которые в среднем удалены от ядра. Атомы Ридберга обладают рядом особых свойств, включая повышенное реагирование на электрические и магнитные поля и длительный срок службы. При использовании в качестве кубитов они обеспечивают сильные и управляемые атомные взаимодействия, которые можно настраивать, выбирая различные состояния.
Квантовый отжигатель
В процессе квантового отжига используется физический процесс, позволяющий поместить кубиты квантовой системы в абсолютный энергетический минимум. После этого аппаратное обеспечение мягко изменяет конфигурацию системы таким образом, чтобы ее энергетический ландшафт отражал проблему, которую необходимо решить. Преимущество квантовых отжигателей в том, что количество кубитов может быть гораздо больше, чем в системе на основе вентилей. Однако их использование ограничено только конкретными случаями.
Как компании используют квантовые вычисления?
Квантовые вычисления могут произвести революцию в промышленности. Ниже мы приводим несколько примеров использования.
Машинное обучение
Машинное обучение (ML) – это процесс анализа огромных объемов данных, помогающий компьютерам делать более точные прогнозы и принимать решения. Исследования в области квантовых вычислений изучают физические пределы обработки информации и открывают новые горизонты в фундаментальной физике. Эти исследования приводят к достижениям во многих областях науки и промышленности, таких как химия, оптимизация и молекулярное моделирование. Это также растущая область интереса для финансовых услуг, позволяющая прогнозировать движение рынка, и для производства, позволяющая улучшить работу.
Оптимизация
Квантовые вычисления могут улучшить исследования и разработки, оптимизировать цепочки поставок и производство. Например, вы можете применить квантовые вычисления для снижения затрат на производственные процессы и сокращения времени цикла за счет оптимизации таких элементов, как планирование сложных процессов. Еще одно применение – квантовая оптимизация кредитных портфелей, чтобы кредиторы могли высвободить капитал, снизить процентные ставки и улучшить свои предложения.
Имитационное моделирование
Вычислительные усилия, необходимые для точного моделирования систем, экспоненциально увеличиваются с ростом сложности молекул лекарств и материалов. Даже используя методы аппроксимации, современные суперкомпьютеры не могут достичь уровня точности, который требуется для этих симуляций. Квантовые вычисления способны решить некоторые из самых сложных вычислительных проблем в химии, позволяя научному сообществу проводить химические моделирования, которые сегодня являются неразрешимыми. Например, компания Pasqal создала собственное вычислительное программное обеспечение QUBEC для химического имитационного моделирования. QUBEC автоматизирует тяжелую работу, необходимую для выполнения задач квантовых вычислений: от автоматического предоставления вычислительной инфраструктуры до выполнения предварительной и последующей обработки классических вычислений и выполнения задач по устранению ошибок.
Как начать работу с квантовыми вычислениями?
Если вы хотите испытать квантовые вычисления, вы можете начать с эмулятора квантового оборудования на вашей локальной машине. Эмуляторы – это обычное программное обеспечение, которое имитирует квантовое поведение на классическом компьютере. Они предсказуемы и позволяют видеть квантовые состояния. Они полезны, если вы хотите протестировать свои алгоритмы, прежде чем инвестировать во время работы квантового оборудования. Однако они не могут воссоздать реальное квантовое поведение.
Вы также можете использовать облачный сервис квантовых вычислений для кодирования на настоящем квантовом компьютере без инвестиций в дорогостоящее оборудование.
Как AWS может помочь с квантовыми вычислениями?
Amazon Braket – это полностью управляемый сервис квантовых вычислений. Он предназначенный для ускорения научных исследований и разработки программного обеспечения для квантовых вычислений. С помощью Amazon Braket вы сможете выполнять нижеперечисленные задачи.
- Взаимодействуйте с различными типами квантовых компьютеров и симуляторов схем, используя утвержденный набор инструментов разработки.
- Создавайте квантовые проекты в надежном облаке и с простыми принципами ценообразования и управления, которые подходят как для квантовых, так и для классических технологий.
- Оперативно внедряйте инновации с помощью экспертной и технической поддержки или объедините силы с консультантами лаборатории квантовых решений Amazon.
- Расширьте границы исследований квантового оборудования с помощью доступа к захваченным ионам, сверхпроводящим и фотонным устройствам и устройствам для отжига.
Создайте аккаунт AWS и начните работу с квантовыми вычислениями уже сегодня.
Квантовые вычисления AWS: дальнейшие шаги
Получите мгновенный доступ к уровню бесплатного пользования AWS.
