Τι είναι το Quantum Computing;

Σε αυτό το άρθρο

Η κβαντική υπολογιστική χρησιμοποιεί κβαντική μηχανική για την επεξεργασία τεράστιων ποσοτήτων πληροφοριών με απίστευτα υψηλό ρυθμό ταχύτητας. Χρειάζονται λίγα λεπτά έως αρκετές ώρες για να λύσει ένας κβαντικός υπολογιστής ένα πρόβλημα που ένας επιτραπέζιος υπολογιστής θα χρειαζόταν χρόνια ή δεκαετίες για να λύσει. Η κβαντική υπολογιστική θέτει το στάδιο 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.

Επεξήγηση κβαντικής πληροφορικής

Η ιδέα της κβαντικής πληροφορικής φανταζόταν για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 1980 από τους Richard Feynman και Yuri Manin. Οι Feynman και Manin πίστευαν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να προσομοιώσει τα δεδομένα με τρόπους που ένας επιτραπέζιος υπολογιστής δεν μπορούσε. Μόνο στα τέλη της δεκαετίας του 1990 οι ερευνητές δημιούργησαν τους πρώτους κβαντικούς υπολογιστές. Η κβαντική υπολογιστική χρησιμοποιεί 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, απομονωμένα ή κρύα. Η κύρια μονάδα επεξεργασίας του κβαντικού υπολογισμού είναι κβαντικά bit ή qubits. Τα Qubits δημιουργούνται στον κβαντικό υπολογιστή χρησιμοποιώντας τις κβαντικές μηχανικές ιδιότητες μεμονωμένων ατόμων, υποατομικών σωματιδίων ή υπεραγώγιμων ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Τα Qubits είναι παρόμοια με τα bit που χρησιμοποιούνται από επιτραπέζιους υπολογιστές, καθώς τα qubit μπορούν να βρίσκονται σε κβαντική κατάσταση 1 ή 0. Τα Qubits διαφέρουν στο ότι μπορούν επίσης να βρίσκονται σε υπέρθεση των καταστάσεων 1 και 0, πράγμα που σημαίνει ότι τα qubits μπορούν να αντιπροσωπεύουν ταυτόχρονα το 1 και το 0. Όταν τα qubits είναι σε υπέρθεση, δύο κβαντικές καταστάσεις προστίθενται μαζί και οδηγούν σε μια άλλη κβαντική κατάσταση. Η υπέρθεση σημαίνει ότι πολλοί υπολογισμοί υποβάλλονται σε επεξεργασία ταυτόχρονα. Έτσι, δύο qubits μπορούν να αντιπροσωπεύουν τέσσερις αριθμούς ταυτόχρονα. Οι κανονικοί υπολογιστές επεξεργάζονται bit σε μία μόνο από τις δύο πιθανές καταστάσεις, 1 ή 0 και οι υπολογισμοί υποβάλλονται σε επεξεργασία μία κάθε φορά.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν επίσης εμπλοκή για την επεξεργασία qubits. Όταν ένα qubit είναι εμπλεγμένο, η κατάσταση αυτού του qubit εξαρτάται από την κατάσταση ενός άλλου qubit, έτσι ώστε ένα qubit να αποκαλύπτει την κατάσταση του μη παρατηρημένου 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 ψύχονται στο απόλυτο μηδέν (περίπου μείον 272 Κελσίου). Τα qubits πρέπει επίσης να προστατεύονται από το θόρυβο στο παρασκήνιο για τη μείωση των σφαλμάτων στον υπολογισμό. Το εσωτερικό ενός κβαντικού υπολογιστή μοιάζει με έναν 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 δημιουργήσει υπερθέσεις και να εμπλέξει qubits χωρίς να χάσει καμία από τις πληροφορίες.

Ο κβαντικός υπολογιστής δημιουργεί αυτά τα qubits από οποιοδήποτε υλικό που εμφανίζει κβαντικές μηχανικές ιδιότητες που μπορούν να ελεγχθούν. Τα κβαντικά υπολογιστικά έργα δημιουργούν qubits με διαφορετικούς τρόπους, όπως το καλώδιο υπεραγωγών βρόχου, τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια και η παγίδευση ιόντων ή παλμών φωτονίων. Αυτά τα qubits υπάρχουν μόνο στις θερμοκρασίες υποψύξης που δημιουργούνται στο ψυγείο αραίωσης.

Η γλώσσα προγραμματισμού κβαντικών υπολογιστών

Οι κβαντικοί αλγόριθμοι αναλύουν τα δεδομένα και προσφέρουν προσομοιώσεις με βάση τα δεδομένα. Αυτοί οι αλγόριθμοι είναι γραμμένοι σε κβαντική γλώσσα προγραμματισμού. Αρκετές 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.
• Ε #: Η γλώσσα προγραμματισμού που περιλαμβάνεται στο Microsoft Quantum Development Kit. Το κιτ ανάπτυξης περιλαμβάνει κβαντικές προσομοιωτές και βιβλιοθήκες αλγορίθμων.
• Cirq: Μια κβαντική γλώσσα που αναπτύχθηκε από την Google και χρησιμοποιεί βιβλιοθήκη python για να γράφει κυκλώματα και να τρέχει αυτά τα κυκλώματα σε κβαντικούς υπολογιστές και προσομοιωτές.
• Δάσος: Ένα περιβάλλον προγραμματιστή που δημιουργήθηκε από την Rigetti Computing που γράφει και εκτελεί κβαντικά προγράμματα.

Χρήσεις για την Κβαντική Πληροφορική

Οι πραγματικοί κβαντικοί υπολογιστές έχουν γίνει διαθέσιμοι τα τελευταία χρόνια, και μόνο μερικές μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας διαθέτουν έναν κβαντικό υπολογιστή. Ορισμένες από αυτές τις εταιρείες τεχνολογίας περιλαμβάνουν Google, IBM, Intel και Microsoft. Αυτοί οι τεχνολογικοί ηγέτες συνεργάζονται με κατασκευαστές, εταιρείες χρηματοοικονομικών υπηρεσιών και εταιρείες βιοτεχνολογίας για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων.

Η διαθεσιμότητα των κβαντικών υπηρεσιών υπολογιστών και η πρόοδος στην υπολογιστική ισχύ δίνει στους ερευνητές και τους επιστήμονες νέα εργαλεία για να βρουν λύσεις σε προβλήματα που προηγουμένως ήταν αδύνατο να επιλυθούν. Η κβαντική υπολογιστική έχει μειώσει το 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 επιλύουν προβλήματα. Οι επιχειρήσεις και η βιομηχανία χρησιμοποιούν κβαντικούς υπολογιστές για να εξερευνήσουν νέους τρόπους επιχειρηματικής δραστηριότητας. Εδώ είναι μερικά από τα έργα κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να ωφελήσουν τις επιχειρήσεις και την κοινωνία:

• Η αεροδιαστημική βιομηχανία χρησιμοποιεί κβαντικούς υπολογιστές για να διερευνήσει καλύτερους τρόπους διαχείρισης της εναέριας κυκλοφορίας.
• Οι εταιρείες χρηματοοικονομικών και επενδύσεων 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 τις οικονομικές μεταβάσεις.
• Οι κατασκευαστές υιοθετούν τον κβαντικό υπολογισμό για να βελτιώσουν τις αλυσίδες εφοδιασμού τους, να δημιουργήσουν αποτελεσματικότητα 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 υπολογισμό

Ορισμένοι επιστήμονες υπολογιστών αναπτύσσουν μεθόδους για την προσομοίωση της κβαντικής πληροφορικής σε έναν 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 στο περιβάλλον IBM Q 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 κωδικούς.
• Η Microsoft προσφέρει ένα κιτ κβαντικής ανάπτυξης που περιλαμβάνει τη γλώσσα προγραμματισμού Q #, τους κβαντικούς προσομοιωτές και τις βιβλιοθήκες ανάπτυξης έτοιμου προς χρήση κώδικα.
• Η Rigetti διαθέτει μια κβαντική πρώτη πλατφόρμα cloud που βρίσκεται επί του παρόντος σε beta. Η πλατφόρμα τους είναι προ-διαμορφωμένη με το Forest SDK.

Quantum Computing News στο Μέλλον

Το όνειρο είναι ότι οι κβαντικοί υπολογιστές θα λύσουν προβλήματα που είναι επί του παρόντος πολύ μεγάλα και πολύ περίπλοκα για να επιλυθούν με τυποποιημένο υλικό – ειδικά για περιβαλλοντική μοντελοποίηση και περιορισμό ασθενειών. Οι επιτραπέζιοι υπολογιστές δεν έχουν χώρο για να εκτελέσουν αυτούς τους πολύπλοκους υπολογισμούς και να πραγματοποιήσουν αυτήν την απίστευτη ανάλυση δεδομένων. Η κβαντική υπολογιστική λαμβάνει τις μεγαλύτερες συλλογές δεδομένων και επεξεργάζεται αυτές τις πληροφορίες σε ένα μικρό μέρος του χρόνου που θα χρειαζόταν σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή. Τα δεδομένα που χρειάζονται έναν επιτραπέζιο υπολογιστή για επεξεργασία και ανάλυση χρειάζονται μόνο λίγες μέρες για έναν κβαντικό υπολογιστή. Η κβαντική υπολογιστική βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα, αλλά έχει τη δυνατότητα να λύσει τα πιο περίπλοκα παγκόσμια προβλήματα με την ταχύτητα του φωτός. Είναι εικασία όλων για το πόσο θα αναπτυχθεί η κβαντική πληροφορική και για τη διαθεσιμότητα των κβαντικών υπολογιστών.