Se vorbește mult despre calculul cuantic, un domeniu incitant ce transformă abordarea problemelor complexe în diverse sectoare. Ambele afirmații sunt justificate, deoarece calculul cuantic reprezintă o nouă paradigmă în procesarea informației.
Organizații din întreaga lume investesc sume considerabile în dezvoltarea tehnologiilor de calcul cuantic, datorită abilității acestora de a evalua multiple scenarii și de a propune soluții pentru probleme dificile.
Ce reprezintă calculul cuantic?
Calculul cuantic este un domeniu al informaticii ce are la bază principiile fizicii cuantice, care studiază modul în care particulele atomice există și interacționează. Această ramură explică comportamentul materiei și energiei la nivel atomic și subatomic.
Calculatoarele cuantice utilizează biți cuantici, numiți qubiți, care pot exista în mai multe stări simultan. Această particularitate le permite să rezolve probleme care ar necesita un timp sau resurse de calcul impracticabile pentru computerele tradiționale.
Cum funcționează calculul cuantic?
Calculul cuantic se bazează pe qubiți pentru a construi calculatoare cuantice ce cuprind sisteme cuantice, precum fotonii și electronii. Acestea sunt folosite adesea pentru calcule dificile pentru computerele clasice. Mai mult, calculul cuantic folosește porți logice cuantice pentru a manipula qubiții și a realiza calcule.
Porțile cuantice sunt analoage porților logice din computerele clasice, dar operează pe biți cuantici. Cercetătorii le utilizează pentru a crea și manipula superpoziții și pentru a încurca qubiții.
Scopul este de a extinde capacitățile de calcul și de a rezolva probleme complexe, inaccesibile computerele actuale, datorită abordării lor binare limitate la stările 0 și 1, în timp ce calculul cuantic poate susține ambele stări simultan.
Diferența dintre calculul cuantic și cel clasic
Diferențele fundamentale dintre calculul cuantic și cel clasic constau în capacitățile lor de procesare și în modul de funcționare. Calculul cuantic este ancorat în teoria cuantică.
Calculul clasic folosește biți binari, care pot fi fie 0, fie 1. Calculatoarele cuantice utilizează qubiții ca unități de date. Un qubit poate avea ambele valori (0 și 1) simultan, fenomen cunoscut ca superpoziție. Această proprietate permite calculatoarelor cuantice să se afle în două stări simultan.
Din punct de vedere al puterii, calculul clasic are o capacitate de calcul inferioară calculului cuantic, deoarece puterea sa crește liniar cu numărul de tranzistori disponibili. În cazul calculului cuantic, puterea se extinde exponențial cu numărul de qubiți.
Spre deosebire de calculul clasic, care se bazează pe limbaje de programare precum Java, SQL, PHP, C#, C++ și Python, calculul cuantic combină codul, matematica, fizica și algoritmii pentru a-și atinge obiectivele specifice.
Datorită complexității, fragilității și costurilor ridicate de dezvoltare și implementare, calculul cuantic nu este destinat utilizării generale, ci unor scopuri și cazuri particulare. În contrast, computerele clasice sunt accesibile și răspândite.
Calculatoarele cuantice au o rată de eroare mai mare decât computerele clasice și necesită condiții speciale de funcționare, precum temperaturi scăzute. Computerele clasice pot funcționa la temperatura camerei.
În ceea ce privește utilizarea, calculul cuantic este potrivit pentru sarcini complexe precum simularea, optimizarea, învățarea automată și alte operațiuni care necesită multe resurse. Calculul clasic este adecvat pentru sarcini precum procesarea textelor, calculul în foi de lucru și alte sarcini mai puțin solicitante.
Beneficiile calculului cuantic
Beneficiile calculului cuantic sunt remarcabile atunci când este folosit adecvat. Mai jos sunt prezentate principalele avantaje:
- Viteză: Pot procesa date cu o viteză de mii de ori mai mare decât computerele convenționale.
- Securitate: Algoritmii săi pot îmbunătăți criptarea digitală și pot proteja infrastructura IT a unei organizații.
- Rezolvarea problemelor complexe: În 2019, Google a afirmat că procesorul Sycamore de 54 de qubiți a efectuat un calcul pe care cel mai rapid supercomputer l-ar fi finalizat în 10.000 de ani, în doar 200 de secunde.
- Îmbunătățirea detectării fraudelor: Instituțiile financiare pot utiliza calculul cuantic pentru a crea simulatoare de tranzacționare, pentru a elabora portofolii de investiții eficiente și pentru a spori detectarea fraudei.
- Cercetare: Ajută oamenii de știință să dezvolte modele și abordări superioare pentru probleme din diverse domenii, precum cercetarea medicamentelor și descoperirea chimică.
Caracteristici ale calculului cuantic
Următoarele sunt caracteristicile cheie ale calculului cuantic:
Superpoziția
Capacitatea sistemelor cuantice de a exista simultan în multiple stări este numită superpoziție. Calculatoarele clasice pot exista doar într-o singură stare (0 sau 1) la un moment dat, neavând capacitatea de a fi în superpoziție.
Încurcarea
Încurcarea se manifestă atunci când doi qubiți sunt legați, iar starea unei particule o influențează pe cealaltă, chiar și la distanțe mari. Aceasta este adesea folosită pentru a crea o rețea cuantică, permițând computerelor cuantice să facă schimb de informații.
În sistemele cuantice, interferența este un rezultat al superpoziției, un fenomen ondulatoriu ce are loc când particulele subatomice interacționează și se influențează.
Interferența poate fi constructivă (când undele se întăresc reciproc), sau destructivă (când se anulează reciproc).
Decoerența
Sistemele cuantice sunt fragile și sensibile la mediu; interferențele din jur pot afecta comportamentul cuantic al qubiților, făcându-i să își piardă proprietățile cuantice.
De exemplu, zgomotul poate scoate qubiții din starea de superpoziție. Schimbările de temperatură pot, de asemenea, să le afecteze performanța. De aici și necesitatea de a-i păstra într-un mediu controlat.
Limitările și provocările calculului cuantic
Deși calculul cuantic oferă multe avantaje, are și unele dezavantaje importante:
- Decoerența: Calculatoarele cuantice sunt sensibile la zgomot, care le poate perturba starea de superpoziție înainte de finalizarea sarcinilor.
- Necesită specialiști: Complexitatea sa cere o echipă de specialiști în domeniul cuantic.
- Corectarea erorilor cuantice: În timpul operațiilor pot apărea erori, conducând la rezultate discutabile. Este necesar un sistem tolerant la erori pentru a rezista interferențelor.
Aplicații practice și utilizări ale calculului cuantic
#1. Modelare financiară
Piața financiară este volatilă și greu de prevăzut. Cu ajutorul calculului cuantic, organizațiile financiare pot simula sisteme financiare și pot modela investițiile pe baza rentabilității așteptate.
Calculul cuantic poate fi utilizat și în optimizarea portofoliului, reducerea riscului, managementul și evaluarea opțiunilor. Cei ce efectuează tranzacții de mare volum pot folosi calculul cuantic pentru a prezice piețele și a analiza economia financiară globală.
#2. Optimizarea logisticii
Calculatoarele cuantice sunt excelente în colectarea datelor în timp real pentru a optimiza logistica lanțului de aprovizionare, stocul și transportul. Organizațiile trebuie să calculeze și să recalculeze continuu rute optime pentru gestionarea traficului, a flotelor, controlul traficului aerian, transportul mărfurilor și distribuția – ceea ce este posibil cu calculul clasic.
Dar pentru organizațiile mari, cu necesități complexe, acest proces poate deveni intensiv în resurse, iar calculul cuantic poate reprezenta o soluție.
#3. Baterii superioare
Odată cu creșterea popularității vehiculelor electrice, producătorii utilizează capacitatea calculului cuantic pentru a simula comportamentul moleculelor și materialelor și pentru a înțelege compușii de litiu și chimia bateriilor, cu scopul de a optimiza durata de viață a acestora.
Pe lângă vehiculele electrice, calculul cuantic are aplicații în stocarea energiei regenerabile și în dispozitivele mobile.
#4. Producție
Calculul cuantic contribuie la îmbunătățirea multor aspecte ale producției. Un studiu publicat de IBM Institute for Business Value a împărțit aplicațiile calculului cuantic în producție în patru categorii:
Descoperire:
| Chimia |
| Știința Materialelor |
| Fizica materiei condensate |
Proiectare:
| Analiza diferențelor finite |
| Analiza structurală Hidro/aerodinamică |
Control:
| Optimizare |
| Învățare automată |
| Clasificare |
Livrare:
| Lanțul de aprovizionare |
| Optimizare |
| Modelarea riscului |
Companiile care adoptă calculul cuantic în aceste domenii vor obține un avantaj competitiv, reducând costurile și crescând viteza de producție.
#5. Dezvoltarea modelelor climatice
Calculul cuantic poate ajuta la rezolvarea problemelor legate de durabilitate, precum schimbările climatice. Potrivit raportului Grupului Interguvernamental pentru Schimbări Climatice (IPCC), emisiile de gaze cu efect de seră trebuie reduse substanțial până în 2025 pentru a evita dezastre climatice majore. Calculul cuantic poate contribui la reducerea impactului asupra climei.
Producția de amoniac contribuie cu 1-2% din emisiile globale de dioxid de carbon. Calculul cuantic poate fi utilizat pentru a dezvolta surse alternative de energie curată, precum baterii superioare pentru vehicule electrice, energie solară, facilitând decarbonizarea planetei. De asemenea, poate îmbunătăți modelele de prognoză meteo și gestionarea rețelei energetice.
#6. Industria auto
Industria auto adoptă rapid tehnologia calculului cuantic, fapt demonstrat de parteneriatele dintre companiile de calcul cuantic și producătorii auto, precum D-Wave Systems și Volkswagen; Zapata Computing și Bosch; și IBM Quantum și Mercedes-Benz.
Producătorii auto (OEM) caută să folosească calculul cuantic pentru optimizarea rutelor și pentru a îmbunătăți durabilitatea materialelor.
#7. Dezvoltarea aeronavelor
Companiile aerospațiale pot utiliza calculul cuantic pentru multe procese, de la optimizarea planului de zbor până la modelarea și digitizarea aeronavelor. Airbus a investit în IonQ, Q-CTRL și QC Ware pentru a valorifica tehnologiile cuantice în dezvoltarea modelelor complexe de aeronave.
#8. Dezvoltarea medicamentelor
Calculatoarele clasice sunt folosite pentru a rula simulări moleculare, dar există o limită a dimensiunii moleculei pe care o pot calcula. Calculul cuantic permite cercetării să simuleze molecule mari și complexe pentru a îmbunătăți descoperirea medicamentelor asistată de computer (CADD).
McKinsey & Company a raportat în 2021 că industria farmaceutică alocă aproximativ 15% din vânzări cercetării și dezvoltării, ceea ce reprezintă peste 20% din cheltuielile totale pentru cercetare la nivel mondial.
Această investiție ajută industria farmaceutică să găsească modalități eficiente de a dezvolta micromolecule și macromolecule pentru a trata boli. Cu ajutorul calculului cuantic, cercetătorii pot elimina rapid abordările ineficiente și pot accelera dezvoltarea medicamentelor cu șanse mai mari de succes.
#9. Învățare automată
Capacitatea calculatoarelor cuantice de a procesa volume mari de date complexe le face potrivite pentru învățarea automată. Învățarea automată cuantică integrează algoritmii cuantici cu programele de învățare automată.
Algoritmii cuantici pot avea o accelerare polinomială sau super-polinomială (exponențială), îmbunătățind viteza de calcul. Prin învățare automată cuantică, specialiștii pot dezvolta algoritmi avansați, pot analiza modele complexe de date și pot avansa dezvoltarea aplicațiilor de viziune computerizată și a învățării prin consolidare.
Resurse de învățare: calculul cuantic
Pentru o învățare aprofundată, vă recomandăm următoarele resurse:
#1. Dans cu Qubits
Autorul Robert S. Sutor explică modul de funcționare a calculului cuantic și aplicațiile sale în calculul științific și inteligența artificială. Această carte acoperă diferențele dintre calculul clasic și cel cuantic, precum și cazurile sale de utilizare în diverse sectoare.
Cititorii vor învăța concepte precum superpoziția, încurcarea și interferența, precum și circuite și algoritmi. Această resursă este excelentă pentru înțelegerea elementelor de bază ale calculului cuantic.
#2. Calculul cuantic: o abordare aplicată
Această lucrare, scrisă de CEO-ul SandboxAQ (Jack D. Hidary), îmbină teoria cu practica calculului cuantic, incluzând coduri practice.
Cartea este structurată în trei părți: prima parte acoperă elementele fundamentale ale calculului cuantic și circuitele cuantice; a doua parte explică algoritmii de calcul cuantic și oferă exemple de cod; iar a treia parte acoperă aspectele matematice ale calculului cuantic.
#3. Calculatoare cuantice pentru toată lumea
Începătorii vor găsi această resursă foarte utilă. Acesta acoperă elementele fundamentale ale calculului cuantic și explică componentele cheie, precum qubiții, încurcarea și teleportarea cuantică.
Autorul, Chris Bernhardt, simplifică matematica din spatele calculului cuantic și explică modul în care sunt construite calculatoarele cuantice, oferind o înțelegere clară a procesului de dezvoltare a sistemelor.
Concluzie
Companii precum Google, IBM și Microsoft sunt lideri în inovarea soluțiilor de calcul cuantic, iar universitățile se implică activ. Lipsa de specialiști în calculul cuantic încetinește progresul, iar costurile ridicate de construire a unui calculator cuantic fac ca puține organizații să își poată permite acest lucru.
Deși calculul cuantic promite multe, este încă un domeniu în dezvoltare. Va dura câțiva ani pentru a-și realiza potențialul complet și a deveni la fel de omniprezent ca calculatoarele clasice.
Puteți citi și despre Fog Computing.