Există o mulțime de hype despre calculul cuantic – despre modul în care este un domeniu interesant și revoluționează modul în care rezolvăm probleme complexe în diverse industrii. Ambele afirmații sunt adevărate, deoarece calculul cuantic reprezintă o nouă modalitate de procesare a informațiilor.
Organizațiile din întreaga lume dedică resurse semnificative dezvoltării tehnologiilor de calcul cuantic datorită capacității lor de a lua în considerare multe posibilități și de a oferi soluții potențiale la probleme complexe.
Cuprins
Ce este calculul cuantic?
Calculul cuantic este un domeniu al informaticii bazat pe principiul fizicii cuantice (studiul modului în care particulele atomice există și interacționează între ele). El explică comportamentul materiei și energiei la nivel atomic și subatomic.
Calculatoarele cuantice folosesc biți cuantici sau qubiți (cue-biți pronunțați), care pot exista simultan în mai multe stări. Această proprietate permite calculatoarelor cuantice să rezolve probleme care le-ar lua computerelor convenționale o cantitate nepractică de timp sau resurse de calcul.
Cum funcționează calculul cuantic?
Calculul cuantic folosește qubiții pentru a dezvolta computere cuantice care cuprind sisteme cuantice precum fotoni și electroni. Ele sunt adesea folosite pentru a efectua calcule care ar fi de obicei impracticabile pentru calculatoarele clasice. În plus, calculul cuantic utilizează porți logice cuantice pentru a manipula qubiții și pentru a efectua calcule.
Porțile cuantice sunt analoge cu porțile logice utilizate în computerele clasice, dar funcționează pe biți cuantici – cercetătorii le folosesc pentru a crea și manipula suprapoziții și încurcă qubiții.
Se străduiește să îmbunătățească capacitățile de calcul și să rezolve problemele complexe pe care computerele clasice de astăzi nu le pot rezolva datorită abordării lor binare și existenței limitate în două stări – 0 și 1, în timp ce calculul cuantic poate asuma ambele stări simultan.
Diferența dintre calculul cuantic și calculul clasic
Calculul cuantic și diferențele de calcul clasice rezidă în capacitățile lor de calcul și în modul în care funcționează. În timp ce calculul cuantic se bazează pe teoria cuantică.
Calculul clasic se bazează pe cifre sau biți binari, care pot lua valoarea fie 0, fie 1. Calculatoarele cuantice folosesc qubiții ca unitate de date. Calculul cuantic ar putea prelua ambele valori (0 și 1) simultan – acest act este cunoscut sub numele de suprapunere. O proprietate care permite calculatoarelor cuantice să asume două stări simultan.
Când vine vorba de putere, calculul clasic are o putere de calcul mai mică decât calculul cuantic, deoarece puterea sa crește pe baza relației 1:1 cu tranzistorii disponibili. Pentru calculul cuantic, puterea crește semnificativ în funcție de numărul de qubiți.
Spre deosebire de calculul clasic, care poate fi implementat cu coduri scrise în limbaje de programare precum Java, SQL, PHP, C#, C++ și Python, printre altele, calculul cuantic combină codul, matematica, fizica și algoritmii pentru a-și îndeplini scopul specific.
Datorită arhitecturii sale complexe, fragilității și costurilor ridicate de dezvoltare și implementare, calculul cuantic nu este creat ca o mașină de uz general pentru uz public, ele sunt proiectate pentru un anumit scop și caz de utilizare. Pe de altă parte, computerele clasice sunt răspândite și ușor accesibile.
Calculatoarele cuantice au rate de eroare mai mari decât calculatoarele clasice și necesită îngrijire suplimentară, cum ar fi păstrarea într-o cameră ultra-rece pentru a regla căldura. În schimb, computerele clasice pot funcționa la temperatura camerei.
În ceea ce privește utilizarea, calculul cuantic este potrivit pentru sarcini complexe, cum ar fi simularea, optimizarea, învățarea automată și alte operațiuni care necesită mult resurse. Calculul clasic este potrivit pentru sarcini precum procesarea de text, calculele din foi de calcul și alte sarcini care nu necesită mult resurse.
Beneficiile calculului cuantic
Beneficiile calculului cuantic sunt enorme atunci când sunt utilizate corect. Am analizat mai jos meritele de top.
- Viteză: pot procesa date de o mie de ori mai rapid decât computerele convenționale.
- Securitate: algoritmul său poate fi utilizat pentru a îmbunătăți criptarea digitală și pentru a proteja infrastructura IT a unei organizații.
- Capacitatea de a rezolva probleme complexe: în 2019, Google a susținut că Sycamore – un procesor de 54 de qubiți – a efectuat un calcul care i-ar lua cel mai rapid supercomputer din lume 10.000 de ani pentru a fi finalizat în 200 de secunde.
- Îmbunătățiți detectarea fraudelor: instituțiile financiare pot utiliza calculul cuantic pentru a crea simulatoare de tranzacționare mai bune, pentru a proiecta portofolii eficiente de investiții și pentru a îmbunătăți detectarea fraudei.
- Cercetare: ajută oamenii de știință să dezvolte modele și abordări mai bune pentru rezolvarea problemelor din diverse industrii, cum ar fi cercetarea medicamentelor în domeniul sănătății și descoperirea chimică în producție.
Caracteristici ale calculului cuantic
Următoarele sunt caracteristicile cheie ale calculului cuantic.
Suprapunere
Capacitatea sistemelor cuantice de a exista simultan în numeroase stări este cunoscută sub numele de suprapunere. Calculatoarele clasice pot exista doar într-o singură stare la un moment dat (0 sau 1), ceea ce înseamnă că le lipsește capacitatea de suprapunere.
Încurcarea
Încurcarea apare atunci când doi qubiți sunt legați împreună, iar starea unei particule o afectează pe cealaltă, chiar dacă se află la kilometri distanță. Este adesea folosit pentru a crea o rețea cuantică, permițând computerelor cuantice să partajeze informații.
Interferența În sistemele cuantice, interferența este un produs secundar al suprapunerii. Este un fenomen ondulatoriu care apare atunci când particulele subatomice interacționează și influențează.
Poate fi fie constructiv (când undele se întăresc reciproc sau amplifică răspunsul corect), fie distructiv (când se anulează reciproc).
Decoerența
Sistemele cuantice sunt fragile și sensibile la mediul înconjurător; interferențele din mediul lor pot determina descompunerea comportamentului cuantic al qubitilor, făcându-i să-și piardă capacitățile cuantice.
De exemplu, zgomotul poate face ca qubiții să iasă din suprapunere. Nu numai că, chiar și schimbările de temperatură îi pot afecta performanța. De aici și nevoia de a-l păstra într-un mediu foarte reglementat și controlat.
Limitările și provocările calculului cuantic
Deși calculul cuantic oferă multe avantaje, are și unele dezavantaje care merită menționate.
- Decoerență: Spre deosebire de computerele clasice, calculatoarele cuantice sunt sensibile la zgomot. Perturbarea îl poate face să cadă din suprapunere înainte de a-și îndeplini sarcinile.
- Necesită un specialist: datorită complexității sale, necesită un grup divers de specialiști cuantici.
- Corectarea erorilor cuantice: este posibil să apară erori în timpul operațiunilor de calcul, ceea ce duce la rezultate discutabile. Este necesar un sistem cuantic tolerant la erori pentru a rezista interferențelor din jur.
Aplicații din viața reală și utilizări ale calculului cuantic
#1. Modelare financiară
Piața financiară este volatilă și foarte imprevizibilă. Cu calculul cuantic, organizațiile financiare pot simula sistemele financiare și pot folosi tehnologia pentru a modela investițiile pe baza rentabilității așteptate.
Poate fi folosit și în aspectele de optimizare a portofoliului, reducerea riscului și management, plus prețul opțiunilor. Cei care efectuează tranzacții de mare volum pot folosi calculul cuantic pentru a prezice piețele și a analiza economia financiară globală.
#2. Optimizarea logisticii
Calculatoarele cuantice excelează când vine vorba de colectarea de date în timp real pentru a optimiza logistica lanțului de aprovizionare, inventarul și transportul. Organizațiile trebuie să calculeze și să recalculeze continuu rutele optime de gestionare a traficului, operațiunile flotei, controlul traficului aerian, transportul de mărfuri și distribuția – acest lucru este realizabil cu calculul clasic.
Dar pentru organizațiile mari cu nevoi complexe de lanț de aprovizionare, acest proces poate deveni intensiv în resurse, iar calculul cuantic poate fi capabil să salveze situația.
#3. Baterii mai bune
Pe măsură ce vehiculele electrice (EV) devin obișnuite în societatea noastră, producătorii folosesc capacitatea de calcul cuantic pentru a simula comportamentul moleculelor și materialelor și pentru a înțelege compușii de litiu și chimia bateriilor pentru a optimiza durata de viață a bateriilor.
Pe lângă vehiculele electrice, calculul cuantic are și aplicații în stocarea de energie regenerabilă și dispozitive mobile.
#4. de fabricație
Calculul cuantic este folosit pentru a îmbunătăți multe aspecte ale producției. O perspectivă de specialitate publicată de IBM Institute for Business Value a împărțit cazurile de utilizare a calculului cuantic în producție în patru categorii.
Descoperi
- Chimie
- Stiinta Materialelor
- Fizica materiei condensate
Proiecta
- Analiza diferențelor finite
- Analiză structurală Hidro/aerodinamică
Control
- Optimizare
- Învățare automată
- Clasificare
Livra
- Lanț de aprovizionare
- optimizare
- Modelarea riscului
Cei care adoptă calculul cuantic în aceste domenii cheie vor câștiga un avantaj decisiv, deoarece va contribui la reducerea costurilor de producție și la creșterea vitezei de producție.
#5. Dezvoltarea modelelor climatice
Calculul cuantic ar putea ajuta la rezolvarea problemelor persistente de durabilitate, cum ar fi schimbările climatice. Potrivit raportului Grupului Interguvernamental pentru Schimbări Climatice (IPCC), emisiile de gaze cu efect de seră trebuie reduse semnificativ înainte de 2025 pentru a evita catastrofele climatice majore. Calculul cuantic poate fi folosit pentru a reduce impactul asupra climei.
Producția de amoniac contribuie cu între 1 și 2% din emisiile globale de dioxid de carbon – calculul cuantic poate fi folosit pentru a dezvolta energie curată alternativă, cum ar fi baterii mai bune pentru vehicule electrice, energia solară și multe altele, pentru a facilita procesul de decarbonizare a pământului. De asemenea, poate facilita îmbunătățirea modelului în prognoza climei și a vremii, precum și gestionarea rețelei.
#6. Industria auto
Industria auto adoptă rapid tehnologia de calcul cuantic, acest lucru este evident în parteneriatele dintre companiile de calcul cuantic și producătorii de mașini, inclusiv D-Wave Systems și Volkswagen; Zapata Computing și Bosch; și chiar IBM Quantum și Mercedes-Benz.
Producătorii de echipamente originale (OEM) caută să folosească calculul cuantic pentru optimizarea rutei și să sporească durabilitatea materialului.
#7. Dezvoltarea aeronavei
Companiile aerospațiale pot folosi calculul cuantic pentru multe procese, de la optimizarea planului de zbor până la modelarea și digitizarea aeronavelor. Airbus, o corporație aerospațială care proiectează, produce și vinde avioane comerciale, 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 în prezent pentru a rula sute de milioane de simulări moleculare, dar există o limită a dimensiunii moleculei pe care o pot calcula. Calculul cuantic permite cercetării și dezvoltării să simuleze molecule mari și complexe pentru a îmbunătăți descoperirea de medicamente asistată de computer (CADD).
McKinsey & Company a raportat în 2021 că industria farmaceutică cheltuiește aproximativ 15% din vânzări pe cercetare și dezvoltare, ceea ce reprezintă peste 20% din cheltuielile totale pentru cercetare și dezvoltare în toate industriile din întreaga lume.
Această investiție, parțial, ajută industria farmaceutică să găsească modalități eficiente de a dezvolta micromolecule și macromolecule pentru a ajuta la vindecarea bolilor și a bolilor. Cu calculul cuantic, cercetătorii pot eșua rapid și pot accelera dezvoltarea medicamentelor cu șanse mai mari de succes.
#9. Învățare automată
Capacitatea computerelor cuantice de a procesa date mari și complexe le face un bun candidat pentru învățarea automată. Învățarea mașină cuantică este un domeniu de studiu care integrează algoritmii cuantici cu programele de învățare automată.
Algoritmii cuantici pot avea o accelerare polinomială sau super-polinomială (exponențială), ceea ce îmbunătățește viteza de calcul. Cu ajutorul învățării automate cuantice, practicienii de date pot dezvolta algoritmi mai rapidi și mai avansați, pot rezolva modele complexe de date și pot avansa în dezvoltarea aplicațiilor de viziune computerizată și a învățării prin consolidare.
Resurse de învățare: calculul cuantic
Pentru învățare ulterioară, vă recomandăm următoarele resurse.
#1. Dans cu Qubits
Autorul lui Robert S. Sutor, această carte explică modul în care funcționează calculul cuantic și se aplică calculului științific și AI. Dancing with Qubits acoperă diferențele dintre calculul clasic și cel cuantic și descrie cazurile de utilizare ale acestuia în diverse industrii.
Cititorii vor învăța, de asemenea, concepte precum suprapunerea, încurcarea și interferența, precum și circuite și algoritmi. Această resursă vă va învăța despre elementele de bază și esențiale ale calculului cuantic.
#2. Calcularea cuantică: o abordare aplicată
Scris de CEO-ul SandboxAQ (Jack D. Hidary), o companie de tehnologie cuantică – acest material combină teoria și caracterul practic al calculului cuantic, inclusiv codul hands-on.
Cartea are trei părți: partea întâi acoperă elementele de bază ale calculului cuantic și ale circuitelor cuantice, a doua parte explică algoritmii de calcul cuantic și oferă cod despre metodele actuale de calcul cuantic, iar partea a treia acoperă aspectele matematice ale calculului cuantic.
#3. Calculatoare cuantică pentru toată lumea
Începătorii care caută materiale all-inclusive vor găsi această resursă benefică. Acesta acoperă elementele de bază ale calculului cuantic și explică componentele sale cheie, cum ar fi qubiții, întricarea și teleportarea cuantică.
Autorul acestei cărți, Chris Bernhardt, simplifică matematica din spatele calculului cuantic și explică, de asemenea, modul în care sunt construite calculatoarele cuantice, făcându-le mai ușor pentru cei care sunt începători cu computerele cuantice să înțeleagă procesul de dezvoltare a sistemelor.
Concluzie
Companii precum Google, IBM și Microsoft conduc inovarea soluțiilor de calcul cuantic – nici universitățile nu sunt lăsate în urmă. Lipsa de specialiști în calculul cuantic contribuie la progresul său lent, plus costul construirii unui computer cuantic este mare și nu multe organizații au resursele necesare pentru a crea unul.
În timp ce calculul cuantic deține multe promisiuni, nu este încă acolo. Va dura câțiva ani pentru a-și realiza întregul potențial și a deveni un loc obișnuit ca computerele clasice.
Puteți citi și despre Fog Computing.