Компютърните изчисления ни помагат да направим това, което не искаме или не можем да направим главно поради сложността, поради вероятността от неволни грешки и поради време. Например, повишаване на броя на 128-та степен в ума.

Целта и използването на квантов компютър.

Какво е квантов компютър?

Най-мощният квантов компютър (QC) е - или, по-скоро, ще бъде - съвсем различен механизъм, различен от всичко, създадено от човека. Най-мощните сървъри днес изглеждат като малка част от това, което в крайна сметка може да направи пълноправен квантов компютър.

Казано с прости думи, целта на изследванията в областта на квантовите изчисления е да се открият средствата за ускоряване на изпълнението на дългите вълни. Би било погрешно да се каже, че CC изпълнява програми по-бързо от PC или x86 сървър. "Програмата" за QC е напълно различен кодиращ ред, отколкото някога съществува за двоичен процесор. След раждането на компютрите бяха извършени сложни физически изчисления, които през 40-те години помогнаха на САЩ да създадат атомна бомба. След изобретението на транзистора размерите на тези системи бяха значително намалени. Тогава дойде идеята паралелните процесори да работят върху задачите едновременно.

Квантовите изчисления са само следващата стъпка. Има много проблеми, които съвременните компютри изискват значително време, за да решат, например, решаването на линейна система от уравнения, оптимизиране на параметрите за поддържащи вектори, намиране на най-късия път през произволна секция или търсене на неструктуриран списък. Това са доста абстрактни проблеми сега, но ако знаете малко за алгоритмите или програмирането, можете да видите колко полезно може да бъде това. Като пример, графичните процесори (GPU) са измислени единствено с цел да визуализират триъгълници и след това да ги обединят в двуизмерен или триизмерен свят. Сега Nvidia е компания с милиарди долари. Има ли някакви технологии за квантово изчисление или някои от неговите исторически деривати, които хората сега намират за добра употреба? С други думи, какво всъщност прави един квант и на кого служи директно?

За какво е квантовия компютър?

Навигация. Това е едно от основните приложения на квантовите компютри. GPS системата не може да работи навсякъде на планетата, особено под вода. QC изисква атомите да се охлаждат и суспендират в състояние, което ги прави особено чувствителни. В опит да се възползва от това, конкурентните екипи от учени се стремят да разработят един вид квантов акселерометър, който може да осигури много точни данни за движението. Най-значимият принос за развитието на индустрията прави Френската лаборатория по фотоника и нанонаука. Ярък пример за това е опитът да се създаде хибриден компонент, който комбинира акселерометър с класически и след това използва високочестотен филтър за изваждане на класическите данни от квантовите данни. Резултатът, ако се приложи, ще бъде изключително точен компас, който ще елиминира изместването и отклонението на мащабния фактор, обикновено свързан с жироскопични компоненти.

Сеизмология. Същата изключителна чувствителност може да се използва за откриване на наличието на нефтени и газови находища, както и потенциална сеизмична активност на места, където все още не са използвани конвенционални сензори. През юли 2017 г. QuantIC показа как квантовият гравиметър открива наличието на дълбоко скрити обекти чрез измерване на трептенията в гравитационното поле. Ако такова устройство е направено не само практично, но и преносимо, екипът вярва, че той може да стане безценен в система за ранно предупреждение за прогнозиране на сеизмични събития и цунами. Фармацевтични продукти. На преден план са изследванията в борбата срещу болести като болестта на Алцхаймер и множествена склероза; учените използват софтуер, който симулира поведението на изкуствени антитела на молекулярно ниво.

Физика. Това всъщност е причината за самото съществуване на концепцията. По време на речта си през 1981 г. в Калифорнийския технологичен институт професор Ричард Фейнман, баща на квантовата електродинамика (QED), предполага, че единственият начин да се изгради успешна симулация на физическия свят на квантово ниво е машината, която се подчинява на законите на квантовата физика и механика. Именно по време на тази реч, която професор Фейнман обясни, и останалата част от света разбра, че няма да е достатъчно компютърът да генерира таблица на вероятностите и как да хвърли заровете. Освен това, за да се получат резултати, които физиците сами не биха нарекли апокрифни, ще е необходим механизъм, който да се държи в същия дух като поведението, което той възнамерява да имитира.

Машинно обучение. Основната теория на поддръжниците е, че такива системи могат да бъдат приспособени да “изучават” държавни модели в огромни паралелни вълни, а не в последователни сканирания. Обикновената математика може да опише набор от вероятни резултати под формата на вектори в пространството с диви конфигурации. Декодиране. Тук, накрая, е пробивът, който хвърли първата ярка светлина върху такива изчисления. Това, което прави кодовете за шифроване толкова сложни, дори и за съвременните класически компютри, е, че те се основават на изключително голям брой фактори, които изискват прекалено много време, за да се отгатне от съответния метод. Работната КК трябва да изолира и идентифицира такива фактори в рамките на няколко минути, което прави системата за кодиране RSA ефективно остаряла.

Encryption. Концепцията, наречена квантово разпределение на ключове (QKD), дава теоретична надежда, че видовете публични и частни ключове, които днес използваме за шифроване на съобщения, могат да бъдат заменени с ключове, които са обект на ефекти на заплитане. На теория всяка трета страна, която е разбила ключа и се е опитала да прочете съобщението, веднага ще унищожи посланието за всички. Разбира се, това може да е достатъчно. Но теорията на QKD се основава на огромно предположение, което все още предстои да бъде тествано в реалния свят: че стойностите, получени с помощта на заплетени кубити, са сами по себе си заплетени и подложени на ефекти, където и да отидат.

Каква е разликата между квантовия компютър и обикновения?

Класическият компютър извършва изчисления, използвайки битове, които са 0 ("изключено") и 1 ("включено"). Той използва транзистори за обработка на информация под формата на последователности от нули и така наречените компютърни двоични езици. Повече транзистори, повече възможности за обработка - това е основната разлика. КК използва законите на квантовата механика. Точно като класически компютър, който използва нули и единици. Тези състояния могат да бъдат достигнати в частици, дължащи се на техния вътрешен ъглов момент, наречен спин. Две състояния 0 и 1 могат да бъдат представени в задните частици. Например, въртенето по посока на часовниковата стрелка представлява 1, и обратно на часовниковата стрелка представлява 0. Предимството на използването на QC е, че частицата може да бъде в няколко състояния по едно и също време. Това явление се нарича суперпозиция. Поради това явление, QC може едновременно да достигне състояние 0 и 1. Така, в класическия компютър информацията се изразява чрез едно число 0 или 1. QC използва изходи, които са описани като 0 и 1 едновременно, което дава по-голяма изчислителна мощност.

Как се прави квантов компютър

Квантовото изчисление се изчислява с помощта на квантово-механични явления като суперпозиция и заплитане. QC е устройство, което извършва квантово изчисление и се състои от микропроцесори. Такъв компютър е напълно различен от двоичните цифрови електронни компютри, базирани на транзистори и кондензатори. Докато конвенционалните цифрови изчисления изискват данните да бъдат кодирани в двоични цифри (битове), всяко от които винаги е в едно от две специфични състояния (0 или 1), квантовото изчисление използва битове или кубити, които могат да бъдат в суперпозиция. Устройството на квантовата машина Тюринг е теоретичен модел на такъв компютър и е известен също като универсален КК. Областта на квантовите изчисления е започната от произведенията на Пол Бениоф и Юри Манин през 1980 г., Ричард Фейнман през 1982 г. и Дейвид Deutsch през 1985 г.

Принципът на квантовия компютър

От 2018 г. принципът на действие на квантовите компютри все още е в начален стадий, но са провеждани експерименти, при които се извършват квантови изчислителни операции с много малък брой квантови битове. Продължават както практическите, така и теоретичните изследвания, а много национални правителства и военни агенции финансират изследвания за квантовите изчисления в допълнителни усилия за разработване на квантови компютри за граждански, бизнес, търговски, екологични и национални цели за сигурност, като криптоанализ. Мащабните квантови компютри теоретично биха могли да работят за решаването на някои проблеми много по-бързо от всички класически компютри, които използват дори най-добрите досега алгоритми, като например целочислена факторизация, използвайки алгоритъма на Шор (който е квантов алгоритъм) и моделиране на квантовия набор от системни тела.

Има квантови действия, като например алгоритъмът на Саймън, който работи по-бързо от всеки възможен вероятностен класически алгоритъм. Класическият компютър може по принцип (с експоненциални ресурси) да моделира квантов алгоритъм, тъй като квантовите изчисления не нарушават тезата на Църквата. От друга страна, квантовите компютри могат да решават ефективно проблемите, които практически не са възможни на класическите компютри.