Търсене
Close this search box.

Квантови изчисления: Определение, как се използват и пример

Какво представляват квантовите изчисления?

Квантовите изчисления са област от компютърните науки, която използва принципите на квантовата теория. Квантовата теория обяснява поведението на енергията и материалите на атомно и субатомно ниво.

Квантовите изчисления използват субатомни частици, като електрони или фотони. Квантовите битове, или кюбити, позволяват на тези частици да съществуват в повече от едно състояние (т.е. 1 и 0) по едно и също време.

Теоретично свързаните кюбити могат да „използват интерференцията между техните вълнови квантови състояния, за да извършват изчисления, които иначе биха отнели милиони години“.
Класическите компютри днес използват поток от електрически импулси (1 и 0) по двоичен начин, за да кодират информацията в битове. Това ограничава възможностите им за обработка в сравнение с квантовите компютри.

КЛЮЧОВИ ИЗВОДИ

  • Квантовите изчисления използват явленията в квантовата физика за създаване на нови начини за изчисления.
  • Квантовите изчисления включват кюбити.
  • За разлика от обикновения компютърен бит, който може да бъде 0 или 1, кюбитът може да съществува в многоизмерно състояние.
  • Мощността на квантовите компютри нараства експоненциално с увеличаването на броя на кюбитите.
  • Класическите компютри, които добавят повече битове, могат да увеличат мощността си само линейно.

Разбиране на квантовите изчисления

Областта на квантовите изчисления възниква през 80-те години на миналия век. Открито е, че някои изчислителни проблеми могат да се решават по-ефективно с квантови алгоритми, отколкото с класическите им аналози.

Квантовите изчисления имат способността да пресяват огромен брой възможности и да извличат потенциални решения на сложни проблеми и предизвикателства. Докато класическите компютри съхраняват информацията като битове с 0 или 1, квантовите компютри използват кюбити. Te носят информация в квантово състояние, което ангажира 0 и 1 по многомерен начин.

Подобен огромен компютърен потенциал и прогнозираният размер на пазара за неговото използване са привлекли вниманието на някои от най-известните компании. Сред тях са IBM, Microsoft, Google, D-Waves Systems, Alibaba, Nokia, Intel, Airbus, HP, Toshiba, Mitsubishi, SK Telecom, NEC, Raytheon, Lockheed Martin, Rigetti, Biogen, Volkswagen и Amgen.

Използване и ползи от квантовите изчисления

Квантовите изчисления могат да допринесат значително за областите на сигурността, финансите, военното дело и разузнаването, проектирането и откриването на лекарства, космическото проектиране, комуналните услуги (ядрен синтез), проектирането на полимери, машинното обучение, изкуствения интелект (ИИ), търсенето на големи обеми от данни и цифровото производство.

Квантовите компютри могат да се използват за подобряване на сигурния обмен на информация. Или за подобряване на радарите и способността им да откриват ракети и самолети. Друга област, в която се очаква квантовите компютри да помогнат, е околната среда и поддържането на чистотата на водата с помощта на химически сензори.

Ето някои потенциални ползи от квантовите изчисления:

  • Финансовите институции може да са в състояние да използват квантовите изчисления за разработване на по-ефективни и ефикасни инвестиционни портфейли за клиенти на дребно и институционални клиенти. Те биха могли да се съсредоточат върху създаването на по-добри симулатори за търговия и да подобрят откриването на измами.
  • Здравната индустрия би могла да използва квантовите изчисления за разработване на нови лекарства и генетично насочени медицински грижи. Той може да захранва и по-напреднали изследвания на ДНК.
  • За по-силна онлайн сигурност квантовите изчисления могат да помогнат за разработването на по-добро криптиране на данни и начини за използване на светлинни сигнали за откриване на нарушители в системата.
  • Квантовите изчисления могат да се използват за проектиране на по-ефективни и по-безопасни системи за планиране на самолетния  трафик.

40% – Процентът на големите компании, които планират да създадат инициативи за квантови изчисления до 2025 г., според проучване на Gartner.

 

Характеристики на квантовите изчисления

Суперпозицията и заплитането са две характеристики на квантовата физика, на които се основават квантовите изчисления. Те дават възможност на квантовите компютри да извършват операции със скорост, експоненциално по-висока от тази на конвенционалните компютри, и с много по-малко потребление на енергия.

Суперпозиция
Според IBM забележително е по-скоро това, което кюбитът може да прави, отколкото това, което е той. Кюбитът поставя съдържащата се в него квантова информация в състояние на суперпозиция. Това се отнася до комбинация от всички възможни конфигурации на кюбита. „Групи от кюбити в суперпозиция могат да създават сложни, многомерни изчислителни пространства. Сложните проблеми могат да бъдат представени по нов начин в тези пространства.“

Заплитане
Заплитането е неразделна част от квантовата изчислителна мощ. Може да се направи така, че двойки кюбити да станат заплетени. Това означава, че двата кюбита тогава съществуват в едно състояние. В такова състояние промяната на единия кюбит влияе пряко на другия по начин, който е предвидим.

Квантовите алгоритми са разработени така, че да се възползват от тази връзка за решаване на сложни проблеми. Докато удвояването на броя на битовете в класически компютър удвоява неговата изчислителна мощ, добавянето на кюбити води до експоненциално нарастване на изчислителната мощ и способност.

Декохерентност
Декохерентността настъпва, когато квантовото поведение на кюбитите се разпадне. Квантовото състояние може да бъде нарушено мигновено от вибрации или температурни промени. Това може да доведе до изпадане на кюбитите от суперпозиция и да предизвика появата на грешки в изчислителната техника. Важно е кюбитите да бъдат защитени от такива смущения, например чрез хладилници със свръхохлаждане, изолация и вакуумни камери.

Ограничения на квантовите изчисления

Квантовите изчисления предлагат огромен потенциал за разработки и решаване на проблеми в много отрасли. Понастоящем обаче той има своите ограничения.

  • Декохерентността или разпадът може да бъде причинен от най-малкото смущение в средата на кюбита. Това води до срив на изчисленията или до грешки в тях. Както беше отбелязано по-горе, квантовият компютър трябва да бъде защитен от всякакви външни смущения по време на изчислителния етап.
  • Коригирането на грешките по време на изчислителния етап не е усъвършенствано. Това прави изчисленията потенциално ненадеждни. Тъй като кюбитите не са цифрови битове данни, те не могат да се възползват от конвенционалните решения за корекция на грешки, използвани от класическите компютри.
  • Извличането на резултатите от изчисленията може да повреди данните. Обещаващи са разработки като конкретен алгоритъм за търсене в база данни, който гарантира, че актът на измерване ще доведе до декомпозиране на квантовото състояние в правилния отговор.
  • Сигурността и квантовата криптография все още не са напълно разработени.
  • Липсата на кюбити пречи на квантовите компютри да разгърнат потенциала си за въздействаща употреба.
  • Изследователите все още не са произвели повече от 128.

Според световния лидер в областта на енергетиката Iberdola „квантовите компютри трябва да нямат почти никакво атмосферно налягане, температура на околната среда, близка до абсолютната нула (-273°C), и да са изолирани от земното магнитно поле, за да се предотврати движението на атомите, сблъсъците помежду им или взаимодействието им с околната среда.“

„Освен това тези системи работят само за много кратки интервали от време, така че информацията се поврежда и не може да бъде съхранена, което прави възстановяването на данните още по-трудно.“

Квантов компютър срещу класически компютър

Квантовите компютри имат по-основна структура от класическите компютри. Те нямат памет или процесор. Всичко, което квантовият компютър използва, е набор от свръхпроводими кюбити.

Квантовите и класическите компютри обработват информацията по различен начин. Квантовият компютър използва кюбити за изпълнение на многомерни квантови алгоритми. Обработващата им мощност се увеличава експоненциално с добавянето на кюбити. Класическият процесор използва битове за работа с различни програми. Мощността им се увеличава линейно с добавянето на повече битове. Класическите компютри имат много по-малка изчислителна мощ.

Класическите компютри са най-добри за ежедневни задачи и имат нисък процент на грешки. Квантовите компютри са идеални за задачи от по-високо ниво, например за провеждане на симулации, анализ на данни (например за химически или лекарствени опити), създаване на енергийно ефективни батерии. Те също могат да имат високи нива на грешки.

Класическите компютри не се нуждаят от допълнителни специални грижи. Те могат да използват основен вътрешен вентилатор, за да се предпазят от прегряване. Квантовите процесори трябва да бъдат защитени от най-малките вибрации и трябва да се поддържат на изключително студено. За тази цел трябва да се използват свръхохлаждани свръхфлуиди.

Квантовите компютри са по-скъпи и трудни за изграждане от класическите компютри.

През 2019 г. Google доказа, че квантовият компютър може да реши даден проблем за минути, докато на класическия компютър това би отнело 10 000 години.

Квантови компютри в процес на разработка

Google
Google изразходва милиарди долари, за да създаде своя квантов компютър до 2029 г. Компанията откри кампус в Калифорния, наречен Google AI, за да й помогне да постигне тази цел. След като бъде разработен, Google може да пусне услуга за квантови компютри чрез облака.

IBM
IBM планира до 2024 г. да разполага с квантов компютър с 1000 кюбита. Засега IBM позволява достъп до машините си на онези изследователски организации, университети и лаборатории, които са част от нейната квантова мрежа.

Microsoft
Microsoft предлага на компаниите достъп до квантови технологии чрез платформата Azure Quantum.

Други
Интерес към квантовите изчисления и техните технологии проявяват фирми за финансови услуги като JPMorgan Chase и Visa.

Какво представляват квантовите изчисления с най-прости думи?

Квантовите изчисления се отнасят до изчисления, извършвани от квантов компютър. В сравнение с традиционните изчисления, извършвани от класически компютър, квантовият компютър трябва да може да съхранява много повече информация и да работи с по-ефективни алгоритми. Това се изразява в по-бързо решаване на изключително сложни задачи.

Колко трудно е да се създаде квантов компютър?

Изграждането на квантов компютър отнема много време и е изключително скъпо. Google работи по изграждането на квантов компютър от години и е похарчила милиарди долари. Очаква да подготви своя квантов компютър до 2029 г. IBM се надява да разполага с квантов компютър с 1000 кюбита до 2024 г.

Колко струва квантовият компютър?

Изграждането на квантов компютър струва милиарди. Въпреки това базираната в Китай Shenzhen SpinQ Technology планира да продава на потребителите настолен квантов компютър за 5000 долара, предназначен за училища и колежи. Миналата година тя започна да продава квантов компютър за 50 000 USD.

Колко бърз е квантовият компютър?

Квантовият компютър е многократно по-бърз от класически компютър или суперкомпютър. Твърди се, че разработваният от Google квантов компютър Sycamore е извършил изчисление за 200 секунди в сравнение с 10 000 години, които биха били необходими на един от най-бързите компютри в света – Summit на IBM, за да го реши.

IBM оспори твърдението на Google, като заяви, че нейният суперкомпютър може да реши изчислението за 2,5 дни. Дори и така, това е 1000 пъти по-бавно от квантовата машина на Google.

Резултатът

Квантовите изчисления се различават значително от класическите изчисления. При него се използват кюбити, които могат да бъдат 1 или 0 едновременно. Класическите компютри използват битове, които могат да бъдат само 1 или 0.

В резултат на това квантовите компютри са много по-бързи и по-мощни. Очаква се той да бъде използван за решаване на различни изключително сложни и стойностни задачи.

Въпреки че засега има своите ограничения, той е готов да бъде използван от много мощни компании в безброй индустрии.

 

Източник: e-security.bg

Подобни публикации

16 април 2024

CISA издаде извънредна директива

На 11 април Агенцията за киберсигурност и инфраструктурна сигурност...
15 април 2024

CP3O е арестуван

Министерството на правосъдието на САЩ обяви ареста и повдигането на...
15 април 2024

Daixin Team ransomware е атакувала успешно Omni...

Бандата Daixin Team ransomware е извършила неотдавнашна кибератака ...
15 април 2024

За проблемите с работната сила в сферата киберс...

  За проблемите с работната сила в сферата киберсигурността в ...
15 април 2024

КНДР се възползва от 2 подтехники: Призрачно от...

Този месец MITRE ще добави две подтехники към своята база данни ATT...
15 април 2024

Хакер твърди, че е пробил Giant Tiger и пусна 2...

Канадската верига за търговия на дребно Giant Tiger разкрива наруше...
14 април 2024

MuddyWater приемат нов C2 инструмент "DarkBeatC...

Иранският участник в заплахите, известен като MuddyWater, е причисл...
Бъдете социални
Още по темата
18/01/2024

Компаниите за квантови изчи...

Квантовите компютри, подобно на реакторите за...
16/01/2024

Официално: Hяма спасение от...

Производителите явно гледат на компютрите с...
12/01/2024

Стартъп за психично здраве ...

United We Care (UWC), глобален стартъп...
Последно добавени
16/04/2024

CISA издаде извънредна дире...

На 11 април Агенцията за киберсигурност...
15/04/2024

CP3O е арестуван

Министерството на правосъдието на САЩ обяви...
15/04/2024

Daixin Team ransomware е ат...

Бандата Daixin Team ransomware е извършила...
Ключови думи

Абонамента е почти завършен.

На посоченият от Вас e-mail е изпратено съобщение за потвърждаване на абонамента.

Моля, проверете електронната си поща за да потвърдите.

Благодарим за доверието!