Квантовые вычисления – это междисциплинарная область, включающая аспекты информатики, физики и математики, в которой квантовая механика используется для решения сложных задач быстрее, чем на классических компьютерах. Область квантовых вычислений включает исследования оборудования и разработку приложений.

Квантовые компьютеры могут решать определенные типы задач быстрее, чем классические компьютеры, за счет использования квантово-механических эффектов, таких как суперпозиция и квантовая интерференция.

Теперь давайте углубимся в концепцию суперпозиции и выясним, почему это явление считается будущим вычислений.

Что такое суперпозиция?

Давайте вернемся в 12-й класс и попробуем вспомнить эксперимент под названием Двойной расщепленный эксперимент Янга, названный в честь британского физика Томаса Янга. В этом эксперименте Янг хотел доказать, что свет ведет себя как волна, а не как частица, поскольку ранее предполагалось, что свет состоит из частиц. Этот эксперимент помогает нам определить, что свет может действовать как волна, а также может демонстрировать интерференционные картины, и то же самое происходит с электронами.

В этом эксперименте пучок света направляется на преграду с двумя вертикальными щелями. Свет проходит через щели, и полученный рисунок записывается на фотопластинку. Когда одна щель закрыта, рисунок выглядит так, как и следовало ожидать: одна линия света, выровненная с любой открытой щелью. Интуитивно можно было бы ожидать, что если обе щели открыты, рисунок света будет отражать две линии света, выровненные с щелями.

На самом деле происходит то, что фотопластинка разделяется на несколько светлых и темных линий разной степени. Если бы свет вел себя как частицы, это было бы не так, поэтому он показал нам, что свет может вести себя как волна и также демонстрировать интерференционные паттерны.

Основываясь на приведенном выше эксперименте, мы можем сделать вывод, что свет проявляет поведение как частиц, так и волн. Следовательно, мы можем рассматривать свет как суперпозицию волн и частиц, и его поведение зависит от типа проводимого измерения. Например, при наблюдении за светом лампы кажется, что он ведет себя как частицы. Однако при проведении двухщелевого эксперимента она проявляется как волна.

Свет может вести себя как частицы и волны одновременно

Свет может вести себя как частицы и волны одновременно.

Если предыдущее объяснение казалось чрезмерно техническим, есть еще один эксперимент, который может дать более простое понимание суперпозиции.

Представьте себе сценарий, в котором в коробке находится кот, а также пузырек с ядом. С точки зрения внешнего наблюдателя кошка может восприниматься и живой, и мертвой одновременно. Эта своеобразная ситуация иллюстрирует еще один пример суперпозиции в области квантовой механики.

В предыдущем разделе разъяснялось понятие суперпозиции. Теперь давайте углубимся в область квантовых вычислений. Возникает интригующий вопрос: почему компании и организации в настоящее время вкладывают значительные средства в квантовые вычисления? Причина этого вложения заключается в том, что квантовые компьютеры имеют значительное преимущество перед классическими компьютерами в выполнении определенных вычислений с исключительной скоростью. Это преимущество имеет огромное значение в условиях жесткой конкуренции в области информационных технологий.

Что такое Кубит?

Как мы знаем, классические компьютеры имеют традиционные биты, которые могут принимать два значения, 0 и 1, и весь компьютер работает на основе этих двух значений. Однако в квантовых вычислениях традиционный бит следует концепции суперпозиции, что означает, что подобно коту Шрёдингера кубит может находиться в обоих состояниях одновременно.

Компоненты квантовых вычислений

Квантовые компьютеры также состоят из двух компонентов, таких как классические компьютеры: аппаратное и программное обеспечение.

Оборудование квантового компьютера состоит из трех основных компонентов

Плоскость квантовых данных включает в себя физические кубиты и необходимые структуры для их удержания на месте, подобно классическим компьютерам. Он служит основой для квантовых вычислений.

Плоскость управления и измерения преобразует цифровые сигналы в аналоговые или волновые управляющие сигналы. Эти аналоговые сигналы управляют операциями, выполняемыми над кубитами в плоскости квантовых данных. По сути, плоскость управления и измерения инструктирует плоскость данных о том, какие действия следует предпринять.

Плоскость процессора управления и плоскость хост-процессора играют решающую роль. Плоскость процессора управления реализует квантовый алгоритм или последовательность операций. С другой стороны, хост-процессор взаимодействует с квантовым программным обеспечением, передавая цифровые сигналы или классические битовые последовательности на уровень управления и измерения.

По сравнению с классическими компьютерами уровень процессора управления действует как мост между программным обеспечением и уровнем управления и измерения. Он выдает инструкции на уровень управления и измерения, который затем отправляет сигналы на уровень данных для выполнения операций с использованием физических кубитов.

КВАНТОВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Квантовое программное обеспечение работает через квантовые схемы, похожие на логические схемы в классических компьютерах. Он использует квантовые алгоритмы для управления аппаратным обеспечением при выполнении определенных вычислений или задач.

РЕВОЛЮЦИОННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

  1. Машинное обучение. Машинное обучение включает анализ огромных объемов данных и построение моделей на основе этого анализа. Квантовые вычисления могут ускорить этот процесс, сделав его быстрее и эффективнее. Более того, квантовые вычисления обладают значительными преимуществами для обработки информации, когда значимые данные вводятся в компьютер для получения дальнейших осмысленных идей. Ключевое применение квантовых вычислений заключается в анализе финансовых портфелей, особенно в сочетании с методами машинного обучения.
  2. Моделирование. Квантовые вычисления с их замечательными вычислительными возможностями позволяют выполнять очень сложные симуляции, которые ранее были недоступны или занимали слишком много времени для классических компьютеров. Этот прорыв в вычислениях имеет огромный потенциал в моделировании самых сложных проблем в химии. Например, компания Pasqal разработала QUBEC, вычислительное программное обеспечение, разработанное специально для проведения химических симуляций. QUBEC оптимизирует весь процесс, от автоматизации предоставления вычислительной инфраструктуры до проведения пре- и постобработки классических вычислений, а также выполнения задач по устранению ошибок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение, квантовые вычисления предлагают революционный путь для развития области машинного обучения. Благодаря своей способности ускорять анализ данных и улучшать обработку информации, он обладает огромным потенциалом для решения сложных проблем и открытия новых горизонтов в различных областях.