Квантовото изчисление е мултидисциплинарна област, включваща аспекти на компютърните науки, физиката и математиката, която използва квантовата механика за решаване на сложни проблеми по-бързо, отколкото при класическите компютри. Областта на квантовите изчисления включва хардуерни изследвания и разработване на приложения.

Квантовите компютри са в състояние да решават определени видове проблеми по-бързо от класическите компютри, като се възползват от квантово-механичните ефекти, като Суперпозиция и Квантова интерференция.

Сега нека се задълбочим в концепцията за суперпозиция и да проучим защо това явление се смята за бъдещето на компютрите.

Какво е суперпозиция?

Нека се върнем в 12-ти клас и се опитаме да си спомним експеримент, наречен Двойно разделен експеримент на Йънг, който е кръстен на британския физикТомас Йънг. В този експеримент Йънг искаше да докаже, че светлината се държи като вълна, а не като частици, тъй като по-рано се предполагаше, че светлината се състои от частици. Този експеримент ни помага да идентифицираме, че светлината може да действа като вълна и също така може да покаже интерферентни модели, както и електроните.

За този експеримент лъч светлина е насочен към преграда с два вертикални процепа. Светлината преминава през процепите и полученият модел се записва върху фотографска плака. Когато един процеп е покрит, моделът е това, което би се очаквало: единична линия светлина, подравнена с който и да е отворен процеп. Интуитивно човек би очаквал, че ако и двата процепа са отворени, моделът на светлината ще отразява две линии светлина, подравнени с прорезите.

Всъщност това, което се случва, е, че фотографската плака се разделя на множество линии от светлина и тъмнина в различна степен. Ако светлината се държеше като частици, това нямаше да е така, така че ни показа, че светлината може да се държи като вълна и също да показва модели на интерференция

Въз основа на горния експеримент можем да заключим, че светлината проявява подобно на частици и вълна поведение. Следователно можем да считаме светлината за Суперпозиция на вълни и частици и нейното поведение зависи от вида на проведеното измерване. Например, когато се наблюдава светлина от лампа, изглежда, че се държи като частици. Въпреки това, когато се провежда експеримент с двоен прорез, той се проявява като вълна.

Светлината може да се държи едновременно като частици и вълни

Светлината може да се държи едновременно като частици и вълни.

Ако предишното обяснение изглеждаше прекалено техническо, има друг експеримент, който може да осигури по-просто разбиране на суперпозицията.

Представете си сценарий, при който има котка, затворена в кутия, заедно с флакон с отрова. От гледна точка на външен наблюдател котката може да се възприема като жива и мъртва едновременно. Тази особена ситуация е пример за друг случай на суперпозиция в областта на квантовата механика.

Предишният раздел изясни концепцията за суперпозиция. Сега нека навлезем по-дълбоко в сферата на квантовите изчисления. Възниква интригуващ въпрос: защо компаниите и организациите в момента правят значителни инвестиции в квантовите изчисления? Причината зад тази инвестиция е, че квантовите компютри имат забележително предимство пред класическите компютри при извършването на определени изчисления с изключителна скорост. Това предимство има огромна стойност в силно конкурентната област на информационните технологии.

Какво е Qubit?

Както знаем, класическите компютри имат традиционни битове, които могат да приемат две стойности, 0 и 1, и целият компютър работи въз основа на тези две стойности. В квантовото изчисление обаче традиционният бит следва концепцията за суперпозиция, което означава, че подобно на котката на Шрьодингер, кубитът може да съществува и в двете състояния едновременно.

Компоненти на квантовите изчисления

Quantum Computers също има два компонента като класическия компютър Хардуер и софтуер.

Хардуерът на квантовия компютър има 3 основни компонента

Равнината на квантовите данни обхваща физическите кубити и необходимите структури, за да ги задържат на място, подобно на случая в класическите компютри. Той служи като основа за квантово изчисление.

Равнината за контрол и измерване преобразува цифрови сигнали в аналогови или вълнови управляващи сигнали. Тези аналогови сигнали организират операциите, извършвани върху кубитите в Quantum Data Plane. По същество равнината за контрол и измерване инструктира равнината за данни какви действия да предприеме.

Равнината на контролния процесор и равнината на хост процесора играят решаваща роля. Равнината на контролния процесор изпълнява квантовия алгоритъм или последователност от операции. От друга страна, хост процесорът взаимодейства с квантовия софтуер, предоставяйки цифрови сигнали или класически битови последователности към равнината за контрол и измерване.

В сравнение с класическите компютри, равнината на контролния процесор действа като мост между софтуера и равнината на контрол и измерване. Той издава инструкции към равнината за контрол и измерване, която след това изпраща сигнали до равнината за данни за изпълнение на операции, използващи физическите кубити.

QUANTUM СОФТУЕР

Квантовият софтуер работи чрез квантови схеми, подобни на логическите схеми в класическите компютри. Той използва квантови алгоритми, за да насочва хардуера при извършване на конкретни изчисления или задачи.

РЕВОЛЮЦИОННИ ПОЛЗИ ОТ КВАНТОВИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ

  1. Машинно обучение – Машинното обучение включва анализиране на огромно количество данни и конструиране на модели въз основа на този анализ. Квантовото изчисление има потенциала да ускори този процес, като го направи по-бърз и по-ефективен. Освен това квантовото изчисление има значителни предимства за обработка на информация, където смислени данни се въвеждат в компютър, за да генерират допълнителни смислени прозрения. Решаващо приложение на квантовите изчисления е в анализа на финансови портфейли, особено когато се комбинира с техники за машинно обучение.
  2. Симулации- Квантовото изчисление, със своите забележителни изчислителни способности, позволява изпълнението на изключително сложни симулации, които преди това бяха непостижими или отнемаха прекалено много време за класическите компютри. Този пробив в изчисленията има огромен потенциал за симулиране на най-взискателните проблеми в химията. Pasqal например разработи QUBEC, изчислителен софтуер, предназначен специално за провеждане на химически симулации. QUBEC рационализира целия процес, от автоматизирането на предоставянето на изчислителна инфраструктура до провеждането на класически изчисления преди и след обработка, както и изпълнението на задачи за намаляване на грешките.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение, квантовите изчисления предлагат революционен път за напредък в областта на машинното обучение. Със способността си да ускорява анализа на данни и да подобрява обработката на информация, той притежава огромен потенциал за решаване на сложни проблеми и отключване на нови граници в различни области.