Sok a hírverés a kvantumszámítástechnikával kapcsolatban – arról, hogy ez egy izgalmas terület, és forradalmasítja a különféle iparágak összetett problémáinak megoldását. Mindkét állítás igaz, mivel a kvantumszámítás az információfeldolgozás új módja.
A szervezetek világszerte jelentős erőforrásokat fordítanak a kvantumszámítási technológiák fejlesztésére, mivel képesek számos lehetőséget mérlegelni és lehetséges megoldásokat kínálni összetett problémákra.
Tartalomjegyzék
Mi az a kvantumszámítás?
A kvantumszámítás egy számítástechnikai terület, amely a kvantumfizika elvén alapul (az atomrészecskék létezésének és egymással való kölcsönhatásának vizsgálata). Megmagyarázza az anyag és az energia viselkedését atomi és szubatomi szinten.
A kvantumszámítógépek kvantumbiteket vagy qubiteket (ejtsd cue-biteket) használnak, amelyek egyidejűleg több állapotban is létezhetnek. Ez a tulajdonság lehetővé teszi a kvantumszámítógépek számára, hogy olyan problémákat oldjanak meg, amelyek a hagyományos számítógépek számára nem igényelnek sok időt vagy számítási erőforrásokat.
Hogyan működik a kvantumszámítás?
A kvantumszámítástechnika qubiteket használ olyan kvantumszámítógépek fejlesztésére, amelyek kvantumrendszereket, például fotonokat és elektronokat tartalmaznak. Gyakran használják olyan számítások elvégzésére, amelyek a klasszikus számítógépek számára általában nem lennének praktikusak. Ezenkívül a kvantumszámítás kvantumlogikai kapukat használ a qubitek manipulálására és a számítások végrehajtására.
A kvantumkapuk hasonlóak a klasszikus számítógépekben használt logikai kapukhoz, de kvantumbiteken működnek – a kutatók szuperpozíciók létrehozására és manipulálására, valamint qubitek összefonódására használják őket.
Arra törekszik, hogy javítsa a számítási képességeket, és megoldja azokat az összetett problémákat, amelyeket a mai klasszikus számítógépek bináris megközelítésük és korlátozott létezésük miatt két állapotban – 0 és 1 – nem tudnak megoldani, míg a kvantumszámítás képes mindkét állapotot egyszerre felvenni.
Különbség a kvantumszámítás és a klasszikus számítástechnika között
A kvantumszámítás és a klasszikus számítástechnika különbségei a számítási képességeikben és működésükben rejlenek. Míg a kvantumszámítás a kvantumelméletre épül.
A klasszikus számítástechnika bináris számjegyeken vagy biteken alapul, amelyek 0 vagy 1 értéket vehetnek fel. A kvantumszámítógépek qubiteket használnak adategységükként. A kvantumszámítás egyidejűleg mindkét értéket (0-t és 1-et) felvehet – ezt a műveletet szuperpozíciónak nevezik. Egy tulajdonság, amely lehetővé teszi, hogy a kvantumszámítógépek egyszerre két állapotot vegyenek fel.
Ha teljesítményről van szó, a klasszikus számítástechnika kisebb számítási teljesítménnyel rendelkezik, mint a kvantumszámításé, mivel a teljesítménye a rendelkezésre álló tranzisztorokkal való 1:1 arány alapján nő. A kvantumszámításnál a teljesítmény jelentősen megnő a qubitek száma alapján.
A klasszikus számítástechnikával ellentétben, amely többek között olyan programozási nyelveken írt kódokkal valósítható meg, mint a Java, SQL, PHP, C#, C++ és Python, a kvantumszámítás egyesíti a kódot, a matematikát, a fizikát és az algoritmusokat, hogy megfeleljen sajátos céljának.
Összetett architektúrája, törékenysége, valamint magas fejlesztési és megvalósítási költsége miatt a kvantumszámítástechnikát nem általános célú, nyilvános használatra szánt gépként hozták létre, hanem meghatározott célra és használati esetre tervezték. Másrészt a klasszikus számítógépek széles körben elterjedtek és könnyen hozzáférhetők.
A kvantumszámítógépek hibaaránya magasabb, mint a klasszikus számítástechnika, és fokozott odafigyelést igényelnek, például ultrahideg helyiségben kell tartani a hőszabályozáshoz. Ezzel szemben a klasszikus számítógépek szobahőmérsékleten is működhetnek.
A használhatóság szempontjából a kvantumszámítás alkalmas olyan összetett feladatokra, mint a szimuláció, az optimalizálás, a gépi tanulás és más erőforrás-igényes műveletek. A klasszikus számítástechnika alkalmas olyan feladatokra, mint a szövegszerkesztés, táblázatkezelés és egyéb, nem erőforrásigényes feladatok.
A kvantumszámítás előnyei
A kvantumszámítás előnyei óriásiak, ha helyesen használják. Az alábbiakban a legfontosabb érdemeket elemeztük.
- Sebesség: Ezerszer gyorsabban tudják feldolgozni az adatokat, mint a hagyományos számítógépek.
- Biztonság: Algoritmusa felhasználható a digitális titkosítás javítására és a szervezet informatikai infrastruktúrájának védelmére.
- Képesség összetett problémák megoldására: 2019-ben a Google azt állította, hogy a Sycamore – egy 54 qubit-es processzor – olyan számítást végzett, amely a világ leggyorsabb szuperszámítógépének 10 000 évébe 200 másodperc alatt készül el.
- A csalásfelderítés javítása: A pénzintézetek kvantumszámítástechnikával jobb kereskedési szimulátorokat hozhatnak létre, hatékony befektetési portfóliókat tervezhetnek, és javíthatják a csalások felderítését.
- Kutatás: Segíti a tudósokat, hogy jobb modelleket és megközelítéseket dolgozzanak ki a különböző iparágak problémáinak megoldására, például a gyógyszerkutatásra az egészségügyben és a vegyi anyagok felfedezésére a gyártásban.
A kvantumszámítástechnika jellemzői
Az alábbiakban bemutatjuk a kvantumszámítás legfontosabb jellemzőit.
Szuperpozíció
A kvantumrendszerek azon képességét, hogy egyidejűleg számos állapotban létezzenek, szuperpozíciónak nevezzük. A klasszikus számítógépek egyszerre csak egy állapotban létezhetnek (0 vagy 1), ami azt jelenti, hogy nincs szuperpozíciós képességük.
Összegabalyodás
Az összefonódás akkor következik be, amikor két qubit összekapcsolódik, és az egyik részecske állapota hatással van a másikra, még akkor is, ha mérföldre vannak egymástól. Gyakran használják kvantumhálózat létrehozására, amely lehetővé teszi a kvantumszámítógépek számára az információk megosztását.
Interferencia A kvantumrendszerekben az interferencia a szuperpozíció mellékterméke. Ez egy hullámjelenség, amely akkor következik be, amikor a szubatomi részecskék kölcsönhatásba lépnek és befolyásolják őket.
Ez lehet konstruktív (amikor a hullámok erősítik egymást, vagy felerősítik a helyes választ), vagy destruktív (amikor kioltják egymást).
Dekoherencia
A kvantumrendszerek törékenyek és érzékenyek a környezetükre; a környezetükből származó interferencia a qubitek kvantumviselkedésének romlását okozhatja, aminek következtében elveszítik kvantumképességeiket.
Például a zaj hatására a qubitek kieshetnek a szuperpozícióból. Nem csak ez, még a hőmérséklet-változások is befolyásolhatják a teljesítményét. Ezért azt szigorúan szabályozott és ellenőrzött környezetben kell tartani.
A kvantumszámítástechnika korlátai és kihívásai
Noha a kvantumszámításnak számos előnye van, vannak hátrányai is, amelyeket érdemes megemlíteni.
- Dekoherencia: A klasszikus számítógépekkel ellentétben a kvantumszámítógépek érzékenyek a zajra. A zavarás miatt kieshet a szuperpozícióból, mielőtt befejezné a feladatait.
- Szakembert igényel: Összetettsége miatt sokrétű kvantumspecialistát igényel.
- Kvantumhiba-javítás: A számítási műveletek során valószínűleg hibák fordulnak elő, amelyek megkérdőjelezhető kimenetekhez vezetnek. Hibatűrő kvantumrendszerre van szükség ahhoz, hogy ellenálljon a környezeti zavaroknak.
A kvantumszámítás valós alkalmazásai és felhasználásai
#1. Pénzügyi modellezés
A pénzügyi piac változékony és rendkívül kiszámíthatatlan. A kvantumszámítással a pénzügyi szervezetek pénzügyi rendszereket szimulálhatnak, és a technológia segítségével modellezhetik befektetéseiket a várható hozamok alapján.
Felhasználható a portfólió optimalizálás, kockázatcsökkentés és kezelés, valamint opcióárazás szempontjaiban is. Azok, akik nagy volumenű tranzakciókat hajtanak végre, kihasználhatják a kvantumszámítástechnikát a piacok előrejelzésére és a globális pénzügyi gazdaság elemzésére.
#2. Logisztikai optimalizálás
A kvantumszámítógépek kiválóak a valós idejű adatok gyűjtésében, hogy optimalizálják az ellátási lánc logisztikáját, készleteit és szállítását. A szervezeteknek folyamatosan számolniuk és újra kell számolniuk a forgalomirányítás, a flottaüzemeltetés, a légiforgalmi irányítás, a fuvarozás és az elosztás optimális útvonalait – ez a klasszikus számítástechnikával megvalósítható.
De a komplex ellátási lánc igényeivel rendelkező nagy szervezetek számára ez a folyamat erőforrásigényessé válhat, és a kvantumszámítás képes megmenteni a helyzetet.
#3. Jobb akkumulátorok
Miközben az elektromos járművek (EV) általánossá válnak társadalmunkban, a gyártók kvantumszámítási képességet használnak a molekulák és anyagok viselkedésének szimulálására, valamint a lítiumvegyületek és az akkumulátorok kémiájának megértésére, hogy optimalizálják az akkumulátorok élettartamát.
Az elektromos járműveken kívül a kvantumszámításnak is vannak alkalmazásai a megújuló energia tárolására és a mobileszközökre.
#4. Gyártás
A kvantumszámítástechnikát a gyártás számos aspektusának javítására használják. Az IBM Institute for Business Value által kiadott szakértői betekintés négy kategóriába sorolta a kvantumszámítástechnikai felhasználási eseteket a gyártásban.
Felfedez
- Kémia
- Anyagtudomány
- Kondenzált anyag fizika
Tervezés
- Véges különbség elemzés
- Szerkezeti elemzés Hidro/aerodinamika
Ellenőrzés
- Optimalizálás
- Gépi tanulás
- Osztályozás
Kínálat
- Ellátási lánc
- optimalizálás
- Kockázatmodellezés
Azok, akik ezeken a kulcsfontosságú területeken alkalmazzák a kvantumszámítástechnikát, döntő előnyre tesznek szert, mivel ez segít csökkenteni a gyártási költségeket és növelni a gyártási sebességet.
#5. Klímamodellek fejlesztése
A kvantumszámítás segíthet megoldani az olyan tartós fenntarthatósági problémákat, mint az éghajlatváltozás. Az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (IPCC) jelentése szerint 2025 előtt jelentősen csökkenteni kell az üvegházhatású gázok kibocsátását, hogy elkerüljük a jelentős éghajlati katasztrófákat. A kvantumszámítással csökkenthető az éghajlati hatás.
Az ammónia gyártása a globális szén-dioxid-kibocsátás 1-2%-át teszi ki – a kvantumszámítás segíthet alternatív tiszta energiaforrások kifejlesztésében, például jobb akkumulátorok kifejlesztésében elektromos járművekhez, napenergia stb., a Föld szén-dioxid-mentesítési folyamatának elősegítése érdekében. Ezenkívül megkönnyítheti a modellek fejlesztését az éghajlat- és időjárás-előrejelzésben, valamint a hálózatkezelésben.
#6. Autóipar
Az autóipar rohamosan alkalmazza a kvantumszámítási technológiát, ez nyilvánvaló a kvantumszámítástechnikai vállalatok és az autógyártók, köztük a D-Wave Systems és a Volkswagen közötti partnerségekben; Zapata Computing és Bosch; sőt még az IBM Quantum és a Mercedes-Benz is.
Az eredeti berendezésgyártók (OEM) a kvantumszámítástechnikát kívánják kihasználni az útvonal optimalizálása és az anyagok tartósságának növelése érdekében.
#7. Repülőgép fejlesztés
A repülési és űrkutatási vállalatok számos folyamathoz hasznosíthatják a kvantumszámítást, a repülési tervek optimalizálásától a repülőgépek modellezéséig és digitalizálásáig. Az Airbus, egy kereskedelmi repülőgépek tervezésével, gyártásával és értékesítésével foglalkozó repülőgépipari vállalat az IonQ, a Q-CTRL és a QC Ware termékekbe fektetett be, hogy a kvantumtechnológiákat kihasználja az összetett repülőgépmodellek fejlesztésében.
#8. Gyógyszerfejlesztés
A klasszikus számítógépeket jelenleg molekuláris szimulációk százmillióinak futtatására használják, de a kiszámítható molekulaméret korlátozott. A kvantumszámítás lehetővé teszi a kutatást és fejlesztést nagy és összetett molekulák szimulálására a számítógéppel segített gyógyszerkutatás (CADD) javítása érdekében.
A McKinsey & Company 2021-ben arról számolt be, hogy a gyógyszergyár árbevételének körülbelül 15 százalékát költi K+F-re, ami a teljes K+F-kiadások több mint 20 százalékát teszi ki a világ összes iparágában.
Ez a beruházás részben segíti a gyógyszeripart, hogy hatékony módszereket találjon a betegségek és betegségek gyógyítását segítő mikromolekulák és makromolekulák fejlesztésére. A kvantumszámítással a kutatók gyorsan kudarcot vallanak, és felgyorsíthatják a sikerre nagyobb eséllyel járó gyógyszerek kifejlesztését.
#9. Gépi tanulás
A kvantumszámítógépek nagy és összetett adatok feldolgozására való képessége jó jelöltté teszi őket a gépi tanuláshoz. A kvantumgépi tanulás egy olyan kutatási terület, amely kvantumalgoritmusokat integrál gépi tanulási programokkal.
A kvantumalgoritmusok rendelkezhetnek polinomiális vagy szuperpolinomiális (exponenciális) gyorsítással, ami javítja a számítási sebességet. A kvantumgépi tanulással az adatkezelők gyorsabb és fejlettebb algoritmusokat fejleszthetnek, összetett adatmintákat oldhatnak meg, valamint előmozdíthatják a számítógépes látásalkalmazások és a megerősítő tanulás fejlesztését.
Tanulási források: Quantum Computing
A további tanuláshoz az alábbi forrásokat ajánljuk.
#1. Tánc Qubits-szel
A szerző: Robert S. Sutor, ez a könyv elmagyarázza, hogyan működik a kvantumszámítás, és hogyan alkalmazható a tudományos számítástechnikára és az AI-ra. A Dancing with Qubits bemutatja a klasszikus és a kvantumszámítógép közötti különbségeket, és leírja a felhasználási eseteket a különböző iparágakban.
Az olvasók olyan fogalmakat is megtanulnak, mint a szuperpozíció, az összefonódás és az interferencia, valamint az áramkörök és az algoritmusok. Ez az erőforrás megtanítja Önnek a kvantumszámítás alapjait és alapjait.
#2. Kvantum számítástechnika: alkalmazott megközelítés
A SandboxAQ (Jack D. Hidary), egy kvantumtechnológiai cég vezérigazgatója írta – ez az anyag egyesíti a kvantumszámítás elméletét és gyakorlatiasságát, beleértve a gyakorlati kódot is.
A könyv három részből áll: az első rész a kvantumszámítással és a kvantumáramkörök alapjaival foglalkozik, a második részben a kvantumszámítási algoritmusokat ismerteti, és kódot ad a jelenlegi kvantumszámítási módszerekről, a harmadik rész pedig a kvantumszámítás matematikai vonatkozásait fedi le.
#3. Kvantum számítástechnika mindenkinek
Azok a kezdők, akik mindenre kiterjedő anyagokat keresnek, hasznosnak találják ezt az erőforrást. Lefedi a kvantumszámítás alapjait, és elmagyarázza kulcsfontosságú összetevőit, például a qubiteket, az összefonódást és a kvantumteleportációt.
A könyv szerzője, Chris Bernhardt leegyszerűsíti a kvantumszámítógépek mögött meghúzódó matematikát, és azt is elmagyarázza, hogyan épülnek fel a kvantumszámítógépek, így azok számára, akik még nem ismerik a kvantumszámítógépeket, könnyebben megérthetik a rendszerek fejlesztésének folyamatát.
Következtetés
Az olyan cégek, mint a Google, az IBM és a Microsoft vezetik a kvantumszámítási megoldások innovációját – az egyetemek sem maradnak le. A kvantumszámítástechnikai szakemberek hiánya hozzájárul a lassú fejlődéshez, ráadásul a kvantumszámítógép megépítésének költsége magas, és nem sok szervezet rendelkezik a létrehozásához szükséges erőforrásokkal.
Bár a kvantumszámítás sok ígéretet rejt magában, még nem valósult meg. Néhány évbe fog telni, hogy a benne rejlő lehetőségeket teljes mértékben kiaknázza, és a klasszikus számítógépekhez hasonlóan mindennapossá váljon.
A Fog Computing-ról is olvashat.