Квантовые вычисления — это решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами.
Общие сведения о квантовых вычислениях
Квантовые вычисления являются самым загадочным и все еще мало изученным направлением из всех квантовых технологий. Открытие новых материалов для автомобилей и самолетов, лекарств от раньше неизлечимых болезней, возможность мгновенной оптимизации сотен разных параметров можно ожидать от квантового компьютера уже в течение ближайших десятилетий.
Квантовыми вычислениями является решение задач при помощи манипуляций квантовыми объектами, такими как, атомы, молекулы, фотоны, электроны и специально созданные макроструктуры. Их применение может позволить ученым достигнуть пару квантовых явлений, а именно, суперпозицию и запутанность. Благодаря этому специалисты смогут реализовать синтез новых материалов, лекарств, а кроме того выполнять моделирование сложных молекул и решать задачи оптимизации, которые являются пока недоступными даже для самых мощных компьютеров.
Если посмотреть на английский термин quantum computing, то можно обнаружить, что квантовый компьютер, по существу, и является будущим продуктом тех самых загадочных квантовых вычислений. В общем квантовые вычислительные системы подразделяются на следующие основные классы:
- Класс квантовых компьютеров.
- Класс квантовых симуляторов.
Технологии квантового направления физики, такие как, коммуникации и сенсоры, начали активно применяться в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока только начинают свой выход на специализированный рынок. Например, в 2017-ом году Китайская академия наук осуществила запуск квантовой линии связи, соединившей Пекин и Шанхай, а кроме того и первый спутник квантовой связи. Сенсоры сейчас применяются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.
Полноформатный процесс развития физики может считаться эпохой второй квантовой революции. В качестве точки отсчета первой квантовой революции можно принять открытие квантовой теории в 1900-ом году. Благодаря развитию данного направления физики были созданы лазеры и компьютеры, а вместе ними связано появление интернета, сотовой связи, бытовой электроники, светодиодных ламп, сложных микроскопов, цифровых камер и магнитно-резонансных томографов.
Система поддержки проведения экспериментов по квантовым вычислениям
Внешний вид современных квантовых компьютеров, выполненных на сверхпроводниках, больше напоминает люстры в стиле стимпанк, они работают при заданной температуре, то есть, для всех уровней машины требуется собственный микроклимат. Для обеспечения работоспособности квантового компьютера используется система охлаждения на базе жидкого гелия. Сам компьютер находится в цилиндрическом корпусе с насосами системы охлаждения. К данному сооружению подключено несколько стандартных компьютеров для решения задач. Внутри квантового компьютера расположены соединения и трубы, передающие сигналы в квантовый «мозг» машины.
Кубиты не осуществляют последовательную переборку всех возможных вариантов состояния системы, комбинаций, подобно обычному компьютеру, а реализуют вычисления моментально. Данное свойство может использоваться при поиске информации в базах данных, составлениях маршрутов, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Таким образом, решение задач, для которых необходимо выполнить переборку сотен и тысяч вариантов, может быть ускорено во много раз.
Квантовый компьютер сегодня является установкой, которая не предназначена для персонального использования дома. Для того чтобы работать с данным классом устройств, следует иметь специальные компетенции и обладать умением раскладывать задачи на понятный машине язык.
Квантовые компьютеры построены на следующих главных платформах:
- Платформа сверхпроводящих цепочек.
- Платформа ионов.
- Платформа нейтральных атомов.
- Платформа фотонов.
Квантовой платформой является физический объект, который похож на чип, где размещено и сохраняется квантовое состояние кубитов.
Еще совсем, сравнительно недавно, все коммерческие вычислительные устройства функционировали только на сверхпроводящих цепочках. В отличие от иных типов кубитов они могут хорошо масштабироваться, являются стабильными в работе, позволяют контролировать параметры и легко управляются. Тем не менее сегодня видно, что международное квантовое сообщество начало все больше проявлять интерес к ионам.
Embed from Getty Images является первым коммерческим доступным квантовым компьютером на ионах, который представил в декабре 2018-го года технологический стартап IonQ. Как отметили сами проектировщики, созданная ими система способна осуществлять более сложные вычисления, чем все имеющиеся на рынке аналоги. А в конце 2020-го года американская корпорация Honeywell объявила, что она смогла сформировать самый точный квантовый компьютер на ионах. Но при этом, нужно заметить, что эта технология обладает и недостатками, а именно, ионные компьютеры являются сложно масштабируемыми по причине аномального нагрева.
Кроме того в тройке самых перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя находятся ультра холодные атомы. Проектированием подобных систем наиболее часто занимаются академические институты и университеты, к примеру, это Институт прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде.
На текущий момент квантовые компьютеры и симуляторы используются только в лабораториях, и облачный доступ является единственным способом работы с ними для внешних заказчиков. Но в перспективе использовать облачную платформу является экономически более оправданным действием, чем приобретение дорогостоящего оборудования самостоятельно.
