Введение
Квантовый компьютер - это машина, использующая принципы квантовой механики для осуществления вычислений.
Компьютер в его самом общем понимании может считаться просто машиной, выполняющей вычислительные операции. Известно много различных типов компьютеров, изначально они были механические. Сегодня компьютеры базируются на цифровой электронике и функционируют с применением алгебры логики (битов) и логических компонентов. Квантовый компьютер, напротив, применяет квантовую механику для исполнения вычислений. Вместо битов и логических компонентов квантовые компьютеры применяют кубиты и квантовые компоненты.
Система программирования квантового компьютера
Квантовым программированием является не просто методика ускорения работы существующих программ, поскольку квантовое программирование имеет принципиальные отличия от современных методов программирования.
Кубитом является вектор двух комплексных чисел, имеющих единичную длину. Кубиты имеют существенные отличия от битов, и, прежде всего, бит может равняться или нулю, или единице. В данном случае отсутствует вероятность, то есть, или известно, что он равен нулю, или известно, что он равен единице. Кубит, напротив, по своей природе является вероятностной величиной, это значит, что два идентичных кубита могут иметь другие значения, измеренные один раз. То есть, квантовые вычисления по своей природе являются вероятностными.
Квантовые вычисления необходимо воспринимать как ASIC, то есть, специальную интегральную схему, которая имеет узкий круг использования, обусловленный определенным функциональным набором. Для того чтобы осуществлять подобные вычисления, требуются специализированные устройства, именуемые квантовыми компьютерами. Это специальные вычислительные ресурсы, на которые пользователи отправляют требуемые задачи.
Квантовые компьютеры выполняют информационную обработку совершенно иначе, чем типовые бинарные процессы в стандартном компьютере. Они применяют такие свойства, как «интерференция», «суперпозиция» и «запутанность» и обладают рядом преимуществ при решении определенного класса задач. Мысль создать квантовый компьютер возникла у ученых еще в начале восьмидесятых годов прошлого века, для того чтобы решить наболевшие вопросы, связанные с квантовой физикой. Но тогда имелось ввиду вычислительное устройство не такое, как все его знают, а устройство, которое способно моделировать физические системы. На классических компьютерах их моделировать очень сложно, из-за недостатка мощностей, для расчета взаимодействия огромнейшего количества частиц между собой и нехватки памяти для сохранения информации о квантовых состояниях подобных систем. Вникнув глубже в данную проблему, ученые сделали вывод, что для того чтобы смоделировать одну квантовую систему следует разрабатывать другую такую же.
В квантовых компьютерах в качестве памяти используется совокупность квантовых двухуровневых систем, которые способны иметь разную физическую природу и по этой причине результаты любых измерений всегда являются принципиальной вероятностью. Данное свойство квантовой теории тревожит все ученые умы человечества.
Квантовые персональные компьютеры похожи на архаичные громоздкие вычислительные системы, которые поставлялись в больших шкафах высотой примерно три метра и занимающих объем около двадцати кубометров. При сравнительно малых размерах основного квантового процессора, который похож на среднюю монету, девяносто процентов всего внутреннего пространства данного ящика занимают компоненты системы охлаждения, которые используют жидкий гелий, для того чтобы охладить квантовый чип до −273 °C и экранировать для защиты от внешних факторов.
Несмотря на то, что в подобных устройствах можно использовать классические алгоритмы, оно практически всегда используется для обработки процессов, обладающих квантовой природой. Самым важным применением этих сложных агрегатов может считаться физическое моделирование. Например, требуется рассчитать свойства молекул для производства неорганических светодиодов новейшей серии мониторов. Эта сложная задача предполагает наличие грамотных расчетов, экспериментов, временных и финансовых затрат. А в результате возможен вариант, что этот материал совсем не подходит, но значительное количество задействованных ресурсов уже потрачено впустую.
Именно в этом случае и следует использовать квантовые технологии, которые сокращают главные издержки путем использования виртуальных экспериментов. Следует, конечно, заметить, что на текущий момент квантовые компьютеры способны разрабатывать модели лишь несложных молекул, но прогресс движет технологии вперед и модели безусловно станут сложнее.
Квантовые компьютеры могут ускорить процессы машинного обучения, сократив даже тысячи лет обучения до считанных секунд. По этой причине не вызывает удивления, что этой технологией очень серьезно интересуются такие гиганты информационных технологий как IBM и Google. Тем не менее, для того чтобы войти в данную сферу разработчикам, кроме всего прочего, требуется еще знание и языков квантового программирования, которое является основой для преобразования идей в инструкции для квантовых персональных компьютеров.
QCL (Quantum computing language) является одним из первых созданных языков квантового программирования, который немного напоминает язык Cи в плане синтаксиса и типов данных. Как правило, его используют для формирования программ для квантовых компьютеров и так как любой квантовый компьютер должен управляться обычным персональным компьютером, он имеет в своем составе типовые элементы языка программирования, такие как функция, цикл и тому подобное. То есть, этот язык позволяет работать как с классическими, так и квантовыми данными.
