Что такое квантовые вычисления, реальны ли они и как они меняют положение дел?

В наши дни стандартные компьютеры, несомненно, более совершенны по сравнению с тем, что мы могли создать несколько десятилетий назад. Однако с учетом того, насколько быстрыми и разнообразными сейчас являются компьютеры, трудно представить что-то еще лучше. Войдите в квантовые вычисления. Эта область науки направлена ​​на использование законов Вселенной для достижения невероятных целей.

Итак, что такое квантовые вычисления и как они повлияют на наш мир в будущем?

Что такое квантовые вычисления?

Хотя динамика квантовых вычислений все еще изучается сегодня, они впервые появились в 1980-х годах физиком Полом Бениоффом. В это время Бениофф предложил модель квантовых вычислений машины Тьюринга. После этого последующие люди помогли разработать теорию и применение квантовых вычислений, в том числе Исаак Чуанг и Нил Гершенфельд.

Определение квантовых вычислений немного отличается в зависимости от посещаемого вами сайта. Его самая основная форма — это разновидность вычислений, работа которых основана на квантовой механике. Когда-то квантовые компьютеры были просто теорией на бумаге, но теперь они оживают.

Итак, с какими квантовыми компьютерами мы имеем дело сегодня?

Квантовые вычисления все еще находятся в стадии разработки. Это невероятно сложная область, которая уступила место многочисленным моделям-прототипам, таким как квантовый компьютер Google Sycamore. В 2019 году Google объявил, что Sycamore потребовалось несколько минут, чтобы выполнить расчет, на который у суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. Но чем отличаются квантовые компьютеры? Как они могут совершать такие огромные подвиги?

Основы квантовых вычислений

Типичный компьютер использует для работы единицы, известные как биты. Бит может и будет иметь только одно из двух значений: ноль или единицу. Эти биты используются для записи двоичного кода, абсолютно необходимого в компьютерном мире.

С другой стороны, то, что известно как квантовый бит (кубит), является основной единицей квантовых компьютеров. Именно эти блоки нужны квантовым компьютерам для хранения данных и выполнения функций. Кубит может нести информацию в квантовом состоянии и может быть создан несколькими способами, например, посредством вращения электрона.

Кубиты также могут принимать любую форму, например фотон или захваченный ион. Это бесконечно малые частицы, составляющие основу нашей Вселенной.

У кубитов большой потенциал. В настоящее время они используются в квантовых компьютерах для решения многомерных квантовых алгоритмов и запуска квантовых моделей. Что совершенно невероятно в кубитах, так это то, что они могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Это означает, что они могут одновременно быть нулем, единицей или чем-то средним.

Благодаря этому свойству кубиты могут одновременно рассматривать несколько возможностей, что дает квантовым компьютерам возможность выполнять вычисления до того, как состояние объекта станет измеримым. Это позволяет квантовым компьютерам решать сложные задачи намного быстрее, чем обычные компьютеры.

Преимущества квантовых компьютеров

Самым большим преимуществом квантовых компьютеров является скорость, с которой они могут выполнять вычисления. Такая технология может обеспечить скорость вычислений, которую традиционные компьютеры никогда не смогут достичь. Квантовые компьютеры также гораздо лучше способны решать более сложные задачи, чем обычные компьютеры, и могут выполнять очень сложные симуляции.

Эту продвинутую способность, которую таят в себе квантовые компьютеры, иногда называют «квантовым превосходством», поскольку их потенциал намного превышает возможности компьютеров или даже продвинутых суперкомпьютеров в ближайшие несколько лет или десятилетий. Но квантовые компьютеры ни в коем случае не идеальны. У этих машин есть несколько недостатков, которые могут повлиять на их будущий успех.

Недостатки квантовых компьютеров

Поскольку квантовые компьютеры все еще находятся на стадии прототипа, многие проблемы еще предстоит решить.

Во-первых, квантовым компьютерам нужны экстремальные условия для работы. Фактически, эти машины должны существовать при температуре около 450 градусов по Фаренгейту. Это затрудняет доступ к квантовым компьютерам для большинства компаний и общественности. Вдобавок к этому квантовые компьютеры очень велики по сравнению с сегодняшними стандартными моделями, подобно тому, насколько большим был первый компьютер. Хотя это, вероятно, изменится в будущем, это будет способствовать недоступности этой технологии для обычных людей на ранних этапах разработки.

Квантовые компьютеры также все еще имеют дело со слишком высокой частотой ошибок. Для успешной интеграции в различные отрасли промышленности мы должны быть уверены, что эти машины обеспечивают высокий уровень успеха, чтобы на них можно было положиться.

Теперь, когда мы понимаем основы квантовых вычислений, их плюсы и минусы, давайте рассмотрим, как эту технологию можно применять в различных отраслях.

Использование квантовых вычислений

Поскольку квантовые вычисления все еще находятся на ранних стадиях разработки, возникает множество идей о том, что они могут сделать в один прекрасный день. Существует множество неправильных представлений о квантовых компьютерах, что во многом связано с непониманием самой технологии. Некоторые люди предполагают, что квантовые компьютеры будут использоваться для входа в параллельные вселенные или даже для моделирования путешествий во времени.

Хотя эти возможности нельзя полностью исключить, мы должны сосредоточиться на более реалистичных применениях квантовых вычислений, которые могут быть достигнуты в течение следующих нескольких десятилетий. Итак, давайте перейдем к приложениям квантовых вычислений.

1. Искусственный интеллект и машинное обучение

Искусственный интеллект и машинное обучение — две другие технологии, которые кажутся почти футуристическими, но с годами становятся все более продвинутыми. По мере развития этих технологий нам, возможно, придется отказаться от стандартных компьютеров. Именно здесь могут вмешаться квантовые компьютеры с их огромным потенциалом для обработки функций и быстрого выполнения вычислений.

2. Кибербезопасность

По мере того, как киберпреступники становятся все более изощренными, наша потребность в высоком уровне кибербезопасности возрастает. Сегодня киберпреступность стала тревожным явлением, ежемесячно жертвами становятся тысячи людей.

Используя квантовые вычисления, мы, возможно, когда-нибудь сможем более легко разрабатывать высококачественные протоколы кибербезопасности, способные противостоять даже самым изощренным атакам.

Квантовые вычисления также могут помочь в криптографии, особенно в области, известной как квантовая криптография. Это исследует акт использования квантовой механики для выполнения криптографических функций.

3. Разработка лекарств

Способность квантовых компьютеров предсказывать исход ситуаций может сделать их эффективными при разработке лекарств. Квантовый компьютер может однажды помочь предсказать, как определенные молекулы ведут себя в определенных сценариях. Например, квантовый компьютер может прогнозировать, как лекарство поведет себя в организме человека.

Этот повышенный уровень исследований может значительно облегчить период проб и ошибок при разработке лекарств.

Проблемы, связанные с квантовыми вычислениями

Когда развивается новый вид технологии, для людей естественно чувствовать некоторую тревогу. Итак, должны ли нас беспокоить квантовые вычисления?

Было много разговоров о рисках кибербезопасности, связанных с квантовыми компьютерами. Хотя квантовые компьютеры могут помочь достичь более высокого уровня цифровой безопасности, все может пойти по другому пути. Хотя на данный момент эта угроза является гипотетической, есть вероятность, что в ближайшие годы она может перерасти в проблему, особенно когда квантовые компьютеры станут доступными для более широких слоев населения. Некоторые компании уже в предвкушении предлагают услуги «квантовостойких VPN».

Поскольку квантовые компьютеры могут решать очень сложные задачи, увеличивается их потенциал для более эффективного взлома паролей и расшифровки данных. В то время как даже суперкомпьютеры изо всех сил пытаются найти большие ключи дешифрования, квантовые компьютеры могут когда-нибудь иметь возможность легко расшифровывать конфиденциальные данные, что было бы очень хорошей новостью для злоумышленников.

Квантовые вычисления подтолкнут нас в будущее

Возможности, предлагаемые квантовыми вычислениями, не что иное, как невероятные, и однажды они станут достижимыми. Хотя квантовые вычисления все еще находятся на ранних стадиях, дальнейшее развитие в этой области может привести нас к огромным технологическим достижениям. Только время покажет с этим!