Квантовая технология готовится к своему крупному плану. Ожидается, что благодаря использованию причудливых свойств квантовой механики — раздела физики, описывающего поведение таких частиц, как атомы, фотоны и электроны, — квантовые технологии сделают возможными инновации в открытии лекарств и материалов, управлении финансовыми портфелями, моделировании климата и погоды, оптимизация производства и поведенческая аналитика, среди многих других. Технологические гиганты, правительства и начинающие стартапы вкладывают миллиарды в гонку за квантовыми прорывами1, в то время как эксперты спорят о квантовых достижениях. Между тем, угроза, которую представляют квантовые технологии для современной технологии шифрования, висит над головой, как дамоклов меч.

Квантовые биты (кубиты): основа квантовых вычислений

Квантовые биты, или кубиты, являются фундаментальными единицами квантовой информации в квантовых вычислениях. Они похожи на классические биты тем, что могут представлять информацию, но отличаются тем, что могут существовать одновременно в суперпозиции состояний 0 и 1. Это свойство позволяет квантовым компьютерам выполнять определенные вычисления намного быстрее, чем классические компьютеры. Кубит может быть представлен двумерным вектором-столбцом с единичной нормой, что означает, что сумма квадратов его элементов должна равняться 1.

Любой двумерный вектор-столбец действительных или комплексных чисел с нормой 1 представляет собой возможное квантовое состояние, удерживаемое кубитом. Векторы квантового состояния [1 0] и [0 1] образуют основу векторного пространства, описывающего состояние кубита, и любой вектор квантового состояния можно записать в виде суммы этих векторов основы. Кубиты являются строительными блоками квантовых компьютеров, а их уникальные свойства позволяют разрабатывать новые мощные алгоритмы и технологии.

Они могут произвести революцию в таких областях, как криптография, химия, материаловедение и многие другие. Тем не менее, чтобы полностью реализовать потенциал квантовых вычислений, нужно преодолеть еще много проблем, включая проблемы с декогерентностью кубитов и исправлением ошибок. Тем не менее, в области квантовых вычислений произошло много захватывающих прорывов и разработок.

В области квантовых вычислений произошло несколько впечатляющих достижений, о которых стоит знать.

Одним из наиболее значительных достижений в области квантовых вычислений стало достижение Google квантового превосходства в 2019 году. Это означает, что квантовый компьютер Google смог выполнять определенные вычисления быстрее, чем самый быстрый суперкомпьютер в мире. Это стало важной вехой в области квантовых вычислений, поскольку продемонстрировало потенциальную мощь этих машин.

Еще одним захватывающим событием в области квантовых вычислений является создание гибридных квантово-классических алгоритмов. Эти алгоритмы сочетают в себе сильные стороны квантовых и классических вычислений для более эффективного решения задач. Этот подход может значительно повысить производительность квантовых компьютеров и сделать их более практичными для реальных приложений.

Исследователи также добиваются успехов в разработке новых типов квантовых битов или кубитов, которые являются строительными блоками квантовых компьютеров. Например, исследователи создали состояние квантовой суперпозиции в полупроводниковой наноструктуре, которая может служить основой для квантовых вычислений. Этот новый тип кубита потенциально может улучшить производительность и масштабируемость квантовых компьютеров.

В дополнение к этим техническим достижениям также предпринимаются усилия, чтобы сделать квантовые вычисления более доступными для исследователей и бизнеса. Например, несколько компаний сейчас предлагают облачные услуги квантовых вычислений, которые позволяют пользователям удаленно получать доступ и экспериментировать с квантовыми компьютерами.

Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для выполнения вычислений, которые намного быстрее и мощнее, чем те, которые выполняются классическими компьютерами. Это связано с тем, что квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты, которые могут одновременно существовать в нескольких состояниях, что позволяет им выполнять несколько вычислений одновременно.

Одно из самых многообещающих применений квантовых вычислений находится в области химии. Квантовые компьютеры способны точно моделировать сложные химические реакции, что может помочь ученым в разработке новых материалов и лекарств. Например, исследователи из IBM использовали квантовый компьютер для моделирования поведения небольшой молекулы под названием гидрид бериллия, что может помочь нам лучше понять химические реакции.

Есть несколько компаний и исследовательских институтов, работающих над разработкой квантовых компьютеров и их приложений. Некоторые из ведущих компаний в этой области включают IBM, Google, Microsoft и Rigetti Computing. Эти компании работают над разработкой аппаратного и программного обеспечения для квантовых компьютеров.

Последние прорывы в квантовых вычислениях

Ученые из южнокорейского центра передовых исследований сверхпроводящего токамака (KSTAR) (Корейский институт термоядерной энергии) впервые смогли поддерживать реакцию ядерного синтеза, протекающую при температуре свыше 100 миллионов °C в течение 30 секунд, и, наконец, смогли для достижения чистого прироста энергии при проведении эксперимента по ядерному синтезу 2.

Его называют экспериментом по синтезу «святого Грааля» по созданию мини-Солнца 23, поскольку он достиг температуры почти в семь раз выше, чем в ядре Солнца ☀️ 1, температура которого составляет 15 миллионов градусов по Кельвину!

Квантовые вычисления могут помочь в таких приложениях, как алгоритмическая торговля, в которой используются сложные алгоритмы для инициирования сделок с акциями при автоматическом анализе рыночных условий.

Машинное обучение и искусственный интеллект являются одними из важных областей в настоящее время, поскольку новые технологии проникли почти во все аспекты человеческой жизни. Некоторые из широко распространенных приложений, которые можно увидеть, — это распознавание изображений, голоса и рукописного ввода. Ожидается, что квантовые вычисления значительно ускорят рабочие нагрузки: алгоритмы оптимизации, наука о данных и математическое моделирование, а также квантовая химия и материаловедение — все это оказывает влияние на многие отрасли и сектора. К компаниям, занимающимся квантовыми вычислениями, относятся Atom Computing, Xanadu, IBM, Google, Microsoft, AWS Braket (Amazon), Alibaba Cloud, Atos, Baidu, Bleximo и др.

Приложения квантовых вычислений

1. Криптография:

Квантовые вычисления могут произвести революцию в области криптографии и безопасной связи. Используя возможности квантовой механики, квантовые компьютеры могут выполнять вычисления, которые намного быстрее и мощнее, чем те, которые выполняются классическими компьютерами. Это может сильно повлиять на безопасность онлайн-коммуникаций, позволяя разрабатывать новые алгоритмы шифрования, устойчивые к атакам даже с самых мощных классических компьютеров.

Одно из наиболее многообещающих применений квантовых вычислений в криптографии связано с распределением квантовых ключей. Квантовое распределение ключей — это метод безопасной связи, использующий принципы квантовой механики для передачи информации. Этот метод считается невзламываемым, так как любая попытка перехвата передачи будет немедленно обнаружена.

Квантовые вычисления также могут улучшить другие области безопасной связи. Например, его можно использовать для разработки новых алгоритмов шифрования, устойчивых к атакам со стороны классических компьютеров. Это может помочь защитить конфиденциальную информацию, такую ​​как финансовые данные и личную информацию, от перехвата хакерами.

2. медицина и лекарства:

Одним из наиболее многообещающих применений квантовых вычислений в медицине является разработка лекарств. Квантовые компьютеры могут точно моделировать поведение молекул, что может помочь ученым в разработке новых лекарств и методов лечения. Например, исследователи из IBM использовали квантовый компьютер для моделирования поведения небольшой молекулы под названием гидрид бериллия, что может помочь нам лучше понять химические реакции.

Квантовые вычисления также могут произвести революцию в других областях медицины, таких как анализ и диагностика заболеваний. Используя передовые алгоритмы и методы машинного обучения, квантовые компьютеры могут помочь врачам и исследователям анализировать большие объемы данных, выявлять закономерности и ставить более точные диагнозы.

3. оптимизация и машинное обучение:

В области оптимизации квантовые вычисления могут значительно повысить эффективность. Решая задачи оптимизации намного быстрее, квантовые вычисления могут помочь снизить затраты и повысить производительность. Например, в логистике и управлении цепочками поставок квантовые вычисления можно использовать для оптимизации маршрутов и графиков, что приведет к повышению эффективности операций.

Квантовые вычисления также могут ускорить алгоритмы машинного обучения и повысить их производительность. Это будет особенно полезно в таких областях, как распознавание изображений и речи, обработка естественного языка и автономные транспортные средства1. Используя передовые алгоритмы и методы машинного обучения, квантовые компьютеры могут помочь исследователям анализировать большие объемы данных, выявлять закономерности и делать более точные прогнозы.

Преодоление трудностей на пути вперед

Декогеренция кубита и масштабируемость:

Несмотря на многообещающие достижения, остается еще много проблем, которые необходимо решить, прежде чем квантовые компьютеры станут широко доступными. Одной из основных задач является снижение количества ошибок в квантовых вычислениях. квантовые вычисления сталкиваются с огромными проблемами. Декогеренция кубитов, при которой кубиты теряют свои квантовые свойства из-за возмущений окружающей среды (квантовые компьютеры очень чувствительны к шуму и другим источникам ошибок, которые могут ограничивать их производительность), остается серьезным препятствием. Обеспечение стабильности и когерентности кубитов в течение длительных периодов времени необходимо для надежной работы квантовых компьютеров.

Масштабируемость — еще одна важная проблема: хотя квантовые компьютеры продемонстрировали исключительные возможности, их нынешний масштаб ограничен по сравнению с классическими аналогами. Задача заключается в масштабировании квантовых систем при сохранении тонкого баланса когерентности и минимизации ошибок.

Будущие перспективы и совместные усилия

Траектория квантовых вычислений отмечена инновациями и сотрудничеством. Компании и исследователи по всему миру вкладывают ресурсы, чтобы раздвинуть границы возможного. Усилия по разработке более совершенных кубитов, улучшению исправления ошибок и изучению гибридных квантово-классических алгоритмов продолжают способствовать прогрессу.

По мере развития квантовых вычислений у них есть потенциал открыть решения проблем, которые ускользали от классических компьютеров. От революционного открытия лекарств до оптимизации сложных систем далеко идущие приложения квантовых вычислений могут переопределить отрасли и определить курс технического прогресса.

В заключение следует сказать, что квантовые вычисления — это увлекательная и быстро развивающаяся область, которая может произвести революцию во многих областях науки и техники. Несмотря на то, что предстоит решить еще много проблем, будущее квантовых вычислений выглядит очень многообещающе.