Kvantové výpočty: současný stav a budoucí vyhlídky

Vědecká komunita věnuje pozornost omezením moderních superpočítačů a důsledkům pro akademiky a instituce po celém světě.

Vědci například mohou použít současnou technologii ke spuštění složitějších simulací, jako jsou ty, které se zaměřují na chemii a reaktivní vlastnosti každého prvku.

Jak však složitost těchto interakcí roste, je pro současné superpočítače mnohem obtížnější je spravovat. Vzhledem k omezené schopnosti zpracování těchto zařízení je dokončení těchto typů výpočtů téměř nemožné, což nutí vědce při provádění těchto studií volit mezi rychlostí a přesností.

Chcete-li poskytnout určitý kontext pro šíři těchto experimentů, zvažte modelování atomu vodíku. Protože vodík obsahuje pouze jeden proton a jeden elektron, výzkumník by mohl snadno provést chemii ručně nebo se spolehnout na počítač k dokončení výpočtů.

Tento postup se stává obtížnějším v závislosti na počtu atomů a na tom, zda jsou elektrony zapletené. Trvalo by až 20 bilionů let zapsat všechny možné výsledky pro prvek, jako je thulium, který obsahuje 69 elektronů, které jsou všechny zkroucené dohromady.

Kvantové počítače, na druhou stranu, otevírají zcela novou říši možností. Rovnice potřebné k napodobování chemie jsou vědcům známy již od 30. let 20. století, ale vývoj počítače se silou a spolehlivostí k provádění těchto výpočtů nebyl až donedávna možný.

Dnešní kvantové počítače mají rychlost, kterou vědci potřebují k simulaci všech částí chemie, což jim umožňuje být mnohem prediktivnější a snižuje potřebu laboratorních studií. Vysoké školy a instituce mohou být schopny použít kvantové počítače k rozšíření stávajících chemických znalostí.

Zvažte úspory času a peněz, které by mohly být získány, pokud kvantové počítače dokážou eliminovat potřebu laboratorních experimentů během výzkumu. Navíc, protože výpočetní kapacita porozumět chemickým vlastnostem dříve neexistovala, může tento krok vést k průlomům chemických vlastností, které byly dosud neznámé zeměkouli.

Ačkoli se tyto předpovědi kvantových výpočtů mohou zdát jako dýmkové sny, představují další logické kroky. Pouze čas ukáže, jak daleko budeme schopni tuto technologii posunout.

Vysvětlení kvantových výpočtů

Kvantové počítače provádějí sofistikované výpočty využíváním superpozice, interference a zapletení. Místo klasických bitů používá kvantové výpočty kvantové bity neboli qubity, které vykazují kvantové rysy pravděpodobnosti, kde bit je nula i jeden, s pravděpodobnostními koeficienty, dokud se nezměří, kdy je určena jejich diskrétní hodnota.

Ještě důležitější je, že qubity jsou tvořeny kvantovými částicemi, které jsou zapletené, což umožňuje výpočty s přidruženou pravděpodobností. Díky těmto jevům otevírá kvantové výpočty dveře vývoji nových speciálních kvantových algoritmů k řešení nových problémů od kryptografie přes vyhledávače až po turbulentní dynamiku tekutin a až po přímou simulaci kvantové mechaniky, což umožňuje vývoj nových farmaceutických léčiv.

V klasickém výpočtu mají naše informace podobu klasické informace, přičemž bity záměrně přiřazují hodnoty nula nebo jedna. Kvantová mechanika na druhé straně není tak přímočará: v pravděpodobnostním, nejistém stavu může být hodnota nula i jedna. Tento stav má koeficient pro pravděpodobnost nuly a koeficient pro pravděpodobnost, že bude jeden. Při prohlížení qubitu se hodnota diskrétně změní z nuly na jednu.

V praxi mají tyto qubity podobu subatomárních částic s kvantově mechanickými pravděpodobnostními rysy, jako je elektron nebo foton. Navíc v jevu známém jako kvantové zapletení se mnoho částic může spojit v pravděpodobnostních výsledcích, kde výsledek celku již není závislý pouze na výsledku nezávislých složek.

Kvantové výpočetní využití

Mnoho společností již využívá kvantové výpočty. IBM například spolupracuje se společnostmi Mercedes-Benz, ExxonMobil, CERN a Mitsubishi Chemical na začlenění kvantových výpočtů do svého zboží a služeb:

Mercedes-Benz zkoumá kvantové výpočty, aby vyvinul silnější baterie pro svá elektrická vozidla. Začleněním kvantových počítačů do svých produktů společnost doufá, že vytvoří budoucnost aktualizovaných elektricky poháněných automobilů a zároveň bude mít dopad na životní prostředí, aby se do roku 2039 stala uhlíkově neutrální.

ExxonMobil používá kvantové algoritmy k nalezení nejefektivnějších tras pro přepravu čistého spalování paliva po celém světě. Výpočet všech směrovacích kombinací a určení nejefektivnější kombinace by bylo téměř obtížné bez kvantových výpočtů.

CERN, neboli Evropská organizace pro jaderný výzkum, se pokouší odhalit tajemství vesmíru. CERN dokáže pomocí kvantových výpočtů najít algoritmy, které efektivněji identifikují komplikované události vesmíru. Například kvantové výpočty mohou pomoci CERNU při určování vzorců v datech z velkého hadronového urychlovače.

Klady a zápory

Užitečnost kvantových počítačů pramení z pravděpodobnostní povahy jejich fungování. Počítačoví vědci prokázali potenciální využití v rychlejších vyhledávačích, přesnějších předpovědích počasí a přesných lékařských aplikacích přímým použitím pravděpodobnostního typu výpočtu spíše než jeho simulací.

Kromě toho jsou kvantové počítače velmi užitečné při přímém modelování kvantové mechaniky, což bylo primárním cílem vývoje kvantových počítačů. Snad nejpřitažlivějším aspektem kvantové výpočetní techniky je to, že řeší problémy rychleji, takže je ideální pro aplikace, které vyžadují zpracování obrovského množství dat.

Vývoj silného kvantového počítače je však obtížný s mnoha nevýhodami. Jedním ze základních problémů kvantových výpočtů je jeho náchylnost k vysokým teplotám. Aby systém správně fungoval, musí být blízko absolutní nulové teploty, což představuje významný technický problém. Kvalita qubitů navíc není tam, kde by měla být.

Qubity poskytují chybný výstup po určitém množství instrukcí a kvantové počítače postrádají opravu chyb, aby tento problém vyřešily. Ovládání je obtížné udržovat s počtem vodičů nebo laserů potřebných k vytvoření každého qubitu, zvláště pokud je požadován čip s milionem qubitů.

SnapStack Solutions vám poskytuje okamžitý přístup k velké skupině IT odborníků s různými dovednostmi, z nichž všichni byli důkladně prověřeni, vyškoleni a osvědčeni prostřednictvím dlouhodobých angažovaností na klientských projektech v různých průmyslových odvětvích po celém světě. Pokud potřebujete tým odborníků, dejte nám prosím vědět, a my vám rádi pomůžeme. Můžete nás kontaktovat na adrese contact@snapstack.cz nebo prostřednictvím sociálních médií.

‍