Kvanttilaskenta käyttää kvanttimekaniikkaa v altavien tietomäärien käsittelemiseen uskomattoman suurella nopeudella. Kvanttitietokoneella kestää muutamasta minuutista useisiin tunteihin ratkaista ongelma, jonka ratkaiseminen pöytätietokoneella kestäisi vuosia tai vuosikymmeniä.
Kvanttilaskenta on perustamassa uuden sukupolven supertietokoneita. Näiden kvanttitietokoneiden odotetaan ylittävän olemassa olevan teknologian esimerkiksi mallinnuksen, logistiikan, trendianalyysin, kryptografian ja tekoälyn aloilla.
Kvanttilaskennan selitys
Ajatuksen kvanttilaskennasta keksivät ensimmäisen kerran 1980-luvun alussa Richard Feynman ja Yuri Manin. Feynman ja Manin uskoivat, että kvanttitietokone voisi simuloida tietoja tavoilla, joita pöytätietokone ei pystyisi. Tutkijat rakensivat ensimmäiset kvanttitietokoneet vasta 1990-luvun lopulla.
Kvanttilaskenta käyttää kvanttimekaniikkaa, kuten superpositiota ja kietoutumista, laskelmien suorittamiseen. Kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka tutkii asioita, jotka ovat erittäin pieniä, eristettyjä tai kylmiä.
Kvanttilaskennan ensisijainen prosessointiyksikkö on kvanttibitit tai kubitit. Kvantitietokoneessa luodaan kubitit käyttämällä yksittäisten atomien, atomien alaosien tai suprajohtavien sähköpiirien kvanttimekaanisia ominaisuuksia.
Kubitit ovat samanlaisia kuin pöytätietokoneiden käyttämät bitit siinä mielessä, että kubitit voivat olla kvanttitilassa 1 tai 0. Kubitit eroavat toisistaan siinä, että ne voivat olla myös 1- ja 0-tilojen superpositiossa, mikä tarkoittaa, että kubitit voivat edustaa sekä 1:tä että 0:aa samanaikaisesti.
Kun kubitit ovat superpositiossa, kaksi kvanttitilaa lasketaan yhteen ja tuloksena on toinen kvanttitila. Superpositio tarkoittaa, että useita laskutoimituksia käsitellään samanaikaisesti. Joten kaksi kubittiä voi edustaa neljää numeroa samanaikaisesti. Tavalliset tietokoneet käsittelevät bittejä vain toisessa kahdesta mahdollisesta tilasta, 1 tai 0, ja laskelmat käsitellään yksi kerrallaan.
Kvanttitietokoneet käyttävät myös kietoutumista kubittien käsittelyyn. Kun kubitti on sotkeutunut, sen tila riippuu toisen kubitin tilasta niin, että yksi kubitti paljastaa havaitsemattoman parinsa tilan.
Kvanttiprosessori on tietokoneen ydin
Kubittien luominen on vaikea tehtävä. Vaatii jäätyneen ympäristön ylläpitääksesi kubittia pitkän ajan. Kubitin luomiseen tarvittavat suprajohtavat materiaalit on jäähdytettävä absoluuttiseen nollaan (noin miinus 272 celsiusastetta). Kubitit on myös suojattava taustamelulta laskennan virheiden vähentämiseksi.
Kvanttitietokoneen sisäpuoli näyttää upe alta kultaisella kattokruunulla. Ja kyllä, se on tehty aidosta kullasta. Se on laimennusjääkaappi, joka jäähdyttää kvanttisirut, jotta tietokone voi luoda superpositioita ja sotkeutua kubitteihin menettämättä mitään tietoja.
Kvanttitietokone tekee nämä kubitit mistä tahansa materiaalista, joka näyttää kvanttimekaanisia ominaisuuksia, joita voidaan ohjata. Kvanttilaskentaprojektit luovat kubitteja eri tavoilla, kuten suprajohtavan langan silmukointia, elektronien pyörimistä ja fotonien ionien tai pulssien vangitsemista. Nämä kubitit ovat olemassa vain laimennusjääkaappiin luoduissa pakkasen alapuolella.
Kvanttilaskennan ohjelmointikieli
Kvanttialgoritmit analysoivat tiedot ja tarjoavat simulaatioita niiden perusteella. Nämä algoritmit on kirjoitettu kvanttikeskeisellä ohjelmointikielellä. Tutkijat ja teknologiayritykset ovat kehittäneet useita kvanttikieliä.
Nämä ovat muutamia kvanttilaskennan ohjelmointikieliä:
- QISKit: IBM:n Quantum Information Software Kit on täysi pinokirjasto kvanttiohjelmien kirjoittamiseen, simulointiin ja suorittamiseen.
- Q: Microsoft Quantum Development Kitin ohjelmointikieli. Kehityspaketti sisältää kvanttisimulaattorin ja algoritmikirjastot.
- Cirq: Googlen kehittämä kvanttikieli, joka käyttää python-kirjastoa piirien kirjoittamiseen ja näiden piirien ajamiseen kvanttitietokoneissa ja simulaattoreissa.
- Forest: Rigetti Computingin luoma kehittäjäympäristö, joka kirjoittaa ja suorittaa kvanttiohjelmia.
Kvanttilaskentaan käytettävät käyttötavat
Oikeita kvanttitietokoneita on tullut saataville muutaman viime vuoden aikana, ja vain muutamalla suurella teknologiayrityksellä on kvanttitietokone. Jotkut näistä teknologiayrityksistä ovat Google, IBM, Intel ja Microsoft. Nämä teknologiajohtajat työskentelevät valmistajien, rahoituspalveluyritysten ja biotekniikkayritysten kanssa ratkaistakseen erilaisia ongelmia.
Kvanttitietokonepalvelujen saatavuus ja laskentatehon kehittyminen antavat tutkijoille ja tiedemiehille uusia työkaluja löytää ratkaisuja ongelmiin, joita aiemmin oli mahdotonta ratkaista. Kvanttilaskenta on vähentänyt aikaa ja resursseja, jotka tarvitaan uskomattomien tietomäärien analysointiin, simulaatioiden luomiseen tiedosta, ratkaisujen kehittämiseen ja uusien tekniikoiden luomiseen, jotka korjaavat ongelmia.
Yritys ja teollisuus käyttävät kvanttilaskentaa tutkiakseen uusia tapoja harjoittaa liiketoimintaa. Tässä on muutamia kvanttilaskentaprojekteja, jotka voivat hyödyttää liiketoimintaa ja yhteiskuntaa:
- Ilma-avaruusteollisuus käyttää kvanttilaskentaa tutkiakseen parempia tapoja hallita lentoliikennettä.
- Rahoitus- ja sijoituspalveluyritykset toivovat voivansa käyttää kvanttilaskentaa rahoitussijoitusten riskin ja tuoton analysoimiseen, portfoliostrategioiden optimointiin ja taloudellisten muutosten ratkaisemiseen.
- Valmistajat ottavat käyttöön kvanttilaskentaa parantaakseen toimitusketjujaan, parantaakseen tuotantoprosessejaan ja kehittääkseen uusia tuotteita.
- Bioteknologiayritykset tutkivat tapoja nopeuttaa uusien lääkkeiden löytämistä.
Etsi kvanttitietokone ja kokeile kvanttilaskentaa
Jotkut tietojenkäsittelytieteilijät kehittävät menetelmiä kvanttilaskennan simuloimiseksi pöytätietokoneessa.
Monet maailman suurimmista teknologiayrityksistä tarjoavat kvanttipalveluita. Kun nämä kvanttipalvelut yhdistetään pöytätietokoneisiin ja järjestelmiin, ne luovat ympäristön, jossa kvanttikäsittely pöytätietokoneiden kanssa ratkaisee monimutkaisia ongelmia.
- IBM tarjoaa IBM Q -ympäristön, jossa on pääsy useisiin todellisiin kvanttitietokoneisiin ja simulaatioihin, joita voit käyttää pilven kautta.
- Alibaba Cloud tarjoaa kvanttilaskentapilvialustan, jossa voit käyttää ja testata räätälöityjä kvanttikoodeja.
- Microsoft tarjoaa kvanttikehityspaketin, joka sisältää Q-ohjelmointikielen, kvanttisimulaattorit ja käyttövalmiin koodin kehityskirjastot.
- Rigettillä on kvantti-ensimmäinen pilvialusta, joka on tällä hetkellä betavaiheessa. Heidän alustansa on esikonfiguroitu Forest SDK:lla.
Kvanttilaskennan uutisia tulevaisuudessa
Unelma on, että kvanttitietokoneet ratkaisevat ongelmat, jotka ovat tällä hetkellä liian suuria ja liian monimutkaisia ratkaistaviksi tavallisella laitteistolla – erityisesti ympäristön mallintamiseen ja sairauksien torjuntaan.
Pöytätietokoneissa ei ole tilaa näiden monimutkaisten laskelmien suorittamiseen ja tämän uskomattoman määrän data-analyysin suorittamiseen. Kvanttilaskenta kerää suurimmat isot datakokoelmat ja käsittelee tämän tiedon murto-osassa ajasta, joka kuluisi pöytätietokoneessa. Tieto, jonka käsittely ja analysointi pöytätietokoneelta kestäisi useita vuosia, kestää vain muutaman päivän kvanttitietokoneella.
Kvanttilaskenta on vielä lapsenkengissään, mutta sillä on potentiaalia ratkaista maailman monimutkaisimmat ongelmat valonnopeudella. Kuka tahansa voi arvailla kuinka pitkälle kvanttilaskenta tulee kasvamaan ja kvanttitietokoneiden saatavuuteen.
