Det finns mycket hype om kvantdatorer – om hur det är ett spännande område och revolutionerar hur vi löser komplexa problem i olika branscher. Båda påståendena stämmer eftersom kvantberäkning representerar ett nytt sätt att bearbeta information.
Organisationer runt om i världen lägger betydande resurser på utvecklingen av kvantberäkningstekniker på grund av deras förmåga att överväga många möjligheter och erbjuda potentiella lösningar på komplexa problem.
Innehållsförteckning
Vad är Quantum Computing?
Quantum computing är ett datavetenskapligt område baserat på principen om kvantfysik (studiet av hur atomära partiklar existerar och interagerar med varandra). Den förklarar materias och energis beteende på atomära och subatomära nivåer.
Kvantdatorer använder kvantbitar eller qubits (uttalas cue-bitar), som kan existera samtidigt i flera tillstånd. Denna egenskap tillåter kvantdatorer att lösa problem som skulle ta konventionella datorer en opraktisk mängd tid eller beräkningsresurser.
Hur fungerar Quantum Computing?
Kvantberäkningar använder qubits för att utveckla kvantdatorer som består av kvantsystem som fotoner och elektroner. De används ofta för att utföra beräkningar som vanligtvis skulle vara opraktiska för klassiska datorer. Dessutom använder kvantberäkningar kvantlogiska grindar för att manipulera kvantbitar och utföra beräkningar.
Kvantgrindar är analoga med de logiska grindar som används i klassiska datorer men fungerar på kvantbitar – forskare använder dem för att skapa och manipulera superpositioner och trassla in kvantbitar.
Den strävar efter att förbättra beräkningskapaciteten och lösa de komplexa problem som dagens klassiska datorer inte kan lösa på grund av deras binära tillvägagångssätt och begränsade existens i två tillstånd – 0 och 1, medan kvantberäkning kan anta båda tillstånden samtidigt.
Skillnaden mellan Quantum Computing och Classic Computing
Skillnaderna mellan kvantberäkningar och klassisk beräkning ligger i deras beräkningskapacitet och hur de fungerar. Medan kvantberäkning är baserad på kvantteori.
Klassisk beräkning är baserad på binära siffror eller bitar, som kan anta värdet av antingen 0 eller 1. Kvantdatorer använder qubits som sin dataenhet. Kvantberäkning kan anta båda värdena (0:or och 1:or) samtidigt – denna handling är känd som superposition. En egenskap som tillåter kvantdatorer att anta två tillstånd samtidigt.
När det kommer till effekt har klassisk beräkning mindre beräkningskraft än kvantberäkning eftersom dess effekt ökar baserat på 1:1-förhållandet med de tillgängliga transistorerna. För quantum computing ökar effekten avsevärt baserat på antalet qubits.
Till skillnad från klassisk datoranvändning, som kan implementeras med koder skrivna i programmeringsspråk som Java, SQL, PHP, C#, C++ och Python, bland annat, kombinerar kvantberäkning kod, matematik, fysik och algoritmer för att tjäna sitt specifika syfte.
På grund av dess komplexa arkitektur, bräcklighet och höga utvecklings- och implementeringskostnader skapas kvantdatorer inte som en allmän maskin för allmänt bruk, de är designade för ett specifikt syfte och användningsfall. Å andra sidan är klassiska datorer utbredda och lättillgängliga.
Kvantdatorer har högre felfrekvens än klassiska datorer och kräver extra försiktighet, som att hållas i ett ultrakallt rum för att reglera värmen. Däremot kan klassiska datorer fungera i rumstemperatur.
När det gäller användbarhet är kvantberäkning lämplig för komplexa uppgifter som simulering, optimering, maskininlärning och andra resurskrävande operationer. Klassisk datoranvändning är lämplig för uppgifter som ordbehandling, kalkylbladsberäkningar och andra icke-resurskrävande uppgifter.
Fördelar med Quantum Computing
Fördelarna med kvantberäkning är enorma när de används på rätt sätt. Vi analyserade de bästa meriterna nedan.
- Hastighet: De kan behandla data tusen gånger snabbare än konventionella datorer.
- Säkerhet: Dess algoritm kan användas för att förbättra digital kryptering och skydda en organisations IT-infrastruktur.
- Förmåga att lösa komplexa problem: 2019 hävdade Google att dess Sycamore – en 54-qubit-processor – utförde en beräkning som skulle ta världens snabbaste superdator 10 000 år att slutföra på 200 sekunder.
- Förbättra bedrägeriupptäckt: Finansiella institutioner kan använda kvantdatorer för att skapa bättre handelssimulatorer, designa effektiva investeringsportföljer och förbättra bedrägeriupptäckten.
- Forskning: Det hjälper forskare att utveckla bättre modeller och tillvägagångssätt för att lösa problem i olika branscher, såsom läkemedelsforskning inom hälso- och sjukvård och kemisk upptäckt inom tillverkning.
Funktioner i Quantum Computing
Följande är nyckelfunktionerna i kvantberäkning.
Superposition
Förmågan hos kvantsystem att existera samtidigt i många tillstånd kallas superposition. Klassiska datorer kan bara existera i ett tillstånd åt gången (0 eller 1), vilket betyder att de saknar superpositionsförmåga.
Förveckling
Entanglement uppstår när två qubits är sammanlänkade, och tillståndet för en partikel påverkar den andra, även om de är mil från varandra. Det används ofta för att skapa ett kvantnätverk, vilket gör att kvantdatorer kan dela information.
Interferens I kvantsystem är interferens en biprodukt av superposition. Det är ett vågfenomen som uppstår när subatomära partiklar interagerar med och påverkar.
Det kan antingen vara konstruktivt (när vågorna förstärker varandra eller förstärker rätt svar) eller destruktivt (när de tar ut varandra).
Dekoherens
Kvantsystem är ömtåliga och känsliga för sin omgivning; störningar från deras miljöer kan få kvantbeteendet hos qubitar att förfalla – vilket gör att de förlorar sina kvantförmågor.
Till exempel kan brus orsaka att qubits faller ur superposition. Inte bara det, även temperaturförändringar kan påverka dess prestanda. Därav behovet av att hålla den i en mycket reglerad och kontrollerad miljö.
Begränsningar och utmaningar för Quantum Computing
Även om kvantberäkning erbjuder många fördelar, har den också några nackdelar som är värda att nämna.
- Dekoherens: Till skillnad från klassiska datorer är kvantdatorer känsliga för brus. Störningar kan göra att den faller ur överlagring innan den kan slutföra sina uppgifter.
- Kräver en specialist: På grund av dess komplexitet kräver det en mångsidig pool av kvantspecialister.
- Kvantfelskorrigering: Fel kommer sannolikt att inträffa under beräkningsoperationer, vilket leder till tvivelaktiga utdata. Ett feltolerant kvantsystem krävs för att motstå störningar från omgivningen.
Verkliga tillämpningar och användningar av kvantdatorer
#1. Finansiell modellering
Finansmarknaden är volatil och mycket oförutsägbar. Med quantum computing kan finansiella organisationer simulera finansiella system och använda tekniken för att modellera investeringar baserat på förväntad avkastning.
Den kan också användas i aspekterna portföljoptimering, riskminskning och förvaltning, plus prissättning av optioner. De som utför transaktioner med stora volymer kan utnyttja kvantberäkningar för att förutsäga marknader och analysera den globala finansekonomin.
#2. Logistikoptimering
Kvantdatorer utmärker sig när det gäller att samla in realtidsdata för att optimera logistik, lager och transporter i försörjningskedjan. Organisationer måste kontinuerligt beräkna och räkna om optimala rutter för trafikledning, flottoperationer, flygledning, frakt och distribution – detta är möjligt med klassisk datoranvändning.
Men för stora organisationer med komplexa behov i leveranskedjan kan denna process bli resurskrävande, och kvantdatorer kan rädda situationen.
#3. Bättre batterier
När elektriska fordon (EV) blir vanliga i vårt samhälle, använder tillverkare kvantberäkningskapacitet för att simulera beteendet hos molekyler och material och förstå litiumföreningar och batterikemi för att optimera batteriernas livslängd.
Förutom elbilar har kvantdatorer även tillämpningar inom förnybar energilagring och mobila enheter.
#4. Tillverkning
Quantum computing används för att förbättra många aspekter av tillverkning. En expertinsikt släppt av IBM Institute for Business Value delade upp kvantdatoranvändningsfall vid tillverkning i fyra kategorier.
Upptäck
- Kemi
- Materialvetenskap
- Fysik av kondenserad materia
Design
- Finita skillnadsanalys
- Strukturanalys Hydro/aerodynamik
Kontrollera
- Optimering
- Maskininlärning
- Klassificering
Tillförsel
- Försörjningskedjan
- optimering
- Riskmodellering
De som använder kvantberäkning inom dessa nyckelområden kommer att få en avgörande fördel, eftersom det kommer att bidra till att minska tillverkningskostnaderna och öka produktionshastigheten.
#5. Utveckling av klimatmodeller
Kvantberäkning kan hjälpa till att lösa ihållande hållbarhetsproblem som klimatförändringar. Enligt rapporten från Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) måste utsläppen av växthusgaser minskas avsevärt före 2025 för att undvika stora klimatkatastrofer. Quantum computing kan användas för att minska klimatpåverkan.
Ammoniaktillverkning bidrar med mellan 1 och 2 % av de globala koldioxidutsläppen – kvantberäkningar kan hjälpa till att utveckla alternativ ren energi, såsom bättre batterier för elfordon, solenergi och mer, för att underlätta processen för avkolning av jorden. Det kan också underlätta modellförbättringar i klimat- och väderprognoser samt nätförvaltning.
#6. Bilindustrin
Bilindustrin börjar snabbt anta kvantdatorteknik, detta är uppenbart i partnerskap mellan kvantdatorföretag och biltillverkare, inklusive D-Wave Systems och Volkswagen; Zapata Computing och Bosch; och även IBM Quantum och Mercedes-Benz.
Tillverkare av originalutrustning (OEM) vill utnyttja kvantberäkningar för ruttoptimering och förbättra materialets hållbarhet.
#7. Flygplansutveckling
Flygbolag kan utnyttja kvantberäkningar för många processer, från optimering av färdplaner till flygplansmodellering och digitalisering. Airbus, ett flygbolag som designar, tillverkar och säljer kommersiella flygplan, investerade i IonQ, Q-CTRL och QC Ware för att utnyttja kvantteknologier för att utveckla komplexa flygplansmodeller.
#8. Läkemedelsutveckling
Klassiska datorer används för närvarande för att köra hundratals miljoner molekylära simuleringar, men det finns en gräns för molekylstorleken de kan beräkna. Quantum computing möjliggör forskning och utveckling för att simulera stora och komplexa molekyler för att förbättra datorstödd läkemedelsupptäckt (CADD).
McKinsey & Company rapporterade 2021 att läkemedel spenderar cirka 15 procent av sin försäljning på FoU, vilket står för över 20 procent av de totala FoU-utgifterna i alla industrier världen över.
Denna investering hjälper delvis läkemedelsindustrin att hitta effektiva sätt att utveckla mikromolekyler och makromolekyler för att bota sjukdomar och sjukdomar. Med kvantberäkning kan forskare misslyckas snabbt och påskynda utvecklingen av läkemedel med större chans att lyckas.
#9. Maskininlärning
Kvantdatorernas förmåga att bearbeta stora och komplexa data gör dem till en bra kandidat för maskininlärning. Kvantmaskininlärning är ett studieområde som integrerar kvantalgoritmer med maskininlärningsprogram.
Kvantalgoritmer kan ha en polynom eller superpolynom (exponentiell) hastighet, vilket förbättrar beräkningshastigheten. Med kvantmaskininlärning kan datautövare utveckla snabbare och mer avancerade algoritmer, lösa komplexa datamönster och främja utvecklingen av datorseendeapplikationer och förstärkningsinlärning.
Lärresurser: Quantum Computing
För ytterligare lärande rekommenderar vi följande resurser.
#1. Dansa med Qubits
Författad av Robert S. Sutor, den här boken förklarar hur kvantberäkning fungerar och gäller för vetenskaplig beräkning och AI. Dancing with Qubits täcker skillnaderna mellan klassisk och quantum computing och beskriver dess användningsfall i olika branscher.
Läsarna kommer också att lära sig begrepp som superposition, intrassling och interferens, samt kretsar och algoritmer. Den här resursen kommer att lära dig om grunderna och det väsentliga i kvantberäkning.
#2. Quantum Computing: En tillämpad metod
Skrivet av VD:n för SandboxAQ (Jack D. Hidary), ett kvantteknikföretag – detta material kombinerar teorin och det praktiska med kvantberäkning, inklusive praktisk kod.
Boken har tre delar: Del ett täcker grunderna i kvantberäkning och kvantkretsar, den andra delen förklarar kvantberäkningsalgoritmer och ger kod om nuvarande kvantberäkningsmetoder, och del tre täcker de matematiska aspekterna av kvantberäkning.
#3. Quantum Computing för alla
Nybörjare som letar efter allomfattande material kommer att finna denna resurs fördelaktig. Den täcker grunderna i kvantberäkning och förklarar dess nyckelkomponenter, såsom qubits, entanglement och kvantteleportation.
Författaren till den här boken, Chris Bernhardt, förenklar matematiken bakom kvantdatorer och förklarar också hur kvantdatorer är uppbyggda, vilket gör det enkelt för de som är nya med kvantdatorer att förstå processen för att utveckla systemen.
Slutsats
Företag som Google, IBM och Microsoft leder innovationen av kvantberäkningslösningar – universiteten är inte heller efterlämnade. Bristen på kvantdatorspecialister bidrar till dess långsamma framsteg, plus att kostnaden för att bygga en kvantdator är hög, och inte många organisationer har de resurser som krävs för att skapa en.
Även om kvantberäkning har många löften, är den inte där än. Det kommer att ta några år att inse dess fulla potential och bli vardag som klassiska datorer.
Du kan också läsa om Fog Computing.