Квантно рачунарство је у центру пажње, често се наглашава његов потенцијал и трансформативна моћ у решавању комплексних изазова у различитим секторима. Ове тврдње нису без основа, јер квантно рачунарство представља нову парадигму у обради информација.
Многе организације широм света улажу значајне ресурсе у развој квантних рачунарских технологија, признајући њихову способност да анализирају бројне могућности и нуде потенцијална решења за сложене проблеме.
Шта је квантно рачунарство?
Квантно рачунарство је грана рачунарства која се заснива на принципима квантне механике – студије о томе како честице на атомском и субатомском нивоу постоје и међуделују. Ова област описује понашање материје и енергије на овим фундаменталним нивоима.
Квантни рачунари користе квантне битове, познате и као кубити, који могу постојати у више стања истовремено. Овај аспект омогућава квантним рачунарима да се носе са проблемима за које би конвенционалним рачунарима требало непрактично много времена или рачунских ресурса.
Како функционише квантно рачунарство?
Квантно рачунарство користи кубите за изградњу квантних рачунара који се састоје од квантних система попут фотона и електрона. Ови системи се користе за прорачуне који би били неизводљиви за класичне рачунаре. Штавише, квантно рачунарство примењује квантне логичке капије за манипулисање кубитима и извођење прорачуна.
Квантне капије су еквивалент логичким капијама које се користе у класичним рачунарима, али раде на квантним битовима. Истраживачи их користе за стварање и управљање суперпозицијама и преплитањем кубита.
Циљ је унапређење рачунарских могућности и решавање комплексних проблема које класични рачунари, због свог бинарног приступа и ограничења на два стања – 0 и 1, не могу да реше. Квантно рачунарство може да претпостави оба стања истовремено.
Разлика између квантног и класичног рачунарства
Кључне разлике између квантног и класичног рачунарства леже у њиховим рачунарским капацитетима и начину на који они функционишу. Квантно рачунарство се заснива на квантној теорији.
Класично рачунарство се ослања на бинарне цифре, односно битове, који могу имати вредност 0 или 1. Квантни рачунари користе кубите као основну јединицу података. Квантно рачунарство може истовремено да преузме обе вредности (0 и 1) – ова појава се назива суперпозиција. Ово својство омогућава квантним рачунарима да буду у два стања у исто време.
Класично рачунарство има мању рачунарску моћ у поређењу са квантним рачунарством, јер се његова снага повећава линеарно са доступним транзисторима. Насупрот томе, код квантног рачунарства, снага се значајно повећава са бројем кубита.
За разлику од класичног рачунарства, које се имплементира помоћу кодова написаних у програмским језицима као што су Java, SQL, PHP, C#, C++ и Python, квантно рачунарство комбинује код, математику, физику и алгоритме како би испунило свој специфичан задатак.
Због сложене архитектуре, осетљивости и високих трошкова развоја, квантно рачунарство није замишљено као универзална машина за широку употребу, већ је намењено специфичним апликацијама и случајевима употребе. Са друге стране, класични рачунари су широко распрострањени и лако доступни.
Квантни рачунари имају веће стопе грешака од класичног рачунарства и захтевају посебне услове, као што је одржавање у ултра хладној просторији ради регулације температуре. Насупрот томе, класични рачунари могу радити на собној температури.
У погледу применљивости, квантно рачунарство је погодно за сложене задатке као што су симулација, оптимизација, машинско учење и друге операције које захтевају велике ресурсе. Класично рачунарство је прикладно за задатке као што су обрада текста, табеларне калкулације и друге задатке који не захтевају интензивне ресурсе.
Предности квантног рачунарства
Предности квантног рачунарства су значајне када се правилно користе. У наставку су анализиране неке од највећих предности.
- Брзина: Квантни рачунари могу обрађивати податке хиљаду пута брже од конвенционалних рачунара.
- Безбедност: Њихови алгоритми се могу користити за побољшање дигиталне енкрипције и заштиту ИТ инфраструктуре организације.
- Способност решавања сложених проблема: Гоогле је 2019. године објавио да је његов Сицаморе процесор са 54 кубита извршио прорачун за 200 секунди, за који би најбржем суперрачунару на свету требало 10.000 година.
- Побољшање детекције превара: Финансијске институције могу користити квантно рачунарство за стварање прецизнијих симулација трговања, дизајнирање ефикаснијих инвестиционих портфолија и побољшање откривања превара.
- Истраживање: Помаже научницима да развију прецизније моделе и приступе решавању проблема у различитим индустријама, као што су истраживање лекова у здравству и откриће хемикалија у производњи.
Карактеристике квантног рачунарства
Испод су наведене кључне карактеристике квантног рачунарства.
Суперпозиција
Суперпозиција је способност квантних система да истовремено постоје у више стања. Класични рачунари могу постојати само у једном стању (0 или 1), што значи да немају способност суперпозиције.
Преплитање
Преплитање настаје када су два кубита повезана, а стање једне честице утиче на другу, чак и ако су удаљене једна од друге. Ово се често користи за стварање квантне мреже, омогућавајући квантним рачунарима да деле информације.
Интерференција је нуспроизвод суперпозиције у квантним системима. То је таласни феномен који се јавља када субатомске честице међусобно делују и утичу.
Може бити конструктиван (где се таласи међусобно појачавају, дајући тачан одговор) или деструктиван (где се таласи међусобно поништавају).
Декохеренција
Квантни системи су осетљиви на утицаје околине. Сметње из њиховог окружења могу узроковати распад квантног понашања кубита, што значи да губе своје квантне способности.
На пример, шум може довести до тога да кубити испадну из суперпозиције. Поред тога, чак и температурне промене могу утицати на њихове перформансе. Због тога је неопходно да се држе у строго регулисаном и контролисаном окружењу.
Ограничења и изазови квантног рачунарства
Иако квантно рачунарство нуди бројне предности, има и неке недостатке које треба размотрити.
- Декохеренција: За разлику од класичних рачунара, квантни рачунари су осетљиви на шум. Поремећаји могу довести до тога да кубит испадне из суперпозиције пре него што заврши задатак.
- Захтева специјалисте: Због своје сложености, потребан је разнолик тим стручњака за квантно рачунарство.
- Квантна корекција грешака: Вероватно ће се грешке десити током рачунарских операција, што може довести до непоузданих резултата. Потребан је квантни систем отпоран на грешке да би издржао сметње из окружења.
Примене квантног рачунарства у реалном животу
#1. Финансијско моделирање
Финансијско тржиште је нестабилно и веома непредвидиво. Са квантним рачунарством, финансијске организације могу да симулирају финансијске системе и користе технологију за моделирање инвестиција на основу очекиваних приноса.
Такође се може користити у оптимизацији портфолија, смањењу и управљању ризиком, као и за одређивање цена опција. Они који обављају велике трансакције могу да користе квантно рачунарство за предвиђање тржишта и анализу глобалне финансијске економије.
#2. Оптимизација логистике
Квантни рачунари су одлични када је у питању прикупљање података у реалном времену како би се оптимизовала логистика ланца снабдевања, залиха и транспорта. Организације треба да непрекидно израчунавају и прерачунавају оптималне руте за управљање саобраћајем, флотама, контролу ваздушног саобраћаја, теретом и дистрибуцијом – то је изводљиво са класичним рачунарством.
Међутим, за велике организације са сложеним потребама ланца снабдевања, овај процес може постати интензиван са ресурсима, а квантно рачунарство може бити од помоћи.
#3. Боље батерије
С обзиром на то да електрична возила (ЕВ) постају све уобичајенија, произвођачи користе способност квантног рачунарства да симулира понашање молекула и материјала, разумеју литијумска једињења и хемију батерија како би оптимизовали њихов радни век.
Поред електричних возила, квантно рачунарство има примену и у складиштењу обновљиве енергије и мобилним уређајима.
#4. Производња
Квантно рачунарство се користи за унапређење различитих аспеката производње. Стручни увиди објављени од стране IBM Института за пословну вредност поделили су случајеве употребе квантног рачунарства у производњи у четири категорије:
Откривање
- Хемија
- Наука о материјалима
- Физика кондензоване материје
Дизајн
- Анализа коначних разлика
- Структурна анализа хидро/аеродинамике
Контрола
- Оптимизација
- Машинско учење
- Класификација
Снабдевање
- Ланац снабдевања
- Оптимизација
- Моделирање ризика
Они који усвоје квантно рачунарство у овим кључним областима стећи ће предност, јер ће помоћи у смањењу трошкова производње и повећању брзине производње.
#5. Развој климатских модела
Квантно рачунарство може помоћи у решавању упорних проблема одрживости, као што су климатске промене. Према извештају Међувладиног панела за климатске промене (IPCC), емисије гасова са ефектом стаклене баште морају бити значајно смањене пре 2025. године како би се избегле велике климатске катастрофе. Квантно рачунарство се може користити за смањење утицаја на климу.
Производња амонијака доприноси између 1 и 2% глобалних емисија угљен-диоксида. Квантно рачунарство може помоћи у развоју алтернативне чисте енергије, као што су побољшане батерије за електрична возила, соларна енергија и друге, како би се олакшао процес декарбонизације планете. Такође може побољшати моделе у климатским и временским прогнозама, као и управљање мрежом.
#6. Аутомобилска индустрија
Аутомобилска индустрија убрзано усваја технологију квантног рачунарства, што је очигледно кроз партнерства између компанија за квантно рачунарство и произвођача аутомобила, укључујући D-Wave Systems и Volkswagen, Zapata Computing и Bosch, као и IBM Quantum и Mercedes-Benz.
Произвођачи оригиналне опреме (OEM) желе да искористе квантно рачунарство за оптимизацију рута и побољшање издржљивости материјала.
#7. Развој авиона
Ваздухопловне компаније могу користити квантно рачунарство за различите процесе, од оптимизације планова лета до моделирања авиона и дигитализације. Airbus, авиокомпанија која дизајнира, производи и продаје комерцијалне авионе, инвестирала је у IonQ, Q-CTRL и QC Ware како би користила квантне технологије у развоју комплексних модела авиона.
#8. Развој лекова
Класични рачунари се тренутно користе за покретање стотина милиона молекуларних симулација, али постоји ограничење величине молекула које могу да израчунају. Квантно рачунарство омогућава истраживање и развој да симулира велике и сложене молекуле како би се побољшало компјутерски потпомогнуто откривање лекова (CADD).
McKinsey & Company је 2021. године известила да фармација троши око 15 процената своје продаје на истраживање и развој, што чини више од 20 процената укупне потрошње на истраживање и развој у свим индустријама широм света.
Ова инвестиција, делимично, помаже фармацеутској индустрији да пронађе ефикасне начине за развој микромолекула и макромолекула који помажу у лечењу болести. Са квантним рачунарством, истраживачи могу брже да истражују и убрзају развој лекова са већим шансама за успех.
#9. Машинско учење
Способност квантних рачунара да обрађују велике и сложене податке чини их добрим кандидатима за машинско учење. Квантно машинско учење је област студија која интегрише квантне алгоритме са програмима машинског учења.
Квантни алгоритми могу имати полиномијално или суперполиномијално (експоненцијално) убрзање, што побољшава брзину рачунара. Са квантним машинским учењем, практичари података могу да развију брже и напредније алгоритме, решавају сложене обрасце података и унапреде развој апликација за рачунарски вид и учење уз појачање.
Ресурси за учење: Квантно рачунарство
За даље учење препоручујемо следеће ресурсе.
#1. Плес са Кубитима
Аутор Роберт С. Сутор, ова књига објашњава како функционише квантно рачунарство и његову примену у научном рачунарству и АИ. „Плес са Кубитима“ разматра разлике између класичног и квантног рачунарства и описује примере употребе у различитим индустријама.
Читаоци ће такође научити концепте као што су суперпозиција, преплитање и интерференција, као и кола и алгоритме. Овај ресурс ће вас упознати са основама квантног рачунарства.
#2. Квантно рачунарство: Примењени приступ
Написао је извршни директор компаније SandboxAQ (Jack D. Hidary), компаније за квантну технологију – овај материјал комбинује теорију и практичну примену квантног рачунарства, укључујући практичан код.
Књига има три дела: први део покрива основе квантног рачунарства и квантних кола, други део објашњава квантне алгоритме и пружа код за тренутне методе квантног рачунарства, а трећи део разматра математичке аспекте квантног рачунарства.
#3. Квантно рачунарство за све
Овај ресурс ће бити користан почетницима који траже свеобухватан материјал. Он покрива основе квантног рачунарства и објашњава његове кључне компоненте, као што су кубити, преплитање и квантна телепортација.
Аутор ове књиге, Крис Бернхард, поједностављује математику која стоји иза квантног рачунарства и објашњава како се граде квантни рачунари, што олакшава онима који су нови у квантном рачунарству да разумеју процес развоја система.
Закључак
Компаније попут Гоогле-а, IBM-а и Microsoft-а предводе иновације у квантном рачунарству, а и универзитети такође учествују. Недостатак стручњака за квантно рачунарство доприноси његовом споријем напретку. Поред тога, трошкови изградње квантног рачунара су високи, а нема много организација које имају ресурсе потребне за његову производњу.
Иако квантно рачунарство много обећава, оно још није у потпуности развијено. Биће потребно неколико година да оствари свој пуни потенцијал и постане уобичајено као класични рачунари.
Такође можете читати о рачунарству у магли.