Квантовые компьютеры

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных.

это машина, использующая уникальные квантово-механические эффекты (в частности интерференцию) для выполнения особых видов вычислений, которые даже в принципе невозможно выполнить ни на каком классическом компьютере.

принципе на языке квантовых вычислений можно объяснить всю квантовую механику, если рассматривать состояние элементарной частицы как кубит, а любое физическое взаимодействие как операцию по обработке квантовой информации. Тогда квантовым компьютером можно назвать любую достаточно изолированную систему, в которой частицы взаимодействуют друг с другом, но оказывают минимальное воздействие на окружающую среду.

Кубит (сокращение от "квантовый бит") — это базовый элемент квантовых вычислений, аналог классического бита в традиционных вычислениях. В отличие от классического бита, который может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), кубит может быть в состоянии, которое представляет собой суперпозицию этих двух состояний. То есть он может одновременно быть в состоянии 0 и 1 с некоторыми вероятностями.

это двумерный вектор состояния в гильбертовом(Преобразование Гильберта упрощает формирование аналитического сигнала) пространстве. Чтобы не усложнять объяснение математикой, можно условно представлять кубиты как волны вероятностей. Но если в классической теории вероятностей вероятность любого случайного события всегда положительна, то в квантовой физике амплитуда волновой функции является комплексной величиной и может быть как положительной, так и отрицательной.

Отличие от обичных компьютеров

В классическом компьютере единицей информации является бит, принимающий дискретные значения 0 или 1. У квантового компьютера это кубит, который может находиться в суперпозиции состояний 0 и 1. Суперпозицию часто ошибочно понимают как «0 и 1 одновременно» или как одно из множество действительных чисел между 0 и 1. На самом деле это не «и» и не «или», а соотношение вероятностей получить один из этих результатов, в сумме равное 1. Например, фотон с вероятностью 30% принимает верхний спин и с вероятностью 70% - нижний. Но кроме амплитуды (вероятности) кубит имеет ещё и фазу, поэтому правильнее представлять и рисовать кубит не одномерной шкалой и не циферблатом, а в виде двумерной сферы Блоха, южный полюс которой соответствует 1, северный – 0, стрелка-радиус может указывать на любую точку на поверхности сферы, соответствующую чистому состоянию, а точки внутри сферы представляют смешанные (запутанные) состояния.

Соединение. В классическом компьютере транзисторы связаны между собой локально полупроводниковым чипом – интегральной схемой. В квантовом компьютере кубиты запутываются между собой с помощью нелокальных корреляций. Запутанность лежит в основе квантового сверхплотного кодирования, позволяющего с помощью одного кубита передавать два бита классической информации. Кубиты можно запутать друг с другом разными способами, причём количество этих способов растёт экспоненциально по мере увеличения количества самих кубитов.

Принцип работы. Классический компьютер является цифровым устройством (обрабатывает информацию в дискретной форме, как строку из нулей и единиц) и работает по детерминированному принципу: если мы задали какое-то начальное состояние системы и пропустили его через заданный алгоритм, то результат вычислений будет один и тот же, сколько бы раз мы это вычисление не запускали. Исключения возможны, но они рассматриваются как сбои в программе. Квантовый компьютер – аналоговая машина (использует континуум значений), которая работает по вероятностному принципу. Результат работы заданного алгоритма на заданном начальном состоянии представляет собой выборку из вероятностного распределения конечных реализаций алгоритма плюс возможные ошибки. Да, квантовый компьютер редко выдаёт правильный ответ с вероятностью 100%. Вероятность ошибки во многом зависит от внешних шумов – декогеренции компьютера со средой. Для исправления ошибок требуются дополнительные кубиты, поэтому количество логических кубитов, задействованных непосредственно в вычислении, всегда меньше количества физических кубитов.

Кватновые приборы

Если вы мечтаете в скором времени поменять свой классический компьютер или смартфон на квантовый, придётся вас немного расстроить. Дело в том, что для работы квантового компьютера необходимы особые условия. Чтобы добиться состояния когерентной суперпозиции, нужно полностью изолировать систему кубитов от окружающего мира и охладить её до сверхнизкой температуры.

Пока что это невозможно уместить в мальенкие устройства смартфонов.

Приминения компьютеров

Квантовое моделирование сложных систем: например, моделирование (но не предсказание) погоды, решение квантовой проблемы трёх тел, анализ социальной динамики;
Квантовая химия и фармакология: вычисление свойств молекул без необходимости их синтеза и моделирование химических реакций без необходимости их запуска;
Квантовая метрология: задачи по обеспечению высокой точности измерений квантовых свойств объектов;
Квантовое машинное обучение: моделирование нейросетей (как искусственных, так и биологических), обработка и структурирование больших данных при помощи квантовой версии метода главных компонент (QPCA), поиск аномалий, защита от мошенничества, составление алгоритмов для систем рекомендаций;
Финансы: поиск оптимальных решений для инвесторов, составление портфелей ценных бумаг, предсказания стоимости акций и курсов валют;
Логистика: поиск самых коротких маршрутов (задача коммивояжёра);
Квантовая криптография: факторизация, надёжная защита от перехвата сообщения.

Итак, можно сделать вывод, что квантовый компьютер никогда полностью не заменит классический. Он практически бесполезен для большинства вычислений, которые может выполнять обычный компьютер. Но он эффективен тогда, когда нужно перебрать множество вариантов и выбрать один правильный. Пока заявления о достижении квантового превосходства ничем не обоснованы, поскольку квантовый компьютер способен выполнять лишь строго определённые вычисления. На текущем уровне технологий он не сможет стать универсальным и превзойти классический компьютер по ряду параметров. Скорее он будет использоваться как дополнение к обычному компьютеру, подключаемое при необходимости. Дальнейшее развитие технологии предсказать практически невозможно, поскольку сфера её применимости расширяется по мере возникновения новых проблем и вычислительных задач. Но значимость квантового компьютера для понимания фундаментальных законов физики трудно переоценить. В конце концов, всю нашу Вселенную можно рассматривать как гигантский квантовый компьютер, вычисляющий сам себя.

Информация была взята с - https://habr.com/ru/articles/761440/

отличный сайт с многими интересными статьями , всем спасибо и удачи.