{"id":6857,"date":"2021-09-06T08:11:44","date_gmt":"2021-09-06T08:11:44","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/?p=6857"},"modified":"2021-09-06T08:13:41","modified_gmt":"2021-09-06T08:13:41","slug":"najbardziej-innowacyjne-rozwiazania-w-dziedzinie-obliczen-kwantowych","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/pl\/przemysl-it-i-cyfrowy\/najbardziej-innowacyjne-rozwiazania-w-dziedzinie-obliczen-kwantowych\/","title":{"rendered":"Najbardziej innowacyjne rozwi\u0105zania w dziedzinie oblicze\u0144 kwantowych"},"content":{"rendered":"\n

Obliczenia kwantowe mog\u0105 odmieni\u0107 nasz\u0105 przysz\u0142o\u015b\u0107. Maj\u0105 potencja\u0142, aby ca\u0142kowicie przekszta\u0142ci\u0107 bran\u017c\u0119 medyczn\u0105, pom\u00f3c \u0142ama\u0107 najbardziej z\u0142o\u017cone szyfry i przyspieszy\u0107 rozw\u00f3j sztucznej inteligencji. Obecnie trwa wy\u015bcig pomi\u0119dzy firmami IBM, Google i Microsoft w celu zbudowania najbardziej niezawodnego komputera kwantowego, kt\u00f3ry m\u00f3g\u0142by znacz\u0105co przewy\u017cszy\u0107 wydajno\u015bci\u0105 ka\u017cdy wsp\u00f3\u0142czesny superkomputer. Gra toczy si\u0119 o coraz wy\u017csz\u0105 stawk\u0119 \u2013 ka\u017cda z firm twierdzi, \u017ce wyprzedza pozosta\u0142e, a Chiny zainwestowa\u0142y ju\u017c miliardy w obliczenia kwantowe. Ale czym tak naprawd\u0119 s\u0105 obliczenia kwantowe? Czy b\u0119dziemy na co dzie\u0144 mie\u0107 do czynienia z komputerami opartymi na tej technologii? Jak naprawd\u0119 ona dzia\u0142a?<\/em><\/p>\n\n\n\n

Czym s\u0105 obliczenia kwantowe?<\/h2>\n\n\n\n

Komputer kwantowy przypomina ka\u017cdy inny komputer, kt\u00f3ry wykonuje skomplikowane obliczenia; jednak wykorzystuje zasady mechaniki kwantowej do wykonywania tych oblicze\u0144 z bardzo du\u017c\u0105 szybko\u015bci\u0105. Tradycyjny komputer u\u017cywa bit\u00f3w, kt\u00f3re przechowuj\u0105 informacje w systemie binarnym (jedynki i zera) i funkcjonuj\u0105 jak ma\u0142e prze\u0142\u0105czniki, kt\u00f3re w\u0142\u0105czaj\u0105 (1) i wy\u0142\u0105czaj\u0105 (0) si\u0119. Na u\u017cywanych przez nas na co dzie\u0144 komputerach korzystamy z aplikacji, stron internetowych, film\u00f3w i obraz\u00f3w, kt\u00f3re sk\u0142adaj\u0105 si\u0119 z milion\u00f3w bit\u00f3w, kt\u00f3re s\u0105 przekszta\u0142cane w to, co widzimy i s\u0142yszymy na naszych komputerach.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Ta teoria u\u017cywania bit\u00f3w dobrze si\u0119 sprawdza w wi\u0119kszo\u015bci zastosowa\u0144 i nasze komputery mog\u0105 \u0142atwo obliczy\u0107 te wyniki w postaci zero-jedynkowej. Wiemy jednak, \u017ce istniej\u0105 r\u00f3wnie\u017c przypadki nieokre\u015blono\u015bci, kt\u00f3re wymagaj\u0105 niezwykle skomplikowanych oblicze\u0144, podobnie jak w przypadku Przyrody i wszech\u015bwiata. Nasze komputery nie mog\u0105 poradzi\u0107 sobie z t\u0105 nieokre\u015blono\u015bci\u0105, a nawet superkomputery maj\u0105 pewne problemy z tymi skomplikowanymi obliczeniami, kt\u00f3re zajmuj\u0105 im wiele lat.

W 1927 roku niemiecki fizyk Werner Heisenberg przedstawi\u0142 zasad\u0119 nieoznaczono\u015bci, kt\u00f3ra m\u00f3wi, \u017ce nie mo\u017cna wiedzie\u0107 wszystkiego o cz\u0105stce kwantowej w danym momencie. Im wi\u0119cej wie si\u0119 o jej pozycji, tym mniej wie si\u0119 o jej p\u0119dzie. Sta\u0142o si\u0119 to znane jako mechanika kwantowa.

Komputer kwantowy, wykorzystuj\u0105c zasady mechaniki kwantowej, dodaje do tych jedynek i zer nieokre\u015blono\u015b\u0107, aby mog\u0142y by\u0107 jednocze\u015bnie jedynk\u0105 lub zerem. Je\u015bli na przyk\u0142ad rzucimy monet\u0105 i wypadnie orze\u0142, mo\u017ce to by\u0107 1, a je\u015bli rzucimy monet\u0105 ponownie, mo\u017ce wypa\u015b\u0107 reszka i mo\u017ce to by\u0107 0. Tak wi\u0119c, za ka\u017cdym razem, gdy rzucimy monet\u0105, uzyskamy okre\u015blony wynik. Co si\u0119 stanie, gdy b\u0119dziemy bez przerwy kr\u0119ci\u0107 monet\u0105? B\u0119dzie to 1 czy 0? I jedno, i drugie. Ten stan nieokre\u015blono\u015bci jest znany w obliczeniach kwantowych jako superpozycja i jest taki sam jak kr\u0119cenie monet\u0105. Im wi\u0119cej superpozycji mamy w komputerze kwantowym, tym wi\u0119cej kombinacji i wi\u0119cej pami\u0119ci mo\u017cemy mie\u0107.<\/p>\n\n\n\n

Jak dzia\u0142aj\u0105 komputery kwantowe?<\/h2>\n\n\n\n

Zamiast u\u017cywa\u0107 bit\u00f3w jak standardowe komputery, komputery kwantowe u\u017cywaj\u0105 czego\u015b, co nazywa si\u0119 kubitami. Kubity s\u0105 wykonane z materia\u0142\u00f3w superprzewodz\u0105cych i s\u0105 urz\u0105dzeniem fizycznym. Kubity kontroluje si\u0119 za pomoc\u0105 impuls\u00f3w mikrofalowych o okre\u015blonej cz\u0119stotliwo\u015bci i czasie trwania, aby nada\u0107 kubitom superpozycj\u0119 lub m\u00f3c zmieni\u0107 ich stan w ten czy inny spos\u00f3b. Poniewa\u017c ka\u017cdy kubit reprezentuje dwa stany jednocze\u015bnie, \u0142\u0105czna liczba stan\u00f3w podwaja si\u0119 z ka\u017cdym dodanym kubitem. Jeden kubit to dwie liczby, dwa to cztery liczby, trzy to osiem liczb i tak dalej. Na pocz\u0105tku liczba jest niska, ale szybko staje si\u0119 ogromna.

Kubity s\u0105 ma\u0142e, a\u017c do poziomu molekularnego. W zwi\u0105zku z tym, ze wzgl\u0119du na zasady mechaniki kwantowej, a w szczeg\u00f3lno\u015bci w\u0142a\u015bciwo\u015bci ich pola magnetycznego, kubity s\u0105 w wi\u0119kszo\u015bci wykonane z elektron\u00f3w. Dlatego te\u017c s\u0142u\u017c\u0105 one jako podstawowy element konstrukcyjny w komputerze kwantowym. Aby elektron m\u00f3g\u0142 by\u0107 u\u017cyty jako kubit, musi istnie\u0107 niezawodny spos\u00f3b okre\u015blenia jego pozycji i zmiany jego kierunku. W odniesieniu do kubit\u00f3w u\u017cywa si\u0119 poj\u0119cia kropki kwantowej, kt\u00f3ra jest sferyczn\u0105 przestrzeni\u0105, zwykle o \u015brednicy jednej dziesi\u0119ciotysi\u0119cznej milimetra. Wewn\u0105trz kropki kwantowej, kt\u00f3ra jest wykonana z dw\u00f3ch materia\u0142\u00f3w p\u00f3\u0142przewodnikowych, takich jak krzem i german, sch\u0142odzonych do wyj\u0105tkowo niskich temperatur, znajduje si\u0119 elektron swobodny. W tym formacie spin elektronu mo\u017cna prze\u0142\u0105cza\u0107 elektronicznie.

Superpozycja<\/strong>\u00a0\u2013 jak ju\u017c wyja\u015bnili\u015bmy, superpozycja to nieokre\u015blono\u015b\u0107 stanu kubitu: mo\u017ce on by\u0107 w\u0142\u0105czony i wy\u0142\u0105czony jednocze\u015bnie lub znajdowa\u0107 si\u0119 gdzie\u015b pomi\u0119dzy tymi dwoma stanami. Pos\u0142u\u017cmy si\u0119 przyk\u0142adem, kt\u00f3ry dobrze ilustruje spos\u00f3b dzia\u0142ania tego zjawiska. Je\u015bli wydamy standardowemu komputerowi polecenie wej\u015bcia do labiryntu i znalezienia wyj\u015bcia z niego, wypr\u00f3buje on ka\u017cd\u0105 pojedyncz\u0105 tras\u0119, wykluczaj\u0105c kolejne metod\u0105 pr\u00f3b i b\u0142\u0119d\u00f3w, a\u017c znajdzie wyj\u015bcie z labiryntu. Proces ten mo\u017ce trwa\u0107 d\u0142ugo, jak r\u00f3wnie\u017c zajmowa\u0107 wi\u0119cej pami\u0119ci potrzebnej na zapisanie ka\u017cdej nieudanej trasy. Gdy poprosimy komputer kwantowy o znalezienie wyj\u015bcia z labiryntu, w tym samym czasie przemierzy on ka\u017cd\u0105 pojedyncz\u0105 \u015bcie\u017ck\u0119 w labiryncie. Wykorzystuj\u0105c nieokre\u015blono\u015b\u0107 w po\u0142\u0105czeniu ze spl\u0105taniem i interferencj\u0105, kt\u00f3re s\u0105 dwoma innymi elementami oblicze\u0144 kwantowych, b\u0142yskawicznie znajdzie wyj\u015bcie z labiryntu.

Spl\u0105tanie<\/strong>\u00a0\u2013 kubity mog\u0105 r\u00f3wnie\u017c znale\u017a\u0107 si\u0119 w stanie, kt\u00f3ry nazywa si\u0119 spl\u0105taniem. Wracaj\u0105c do analogii rzutu monet\u0105, je\u015bli rzucimy dwiema monetami, wynik rzutu jedn\u0105 monet\u0105 nie ma wp\u0142ywu na drugi, s\u0105 one ca\u0142kowicie niezale\u017cne od siebie. W spl\u0105taniu, dwie cz\u0105stki s\u0105 ze sob\u0105 po\u0142\u0105czone, nawet je\u015bli s\u0105 fizycznie od siebie oddzielone. To spl\u0105tanie oznacza, \u017ce je\u015bli rzucimy obiema monetami w tym samym czasie, wynik b\u0119dzie r\u00f3wnie\u017c taki sam. Zachowuj\u0105 si\u0119 one w spos\u00f3b, kt\u00f3ry staje si\u0119 rodzajem systemu. Spl\u0105tanie pozwala zmniejszy\u0107 liczb\u0119 b\u0142\u0119d\u00f3w w systemie, jednocze\u015bnie zwi\u0119kszaj\u0105c wydajno\u015b\u0107 i znacz\u0105co przyspieszaj\u0105c wykonywanie oblicze\u0144.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Interferencja<\/strong> \u2013 wykorzystuj\u0105c w\u0142a\u015bciwo\u015b\u0107 kwantow\u0105, tak\u0105 jak interferencja, mo\u017cna kontrolowa\u0107 stany kwantowe poprzez wzmocnienie sygna\u0142\u00f3w, kt\u00f3re s\u0105 bardziej zbli\u017cone do prawid\u0142owej odpowiedzi i redukowanie typ\u00f3w sygna\u0142\u00f3w, kt\u00f3re s\u0105 bli\u017csze nieprawid\u0142owej odpowiedzi. Dzia\u0142a to w r\u00f3wnie nadzwyczajny spos\u00f3b co redukcja ha\u0142asu w s\u0142uchawkach, kt\u00f3ra polega na odczytywaniu d\u0142ugo\u015bci fali z otoczenia, a nast\u0119pnie tworzeniu przeciwnej fali, aby j\u0105 zredukowa\u0107, tworz\u0105c interferencj\u0119. Jak wiadomo, istnieje interferencja konstruktywna i interferencja destruktywna. Interferencja konstruktywna wzmacnia d\u0142ugo\u015b\u0107 fali, wi\u0119c sygna\u0142 staje si\u0119 mocniejszy, z kolei interferencja destruktywna os\u0142abia amplitud\u0119. Tak samo dzia\u0142a to w obliczeniach kwantowych, pozwalaj\u0105c kontrolowa\u0107 stany.

Po\u0142\u0105czenie wszystkich tych trzech element\u00f3w sprawia, \u017ce komputery kwantowe dzia\u0142aj\u0105, wykonuj\u0105c skomplikowane obliczenia i osi\u0105gaj\u0105c bardzo du\u017ce szybko\u015bci.<\/p>\n\n\n\n

Jakie wyzwania wi\u0105\u017c\u0105 si\u0119 z obliczeniami kwantowymi?<\/h2>\n\n\n\n

Obliczenia kwantowe s\u0105 jeszcze w powijakach, ale przeprowadzanych jest wiele prac badawczych w celu dalszego rozwijania ich mo\u017cliwo\u015bci. Wed\u0142ug jednego z najwi\u0119kszych nieporozumie\u0144 dotycz\u0105cych oblicze\u0144 kwantowych, wystarczy doda\u0107 wi\u0119cej kubit\u00f3w, aby zwi\u0119kszy\u0107 moc obliczeniow\u0105. Chocia\u017c to prawda, jest to r\u00f3wnie\u017c jedno z najwi\u0119kszych wyzwa\u0144 w obliczeniach kwantowych, poniewa\u017c nie jest to takie proste. Komputery kwantowe s\u0105 wyj\u0105tkowo z\u0142o\u017conymi maszynami wykorzystuj\u0105cymi wysoce precyzyjne mikrofale i temperatury poni\u017cej zera, w zwi\u0105zku z czym s\u0105 niezwykle wra\u017cliwe na wszelkie zak\u0142\u00f3cenia elektryczne i wp\u0142ywy \u015brodowiska. Dodanie kolejnych kubit\u00f3w powoduje zatem zwielokrotnienie problem\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Kolejnym wyzwaniem, kt\u00f3re mo\u017ce by\u0107 trudne do zrozumienia, jest to, \u017ce informacje kwantowe mo\u017cna przechowywa\u0107 przez ograniczony czas. Po przeprowadzeniu okre\u015blonej liczby oblicze\u0144 informacje te zaczynaj\u0105 ulega\u0107 utracie.<\/p>\n\n\n\n

Jakie s\u0105 nast\u0119pne kroki?<\/h2>\n\n\n\n

Co musi si\u0119 teraz sta\u0107? Obecni liderzy bran\u017cy musz\u0105 zacz\u0105\u0107 tworzy\u0107 warstwy abstrakcji, aby u\u0142atwi\u0107 programistom i naukowcom rozpocz\u0119cie zdobywania wiedzy, przeprowadzania bada\u0144 i znajdowania nowych obszar\u00f3w zastosowa\u0144 dla oblicze\u0144 kwantowych. B\u0119dzie to r\u00f3wnie\u017c wymaga\u0142o opracowania nowych algorytm\u00f3w kwantowych przez badaczy. Post\u0119p b\u0119dzie r\u00f3wnie\u017c nast\u0119powa\u0142 wraz z wyk\u0142adniczym wzrostem ilo\u015bci sprz\u0119tu i procesor\u00f3w kwantowych, dodawaniem kolejnych kubit\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n

Kto korzysta z tej technologii?<\/h2>\n\n\n\n

Obliczenia kwantowe maj\u0105 potencja\u0142, by szybko przyspieszy\u0107 rozw\u00f3j sztucznej inteligencji i Przemys\u0142u 4.0. Firma Google ju\u017c u\u017cywa ich do ulepszania samojezdnych aut, a tak\u017ce modelowania z\u0142o\u017conych reakcji chemicznych.<\/p>\n\n\n\n

Poni\u017cej znajduje si\u0119 obszerna lista najpopularniejszych zastosowa\u0144 dla oblicze\u0144 kwantowych:<\/p>\n\n\n\n

  • Cyberbezpiecze\u0144stwo<\/li>
  • Rozw\u00f3j lek\u00f3w<\/li>
  • Modelowanie finansowe<\/li>
  • Lepsze akumulatory<\/li>
  • Czystsze nawo\u017cenie<\/li>
  • Optymalizacja ruchu drogowego<\/li>
  • Prognozowanie pogody i zmian klimatu<\/li>
  • Sztuczna inteligencja<\/li>
  • Przechwytywanie energii s\u0142onecznej<\/li>
  • Odkrywanie materia\u0142\u00f3w z dziedziny elektroniki<\/li><\/ul>\n\n\n\n


    Daimler AG<\/strong> \u2013 W 2018 r. niemiecki producent samochod\u00f3w Daimler AG og\u0142osi\u0142 dwa partnerstwa: z Google i IBM. Pojazdy elektryczne oparte s\u0105 zasadniczo na chemii ogniw akumulatorowych. Obliczenia kwantowe mog\u0105 okaza\u0107 si\u0119 doskona\u0142ym rozwi\u0105zaniem w takich obszarach jak symulacja ogniw i starzenie si\u0119 ogniw akumulatorowych. Ulepszone akumulatory do pojazd\u00f3w elektrycznych mog\u0105 przyczyni\u0107 si\u0119 do wzrostu popularno\u015bci takich pojazd\u00f3w.

    Daimler bada r\u00f3wnie\u017c, w jaki spos\u00f3b obliczenia kwantowe mog\u0105 potencjalnie przyspieszy\u0107 rozw\u00f3j sztucznej inteligencji, a tak\u017ce pom\u00f3c zarz\u0105dza\u0107 przysz\u0142o\u015bci\u0105 autonomicznych pojazd\u00f3w i przyspieszy\u0107 rozw\u00f3j ich sieci logistycznej. Daimler idzie w \u015blady firmy Volkswagen, kt\u00f3ra w 2017 roku og\u0142osi\u0142a partnerstwo z Google w zakresie podobnych inicjatyw. W 2018 r. firma nawi\u0105za\u0142a r\u00f3wnie\u017c wsp\u00f3\u0142prac\u0119 z D-Wave Systems.

    Volkswagen Group<\/strong> \u2013 D-Wave i VW prowadzi\u0142y ju\u017c programy pilota\u017cowe w zakresie wielu wyzwa\u0144 zwi\u0105zanych z optymalizacj\u0105 ruchu drogowego i podr\u00f3\u017cy, w tym usprawnieniem ruchu w Pekinie, Barcelonie i, akurat w tym miesi\u0105cu, w Lizbonie. W przypadku tego ostatniego miasta flota autobus\u00f3w je\u017adzi\u0142a po r\u00f3\u017cnych trasach, kt\u00f3re by\u0142y dostosowywane w czasie rzeczywistym do warunk\u00f3w ruchu, korzystaj\u0105c z algorytmu kwantowego, kt\u00f3ry VW nieustannie udoskonala po ka\u017cdym uruchomieniu testowym. Zdaniem prezesa D-Wave, Verna Brownella, program pilota\u017cowy firmy \u201eprzybli\u017ca nas bardziej ni\u017c kiedykolwiek wcze\u015bniej do realizacji prawdziwych i praktycznych oblicze\u0144 kwantowych\u201d.

    JP Morgan Chase<\/strong> \u2013 Nie jest zaskoczeniem, \u017ce jedna z najwi\u0119kszych firm finansowych jest zainteresowana obliczeniami kwantowymi. W ko\u0144cu rynek finansowy pod pewnymi wzgl\u0119dami spe\u0142nia kryteria definicji nieokre\u015blono\u015bci. JP Morgan jest jednym z partner\u00f3w sieci kwantowej firmy Microsoft, w sk\u0142ad kt\u00f3rej wchodz\u0105 uczelnie badawcze, firmy technologiczne i podmioty gospodarcze. Obliczenia kwantowe i modelowanie finansowe to doskona\u0142e po\u0142\u0105czenie, gdy\u017c maj\u0105 wiele podobie\u0144stw strukturalnych. Obecnie prowadzone s\u0105 badania z wykorzystaniem modelu Monte Carlo, kt\u00f3ry mierzy prawdopodobie\u0144stwo wyst\u0105pienia r\u00f3\u017cnych wynik\u00f3w i ocenia ich ryzyko.<\/p>\n\n\n\n

    Jakie s\u0105 najbardziej innowacyjne rozwi\u0105zania w dziedzinie oblicze\u0144 kwantowych?<\/h2>\n\n\n\n

    Wi\u0119kszo\u015b\u0107 prze\u0142omowych odkry\u0107, kt\u00f3re do tej pory mia\u0142y miejsce, powsta\u0142o w kontrolowanych warunkach, w kt\u00f3rych wykorzystano problemy, kt\u00f3rych rozwi\u0105zanie ju\u017c znano, aby osi\u0105gn\u0105\u0107 dominacj\u0119 kwantow\u0105. Ostatnio firma Google stwierdzi\u0142a, \u017ce osi\u0105gn\u0119\u0142a ju\u017c dominacj\u0119 kwantow\u0105, kt\u00f3ra polega na tym, \u017ce komputer kwantowy przewy\u017csza tradycyjny komputer. Firma Google utrzymuje, \u017ce jej 54-kubitowy procesor by\u0142 w stanie wykona\u0107 w 200 sekund obliczenia, kt\u00f3re zaj\u0119\u0142yby tradycyjnemu komputerowi 10 000 lat. Twierdzenie to zosta\u0142o mocno skrytykowane przez firm\u0119 IBM, kt\u00f3rej zdaniem takie obliczenia zaj\u0119\u0142yby tradycyjnemu komputerowi tylko 2,5 dnia.<\/p>\n\n\n\n

    \n