Квантовые компьютеры применяются для выявления скрытых пар в материалах, моделирования ионов, анализа вирусных структур, помощи в исследованиях белков и более быстрого измерения квантовых состояний.
Квантовые компьютеры находят реальные применения в таких разнообразных областях, как материаловедение, биология и медицина. В материаловедении квантовые компьютеры могут выявлять скрытые корреляции в материалах, невидимые для классических симуляций, например, спаривание электронов в сверхпроводниках. В биологии они помогают расшифровывать структуру вирусов, способствуют исследованиям сворачивания белков и даже анализируют тепловые паттерны при обнаружении рака молочной железы. Квантовые компьютеры также превосходно справляются с более эффективным измерением квантовых состояний, используя такие методы, как теневая томография, для извлечения информации из квантовой системы с гораздо меньшим числом измерений, чем классические методы. Эти применения находятся еще на ранней стадии, но они демонстрируют потенциал квантовых вычислений для решения задач, неразрешимых для классических машин.
История
Идея использования квантовых компьютеров для практических применений восходит к предложению Фейнмана 1982 года моделировать квантовые системы с помощью квантового оборудования. Однако первые экспериментальные демонстрации этих применений появились лишь в конце 2010-х и начале 2020-х годов, когда оборудование стало достаточно мощным для выполнения небольших, но значимых задач.
Как это работает
Лежащий в основе механизм варьируется в зависимости от применения. Для материалов квантовые компьютеры моделируют квантово-механическое поведение электронов, что экспоненциально сложно для классических компьютеров. Для вирусных структур квантовые алгоритмы могут решать задачи оптимизации, связанные с реконструкцией трехмерных структур из данных криоэлектронной микроскопии. Для исследований белков квантовые компьютеры могут моделировать квантовые эффекты в активных центрах ферментов, которые классические силовые поля упускают. В измерениях теневая томография использует случайные измерения для восстановления квантового состояния с небольшим числом образцов, и квантовые компьютеры могут реализовать этот протокол нативно.
Где применяется
Квантовые компьютеры в настоящее время используются в исследовательских лабораториях для моделирования молекулярных свойств при открытии лекарств, анализа материалов для лучших батарей и разработки более чувствительных методов медицинской визуализации. Такие компании, как IBM, Google, и стартапы сотрудничают с фармацевтическими и материаловедческими компаниями для изучения этих применений.
Любопытный факт
Квантовые компьютеры могут обнаруживать «квантовые тени» состояний — метод, позволяющий измерять свойства квантовой системы, используя экспоненциально меньше образцов, чем классическая томография, что делает возможной проверку квантовых вычислений на практике.
Внутри каждой клетки постоянно идут химические реакции — как на крошечной кухне, где белки-повара готовят нужные вещества. Но увидеть, как именно повар готовит блюдо, мешает толпа других молекул вокруг.
Вирус углеродной жизни — это микроскопический контейнер, где наследственная нить сжата до экстремальных плотностей, подобно лапше в переполненной кастрюле. В такой тесноте составляющие её частицы перестают вести себя как классические шарики и превращаются в размытые волны вероятности — фундаментальное свойство квантовых объектов.
В обычных проводах электроны движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и с атомами решётки, — это порождает электрическое сопротивление, превращая часть энергии в тепло.
