Что такое квантовые вычисления? | ИБМ
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — это быстро развивающаяся технология, которая использует законы квантовой механики для решения задач, слишком сложных для классических компьютеров.
Сегодня IBM Quantum делает настоящее квантовое оборудование — инструмент, который ученые только начали придумывать три десятилетия назад, — доступный сотням тысяч разработчиков. Наши инженеры регулярно выпускают все более мощные сверхпроводящие квантовые процессоры, наряду с важными достижениями в программном обеспечении и квантово-классической оркестровке. Эта работа ведет к скорости и мощности квантовых вычислений, необходимых для изменения мира.
Эти машины сильно отличаются от классических компьютеров, которые существуют уже более полувека. Вот учебник по этой преобразующей технологии.
Изучите системы IBM Quantum Для решения некоторых задач суперкомпьютеры не так уж и хороши.
Когда ученые и инженеры сталкиваются со сложными проблемами, они обращаются к суперкомпьютерам. Это очень большие классические компьютеры, часто с тысячами классических процессорных и графических ядер. Однако даже суперкомпьютеры с трудом решают определенные задачи.
Если суперкомпьютер заходит в тупик, то это, вероятно, потому, что большую классическую машину попросили решить задачу высокой степени сложности. Когда классические компьютеры терпят неудачу, это часто происходит из-за сложности
Сложные проблемы — это проблемы с большим количеством переменных, взаимодействующих сложным образом. Моделирование поведения отдельных атомов в молекуле — сложная задача из-за того, что все разные электроны взаимодействуют друг с другом. Выбор идеальных маршрутов для нескольких сотен танкеров в глобальной судоходной сети также сложен.
Где используются квантовые компьютеры?
Как работают квантовые компьютеры?
Квантовые компьютеры — это элегантные машины, которые меньше по размеру и потребляют меньше энергии, чем суперкомпьютеры.
Процессор IBM Quantum представляет собой пластину размером ненамного больше той, что используется в ноутбуке. Квантовая аппаратная система размером с автомобиль состоит в основном из систем охлаждения, поддерживающих сверхнизкую рабочую температуру сверхпроводящего процессора.
Классический процессор использует биты для выполнения своих операций. Квантовый компьютер использует кубиты (CUE-биты) для запуска многомерных квантовых алгоритмов.
Сверхжидкости
Ваш настольный компьютер, скорее всего, использует вентилятор, чтобы он достаточно охлаждался для работы. Наши квантовые процессоры должны быть очень холодными — около сотой доли градуса выше абсолютного нуля. Для этого мы используем переохлажденные сверхтекучие жидкости для создания сверхпроводников.
Сверхпроводники
При таких сверхнизких температурах некоторые материалы в наших процессорах проявляют еще один важный квантово-механический эффект: электроны проходят через них без сопротивления.
Это делает их «сверхпроводниками».
Когда электроны проходят через сверхпроводники, они сходятся, образуя «куперовские пары». Эти пары могут переносить заряд через барьеры или изоляторы посредством процесса, известного как квантовое туннелирование. Два сверхпроводника, расположенные по обе стороны от изолятора, образуют джозефсоновский переход.
Управление
Наши квантовые компьютеры используют контакты Джозефсона в качестве сверхпроводящих кубитов. Направляя микроволновые фотоны на эти кубиты, мы можем контролировать их поведение и заставлять их сохранять, изменять и считывать отдельные единицы квантовой информации.
Суперпозиция
Сам по себе кубит не очень полезен. Но он может выполнить важный трюк: поместить содержащуюся в нем квантовую информацию в состояние суперпозиции, которое представляет собой комбинацию всех возможных конфигураций кубита. Группы кубитов в суперпозиции могут создавать сложные многомерные вычислительные пространства.
Сложные проблемы могут быть представлены в этих пространствах по-новому.
Запутанность
Запутанность — это квантово-механический эффект, который коррелирует поведение двух отдельных вещей. Когда два кубита запутаны, изменения в одном кубите напрямую влияют на другой. Квантовые алгоритмы используют эти отношения для поиска решений сложных проблем.
Делаем квантовые компьютеры полезными
В настоящее время IBM Quantum является мировым лидером в области аппаратного и программного обеспечения для квантовых вычислений. Наша дорожная карта – это четкий и подробный план масштабирования квантовых процессоров, преодоления проблемы масштабирования и создания аппаратного обеспечения, необходимого для квантового преимущества.
Квантовое преимущество не может быть достигнуто только аппаратным обеспечением. IBM также потратила годы на разработку программного обеспечения, необходимого для выполнения полезной работы с использованием квантовых компьютеров.
Мы разработали квантовый SDK Qiskit. Это открытый исходный код, основанный на Python, и, безусловно, самый широко используемый квантовый SDK в мире. Мы также разработали Qiskit Runtime, самую мощную модель квантового программирования в мире. (Подробнее о Qiskit и Qiskit, Runtime и о том, как начать работу, см. в следующем разделе.)
Для достижения квантового преимущества потребуются новые методы подавления ошибок, увеличения скорости и организации квантовых и классических ресурсов. Основы этой работы закладываются сегодня в Qiskit Runtime.
Начать
Квантовые компьютеры IBM программируются с использованием Qiskit (ссылка находится за пределами ibm.com), нашего квантового SDK с открытым исходным кодом на основе Python. В Qiskit есть модули, посвященные финансам, химии, оптимизации и машинному обучению.
- Ознакомьтесь с документацией (ссылка находится за пределами ibm.
- Создайте код уровня исследований и разработок для запуска на симуляторах или реальном оборудовании.
- Присоединяйтесь к нашему растущему сообществу, насчитывающему более 400 000 пользователей
Готовы к большим нагрузкам? Выполняйте в масштабе с помощью Qiskit Runtime, нашей модели квантового программирования для эффективного создания и масштабирования рабочих нагрузок. Qiskit Runtime позволяет пользователям развертывать пользовательские квантово-классические приложения с легким доступом к гибридным вычислениям HPC на самых высокопроизводительных квантовых системах в мире. Qiskit Runtime предоставляет среду выполнения для объединения квантовых схем с классической обработкой, изначально ускоряя выполнение определенных квантовых программ. Это означает более быструю итерацию, меньшую задержку и больше свободного времени вычислений в ведущих мировых квантовых системах: облачная модель выполнения Qiskit Runtime продемонстрировала 120-кратное ускорение при моделировании молекулярного поведения
Связанные решения Квант для бизнеса Сегодня мировые компании готовятся к эре квантовых вычислений.
Посмотрите, как наши отраслевые эксперты готовят наших клиентов к использованию этой технологии для получения конкурентного преимущества.
Создавайте программы, которые по-новому решают задачи на системах IBM Quantum — самом популярном и мощном квантовом оборудовании в мире.
Узнайте о нашем SDK с открытым исходным кодом Квантовый сейф IBMСделайте следующий шаг
Квантовые компьютеры IBM программируются с использованием Qiskit, нашего квантового SDK с открытым исходным кодом на основе Python. В Qiskit есть модули, посвященные финансам, химии, оптимизации и машинному обучению.
Выполняйте в масштабе с помощью Qiskit Runtime, нашей модели квантового программирования для эффективного создания и масштабирования рабочих нагрузок. Qiskit Runtime позволяет пользователям развертывать пользовательские квантово-классические приложения с легким доступом к гибридным вычислениям HPC на самых высокопроизводительных квантовых системах в мире.
Что такое кованое углеродное волокно? Полное руководство по кованым композитам – Механизм из углеродного волокна
Добро пожаловать в полное руководство по кованому углероду, также известному как кованое углеродное волокно или кованые композиты. Мы глубоко погрузимся во все, что это такое, чем оно отличается от стандартного углеродного волокна, сколько оно стоит, как оно сделано, а затем еще кое-что.
СВЯЗАННЫЕ С: Как сделать углеродное волокно с нуля в домашних условиях
Почему вы должны доверять тому, что мы говорим? Carbon Fiber Gear специализируется на углеродном волокне с 2007 года.
Мы живем этим. Большинство людей, плохо знакомых с углеродным волокном, склонны думать о таких вещах, как автомобильные запчасти или велосипеды. Мы производим товары для жизни, такие как кошельки из углеродного волокна, чехлы из углеродного волокна для iPhone, кольца из углеродного волокна и даже имеем коллекцию изделий из кованого углеродного волокна. Если вам нравится материал из углеродного волокна и вам нравится идея привнести его в свой образ жизни, вы попали в нужное место.
Прочитав это, вы станете экспертом по кованому углеродному волокну. Используйте наше оглавление, чтобы узнать о конкретной части, которую вы хотите знать, прокрутите и усвойте все это.
1.
Углеродное волокно, которое вы уже знаетеУглеродное волокно, которое большинство из нас привыкло видеть в любимом нами узоре, начинается с сухой тканой ткани, называемой саржевым переплетением 2×2 или диагональным переплетением. Оттуда он помещается в форму, проливается смолой и отверждается, чтобы стать жесткой частью из углеродного волокна. Все сказано и сделано; часть выглядит примерно так:
На фото: часы из углеродного волокна, изготовленные из деталей настоящего автомобиля Формулы-1. Ткань из углеродного волокна саржевого переплетения.
Другим распространенным тканым углеродным волокном является 1×1, также известное как полотняное плетение.
На фото: ручка Gear Stealth 2.0 из углеродного волокна с полотняным плетением из углеродного волокна.
Вот некоторые из наиболее распространенных способов плетения углеродного волокна, которые видны в его конечных частях. Вероятно, это то, что вы уже видели на вещах, от велосипедных рам до OEM-панелей приборов Tesla.
Узнайте больше о схемах переплетения углеродного волокна здесь: Углеродное волокно, которого вы никогда раньше не видели.
2. Что такое кованый углерод, также известный как кованый композит?
Кованое углеродное волокно или углеродное волокно, вот и все.
Основное различие между обычным тканым углеродным волокном и кованым углеродным волокном (известным также как Forged Composite) заключается в том, что оно сделано либо из пасты, либо из крошечных рубленых углеродных волокон. Нет четкого узора, так как волокна ориентированы совершенно случайным образом, поэтому каждый готовый продукт Forged Carbon будет уникальным сам по себе.
Внешний вид готового изделия совершенно отличается от его тканого аналога, который больше похож на мраморное углеродное волокно, чем на ткань:
3. Как изготавливается кованое углеродное волокно?
Итак, как же нам получить столь радикально отличающийся конечный продукт? При использовании Forged Carbon/Forged Composite измельченные углеродные волокна обычно помещаются в пресс-форму.
Смола заливается внутрь, а затем все вместе сжимается в форму с большим давлением (получите его, пресс-форма 😛):
На фото: гидравлические прессы Langzauner, производящие детали SMC из углеродного волокна. Источник: Мир композитов.
Этот процесс подобен ковке металлов, отсюда и название Forged Carbon. Технически метод компрессионного литья — единственный верный способ назвать что-то кованым. Есть несколько других способов получить внешний вид кованого карбона без использования пресс-формы, о которых стоит поговорить.
кованый препрег из углеродного волокна
Если вы не знакомы с препрегом, это довольно простая концепция. Как правило, при изготовлении детали из углеродного волокна вы берете сухую ткань, кладете ее в форму, а затем пропитываете материал эпоксидной смолой. Существует целый процесс, позволяющий убедиться, что вы используете наилучшее соотношение смолы и ткани (может быть, это тема для другого поста?). С другой стороны, препрег «предварительно пропитан» эпоксидной смолой (в идеальном соотношении), когда вы получаете материал.
Препрег превосходен, но он дорог, требует холодного хранения и со временем истечет, если его не использовать.
Вернемся к препрегу из рубленого волокна. По сути, он поступает к вам в виде листа, который вы можете наложить поверх существующего продукта или использовать во внешнем слое формы, чтобы получить вид кованого углерода без использования пресс-формы.
СУХАЯ ТКАНЬ FORGED CARBON
Одним из уникальных материалов, который мы нашли, была особая сухая ткань Forged Carbon производства Ulticarbon. Этот материал сплавляет слой рубленых волокон с основой из тонкого нетканого углеродного волокна.
Он деликатно скрепляет все нарезанные волокна, на которые затем можно нанести эпоксидную смолу для завершения вашего проекта. Это отличная альтернатива препрегу, так как в нем нет смолы и, следовательно, он не требует холодного хранения и не имеет срока годности. Это по-прежнему дорогой материал, и вам нужно будет нанести смолу на материал, чтобы создать готовую деталь.
Вот пример изготовления детали из этого материала:
РУБЛЕННОЕ ВОЛОКНО ДЛЯ РУЧНОЙ УКЛАДКИ
Наименее дорогой альтернативой является покупка рубленого волокна, которое обычно продается на вес и разной длины. Затем вы можете либо поместить эти волокна в форму вручную, либо наложить их на существующий продукт, если хотите получить эстетический вид.
На фото: рубленое углеродное волокно.
Источник: ACP Composites
Вы даже можете взять тканый материал и разрезать его самостоятельно, как они сделали в этом видео:
4. Когда имеет смысл использовать кованый углерод?
Помимо попытки получить внешний вид Forged Carbon, зачем вам вообще использовать его поверх тканого материала?
Отличный вопрос. Я рад, что вы спросили! Есть две основные причины, по которым вы бы выбрали Forged Carbon: форма и скорость.
При использовании тканого материала существуют некоторые ограничения на формы, которые вы можете сделать.
Такие вещи, как 90-градусный угол, невозможно сделать с тканым материалом, потому что вы просто не можете идеально сжать материал в угол.
На укладку тканого материала может уйти очень много времени, и велика вероятность ошибки. Кованому углероду можно придать любую форму (форма — это ваш предел), и вы можете очень быстро откачивать детали. Кроме того, вы можете сделать цельную трехмерную деталь, которую можно подвергнуть дальнейшей механической обработке.
5. Дорого ли стоит кованое углеродное волокно?
Когда вы говорите об использовании кованого углерода в производственных условиях для изготовления больших объемов деталей, вам нужно будет пойти по пути компрессионного формования, упомянутому выше.
Одним из недостатков является то, что первоначальные затраты на изготовление пресс-формы (не говоря уже о возможности делать компрессионное формование в первую очередь) во много раз дороже, чем ваши стандартные пресс-формы, которые и без того недешевы.
Это одна из причин, по которой имеет смысл рассматривать Forged Carbon только тогда, когда вы производите тонны и тонны деталей, чтобы вы могли помочь распределить первоначальные затраты на каждую деталь.
Приведем несколько цифр, чтобы вы могли точно понять, о чем следует думать. Скажем, изготовление вашей первоначальной пресс-формы стоит 25 000 долларов. Затем изготовление каждой детали стоит 100 долларов. Если вы изготовите только одну деталь из этой формы, эта деталь обойдется вам в 25 100 долларов. Если вы можете изготовить из него 10 000 деталей, ваша стоимость одной детали составит 102,50 доллара. Первоначальная стоимость пресс-формы увеличилась всего на 2,50 доллара США (2,5%) за деталь при таком объеме.
6. Чем лучше кованое углеродное волокно?
Стоит отметить, что поклонники углеродного волокна отмечают, что вы можете сделать более прочную деталь из стандартного тканого материала. Тканая ткань может быть прочнее и долговечнее из-за контроля ее прочности на растяжение, направления (направлений), в котором ткань выровнена.
У вас есть полный контроль над силой, тогда как рубленые волокна короткие и не выровнены в определенном направлении.
У каждого метода есть свои плюсы и минусы, и на самом деле это зависит от приложения и конечного продукта, какой метод имеет больше смысла. Основные факторы и требования, о которых следует подумать (в произвольном порядке):
- Эстетика
- Прочность
- Объем детали
- Форма
- Стоимость
- Время
СВЯЗАННЫЕ: Насколько прочно углеродное волокно? | Узнайте, что делает этот элемент таким прочным
7. Как появились кованые композиты
Работая над проектом для Boeing, д-р Паоло Фераболи изобрел технологию, которая впоследствии будет названа Lamborghini коваными композитами. В 2008 году доктор Фераболи усовершенствовал его одновременно с Callaway и Lamborghini.
Эта начальная разработка привела к двум основным выпускам продукта. Из Callaway появился водитель Diablo Octane:
В то же время Lamborghini разработала концепт-кар, который вы, возможно, помните, под названием Sesto Elemento:
Это была возможность Lamborghini показать, как кованые композиты можно использовать в автомобиле, и Sesto Elemento был данью уважения этому.