Quantumrun

BILLEDKREDIT: Quantumrun

Hvordan Quantum-computere vil ændre verden: Future of Computers P7

David Tal, udgiver, fremtidsforsker
@DavidTalWrites
LinkedIn

Min, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

Der er en masse hype, der flyder rundt i den generelle computerindustri, hype centreret omkring én specifik teknologi, der har potentialet til at ændre alt: kvantecomputere. Da vi er vores virksomheds navnebror, vil vi indrømme, at vi har en skævhed i vores bullishhed omkring denne teknologi, og i løbet af dette sidste kapitel af vores Future of Computers-serie håber vi at fortælle dig hvorfor det er sådan.

På et grundlæggende niveau giver en kvantecomputer mulighed for at manipulere information på en fundamentalt anderledes måde. Faktisk, når denne teknologi modnes, vil disse computere ikke kun løse matematiske problemer hurtigere end nogen computer, der eksisterer i øjeblikket, men også enhver computer, der forventes at eksistere i løbet af de næste par årtier (forudsat at Moores lov holder stik). Faktisk ligner vores diskussion omkring supercomputere i vores sidste kapitel, vil fremtidige kvantecomputere sætte menneskeheden i stand til at tackle stadig større spørgsmål, der kan hjælpe os med at få en dybt dybere forståelse af verden omkring os.

Hvad er kvantecomputere?

Hype til side, hvordan er kvantecomputere anderledes end standardcomputere? Og hvordan fungerer de?

For visuelle elever anbefaler vi at se denne sjove, korte video fra Kurzgesagt YouTube-teamet om dette emne:

I mellemtiden, for vores læsere, vil vi gøre vores bedste for at forklare kvantecomputere uden behov for en fysikuddannelse.

Til at begynde med er vi nødt til at huske, at den grundlæggende enhed for informationscomputers proces er lidt. Disse bits kan have en af to værdier: 1 eller 0, til eller fra, ja eller nej. Hvis du kombinerer nok af disse bits sammen, kan du derefter repræsentere tal af enhver størrelse og lave alle mulige udregninger på dem efter hinanden. Jo større eller kraftigere computerchippen er, jo større tal kan du oprette og anvende beregninger, og jo hurtigere kan du flytte fra en beregning til en anden.

Kvantecomputere er forskellige på to vigtige måder.

For det første er fordelen ved "superposition". Mens traditionelle computere opererer med bits, opererer kvantecomputere med qubits. Den superpositionseffekt, qubits muliggør, er, at i stedet for at være begrænset til en af to mulige værdier (1 eller 0), kan en qubit eksistere som en blanding af begge. Denne funktion gør det muligt for kvantecomputere at fungere mere effektivt (hurtigere) end traditionelle computere.

For det andet er fordelen ved "sammenfiltring". Dette fænomen er en unik kvantefysisk adfærd, der binder skæbnen for en mængde forskellige partikler, så det, der sker med en, vil påvirke de andre. Når det anvendes på kvantecomputere, betyder det, at de kan manipulere alle deres qubits samtidigt - med andre ord, i stedet for at lave et sæt beregninger efter hinanden, kunne en kvantecomputer gøre dem alle på samme tid.

Kapløbet om at bygge den første kvantecomputer

Denne overskrift er noget af en forkert betegnelse. Førende virksomheder som Microsoft, IBM og Google har allerede skabt de første eksperimentelle kvantecomputere, men disse tidlige prototyper har mindre end to dusin qubits pr. chip. Og selvom disse tidlige bestræbelser er et godt første skridt, bliver teknologivirksomheder og statslige forskningsafdelinger nødt til at bygge en kvantecomputer med mindst 49 til 50 qubits, for at hypen kan opfylde sit teoretiserede potentiale i den virkelige verden.

Til dette formål eksperimenteres der med en række metoder for at opnå denne milepæl på 50 qubit, men to står over alle nye.

I en lejr sigter Google og IBM på at udvikle en kvantecomputer ved at repræsentere qubits som strømme, der flyder gennem superledende ledninger, der afkøles til -273.15 grader Celsius eller det absolutte nulpunkt. Tilstedeværelsen eller fraværet af strøm står for 1 eller 0. Fordelen ved denne tilgang er, at disse superledende ledninger eller kredsløb kan bygges ud af silicium, et materiale, som halvledervirksomheder har årtiers erfaring med at arbejde med.

Den anden tilgang, ledet af Microsoft, involverer fangede ioner, der holdes på plads i et vakuumkammer og manipuleres af lasere. De oscillerende ladninger fungerer som qubits, som derefter bruges til at behandle kvantecomputerens operationer.

Hvordan vi vil bruge kvantecomputere

Okay, hvis vi lægger teorien til side, så lad os fokusere på de virkelige applikationer, som disse kvantecomputere vil have på verden, og hvordan virksomheder og mennesker engagerer sig i det.

Logistiske og optimeringsproblemer. Blandt de mest umiddelbare og rentable anvendelser af kvantecomputere vil være optimering. Hvad er den hurtigste rute til at hente og aflevere så mange kunder som muligt i forbindelse med apps til deling af køreture som Uber? For e-handelsgiganter, som Amazon, hvad er den mest omkostningseffektive måde at levere milliarder af pakker i løbet af julegavekøbet?

Disse simple spørgsmål involverer talknusning af hundreder til tusindvis af variabler på én gang, en bedrift som moderne supercomputere bare ikke kan klare; så i stedet beregner de en lille procentdel af disse variabler for at hjælpe disse virksomheder med at styre deres logistiske behov på en mindre end optimal måde. Men med en kvantecomputer vil den skære gennem et bjerg af variabler uden at svede.

Vejr og klima modellering. I lighed med punktet ovenfor er grunden til, at vejrkanalen nogle gange tager fejl, fordi der er for mange miljøvariabler til, at deres supercomputere kan behandle (det og nogle gange dårlig vejrdataindsamling). Men med en kvantecomputer kan vejrforskere ikke kun forudsige vejrmønstre på kort sigt perfekt, men de kan også skabe mere præcise langsigtede klimavurderinger for at forudsige virkningerne af klimaændringer.

Personlig medicin. Afkodning af dit DNA og dit unikke mikrobiom er afgørende for, at fremtidige læger kan ordinere medicin, der er perfekt skræddersyet til din krop. Mens traditionelle supercomputere har gjort fremskridt med at afkode DNA omkostningseffektivt, er mikrobiomet langt uden for deres rækkevidde - men ikke for fremtidige kvantecomputere.

Kvantecomputere vil også give Big Pharma mulighed for bedre at forudsige, hvordan forskellige molekyler reagerer med deres lægemidler, og derved fremskynde lægemiddeludviklingen betydeligt og sænke priserne.

Rumudforskning. Rumteleskoperne i dag (og i morgen) indsamler hver dag enorme mængder af astrologiske billeddata, der sporer bevægelser af billioner af galakser, stjerner, planeter og asteroider. Desværre er dette alt for mange data til, at nutidens supercomputere kan gennemskue for at gøre meningsfulde opdagelser med jævne mellemrum. Men med en moden kvantecomputer kombineret med maskinlæring kan alle disse data endelig behandles effektivt, hvilket åbner døren til opdagelsen af hundreder til tusindvis af nye planeter dagligt i begyndelsen af 2030'erne.

Grundlæggende videnskaber. I lighed med punkterne ovenfor vil den rå computerkraft, som disse kvantecomputere muliggør, give videnskabsmænd og ingeniører mulighed for at udtænke nye kemikalier og materialer samt bedre fungerende motorer og selvfølgelig køligere julelegetøj.

Maskinelæring. Ved at bruge traditionelle computere har maskinlæringsalgoritmer brug for en gigantisk mængde kuraterede og mærkede eksempler (big data) for at lære nye færdigheder. Med kvanteberegning kan maskinlæringssoftware begynde at lære mere som mennesker, hvorved de kan opfange nye færdigheder ved at bruge færre data, mere rodede data, ofte med få instruktioner.

Denne applikation er også et spændingsemne blandt forskere inden for kunstig intelligens (AI), da denne forbedrede naturlige indlæringskapacitet kunne accelerere fremskridt inden for AI-forskning med årtier. Mere om dette i vores Future of Artificial Intelligence-serie.

Kryptering. Desværre er dette den applikation, der gør de fleste forskere og efterretningstjenester nervøse. Alle nuværende krypteringstjenester er afhængige af at skabe adgangskoder, som det ville tage en moderne supercomputer tusinder af år at knække; kvantecomputere kunne teoretisk rippe disse krypteringsnøgler igennem på under en time.

Bank, kommunikation, nationale sikkerhedstjenester, internettet i sig selv afhænger af pålidelig kryptering for at fungere. (Åh, og glem også bitcoin, givet dens kerneafhængighed af kryptering.) Hvis disse kvantecomputere fungerer som annonceret, vil alle disse industrier være i fare, i værste fald bringe hele verdensøkonomien i fare, indtil vi bygger kvantekryptering for at bevare tempo.

Sprogoversættelse i realtid. For at afslutte dette kapitel og denne serie på en mindre stressende note, vil kvantecomputere også muliggøre næsten perfekt sprogoversættelse i realtid mellem to sprog, enten over en Skype-chat eller ved at bruge en audio-bærbar enhed eller implantat i dit øre .

Om 20 år vil sproget ikke længere være en barriere for forretnings- og hverdagsinteraktioner. For eksempel kan en person, der kun taler engelsk, mere selvsikkert indgå forretningsforbindelser med partnere i udlandet, hvor engelske mærker ellers ikke ville have trængt ind, og når han besøger nævnte fremmede lande, kan denne person endda blive forelsket i en bestemt person, som tilfældigvis kun taler kantonesisk.