Quantumrun

KUVAKrediitti: Quantumrun

Kuinka kvanttitietokoneet muuttavat maailmaa: Tietokoneiden tulevaisuus P7

David Tal, kustantaja, futuristi
@DavidTalWrites
LinkedIn

Ma, 09 - 14:2020

Yleisellä tietokoneteollisuudella on paljon hypeä, joka keskittyy yhteen tiettyyn teknologiaan, joka voi muuttaa kaiken: kvanttitietokoneet. Koska olemme yrityksemme kaima, myönnämme tähän tekniikkaan liittyvän ennakkoluulomme, ja tämän Future of Computers -sarjan viimeisen luvun aikana toivomme voivamme kertoa sinulle, miksi näin on.

Perustasolla kvanttitietokone tarjoaa mahdollisuuden manipuloida tietoa olennaisesti eri tavalla. Itse asiassa, kun tämä tekniikka kehittyy, nämä tietokoneet eivät ainoastaan ratkaise matemaattisia ongelmia nopeammin kuin mikään tällä hetkellä olemassa oleva tietokone, vaan myös kaikki tietokoneet, joiden ennustetaan olevan olemassa seuraavien vuosikymmenien aikana (olettaen, että Mooren laki pitää paikkansa). Itse asiassa samanlainen kuin keskustelumme ympärillämme supertietokoneet viimeisessä luvussamme, tulevaisuuden kvanttitietokoneet antavat ihmiskunnalle mahdollisuuden tarttua yhä suurempiin kysymyksiin, jotka voivat auttaa meitä ymmärtämään syvällisesti ympäröivää maailmaa.

Mitä ovat kvanttitietokoneet?

Hype sivuun, miten kvanttitietokoneet eroavat tavallisista tietokoneista? Ja miten ne toimivat?

Visuaalisille oppijoille suosittelemme katsomaan Kurzgesagtin YouTube-tiimin tämän hauskan lyhyen videon tästä aiheesta:

Sillä välin teemme lukijoillemme parhaamme selittääksemme kvanttitietokoneet ilman fysiikan tutkinnon tarvetta.

Ensinnäkin meidän on muistettava, että tietotietokoneiden prosessin perusyksikkö on vähän. Näillä biteillä voi olla yksi kahdesta arvosta: 1 tai 0, päällä tai pois päältä, kyllä tai ei. Jos yhdistät tarpeeksi näitä bittejä yhteen, voit sitten esittää minkä tahansa kokoisia lukuja ja tehdä niistä kaikenlaisia laskelmia peräkkäin. Mitä suurempi tai tehokkaampi tietokonesiru, sitä suurempia lukuja voit luoda ja käyttää laskelmia ja sitä nopeammin voit siirtyä laskutoimituksesta toiseen.

Kvanttitietokoneet eroavat toisistaan kahdella tärkeällä tavalla.

Ensinnäkin on "superposition" etu. Perinteiset tietokoneet toimivat bittien kanssa, kun taas kvanttitietokoneet toimivat kubiteilla. Superpositiovaikutuksen kubitit mahdollistavat sen, että sen sijaan, että se olisi rajoitettu johonkin kahdesta mahdollisesta arvosta (1 tai 0), kubitti voi esiintyä molempien sekoituksena. Tämän ominaisuuden ansiosta kvanttitietokoneet voivat toimia tehokkaammin (nopeammin) kuin perinteiset tietokoneet.

Toiseksi se on "kietoutumisen" etu. Tämä ilmiö on ainutlaatuinen kvanttifysiikan käyttäytyminen, joka sitoo erilaisten hiukkasten määrän kohtalon niin, että yhdelle tapahtuva vaikuttaa muihin. Kvanttitietokoneisiin sovellettaessa tämä tarkoittaa, että ne voivat manipuloida kaikkia kubittejaan samanaikaisesti – toisin sanoen sen sijaan, että kvanttitietokone tekisi joukon laskutoimituksia peräkkäin, voisi tehdä ne kaikki samanaikaisesti.

Kilpailu ensimmäisen kvanttitietokoneen rakentamisesta

Tämä otsikko on hieman väärä nimitys. Johtavat yritykset, kuten Microsoft, IBM ja Google, ovat jo luoneet ensimmäiset kokeelliset kvanttitietokoneet, mutta näissä varhaisissa prototyypeissä on alle kaksi tusinaa kubittia sirua kohden. Ja vaikka nämä varhaiset ponnistelut ovat loistava ensimmäinen askel, teknologiayritysten ja valtion tutkimusosastojen on rakennettava kvanttitietokone, jossa on vähintään 49–50 kubittia, jotta hype täyttää teoretisoidut reaalimaailman potentiaalinsa.

Tätä tarkoitusta varten on kokeiltu useita lähestymistapoja tämän 50 kubitin virstanpylvään saavuttamiseksi, mutta kaksi on kaikkien toimijoiden yläpuolella.

Yhdessä leirissä Google ja IBM pyrkivät kehittämään kvanttitietokoneen esittämällä kubitit virroina, jotka kulkevat suprajohtavien johtojen läpi, jotka jäähdytetään -273.15 celsiusasteeseen tai absoluuttiseen nollaan. Virran olemassaolo tai puuttuminen tarkoittaa 1:tä tai 0:aa. Tämän lähestymistavan etuna on, että nämä suprajohtavat johdot tai piirit voidaan rakentaa piistä, jonka materiaalin puolijohdeyhtiöillä on vuosikymmenten kokemus työskentelystä.

Toinen Microsoftin johtama lähestymistapa sisältää loukkuun jääneet ionit, jotka pidetään paikallaan tyhjiökammiossa ja joita manipuloidaan lasereilla. Värähtelevät varaukset toimivat kubitteina, joita sitten käytetään kvanttitietokoneen toimintojen prosessointiin.

Kuinka käytämme kvanttitietokoneita

Okei, jätetään teoria syrjään, keskitytään reaalimaailman sovelluksiin, joita näillä kvanttitietokoneilla on maailmassa ja miten yritykset ja ihmiset sitoutuvat siihen.

Logistiset ja optimointiongelmat. Yksi välittömimmistä ja kannattavimmista kvanttitietokoneiden käyttötavoista on optimointi. Mikä on kyydinjakosovellusten, kuten Uber, nopein tapa noutaa ja jättää mahdollisimman monta asiakasta? Mikä on Amazonin kaltaisille verkkokaupan jättiläisille kustannustehokkain tapa toimittaa miljardeja paketteja lomalahjojen ostoruuhkan aikana?

Nämä yksinkertaiset kysymykset sisältävät useita satojen tai tuhansien muuttujien murskaamista kerralla, mitä nykyaikaiset supertietokoneet eivät vain pysty käsittelemään. Sen sijaan he laskevat pienen prosenttiosuuden näistä muuttujista auttaakseen näitä yrityksiä hallitsemaan logistisia tarpeitaan vähemmän kuin optimaalisella tavalla. Mutta kvanttitietokoneella se leikkaa muuttujien vuoren läpi ilman hikeä.

Sää ja ilmasto mallinnus. Samoin kuin yllä olevassa kohdassa, syy siihen, miksi sääkanava joskus menee pieleen, johtuu siitä, että niiden supertietokoneiden käsittelyssä on liian monia ympäristömuuttujia (tämä ja joskus huono säätietojen kerääminen). Mutta kvanttitietokoneen avulla säätieteilijät eivät voi vain ennustaa lyhyen aikavälin sääkuvioita täydellisesti, vaan he voivat myös luoda tarkempia pitkän aikavälin ilmastoarvioita ilmastonmuutoksen vaikutusten ennustamiseksi.

Henkilökohtainen lääketiede. DNA:n ja ainutlaatuisen mikrobiomisi dekoodaaminen on ratkaisevan tärkeää tuleville lääkäreille, jotta he voivat määrätä lääkkeitä, jotka on räätälöity täydellisesti kehollesi. Vaikka perinteiset supertietokoneet ovat edistyneet DNA:n dekoodauksessa kustannustehokkaasti, mikrobiomi on kaukana niiden ulottuvilta - mutta ei niin tulevien kvanttitietokoneiden kannalta.

Kvanttitietokoneiden avulla Big Pharma pystyy myös paremmin ennustamaan, miten eri molekyylit reagoivat lääkkeisiinsä, mikä nopeuttaa merkittävästi lääkekehitystä ja alentaa hintoja.

Avaruustutkimus. Tämän päivän (ja huomisen) avaruusteleskoopit keräävät joka päivä valtavia määriä astrologisia kuvia, jotka seuraavat biljoonien galaksien, tähtien, planeettojen ja asteroidien liikkeitä. Valitettavasti tämä on aivan liian paljon dataa nykypäivän supertietokoneille, jotta ne voisivat seuloa läpi merkityksellisiä löytöjä säännöllisesti. Mutta kypsällä kvanttitietokoneella yhdistettynä koneoppimiseen kaikki nämä tiedot voidaan lopulta käsitellä tehokkaasti, mikä avaa oven satojen tai tuhansien uusien planeettojen löytämiselle päivittäin 2030-luvun alkuun mennessä.

Perustieteet. Kuten edellä, näiden kvanttitietokoneiden käyttämä raaka laskentateho antaa tutkijoille ja insinööreille mahdollisuuden kehittää uusia kemikaaleja ja materiaaleja sekä paremmin toimivia moottoreita ja tietysti viileämpiä joululeluja.

Koneen oppiminen. Perinteisiä tietokoneita käyttävät koneoppimisalgoritmit tarvitsevat valtavan määrän kuratoituja ja merkittyjä esimerkkejä (big data) oppiakseen uusia taitoja. Kvanttilaskennan avulla koneoppimisohjelmistot voivat alkaa oppia enemmän kuin ihmiset, jolloin he voivat poimia uusia taitoja käyttämällä vähemmän dataa, sotkuisempia tietoja, usein vain harvoilla ohjeilla.

Tämä sovellus kiinnostaa myös tekoälyn (AI) tutkijoita, sillä tämä parantunut luonnollinen oppimiskyky voi nopeuttaa tekoälytutkimuksen edistymistä vuosikymmenillä. Lisää tästä Future of Artificial Intelligence -sarjassamme.

Salaus. Valitettavasti tämä on sovellus, joka saa useimmat tutkijat ja tiedustelupalvelut hermostuneeksi. Kaikki nykyiset salauspalvelut ovat riippuvaisia salasanojen luomisesta, joiden murtaminen nykyaikaisella supertietokoneella kestäisi tuhansia vuosia; kvanttitietokoneet voisivat teoreettisesti repiä nämä salausavaimet läpi alle tunnissa.

Pankkitoiminta, viestintä, kansalliset turvallisuuspalvelut, itse Internet on riippuvainen luotettavasta salauksesta toimiakseen. (Voi, ja unohda myös bitcoin, kun otetaan huomioon sen ydinriippuvuus salauksesta.) Jos nämä kvanttitietokoneet toimivat mainostetulla tavalla, kaikki nämä teollisuudenalat ovat vaarassa ja pahimmillaan vaarantavat koko maailmantalouden, kunnes rakennamme kvanttisalauksen säilytettäväksi. vauhti.

Reaaliaikainen kielen käännös. Tämän luvun ja tämän sarjan päätteeksi vähemmän stressaavaan muistiin totean, että kvanttitietokoneet mahdollistavat myös lähes täydellisen, reaaliaikaisen kielenkäännöksen minkä tahansa kahden kielen välillä joko Skype-chatin kautta tai käyttämällä korvaan puettavaa tai implanttia. .

20 vuoden kuluttua kieli ei ole enää este liiketoiminnalle ja jokapäiväiselle vuorovaikutukselle. Esimerkiksi vain englantia puhuva henkilö voi luottavaisemmin ryhtyä liikesuhteisiin sellaisten ulkomaisten kumppaneiden kanssa, joihin englantilaiset brändit eivät muuten olisi tunkeutuneet, ja vieraillessaan mainituissa ulkomaissa tämä henkilö voi jopa rakastua tiettyyn henkilöön, joka puhuu vain kantonin kieltä.