Quantumrun

KREDIT ZA SLIKE: Quantumrun

Kako će kvantna računala promijeniti svijet: budućnost računala P7

David Tal, izdavač, futurist
@DavidTalPiše
LinkedIn

Pon, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

Puno je hypea oko opće računalne industrije, hypea usredotočenog na jednu specifičnu tehnologiju koja ima potencijal promijeniti sve: kvantna računala. Budući da smo ime naše tvrtke, priznat ćemo pristranost u našem raspoloženju prema ovoj tehnologiji, a tijekom ovog posljednjeg poglavlja naše serije Future of Computers, nadamo se da ćemo s vama podijeliti zašto je to tako.

Na osnovnoj razini, kvantno računalo nudi priliku za manipuliranje informacijama na bitno drugačiji način. Zapravo, kada ova tehnologija sazrije, ova računala ne samo da će rješavati matematičke probleme brže od bilo kojeg računala koje trenutno postoji, nego i bilo kojeg računala za koje se predviđa da će postojati u sljedećih nekoliko desetljeća (pod pretpostavkom da je Mooreov zakon istinit). Zapravo, slično našoj raspravi superračunala u našem zadnjem poglavlju, buduća kvantna računala omogućit će čovječanstvu da se uhvati u koštac sa sve većim pitanjima koja nam mogu pomoći da steknemo duboko dublje razumijevanje svijeta oko nas.

Što su kvantna računala?

Na stranu pompa, po čemu se kvantna računala razlikuju od standardnih računala? I kako rade?

Za vizualne učenike preporučujemo gledanje ovog zabavnog, kratkog videa Kurzgesagt YouTube tima o ovoj temi:

U međuvremenu, za naše čitatelje, dat ćemo sve od sebe da objasnimo kvantna računala bez potrebe za diplomom iz fizike.

Za početak, moramo se prisjetiti da je osnovna jedinica informacijske računalne obrade malo. Ovi bitovi mogu imati jednu od dvije vrijednosti: 1 ili 0, uključeno ili isključeno, da ili ne. Ako spojite dovoljno ovih bitova zajedno, tada možete predstaviti brojeve bilo koje veličine i raditi sve moguće izračune na njima, jedan za drugim. Što je računalni čip veći ili snažniji, to veće brojeve možete izraditi i primijeniti izračune te brže možete prelaziti s jednog izračuna na drugi.

Kvantna računala razlikuju se na dva važna načina.

Prvo, prednost je "superpozicije". Dok tradicionalna računala rade s bitovima, kvantna računala rade s qubitima. Učinak superpozicije koji kubiti omogućuju je da umjesto da bude ograničen na jednu od dvije moguće vrijednosti (1 ili 0), kubit može postojati kao mješavina obje. Ova značajka omogućuje kvantnim računalima da rade učinkovitije (brže) od tradicionalnih računala.

Drugo, prednost je "zapletenosti". Ovaj fenomen je jedinstveno ponašanje kvantne fizike koje veže sudbinu količine različitih čestica, tako da će ono što se dogodi jednoj utjecati na druge. Kada se primijeni na kvantna računala, to znači da mogu manipulirati svim svojim qubitima istovremeno - drugim riječima, umjesto da radi niz izračuna jedan za drugim, kvantno računalo bi ih moglo raditi sve u isto vrijeme.

Utrka za izgradnju prvog kvantnog računala

Ovaj je naslov pomalo pogrešan naziv. Vodeće tvrtke poput Microsofta, IBM-a i Googlea već su stvorile prva eksperimentalna kvantna računala, ali ti rani prototipovi imaju manje od dva tuceta qubita po čipu. I dok su ovi rani napori izvrstan prvi korak, tehnološke tvrtke i državni istraživački odjeli morat će izgraditi kvantno računalo koje sadrži najmanje 49 do 50 qubita kako bi hype ispunio svoj teoretizirani potencijal u stvarnom svijetu.

U tu svrhu, postoji niz pristupa s kojima se eksperimentira kako bi se postigla ova prekretnica od 50 qubita, ali dva su iznad svih.

U jednom taboru, Google i IBM imaju za cilj razviti kvantno računalo predstavljajući kubite kao struje koje teku kroz supravodljive žice koje su ohlađene na –273.15 stupnjeva Celzijusa, ili apsolutnu nulu. Prisutnost ili odsutnost struje označava 1 ili 0. Prednost ovog pristupa je u tome što se ove supravodljive žice ili krugovi mogu izraditi od silicija, materijala s kojim tvrtke poluvodiča imaju desetljeća iskustva u radu.

Drugi pristup, koji predvodi Microsoft, uključuje zarobljene ione koji se drže na mjestu u vakuumskoj komori i njima manipuliraju laseri. Oscilirajući naboji funkcioniraju kao kubiti, koji se zatim koriste za obradu operacija kvantnog računala.

Kako ćemo koristiti kvantna računala

U redu, ostavimo teoriju na stranu, usredotočimo se na stvarne primjene koje će ova kvantna računala imati na svijet i na to kako se tvrtke i ljudi s tim bave.

Logistički i optimizacijski problemi. Među najneposrednijim i najprofitabilnijim upotrebama kvantnih računala bit će optimizacija. Za aplikacije za dijeljenje vožnje, kao što je Uber, koja je najbrža ruta za preuzimanje i iskrcavanje što je više moguće kupaca? Za divove e-trgovine, poput Amazona, koji je najisplativiji način isporuke milijardi paketa tijekom blagdanske gužve s kupnjom darova?

Ova jednostavna pitanja uključuju obradu brojeva na stotine do tisuće varijabli odjednom, što je podvig s kojim se moderna superračunala jednostavno ne mogu nositi; pa umjesto toga izračunavaju mali postotak tih varijabli kako bi pomogli tim tvrtkama da upravljaju svojim logističkim potrebama na manje od optimalnog načina. Ali s kvantnim računalom, proći će kroz brdo varijabli bez da se oznoji.

Vrijeme i klima modeliranje. Slično gornjoj točki, razlog zašto vremenski kanal ponekad pogriješi je taj što postoji previše varijabli okoline koje njihova superračunala mogu obraditi (to i ponekad loše prikupljanje vremenskih podataka). Ali uz kvantno računalo, meteorološki znanstvenici ne samo da mogu savršeno prognozirati kratkoročne vremenske uzorke, već također mogu stvoriti točnije dugoročne procjene klime kako bi predvidjeli učinke klimatskih promjena.

Personalizirani lijek. Dekodiranje vaše DNK i vašeg jedinstvenog mikrobioma ključno je za buduće liječnike kako bi prepisali lijekove koji su savršeno prilagođeni vašem tijelu. Dok su tradicionalna superračunala napravila korake u ekonomičnom dekodiranju DNK, mikrobiom je daleko izvan njihovog dosega - ali ne i za buduća kvantna računala.

Kvantna računala također će omogućiti Big Pharmi da bolje predvidi kako različite molekule reagiraju s njihovim lijekovima, čime će značajno ubrzati farmaceutski razvoj i sniziti cijene.

Istraživanje svemira. Svemirski teleskopi današnjice (i sutrašnjice) svaki dan prikupljaju goleme količine astroloških slikovnih podataka koji prate kretanje trilijuna galaksija, zvijezda, planeta i asteroida. Nažalost, ovo je previše podataka da bi ih današnja superračunala mogla pregledati kako bi redovito dolazila do smislenih otkrića. Ali sa zrelim kvantnim računalom u kombinaciji sa strojnim učenjem, svi se ti podaci konačno mogu učinkovito obraditi, otvarajući vrata otkrivanju stotina do tisuća novih planeta dnevno do ranih 2030-ih.

Fundamentalne znanosti. Slično gornjim točkama, sirova računalna snaga koju ova kvantna računala omogućuju omogućit će znanstvenicima i inženjerima da osmisle nove kemikalije i materijale, kao i motore koji bolje funkcioniraju i, naravno, hladnije božićne igračke.

Strojno učenje. Koristeći tradicionalna računala, algoritmi strojnog učenja trebaju ogromnu količinu odabranih i označenih primjera (veliki podaci) kako bi naučili nove vještine. Uz kvantno računalstvo, softver za strojno učenje može početi učiti više poput ljudi, pri čemu mogu pokupiti nove vještine koristeći manje podataka, neurednije podatke, često s malo uputa.

Ova je aplikacija također predmet uzbuđenja među istraživačima u području umjetne inteligencije (AI), jer bi ova poboljšana prirodna sposobnost učenja mogla ubrzati napredak u istraživanju AI-a za desetljeća. Više o tome u našoj seriji Budućnost umjetne inteligencije.

Šifriranje. Nažalost, ovo je aplikacija koja živcira većinu istraživača i obavještajnih agencija. Sve trenutne usluge šifriranja ovise o stvaranju lozinki za čije bi razbijanje modernom superračunalu trebale tisuće godina; kvantna računala bi teoretski mogla provaliti kroz ove ključeve za šifriranje za manje od sat vremena.

Bankarstvo, komunikacije, službe nacionalne sigurnosti, sam internet ovisi o pouzdanoj enkripciji da bi funkcionirao. (Oh, zaboravite i na bitcoin, s obzirom na njegovu temeljnu ovisnost o enkripciji.) Ako ova kvantna računala budu radila kako se reklamira, sve će te industrije biti u opasnosti, u najgorem slučaju ugrožavajući cijelo svjetsko gospodarstvo dok ne izgradimo kvantnu enkripciju koja će zadržati tempo.

Prijevod jezika u stvarnom vremenu. Da završimo ovo poglavlje i ovu seriju na manje stresnoj noti, kvantna računala će također omogućiti gotovo savršeno prevođenje jezika u stvarnom vremenu između bilo koja dva jezika, bilo putem Skype chata ili korištenjem nosivih audio uređaja ili implantata u vašem uhu .

Za 20 godina jezik više neće biti prepreka poslovnim i svakodnevnim interakcijama. Primjerice, osoba koja samo govori engleski može sigurnije ulaziti u poslovne odnose s partnerima u stranim zemljama u koje engleski brendovi inače ne bi uspjeli prodrijeti, a prilikom posjeta navedenim stranim zemljama može se čak i zaljubiti u nekoga tko slučajno govori samo kantonski.