Quantumrun

KÉP HITEL: Quantumrun

Hogyan változtatják meg a világot a kvantumszámítógépek: A számítógépek jövője P7

David Tal, kiadó, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Hétfő, 09. - 14:2020

Nagy a hírverés az általános számítástechnikai ipar körül, a hírverés egy bizonyos technológia körül összpontosul, amely mindent megváltoztathat: a kvantumszámítógépek. Vállalatunk névrokona lévén, elismerjük, hogy elfogultságunk van ezzel a technológiával kapcsolatban, és a Future of Computers sorozatunk utolsó fejezete során reméljük, hogy megoszthatjuk veled, hogy miért van ez így.

A kvantumszámítógép alapszinten lehetőséget kínál az információk alapvetően más módon történő manipulálására. Valójában, ha ez a technológia kifejlődik, ezek a számítógépek nemcsak matematikai problémákat oldanak meg gyorsabban, mint bármely jelenleg létező számítógép, hanem minden olyan számítógép is, amelyről az előrejelzések szerint a következő néhány évtizedben fog sor kerülni (feltételezve, hogy a Moore-törvény igaz). Valójában hasonló a körülöttünk lévő vitához szuperszámítógépek utolsó fejezetünkben, a jövő kvantumszámítógépei lehetővé teszik az emberiség számára, hogy egyre nagyobb kérdéseket tudjon megválaszolni, amelyek segítségével mélyebben megérthetjük a minket körülvevő világot.

Mik azok a kvantumszámítógépek?

A felhajtást félretéve, miben különböznek a kvantumszámítógépek a szabványos számítógépektől? És hogyan működnek?

A vizuális tanulók számára javasoljuk, hogy nézzék meg ezt a szórakoztató, rövid videót a Kurzgesagt YouTube csapatától a témában:

Mindeközben olvasóinknak mindent megteszünk annak érdekében, hogy elmagyarázzuk a kvantumszámítógépeket anélkül, hogy fizikai végzettségre lenne szükség.

Kezdetnek emlékeznünk kell arra, hogy az információs számítógépek folyamatának alapegysége egy kicsit. Ezeknek a biteknek két értéke lehet: 1 vagy 0, be vagy ki, igen vagy nem. Ha ezekből a bitekből elegendő mennyiséget kombinál, akkor bármilyen méretű számot ábrázolhat, és mindenféle számítást elvégezhet rajtuk, egymás után. Minél nagyobb vagy erősebb a számítógépes chip, annál nagyobb számokat hozhat létre és alkalmazhat számításokat, és annál gyorsabban léphet át egyik számításról a másikra.

A kvantumszámítógépek két fontos szempontból különböznek egymástól.

Először is a „szuperpozíció” előnye. Míg a hagyományos számítógépek bitekkel, a kvantumszámítógépek qubitekkel működnek. A qubitek szuperpozíciós hatása az, hogy ahelyett, hogy két lehetséges érték (1 vagy 0) egyikére lenne korlátozva, a qubit mindkettő keverékeként létezhet. Ez a funkció lehetővé teszi, hogy a kvantumszámítógépek hatékonyabban (gyorsabban) működjenek, mint a hagyományos számítógépek.

Másodszor, az „összefonódás” előnye. Ez a jelenség egy egyedi kvantumfizikai viselkedés, amely megköti a különböző részecskék mennyiségének sorsát, így ami az egyikkel történik, az hatással lesz a többire is. A kvantumszámítógépekre alkalmazva ez azt jelenti, hogy az összes qubitet egyidejűleg tudják manipulálni – más szóval, ahelyett, hogy egymás után végeznének számításokat, egy kvantumszámítógép ezeket egyszerre is elvégezheti.

Verseny az első kvantumszámítógép megépítéséért

Ez a cím kissé téves elnevezés. Vezető cégek, mint a Microsoft, az IBM és a Google, már megalkották az első kísérleti kvantumszámítógépeket, de ezek a korai prototípusok kevesebb mint két tucat qubitet tartalmaznak chipenként. És bár ezek a korai erőfeszítések nagyszerű első lépést jelentenek, a technológiai vállalatoknak és a kormányzati kutatási részlegeknek legalább 49-50 qubites kvantumszámítógépet kell építeniük ahhoz, hogy a hírverés kiaknázhassa az elméletben rejlő valós potenciált.

Ebből a célból számos megközelítéssel kísérleteznek ennek az 50 qubit-es mérföldkőnek az eléréséhez, de ezek közül kettő mindenek felett áll.

Az egyik táborban a Google és az IBM egy kvantumszámítógép kifejlesztésére törekszik úgy, hogy a qubiteket olyan szupravezető vezetékeken átfolyó áramként ábrázolja, amelyeket –273.15 Celsius-fokra, vagyis abszolút nullára hűtnek le. Az áram jelenléte vagy hiánya 1-et vagy 0-t jelent. Ennek a megközelítésnek az az előnye, hogy ezek a szupravezető vezetékek vagy áramkörök szilíciumból építhetők, amely anyagból a félvezető cégek több évtizedes tapasztalattal rendelkeznek.

A második megközelítés, amelyet a Microsoft vezet, magában foglalja a befogott ionokat egy vákuumkamrában, és lézerekkel manipulálják. Az oszcilláló töltések qubitekként működnek, amelyeket aztán a kvantumszámítógép műveleteinek feldolgozására használnak.

Hogyan fogjuk használni a kvantumszámítógépeket

Oké, félretéve az elméletet, koncentráljunk arra, hogy ezek a kvantumszámítógépek milyen valós alkalmazásokkal fognak rendelkezni a világban, és arra, hogy a vállalatok és az emberek hogyan viszonyulnak hozzá.

Logisztikai és optimalizálási problémák. A kvantumszámítógépek legközvetlenebb és legjövedelmezőbb felhasználási módjai közé tartozik az optimalizálás. A telekocsi-alkalmazások, például az Uber esetében mi a leggyorsabb módja annak, hogy minél több ügyfelet felvegyen és kiszálljon? Az e-kereskedelmi óriások, például az Amazon számára mi a legköltséghatékonyabb módja több milliárd csomag kézbesítésének az ünnepi ajándékvásárlási rohanás során?

Ezek az egyszerű kérdések azt jelentik, hogy egyszerre több száz-ezer változót kell összetörni, amit a modern szuperszámítógépek egyszerűen nem tudnak kezelni; ezért ehelyett ezeknek a változóknak egy kis százalékát számítják ki, hogy segítsenek ezeknek a vállalatoknak logisztikai igényeiket az optimálisnál kevésbé megfelelő módon kezelni. De egy kvantumszámítógéppel a változók hegyén keresztül tud átvágni anélkül, hogy izzadna.

Időjárás és éghajlat modellezés. A fenti ponthoz hasonlóan az időjárási csatorna néha azért téved, mert túl sok környezeti változót képesek feldolgozni a szuperszámítógépeik (ezt és néha rossz időjárási adatgyűjtést). A kvantumszámítógép segítségével azonban az időjáráskutatók nemcsak a rövid távú időjárási mintákat tudják tökéletesen előre jelezni, hanem pontosabb, hosszú távú éghajlati értékeléseket is készíthetnek az éghajlatváltozás hatásainak előrejelzésére.

Személyre szabott orvoslás. A DNS és az egyedi mikrobióma dekódolása kulcsfontosságú a leendő orvosok számára, hogy olyan gyógyszereket írhassanak fel, amelyek tökéletesen illeszkednek az Ön szervezetéhez. Míg a hagyományos szuperszámítógépek előrelépéseket tettek a DNS költséghatékony dekódolása terén, a mikrobiom messze túlmutat rajtuk – a jövőbeli kvantumszámítógépek esetében azonban nem.

A kvantumszámítógépek azt is lehetővé teszik a Big Pharma számára, hogy jobban megjósolja, hogyan reagálnak a különböző molekulák a gyógyszereikkel, ezáltal jelentősen felgyorsul a gyógyszerfejlesztés és az árak csökkentése.

Űrkutatás. A mai (és a holnapi) űrteleszkópok naponta óriási mennyiségű asztrológiai képet gyűjtenek, amelyek galaxisok, csillagok, bolygók és aszteroidák billióinak mozgását követik nyomon. Sajnos ez túl sok adat ahhoz, hogy a mai szuperszámítógépek rendszeres időközönként jelentős felfedezéseket tegyenek. De egy kiforrott kvantumszámítógép gépi tanulással kombinálva végre mindezt az adatot hatékonyan fel lehet dolgozni, és a 2030-as évek elejére naponta több száz-ezer új bolygó felfedezésére nyílik lehetőség.

Alapvető tudományok. A fentiekhez hasonlóan a kvantumszámítógépek által biztosított nyers számítási teljesítmény lehetővé teszi a tudósok és mérnökök számára, hogy új vegyi anyagokat és anyagokat, valamint jobban működő motorokat és természetesen menőbb karácsonyi játékokat dolgozzanak ki.

Gépi tanulás. Hagyományos számítógépeket használva a gépi tanulási algoritmusoknak óriási mennyiségű válogatott és címkézett példára (big data) van szükségük az új készségek elsajátításához. A kvantumszámítással a gépi tanulási szoftverek elkezdhetnek többet tanulni, mint az emberek, így kevesebb adat felhasználásával, rendetlenebb adatokkal, gyakran kevés utasítással sajátíthatnak el új készségeket.

Ez az alkalmazás a mesterséges intelligencia (AI) területén dolgozó kutatók körében is izgalom témája, mivel ez a megnövekedett természetes tanulási képesség évtizedekkel felgyorsíthatja a mesterséges intelligencia kutatásának előrehaladását. Erről bővebben a Future of Artificial Intelligence sorozatunkban.

Titkosítás. Sajnos ez az az alkalmazás, amely a legtöbb kutatót és hírszerző ügynökséget idegesíti. Minden jelenlegi titkosítási szolgáltatás olyan jelszavak létrehozásán múlik, amelyek feltörése egy modern szuperszámítógépnek több ezer évbe telne; A kvantumszámítógépek elméletileg kevesebb mint egy óra alatt képesek áttörni ezeket a titkosítási kulcsokat.

A banki szolgáltatások, a kommunikáció, a nemzetbiztonsági szolgáltatások, maga az internet a megbízható titkosítástól függ, hogy működjön. (Ja, és felejtsd el a bitcoint is, tekintve, hogy alapvetően függ a titkosítástól.) Ha ezek a kvantumszámítógépek a hirdetett módon működnek, akkor ezek az iparágak mindegyike veszélyben lesz, és a legrosszabb esetben az egész világgazdaságot veszélyezteti mindaddig, amíg meg nem építjük a fenntartandó kvantumtitkosítást. ütemben.

Valós idejű nyelvi fordítás. Hogy ezt a fejezetet és a sorozatot kevésbé megterhelő jegyekkel zárjuk, a kvantumszámítógépek szinte tökéletes, valós idejű nyelvi fordítást tesznek lehetővé bármely két nyelv között, akár Skype-csevegésen keresztül, akár a fülbe hordható hangeszköz vagy implantátum használatával. .

20 év múlva a nyelv már nem lesz akadálya az üzleti és mindennapi interakcióknak. Például egy csak angolul beszélő személy magabiztosabban tud üzleti kapcsolatokat felvenni olyan külföldi partnerekkel, ahová az angol márkák egyébként nem tudtak volna behatolni, és amikor az említett külföldi országokat meglátogatja, akár bele is szerethet egy bizonyos valakibe, aki történetesen csak kantoni nyelvet beszél.