Quantumrun

MYNDAGREIÐSLA: Quantumrun

Hvernig Quantum tölvur munu breyta heiminum: Future of Computers P7

David Tal, útgefandi, framtíðarfræðingur
@DavidTalWrites
LinkedIn

Mán, 09 - 14:2020

Það er mikið efla í kringum almennan tölvuiðnað, efla sem miðast við eina ákveðna tækni sem hefur möguleika á að breyta öllu: skammtatölvum. Þar sem við erum nafna fyrirtækisins okkar, viðurkennum við að við höfum hlutdrægni í bullishness okkar í kringum þessa tækni, og á meðan á þessum síðasta kafla í Framtíð tölvu seríunnar okkar stendur, vonumst við til að deila með þér hvers vegna það er.

Á grunnstigi býður skammtatölva upp á tækifæri til að vinna með upplýsingar á mjög annan hátt. Reyndar, þegar þessi tækni hefur þroskast, munu þessar tölvur ekki aðeins leysa stærðfræðileg vandamál hraðar en nokkur tölva sem nú er til, heldur einnig allar tölvur sem spáð er að verði til á næstu áratugum (að því gefnu að lög Moores standist). Í raun svipað og umræða okkar um ofurtölvur í síðasta kafla okkar, framtíðar skammtatölvur munu gera mannkyninu kleift að takast á við sífellt stærri spurningar sem geta hjálpað okkur að öðlast djúpstæðari skilning á heiminum í kringum okkur.

Hvað eru skammtatölvur?

Til hliðar, hvernig eru skammtatölvur öðruvísi en venjulegar tölvur? Og hvernig virka þau?

Fyrir sjónræna nemendur mælum við með að horfa á þetta skemmtilega stutta myndband frá Kurzgesagt YouTube teyminu um þetta efni:

Á meðan, fyrir lesendur okkar, munum við gera okkar besta til að útskýra skammtatölvur án þess að þurfa eðlisfræðipróf.

Til að byrja með verðum við að muna að grunneining upplýsingatölvaferlis er svolítið. Þessir bitar geta haft eitt af tveimur gildum: 1 eða 0, kveikt eða slökkt, já eða nei. Ef þú sameinar nóg af þessum bitum saman geturðu síðan táknað tölur af hvaða stærð sem er og gert alls kyns útreikninga á þeim, á eftir öðrum. Því stærri eða öflugri sem tölvukubburinn er, því stærri tölur sem þú getur búið til og beitt útreikningum og því hraðar geturðu farið úr einum útreikningi í annan.

Skammtatölvur eru ólíkar á tvo mikilvæga vegu.

Í fyrsta lagi er kosturinn við „ofurstöðu“. Á meðan hefðbundnar tölvur starfa með bitum starfa skammtatölvur með qubitum. Yfirsetningaráhrifin sem qubits gera kleift er að í stað þess að vera bundin við eitt af tveimur mögulegum gildum (1 eða 0), getur qubit verið til sem blanda af báðum. Þessi eiginleiki gerir skammtatölvum kleift að starfa á skilvirkari hátt (hraðari) en hefðbundnar tölvur.

Í öðru lagi er kosturinn við „flækju“. Þetta fyrirbæri er einstök skammtaeðlisfræðileg hegðun sem bindur örlög magns mismunandi agna þannig að það sem kemur fyrir eina mun hafa áhrif á hinar. Þegar það er notað á skammtatölvur þýðir þetta að þær geta stjórnað öllum qubitum sínum samtímis - með öðrum orðum, í stað þess að gera hóp útreikninga hver á eftir öðrum, gæti skammtatölva gert þá alla á sama tíma.

Kapphlaupið um að smíða fyrstu skammtatölvuna

Þessi fyrirsögn er nokkuð rangnefni. Leiðandi fyrirtæki eins og Microsoft, IBM og Google hafa þegar búið til fyrstu tilrauna skammtatölvurnar, en þessar fyrstu frumgerðir eru með minna en tvo tugi qubita á hvern flís. Og þó að þessi fyrstu viðleitni sé frábært fyrsta skref, munu tæknifyrirtæki og rannsóknardeildir stjórnvalda þurfa að smíða skammtatölvu sem inniheldur að minnsta kosti 49 til 50 qubita til að efla til að mæta kenningum raunverulegum möguleikum sínum.

Í þessu skyni er verið að gera tilraunir með ýmsar aðferðir til að ná þessum 50 qubit áfanga, en tvær standa ofar öllum sem koma.

Í einni búðunum stefna Google og IBM að því að þróa skammtatölvu með því að tákna qubits sem strauma sem streyma í gegnum ofurleiðandi víra sem eru kældir niður í -273.15 gráður á Celsíus, eða algjört núll. Tilvist eða fjarvera straums stendur fyrir 1 eða 0. Ávinningurinn af þessari nálgun er að þessi ofurleiðandi vír eða rafrásir geta verið byggðar úr sílikoni, efni sem hálfleiðarafyrirtæki hafa áratuga reynslu af að vinna með.

Önnur aðferðin, undir forystu Microsoft, felur í sér föstum jónum sem haldið er á sínum stað í tómarúmshólfinu og þeim er stjórnað með leysigeislum. Sveifluhleðslan virka sem qubits, sem síðan eru notaðir til að vinna úr aðgerðum skammtatölvunnar.

Hvernig við munum nota skammtatölvur

Allt í lagi, leggjum kenninguna til hliðar, við skulum einbeita okkur að raunheimsforritunum sem þessar skammtatölvur munu hafa á heiminum og hvernig fyrirtæki og fólk taka þátt í því.

Skipulags- og hagræðingarvandamál. Meðal bráðasta og arðbærustu notkunar fyrir skammtatölvur verður hagræðing. Fyrir samnýtingarforrit eins og Uber, hver er fljótlegasta leiðin til að sækja og skila eins mörgum viðskiptavinum og mögulegt er? Fyrir rafræn viðskipti, eins og Amazon, hver er hagkvæmasta leiðin til að afhenda milljarða pakka á meðan á hátíðargjafakaupum stendur?

Þessar einföldu spurningar fela í sér að tala um hundruð til þúsunda breyta í einu, afrek sem nútíma ofurtölvur ráða bara ekki við; þannig að í staðinn reikna þeir lítið hlutfall af þessum breytum til að hjálpa þessum fyrirtækjum að stjórna skipulagsþörfum sínum á minna en ákjósanlegan hátt. En með skammtatölvu mun hún sneiða í gegnum fjall af breytum án þess að svitna.

Veður og loftslag módelgerð. Svipað og punkturinn hér að ofan er ástæðan fyrir því að veðurrásin misskilur stundum vegna þess að það eru of margar umhverfisbreytur til að ofurtölvur þeirra geti unnið úr (það og stundum léleg veðurgagnasöfnun). En með skammtatölvu geta veðurfræðingar ekki aðeins spáð fullkomlega fyrir um veðurmynstur á næstunni heldur geta þeir líka búið til nákvæmari langtíma loftslagsmat til að spá fyrir um áhrif loftslagsbreytinga.

Persónuleg lyf. Að afkóða DNA og einstaka örveru þína er mikilvægt fyrir framtíðarlækna að ávísa lyfjum sem eru fullkomlega sniðin að líkama þínum. Þó hefðbundnar ofurtölvur hafi náð árangri í að afkóða DNA á hagkvæman hátt, þá er örveran langt utan þeirra seilingar - en ekki svo fyrir skammtatölvur í framtíðinni.

Skammtatölvur munu einnig gera Big Pharma kleift að spá betur fyrir um hvernig mismunandi sameindir bregðast við lyfjum sínum og flýta þar með verulega fyrir lyfjaþróun og lækka verð.

Geimskoðun. Geimsjónaukar nútímans (og morgundagsins) safna gífurlegu magni af stjörnumyndagögnum á hverjum degi sem fylgjast með hreyfingum trilljóna vetrarbrauta, stjarna, reikistjarna og smástirna. Því miður eru þetta allt of mikið af gögnum til að ofurtölvur nútímans geti sigtað í gegnum til að gera mikilvægar uppgötvanir reglulega. En með þroskaðri skammtatölvu ásamt vélanámi er loksins hægt að vinna öll þessi gögn á skilvirkan hátt, sem opnar dyrnar fyrir uppgötvun hundruða til þúsunda nýrra pláneta daglega í byrjun þriðja áratugarins.

Grunnvísindi. Svipað og ofangreint, mun hráa tölvuaflið sem þessar skammtatölvur gera kleift að gera vísindamönnum og verkfræðingum kleift að búa til ný kemísk efni og efni, auk betri virkra véla og auðvitað kaldari jólaleikföng.

vél nám. Með því að nota hefðbundnar tölvur þurfa vélanámsreiknirit að fá risastórt magn af samantektum og merktum dæmum (stór gögn) til að læra nýja færni. Með skammtatölvum getur vélanámshugbúnaður byrjað að læra meira eins og menn, þar sem þeir geta öðlast nýja færni með því að nota minni gögn, sóðalegri gögn, oft með fáum leiðbeiningum.

Þetta forrit er líka spennuefni meðal vísindamanna á gervigreindarsviðinu (AI), þar sem þessi bætta náttúrulega námsgeta gæti flýtt fyrir framförum í gervigreindarrannsóknum um áratugi. Meira um þetta í Future of Artificial Intelligence seríunni okkar.

dulkóðun. Því miður er þetta forritið sem hefur flesta vísindamenn og leyniþjónustustofnanir kvíða. Öll núverandi dulkóðunarþjónusta er háð því að búa til lykilorð sem myndi taka nútíma ofurtölvu þúsundir ára að sprunga; skammtatölvur gætu fræðilega rifið í gegnum þessa dulkóðunarlykla á innan við klukkustund.

Bankastarfsemi, samskipti, þjóðaröryggisþjónusta, internetið sjálft er háð áreiðanlegri dulkóðun til að virka. (Ó, og gleymdu líka bitcoin, í ljósi þess að það er algerlega háð dulkóðun.) Ef þessar skammtatölvur virka eins og auglýstar eru, munu allar þessar atvinnugreinar vera í hættu, í versta falli stofna öllu hagkerfi heimsins í hættu þar til við byggjum skammtadulkóðun til að halda hraða.

Rauntíma tungumálaþýðing. Til að enda þennan kafla og þessa röð á minna streituvaldandi nótum munu skammtatölvur einnig gera næstum fullkomna, rauntíma tungumálaþýðingu á milli tveggja tungumála, annað hvort í gegnum Skype spjall eða með því að nota hljóðbúnað eða ígræðslu í eyrað. .

Eftir 20 ár mun tungumálið ekki lengur vera hindrun í viðskiptum og hversdagslegum samskiptum. Einstaklingur sem talar aðeins ensku getur til dæmis með meiri öryggi stofnað til viðskiptasambanda við samstarfsaðila í erlendum löndum þar sem ensk vörumerki hefðu annars ekki náð að komast í gegn og þegar hann heimsækir umrædd erlend lönd gæti þessi manneskja jafnvel orðið ástfangin af einhverjum sem gerist bara að tala kantónsku.