Kā kvantu datori mainīs pasauli: datoru nākotne P7

Vispārējā datoru industrijā ir daudz ažiotāžu, kuras centrā ir viena konkrēta tehnoloģija, kas var mainīt visu: kvantu datori. Tā kā mēs esam mūsu uzņēmuma vārdamāsa, mēs atzīstam savu aizspriedumu pret šo tehnoloģiju, un šīs sērijas Future of Computers pēdējās nodaļas laikā mēs ceram ar jums pastāstīt, kāpēc tas tā ir.

Pamatlīmenī kvantu dators piedāvā iespēju manipulēt ar informāciju principiāli citādā veidā. Faktiski, tiklīdz šī tehnoloģija būs nobriedusi, šie datori ne tikai atrisinās matemātiskas problēmas ātrāk nekā jebkurš pašreiz esošais dators, bet arī jebkurš dators, kas tiek prognozēts dažu nākamo desmitgažu laikā (pieņemot, ka Mūra likums atbilst patiesībai). Faktiski līdzīgi kā mūsu diskusija superdatori mūsu pēdējā nodaļā, nākotnes kvantu datori ļaus cilvēcei risināt arvien lielākus jautājumus, kas var palīdzēt mums iegūt dziļāku izpratni par apkārtējo pasauli.

Kas ir kvantu datori?

Atkāpjoties no ažiotāžas, ar ko kvantu datori atšķiras no standarta datoriem? Un kā viņi strādā?

Tiem, kas mācās vizuāli, mēs iesakām noskatīties šo jautro, īso video no Kurzgesagt YouTube komandas par šo tēmu:

Tikmēr mūsu lasītājiem mēs darīsim visu iespējamo, lai izskaidrotu kvantu datorus bez nepieciešamības iegūt fizikas grādu.

Iesācējiem mums jāatceras, ka informācijas datoru procesa pamatvienība ir mazliet. Šiem bitiem var būt viena no divām vērtībām: 1 vai 0, ieslēgts vai izslēgts, jā vai nē. Ja apvienojat pietiekami daudz no šiem bitiem, varat attēlot jebkura lieluma skaitļus un veikt visu veidu aprēķinus pēc kārtas. Jo lielāka vai jaudīgāka ir datora mikroshēma, jo lielākus skaitļus varat izveidot un lietot aprēķinus, un jo ātrāk varat pāriet no viena aprēķina uz citu.

Kvantu datori atšķiras divos svarīgos veidos.

Pirmkārt, tā ir “superpozīcijas” priekšrocība. Kamēr tradicionālie datori darbojas ar bitiem, kvantu datori darbojas ar kubitiem. Superpozīcijas efekta kubiti iespējotie ir tādi, ka tā vietā, lai to ierobežotu ar vienu no divām iespējamām vērtībām (1 vai 0), kubits var pastāvēt kā abu sajaukums. Šī funkcija ļauj kvantu datoriem darboties efektīvāk (ātrāk) nekā tradicionālajiem datoriem.

Otrkārt, tā ir “sapīšanās” priekšrocība. Šī parādība ir unikāla kvantu fizikas uzvedība, kas saista dažādu daļiņu daudzuma likteni tā, ka tas, kas notiek ar vienu, ietekmēs pārējās. Lietojot kvantu datoros, tas nozīmē, ka tie var vienlaikus manipulēt ar visiem saviem kubitiem — citiem vārdiem sakot, tā vietā, lai veiktu aprēķinus vienu pēc otra, kvantu dators varētu tos visus veikt vienlaikus.

Sacensības, lai izveidotu pirmo kvantu datoru

Šis virsraksts ir nedaudz nepareizs nosaukums. Vadošie uzņēmumi, piemēram, Microsoft, IBM un Google, jau ir izveidojuši pirmos eksperimentālos kvantu datorus, taču šiem agrīnajiem prototipiem ir mazāk nekā divi desmiti kubitu vienā mikroshēmā. Un, lai gan šie agrīnie centieni ir lielisks pirmais solis, tehnoloģiju uzņēmumiem un valdības pētniecības departamentiem būs jāizveido kvantu dators ar vismaz 49 līdz 50 kubitiem, lai ažiotāža atbilstu tā teorētiskajam reālās pasaules potenciālam.

Šim nolūkam tiek eksperimentētas vairākas pieejas, lai sasniegtu šo 50 kubitu pagrieziena punktu, taču divas ir augstākas par visiem.

Vienā nometnē Google un IBM mērķis ir izstrādāt kvantu datoru, attēlojot kubitus kā strāvas, kas plūst pa supravadošiem vadiem, kas tiek atdzesēti līdz –273.15 grādiem pēc Celsija vai absolūtās nulles. Strāvas esamība vai neesamība nozīmē 1 vai 0. Šīs pieejas priekšrocība ir tāda, ka šos supravadošos vadus vai shēmas var būvēt no silīcija, materiāla pusvadītāju uzņēmumiem ir gadu desmitiem ilga pieredze darbā.

Otrā pieeja, ko vada Microsoft, ietver iesprostotos jonus, kas tiek turēti vakuuma kamerā un tiek manipulēti ar lāzeriem. Svārstošie lādiņi darbojas kā kubiti, kurus pēc tam izmanto kvantu datora darbību apstrādei.

Kā mēs izmantosim kvantu datorus

Labi, atmetot teoriju, pievērsīsimies reālās pasaules lietojumiem, ko šie kvantu datori izmantos pasaulē un kā uzņēmumi un cilvēki ar to iesaistās.

Loģistikas un optimizācijas problēmas. Viens no tūlītējākajiem un ienesīgākajiem kvantu datoru izmantošanas veidiem būs optimizācija. Kāds ir ātrākais ceļš, lai uzņemtu un izvestu pēc iespējas vairāk klientu, piemēram, brauciena koplietošanas lietotnēm, piemēram, Uber? Kāds ir e-komercijas gigantiem, piemēram, Amazon, visrentablākais veids, kā piegādāt miljardus paku svētku dāvanu pirkšanas steigas laikā?

Šie vienkāršie jautājumi ir saistīti ar simtiem līdz tūkstošiem mainīgo lielumu samazināšanu vienlaikus, un tas ir varoņdarbs, ar kuru mūsdienu superdatori vienkārši nevar tikt galā; tā vietā viņi aprēķina nelielu procentuālo daļu no šiem mainīgajiem, lai palīdzētu šiem uzņēmumiem pārvaldīt savas loģistikas vajadzības ne tik optimālā veidā. Bet ar kvantu datoru tas pāršķirs mainīgo lielumu kalnu, nesvīstot.

Laika un klimata modelēšana. Līdzīgi iepriekšminētajam, iemesls, kāpēc laikapstākļu kanāls dažreiz kļūst nepareizi, ir tāpēc, ka viņu superdatoriem ir pārāk daudz vides mainīgo (to un dažreiz slikta laikapstākļu datu apkopošana). Taču, izmantojot kvantu datoru, laikapstākļu zinātnieki var ne tikai perfekti prognozēt īstermiņa laika apstākļus, bet arī izveidot precīzākus ilgtermiņa klimata novērtējumus, lai prognozētu klimata pārmaiņu ietekmi.

Personalizētas zāles. Jūsu DNS un unikālā mikrobioma atkodēšana ir ļoti svarīga, lai nākamie ārsti varētu izrakstīt zāles, kas ir ideāli pielāgotas jūsu ķermenim. Lai gan tradicionālie superdatori ir guvuši panākumus DNS rentablā dekodēšanā, mikrobioms ir tālu ārpus tiem, bet ne nākotnes kvantu datoriem.

Kvantu datori arī ļaus Big Pharma labāk prognozēt, kā dažādas molekulas reaģē ar savām zālēm, tādējādi ievērojami paātrinot farmācijas izstrādi un pazeminot cenas.

Kosmosa izpēte. Mūsdienu (un rītdienas) kosmosa teleskopi katru dienu savāc milzīgu daudzumu astroloģisko attēlu datu, kas izseko triljoniem galaktiku, zvaigžņu, planētu un asteroīdu kustībām. Diemžēl tas ir pārāk daudz datu, lai mūsdienu superdatori tos varētu izsijāt, lai regulāri veiktu nozīmīgus atklājumus. Taču, izmantojot nobriedušu kvantu datoru, kas apvienots ar mašīnmācību, visus šos datus beidzot var apstrādāt efektīvi, līdz 2030. gadu sākumam katru dienu paverot iespēju atklāt simtiem līdz tūkstošiem jaunu planētu.

Fundamentālās zinātnes. Līdzīgi iepriekšminētajiem punktiem, neapstrādātā skaitļošanas jauda, ​​ko nodrošina šie kvantu datori, ļaus zinātniekiem un inženieriem izstrādāt jaunas ķīmiskas vielas un materiālus, kā arī labāk funkcionējošus dzinējus un, protams, vēsākas Ziemassvētku rotaļlietas.

mašīna mācīšanās. Izmantojot tradicionālos datorus, mašīnmācības algoritmiem ir nepieciešams milzīgs daudzums atlasītu un marķētu piemēru (lielu datu), lai apgūtu jaunas prasmes. Izmantojot kvantu skaitļošanu, mašīnmācības programmatūra var sākt mācīties vairāk kā cilvēki, tādējādi viņi var apgūt jaunas prasmes, izmantojot mazāk datu, nekārtīgākus datus, bieži vien ar dažiem norādījumiem.

Šī lietojumprogramma ir arī aizraujoša tēma pētnieku vidū mākslīgā intelekta (AI) jomā, jo šī uzlabotā dabiskā mācīšanās spēja varētu paātrināt progresu mākslīgā intelekta izpētē par gadu desmitiem. Vairāk par to mūsu sērijā Mākslīgā intelekta nākotne.

Šifrēšana. Diemžēl šī ir lietojumprogramma, kas satrauc lielāko daļu pētnieku un izlūkošanas aģentūru. Visi pašreizējie šifrēšanas pakalpojumi ir atkarīgi no paroļu izveides, kuru uzlaušanai modernam superdatoram būtu nepieciešami tūkstošiem gadu; kvantu datori teorētiski varētu izvilkt šīs šifrēšanas atslēgas mazāk nekā stundas laikā.

Bankas, sakari, nacionālās drošības pakalpojumi, pats internets ir atkarīgs no uzticamas šifrēšanas, lai tās darbotos. (Ak, un aizmirstiet arī par bitkoinu, ņemot vērā tā galveno atkarību no šifrēšanas.) Ja šie kvantu datori darbosies, kā reklamēts, visas šīs nozares tiks pakļautas riskam, sliktākajā gadījumā apdraudot visu pasaules ekonomiku, līdz mēs izveidosim kvantu šifrēšanu, lai saglabātu. tempā.

Reāllaika valodas tulkošana. Lai beigtu šo nodaļu un šo sēriju ar mazāku sasprindzinājumu, kvantu datori nodrošinās arī gandrīz perfektu reāllaika valodu tulkošanu starp jebkurām divām valodām, izmantojot Skype tērzēšanu vai izmantojot valkājamu audio vai implantu ausī. .

Pēc 20 gadiem valoda vairs nebūs šķērslis biznesa un ikdienas mijiedarbībai. Piemēram, cilvēks, kurš runā tikai angliski, var drošāk uzsākt biznesa attiecības ar partneriem ārvalstīs, kur angļu zīmoliem citādi nebūtu izdevies iekļūt, un, viesojoties minētajās ārvalstīs, šis cilvēks var pat iemīlēties kādā noteiktā cilvēkā, gadās runāt tikai kantoniešu valodā.

Datoru sērijas nākotne

Jaunās lietotāja saskarnes, lai no jauna definētu cilvēci: datoru nākotne P1

Programmatūras izstrādes nākotne: Datoru nākotne P2

Digitālās atmiņas revolūcija: datoru nākotne P3

Pazūdošais Mūra likums, kas rosina fundamentāli pārdomāt mikroshēmas: datoru nākotne P4

Mākoņdatošana kļūst decentralizēta: datoru nākotne P5

Kāpēc valstis sacenšas, lai izveidotu lielākos superdatorus? Datoru nākotne P6