Quantumrun

BILDEKREDITT: Quantumrun

Hvordan Quantum-datamaskiner vil forandre verden: Future of Computers P7

David Tal, utgiver, fremtidsforsker
@DavidTalWrites
Linkedin

man 09 - 14:2020

Det er mye hype som flyter rundt den generelle dataindustrien, hype sentrert rundt én spesifikk teknologi som har potensial til å endre alt: kvantedatamaskiner. Som selskapets navnebror, vil vi innrømme at vi har en skjevhet i vår bullishness rundt denne teknologien, og i løpet av dette siste kapittelet i Future of Computers-serien håper vi å dele med deg hvorfor det er det.

På et grunnleggende nivå tilbyr en kvantedatamaskin en mulighet til å manipulere informasjon på en fundamentalt annen måte. Faktisk, når denne teknologien modnes, vil disse datamaskinene ikke bare løse matematiske problemer raskere enn noen datamaskin som eksisterer for øyeblikket, men også enhver datamaskin som antas å eksistere i løpet av de neste tiårene (forutsatt at Moores lov stemmer). Faktisk lik vår diskusjon rundt superdatamaskiner i vårt siste kapittel, vil fremtidige kvantedatamaskiner gjøre menneskeheten i stand til å takle stadig større spørsmål som kan hjelpe oss å få en dypere forståelse av verden rundt oss.

Hva er kvantedatamaskiner?

Hype til side, hvordan er kvantedatamaskiner annerledes enn standarddatamaskiner? Og hvordan fungerer de?

For visuelle elever anbefaler vi å se denne morsomme, korte videoen fra Kurzgesagt YouTube-teamet om dette emnet:

I mellomtiden, for våre lesere, vil vi gjøre vårt beste for å forklare kvantedatamaskiner uten behov for en fysikkgrad.

For det første må vi huske at den grunnleggende enheten for informasjon datamaskiner prosessen er litt. Disse bitene kan ha en av to verdier: 1 eller 0, på eller av, ja eller nei. Hvis du kombinerer nok av disse bitene sammen, kan du representere tall av hvilken som helst størrelse og gjøre alle slags beregninger på dem, etter hverandre. Jo større eller kraftigere databrikken er, desto større tall kan du lage og bruke beregninger, og jo raskere kan du gå fra en beregning til en annen.

Kvantedatamaskiner er forskjellige på to viktige måter.

For det første er fordelen med "superposisjon." Mens tradisjonelle datamaskiner opererer med bits, opererer kvantedatamaskiner med qubits. Superposisjonseffekten qubits muliggjør er at i stedet for å være begrenset til en av to mulige verdier (1 eller 0), kan en qubit eksistere som en blanding av begge. Denne funksjonen lar kvantedatamaskiner operere mer effektivt (raskere) enn tradisjonelle datamaskiner.

For det andre er fordelen med «forviklinger». Dette fenomenet er en unik kvantefysisk atferd som binder skjebnen til en mengde forskjellige partikler, slik at det som skjer med en vil påvirke de andre. Når det brukes på kvantedatamaskiner, betyr dette at de kan manipulere alle qubitene sine samtidig - med andre ord, i stedet for å gjøre et sett med beregninger etter hverandre, kan en kvantedatamaskin gjøre dem alle samtidig.

Kappløpet om å bygge den første kvantedatamaskinen

Denne overskriften er litt feilaktig. Ledende selskaper som Microsoft, IBM og Google har allerede laget de første eksperimentelle kvantedatamaskinene, men disse tidlige prototypene har mindre enn to dusin qubits per brikke. Og selv om denne tidlige innsatsen er et flott første skritt, vil teknologiselskaper og statlige forskningsavdelinger måtte bygge en kvantedatamaskin med minst 49 til 50 qubits for at hypen skal møte det teoretiserte potensialet i den virkelige verden.

For dette formål er det en rekke tilnærminger som blir eksperimentert med for å oppnå denne milepælen på 50 qubit, men to står over alle nye.

I en leir har Google og IBM som mål å utvikle en kvantedatamaskin ved å representere qubits som strømmer som flyter gjennom superledende ledninger som er avkjølt til –273.15 grader Celsius, eller absolutt null. Tilstedeværelsen eller fraværet av strøm står for 1 eller 0. Fordelen med denne tilnærmingen er at disse superledende ledningene eller kretsene kan bygges ut av silisium, et materiale som halvlederbedrifter har flere tiår med erfaring med å jobbe med.

Den andre tilnærmingen, ledet av Microsoft, involverer fangede ioner som holdes på plass i et vakuumkammer og manipuleres av lasere. De oscillerende ladningene fungerer som qubits, som deretter brukes til å behandle kvantedatamaskinens operasjoner.

Hvordan vi skal bruke kvantedatamaskiner

Ok, sett teorien til side, la oss fokusere på de virkelige applikasjonene disse kvantedatamaskinene vil ha på verden og hvordan selskaper og mennesker engasjerer seg med den.

Logistikk- og optimaliseringsproblemer. Blant de mest umiddelbare og lønnsomme bruksområdene for kvantedatamaskiner vil være optimalisering. For kjøredelingsapper, som Uber, hva er den raskeste ruten for å hente og slippe av så mange kunder som mulig? For e-handelsgiganter, som Amazon, hva er den mest kostnadseffektive måten å levere milliarder av pakker under julegavekjøpsrushet?

Disse enkle spørsmålene innebærer tallknusing av hundrevis til tusenvis av variabler på en gang, en bragd som moderne superdatamaskiner bare ikke kan håndtere; så i stedet beregner de en liten prosentandel av disse variablene for å hjelpe disse selskapene med å administrere sine logistiske behov på en mindre enn optimal måte. Men med en kvantedatamaskin vil den skjære gjennom et fjell av variabler uten å svette.

Vær og klima modellering. I likhet med punktet ovenfor, er grunnen til at værkanalen noen ganger tar feil, fordi det er for mange miljøvariabler for deres superdatamaskiner å behandle (det og noen ganger dårlig værdatainnsamling). Men med en kvantedatamaskin kan værforskere ikke bare forutsi værmønstre på kort sikt perfekt, men de kan også lage mer nøyaktige langsiktige klimavurderinger for å forutsi virkningene av klimaendringer.

Personlig medisin. Å avkode ditt DNA og ditt unike mikrobiom er avgjørende for at fremtidige leger skal foreskrive medisiner som er perfekt tilpasset kroppen din. Mens tradisjonelle superdatamaskiner har gjort fremskritt i å dekode DNA kostnadseffektivt, er mikrobiomet langt utenfor deres rekkevidde – men ikke slik for fremtidige kvantedatamaskiner.

Kvantedatamaskiner vil også tillate Big Pharma å bedre forutsi hvordan ulike molekyler reagerer med legemidlene deres, og dermed øke hastigheten på farmasøytisk utvikling og senke prisene betydelig.

Utforsking av verdensrommet. Romteleskopene i dag (og i morgen) samler inn enorme mengder astrologiske bildedata hver dag som sporer bevegelsene til billioner av galakser, stjerner, planeter og asteroider. Dessverre er dette altfor mye data til at dagens superdatamaskiner kan sile gjennom for å gjøre meningsfulle oppdagelser med jevne mellomrom. Men med en moden kvantedatamaskin kombinert med maskinlæring, kan alle disse dataene endelig behandles effektivt, og åpner døren for oppdagelsen av hundrevis til tusenvis av nye planeter daglig i begynnelsen av 2030-årene.

Grunnleggende vitenskaper. I likhet med punktene ovenfor, vil den rå datakraften disse kvantedatamaskinene muliggjør, tillate forskere og ingeniører å utvikle nye kjemikalier og materialer, samt bedre fungerende motorer og selvfølgelig kulere juleleker.

Maskinlæring. Ved å bruke tradisjonelle datamaskiner trenger maskinlæringsalgoritmer en gigantisk mengde kuraterte og merkede eksempler (big data) for å lære nye ferdigheter. Med kvantedatabehandling kan maskinlæringsprogramvare begynne å lære mer som mennesker, hvorved de kan tilegne seg nye ferdigheter ved å bruke mindre data, rotete data, ofte med få instruksjoner.

Denne applikasjonen er også et tema for spenning blant forskere innen kunstig intelligens (AI), siden denne forbedrede naturlige læringskapasiteten kan akselerere fremgangen i AI-forskningen med flere tiår. Mer om dette i vår Future of Artificial Intelligence-serie.

kryptering. Dessverre er dette programmet som gjør de fleste forskere og etterretningsbyråer nervøse. Alle nåværende krypteringstjenester er avhengige av å lage passord som vil ta en moderne superdatamaskin tusenvis av år å knekke; kvantedatamaskiner kan teoretisk rippe disse krypteringsnøklene på under en time.

Bank, kommunikasjon, nasjonale sikkerhetstjenester, internett i seg selv er avhengig av pålitelig kryptering for å fungere. (Å, og glem bitcoin også, gitt dens kjerneavhengighet av kryptering.) Hvis disse kvantedatamaskinene fungerer som annonsert, vil alle disse industriene være i fare, i verste fall sette hele verdensøkonomien i fare inntil vi bygger kvantekryptering for å beholde tempo.

Språkoversettelse i sanntid. For å avslutte dette kapittelet og denne serien på et mindre stressende notat, vil kvantedatamaskiner også muliggjøre nesten perfekt, sanntids språkoversettelse mellom alle to språk, enten over en Skype-chat eller ved bruk av en lyd-bærbar eller implantat i øret. .

Om 20 år vil ikke språket lenger være en barriere for forretnings- og hverdagsinteraksjoner. For eksempel kan en person som bare snakker engelsk mer selvsikkert inngå forretningsforhold med partnere i fremmede land der engelske merkevarer ellers ikke ville ha trengt inn, og når han besøker nevnte fremmede land, kan denne personen til og med bli forelsket i en bestemt person som tilfeldigvis snakker bare kantonesisk.