Quantumrun

KREDYT WZROKU: Quantumrun

Jak komputery Quantum zmienią świat: Przyszłość komputerów P7

David Tal, wydawca, futurysta
@DavidTal pisze
LinkedIn

Pn, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

W branży komputerowej krąży wiele szumu, wokół jednej konkretnej technologii, która może zmienić wszystko: komputerów kwantowych. Będąc imiennikiem naszej firmy, przyznamy się do stronniczości w naszej bystrości w związku z tą technologią i mamy nadzieję, że w trakcie ostatniego rozdziału naszej serii Future of Computers podzielimy się z wami, dlaczego tak się dzieje.

Na poziomie podstawowym komputer kwantowy oferuje możliwość manipulowania informacjami w zupełnie inny sposób. W rzeczywistości, gdy ta technologia dojrzeje, komputery te nie tylko rozwiążą problemy matematyczne szybciej niż jakikolwiek istniejący komputer, ale także każdy komputer, którego istnienie przewiduje się w ciągu najbliższych kilku dekad (zakładając, że prawo Moore'a jest prawdziwe). W efekcie podobny do naszej dyskusji wokół superkomputery w naszym ostatnim rozdziale, przyszłe komputery kwantowe umożliwią ludzkości rozwiązywanie coraz większych pytań, które mogą pomóc nam uzyskać dogłębnie głębsze zrozumienie otaczającego nas świata.

Czym są komputery kwantowe?

Hype na bok, czym różnią się komputery kwantowe od standardowych komputerów? A jak działają?

Dla wizualnych uczniów zalecamy obejrzenie tego zabawnego, krótkiego filmu od zespołu YouTube Kurzgesagt na ten temat:

Tymczasem dla naszych czytelników dołożymy wszelkich starań, aby wyjaśnić komputery kwantowe bez konieczności uzyskania stopnia naukowego z fizyki.

Na początek musimy przypomnieć, że podstawową jednostką przetwarzania informacji w komputerach jest trochę. Bity te mogą mieć jedną z dwóch wartości: 1 lub 0, włączone lub wyłączone, tak lub nie. Jeśli połączysz ze sobą wystarczającą ilość tych bitów, możesz następnie reprezentować liczby o dowolnej wielkości i wykonywać na nich wszelkiego rodzaju obliczenia, jeden po drugim. Im większy lub mocniejszy chip komputerowy, tym większe liczby możesz tworzyć i stosować obliczenia oraz tym szybciej możesz przechodzić od jednego obliczenia do drugiego.

Komputery kwantowe różnią się od siebie na dwa ważne sposoby.

Pierwsza to zaleta „superpozycji”. Podczas gdy tradycyjne komputery operują na bitach, komputery kwantowe operują na kubitach. Włączenie kubitów efektu superpozycji polega na tym, że zamiast ograniczania się do jednej z dwóch możliwych wartości (1 lub 0), kubit może istnieć jako połączenie obu. Ta funkcja pozwala komputerom kwantowym działać wydajniej (szybciej) niż tradycyjne komputery.

Po drugie, to zaleta „uwikłania”. Zjawisko to jest unikalnym zachowaniem fizyki kwantowej, które wiąże przeznaczenie pewnej ilości różnych cząstek, tak że to, co dzieje się z jedną, wpłynie na inne. W przypadku zastosowania do komputerów kwantowych oznacza to, że mogą manipulować wszystkimi swoimi kubitami jednocześnie — innymi słowy, zamiast wykonywać zestaw obliczeń jeden po drugim, komputer kwantowy może wykonywać je wszystkie jednocześnie.

Wyścig na budowę pierwszego komputera kwantowego

Ten nagłówek jest trochę mylący. Wiodące firmy, takie jak Microsoft, IBM i Google, stworzyły już pierwsze eksperymentalne komputery kwantowe, ale te wczesne prototypy zawierają mniej niż dwa tuziny kubitów na chip. I chociaż te wczesne wysiłki są świetnym pierwszym krokiem, firmy technologiczne i rządowe departamenty badawcze będą musiały zbudować komputer kwantowy zawierający co najmniej 49 do 50 kubitów, aby szum mógł spełnić jego teoretyczny potencjał w świecie rzeczywistym.

W tym celu eksperymentuje się z wieloma podejściami, aby osiągnąć ten kamień milowy 50 kubitów, ale dwa stoją ponad wszystkimi.

W jednym obozie Google i IBM zamierzają opracować komputer kwantowy, przedstawiając kubity jako prądy przepływające przez przewody nadprzewodnikowe schłodzone do –273.15 stopnia Celsjusza, czyli zera absolutnego. Obecność lub brak prądu oznacza 1 lub 0. Zaletą tego podejścia jest to, że te nadprzewodnikowe przewody lub obwody mogą być zbudowane z krzemu, materiału, z którym firmy półprzewodnikowe mają wieloletnie doświadczenie w pracy.

Drugie podejście, prowadzone przez Microsoft, obejmuje uwięzione jony utrzymywane w komorze próżniowej i manipulowane laserami. Oscylujące ładunki działają jak kubity, które są następnie wykorzystywane do przetwarzania operacji komputera kwantowego.

Jak wykorzystamy komputery kwantowe

Ok, odkładając teorię na bok, skupmy się na rzeczywistych zastosowaniach, jakie te komputery kwantowe będą miały na świecie oraz na tym, jak firmy i ludzie się z tym angażują.

Problemy logistyczne i optymalizacyjne. Jednym z najbardziej bezpośrednich i opłacalnych zastosowań komputerów kwantowych będzie optymalizacja. W przypadku aplikacji do wspólnego przejazdu, takich jak Uber, jaka jest najszybsza trasa, aby odebrać i zawieźć jak największą liczbę klientów? Dla gigantów e-commerce, takich jak Amazon, jaki jest najbardziej opłacalny sposób dostarczania miliardów paczek podczas świątecznego gorączki kupowania prezentów?

Te proste pytania obejmują przeliczanie od setek do tysięcy zmiennych na raz, co jest wyczynem, z którym współczesne superkomputery po prostu sobie nie poradzą; więc zamiast tego obliczają niewielki procent tych zmiennych, aby pomóc tym firmom w zarządzaniu ich potrzebami logistycznymi w sposób mniej niż optymalny. Ale dzięki komputerowi kwantowemu przetnie się przez górę zmiennych bez przerywania potu.

Pogoda i klimat modelowanie. Podobnie jak w powyższym punkcie, powodem, dla którego kanał pogodowy czasami się myli, jest to, że istnieje zbyt wiele zmiennych środowiskowych, które ich superkomputery mogą przetworzyć (a czasami słabe gromadzenie danych pogodowych). Ale dzięki komputerowi kwantowemu naukowcy zajmujący się pogodą mogą nie tylko doskonale prognozować krótkoterminowe wzorce pogodowe, ale mogą również tworzyć dokładniejsze długoterminowe oceny klimatu, aby przewidzieć skutki zmian klimatu.

Medycyna spersonalizowana. Rozszyfrowanie DNA i unikalnego mikrobiomu ma kluczowe znaczenie dla przyszłych lekarzy w przepisywaniu leków idealnie dopasowanych do Twojego organizmu. Podczas gdy tradycyjne superkomputery poczyniły postępy w opłacalnym dekodowaniu DNA, mikrobiom jest daleko poza ich zasięgiem — ale nie w przypadku przyszłych komputerów kwantowych.

Komputery kwantowe pozwolą również Big Pharma lepiej przewidzieć, jak różne molekuły reagują z ich lekami, co znacznie przyspieszy rozwój farmaceutyczny i obniży ceny.

Eksploracja kosmosu. Teleskopy kosmiczne dzisiaj (i jutro) zbierają codziennie ogromne ilości danych astrologicznych, które śledzą ruchy bilionów galaktyk, gwiazd, planet i asteroid. Niestety, jest to zbyt dużo danych, aby współczesne superkomputery mogły regularnie przeszukiwać i dokonywać znaczących odkryć. Ale dzięki dojrzałemu komputerowi kwantowemu połączonemu z uczeniem maszynowym wszystkie te dane mogą być w końcu efektywnie przetwarzane, otwierając drzwi do odkrywania setek, a nawet tysięcy nowych planet codziennie na początku lat 2030. XX wieku.

Nauki podstawowe. Podobnie jak w powyższych punktach, surowa moc obliczeniowa tych komputerów kwantowych pozwoli naukowcom i inżynierom opracować nowe chemikalia i materiały, a także lepiej działające silniki i oczywiście fajniejsze świąteczne zabawki.

Nauczanie maszynowe. Korzystając z tradycyjnych komputerów, algorytmy uczenia maszynowego potrzebują ogromnej ilości wyselekcjonowanych i oznaczonych przykładów (big data), aby nauczyć się nowych umiejętności. Dzięki informatyce kwantowej oprogramowanie do uczenia maszynowego może zacząć uczyć się bardziej jak ludzie, dzięki czemu mogą zdobywać nowe umiejętności przy użyciu mniejszej ilości danych, bardziej bałaganiarskich danych, często z niewielką liczbą instrukcji.

Ta aplikacja jest również przedmiotem ekscytacji wśród naukowców zajmujących się sztuczną inteligencją (AI), ponieważ ta ulepszona zdolność naturalnego uczenia się może przyspieszyć postęp w badaniach nad sztuczną inteligencją o dziesięciolecia. Więcej na ten temat w naszej serii Przyszłość sztucznej inteligencji.

Szyfrowanie. Niestety, jest to aplikacja, która denerwuje większość badaczy i agencji wywiadowczych. Wszystkie obecne usługi szyfrowania zależą od tworzenia haseł, których złamanie zajęłoby współczesnemu superkomputerowi tysiące lat; Komputery kwantowe mogą teoretycznie przebić się przez te klucze szyfrowania w niecałą godzinę.

Bankowość, komunikacja, służby bezpieczeństwa narodowego, sam internet zależy od niezawodnego szyfrowania. (Och, i zapomnij też o bitcoinie, biorąc pod uwagę jego podstawową zależność od szyfrowania.) Jeśli te komputery kwantowe będą działać zgodnie z reklamą, wszystkie te branże będą zagrożone, w najgorszym przypadku zagrażając całej światowej gospodarce, dopóki nie zbudujemy szyfrowania kwantowego, aby zachować tempo.

Tłumaczenie języka w czasie rzeczywistym. Aby zakończyć ten rozdział i tę serię mniej stresującą nutą, komputery kwantowe umożliwią również niemal perfekcyjne tłumaczenie języka w czasie rzeczywistym między dowolnymi dwoma językami, za pośrednictwem czatu Skype lub za pomocą urządzenia audio lub implantu w uchu .

Za 20 lat język nie będzie już barierą dla biznesu i codziennych interakcji. Na przykład osoba, która mówi tylko po angielsku, może z większą pewnością nawiązywać relacje biznesowe z partnerami w innych krajach, do których w innym przypadku angielskie marki nie przeniknęłyby, a odwiedzając te obce kraje, może nawet zakochać się w pewnej osobie, która zdarza się, że mówi tylko po kantońsku.