Квантумран

ИЗОБРАЖЕНИЕ КРЕДИТ: Квантумран

Как квантовые компьютеры изменят мир: будущее компьютеров P7

Дэвид Тал, издатель, футурист
@DavidTalWrites
LinkedIn

Пн, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

Вокруг компьютерной индустрии в целом витает много шумихи, вокруг одной конкретной технологии, которая может все изменить: квантовых компьютеров. Будучи тезкой нашей компании, мы признаем предвзятость в нашем оптимизме в отношении этой технологии, и в ходе этой последней главы нашей серии «Будущее компьютеров» мы надеемся поделиться с вами, почему это так.

На базовом уровне квантовый компьютер предлагает возможность манипулировать информацией принципиально другим способом. На самом деле, как только эта технология созреет, эти компьютеры будут решать математические задачи не только быстрее, чем любой компьютер, существующий в настоящее время, но и любой компьютер, который, по прогнозам, будет существовать в течение следующих нескольких десятилетий (при условии, что закон Мура верен). По сути, аналогично нашему обсуждению вокруг суперкомпьютеры в нашей последней главе, будущие квантовые компьютеры позволят человечеству решать все более сложные вопросы, которые могут помочь нам глубже понять мир вокруг нас.

Что такое квантовые компьютеры?

Помимо шумихи, чем квантовые компьютеры отличаются от обычных компьютеров? И как они работают?

Для визуалов мы рекомендуем посмотреть это веселое короткое видео от команды YouTube Kurzgesagt на эту тему:

Между тем, для наших читателей мы сделаем все возможное, чтобы объяснить квантовые компьютеры без необходимости получения степени по физике.

Для начала нам нужно вспомнить, что основной единицей обработки информации компьютерами является бит. Эти биты могут иметь одно из двух значений: 1 или 0, включено или выключено, да или нет. Если вы объедините достаточное количество этих битов вместе, вы сможете представлять числа любого размера и выполнять всевозможные вычисления над ними, одно за другим. Чем больше или мощнее компьютерный чип, тем большие числа вы можете создавать и применять к вычислениям, и тем быстрее вы можете переходить от одного вычисления к другому.

Квантовые компьютеры отличаются двумя важными особенностями.

Во-первых, это преимущество «суперпозиции». В то время как традиционные компьютеры работают с битами, квантовые компьютеры работают с кубитами. Эффект суперпозиции, который позволяют кубиты, заключается в том, что вместо того, чтобы быть ограниченным одним из двух возможных значений (1 или 0), кубит может существовать как смесь обоих. Эта функция позволяет квантовым компьютерам работать эффективнее (быстрее), чем традиционные компьютеры.

Во-вторых, это преимущество «запутанности». Это явление представляет собой уникальное квантово-физическое поведение, которое связывает судьбу множества различных частиц, так что то, что происходит с одной, влияет на другие. Применительно к квантовым компьютерам это означает, что они могут манипулировать всеми своими кубитами одновременно — другими словами, вместо того, чтобы выполнять набор вычислений один за другим, квантовый компьютер может выполнять их все одновременно.

Гонка за создание первого квантового компьютера

Этот заголовок является несколько неправильным. Ведущие компании, такие как Microsoft, IBM и Google, уже создали первые экспериментальные квантовые компьютеры, но эти ранние прототипы содержат менее двух десятков кубитов на чип. И хотя эти ранние усилия являются отличным первым шагом, технологическим компаниям и правительственным исследовательским отделам необходимо будет создать квантовый компьютер с как минимум 49–50 кубитами, чтобы шумиха соответствовала его теоретическому реальному потенциалу.

С этой целью существует ряд подходов, с которыми экспериментируют для достижения этой вехи в 50 кубитов, но два из них стоят выше всех желающих.

В одном лагере Google и IBM стремятся разработать квантовый компьютер, представляя кубиты как токи, протекающие по сверхпроводящим проводам, которые охлаждаются до -273.15 градусов Цельсия, или абсолютного нуля. Наличие или отсутствие тока соответствует 1 или 0. Преимущество этого подхода заключается в том, что эти сверхпроводящие провода или цепи могут быть построены из кремния, материала, с которым полупроводниковые компании работают десятилетиями.

Второй подход, предложенный Microsoft, включает захваченные ионы, удерживаемые в вакуумной камере и управляемые лазерами. Колеблющиеся заряды функционируют как кубиты, которые затем используются для обработки операций квантового компьютера.

Как мы будем использовать квантовые компьютеры

Хорошо, отложив теорию в сторону, давайте сосредоточимся на реальных приложениях, которые эти квантовые компьютеры будут иметь в мире, и на том, как компании и люди взаимодействуют с этим.

Логистические и оптимизационные проблемы. Одним из самых непосредственных и выгодных применений квантовых компьютеров будет оптимизация. Какой самый быстрый маршрут для приложений для совместного использования, таких как Uber, чтобы забрать и высадить как можно больше клиентов? Какой самый экономичный способ для гигантов электронной коммерции, таких как Amazon, доставить миллиарды посылок во время ажиотажа скупки праздничных подарков?

Эти простые вопросы включают одновременное вычисление сотен или тысяч переменных, с чем современные суперкомпьютеры просто не справляются; поэтому вместо этого они вычисляют небольшой процент этих переменных, чтобы помочь этим компаниям управлять своими логистическими потребностями менее чем оптимальным способом. Но с квантовым компьютером он прорежет гору переменных, не вспотев.

Погода и климат моделирование. Как и в предыдущем пункте, причина, по которой погодный канал иногда ошибается, заключается в том, что их суперкомпьютеры не могут обработать слишком много переменных окружающей среды (это, а иногда и плохой сбор данных о погоде). Но с помощью квантового компьютера ученые-метеорологи могут не только точно прогнозировать краткосрочные погодные условия, но и создавать более точные долгосрочные оценки климата для прогнозирования последствий изменения климата.

Персонализированная медицина. Расшифровка вашей ДНК и вашего уникального микробиома имеет решающее значение для будущих врачей, которые будут назначать лекарства, идеально подходящие для вашего организма. В то время как традиционные суперкомпьютеры добились больших успехов в экономичном расшифровке ДНК, микробиом находится далеко за пределами их досягаемости, но не для будущих квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры также позволят крупным фармацевтическим компаниям лучше предсказывать, как различные молекулы реагируют с их лекарствами, тем самым значительно ускоряя фармацевтические разработки и снижая цены.

Исследование космического пространства. Космические телескопы сегодня (и завтра) ежедневно собирают огромное количество данных астрологических изображений, которые отслеживают движения триллионов галактик, звезд, планет и астероидов. К сожалению, сегодняшние суперкомпьютеры не могут просеять слишком много данных, чтобы делать важные открытия на регулярной основе. Но с зрелым квантовым компьютером в сочетании с машинным обучением все эти данные, наконец, могут быть эффективно обработаны, открывая дверь к открытию от сотен до тысяч новых планет ежедневно к началу 2030-х годов.

Фундаментальные науки. Как и в предыдущих пунктах, необработанная вычислительная мощность, которую обеспечивают эти квантовые компьютеры, позволит ученым и инженерам разрабатывать новые химические вещества и материалы, а также более эффективные двигатели и, конечно же, более крутые рождественские игрушки.

Машинное обучение. Алгоритмы машинного обучения, использующие традиционные компьютеры, нуждаются в огромном количестве отобранных и помеченных примеров (больших данных) для изучения новых навыков. С помощью квантовых вычислений программное обеспечение для машинного обучения может начать учиться больше, чем люди, благодаря чему они могут приобретать новые навыки, используя меньше данных, более беспорядочные данные, часто с небольшим количеством инструкций.

Это приложение также вызывает волнение среди исследователей в области искусственного интеллекта (ИИ), поскольку эта улучшенная естественная способность к обучению может ускорить прогресс в исследованиях ИИ на десятилетия. Подробнее об этом в нашей серии «Будущее искусственного интеллекта».

Шифрование. К сожалению, именно это приложение заставляет нервничать большинство исследователей и спецслужб. Все современные службы шифрования зависят от создания паролей, на взлом которых современному суперкомпьютеру ушли бы тысячи лет; квантовые компьютеры теоретически могут взломать эти ключи шифрования менее чем за час.

Банковское дело, связь, службы национальной безопасности, сам интернет зависят от надежного шифрования. (О, и забудьте также о биткойнах, учитывая их основную зависимость от шифрования.) Если эти квантовые компьютеры будут работать так, как рекламируется, все эти отрасли окажутся в опасности, в худшем случае поставив под угрозу всю мировую экономику, пока мы не создадим квантовое шифрование, чтобы сохранить шаг.

Языковой перевод в режиме реального времени. Чтобы закончить эту главу и эту серию на менее напряженной ноте, квантовые компьютеры также обеспечат почти идеальный языковой перевод в режиме реального времени между любыми двумя языками либо через чат Skype, либо с помощью носимых аудиоустройств или имплантатов в вашем ухе. .

Через 20 лет язык перестанет быть препятствием для делового и повседневного общения. Например, человек, владеющий только английским языком, может более уверенно вступать в деловые отношения с партнерами в зарубежных странах, куда английские бренды в противном случае не проникли бы, а при посещении этих зарубежных стран может даже влюбиться в кого-то, кто случается говорить только на кантонском диалекте.