Ako kvantové počítače zmenia svet: Budúcnosť počítačov P7

Okolo všeobecného počítačového priemyslu sa vznáša veľa humbuku, ktorý sa sústreďuje okolo jednej špecifickej technológie, ktorá má potenciál zmeniť všetko: kvantových počítačov. Keďže sme menovcom našej spoločnosti, priznávame zaujatosť v našej býčej orientácii okolo tejto technológie a dúfame, že v priebehu tejto poslednej kapitoly našej série Future of Computers sa s vami podelíme o to, prečo tomu tak je.

Na základnej úrovni kvantový počítač ponúka možnosť manipulovať s informáciami zásadne odlišným spôsobom. V skutočnosti, keď táto technológia dospeje, tieto počítače nielenže vyriešia matematické problémy rýchlejšie ako ktorýkoľvek počítač v súčasnosti existujúci, ale aj akýkoľvek počítač, o ktorom sa predpokladá, že bude existovať v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí (za predpokladu, že platí Moorov zákon). V podstate podobne ako v našej diskusii okolo superpočítače v našej poslednej kapitoleBudúce kvantové počítače umožnia ľudstvu riešiť stále väčšie otázky, ktoré nám môžu pomôcť hlbšie pochopiť svet okolo nás.

Čo sú kvantové počítače?

Odhliadnuc od humbuku, ako sa kvantové počítače líšia od štandardných počítačov? A ako fungujú?

Pre vizuálnych študentov odporúčame pozrieť si toto zábavné krátke video od tímu Kurzgesagt YouTube na túto tému:

Medzitým sa pre našich čitateľov pokúsime vysvetliť kvantové počítače bez toho, aby sme potrebovali titul z fyziky.

Na začiatok si musíme pripomenúť, že základnou jednotkou informačného počítačového procesu je bit. Tieto bity môžu mať jednu z dvoch hodnôt: 1 alebo 0, zapnuté alebo vypnuté, áno alebo nie. Ak skombinujete dostatok týchto bitov dohromady, môžete potom reprezentovať čísla ľubovoľnej veľkosti a robiť s nimi všetky druhy výpočtov, jeden po druhom. Čím väčší alebo výkonnejší je počítačový čip, tým väčšie čísla môžete vytvárať a aplikovať výpočty a tým rýchlejšie môžete prechádzať od jedného výpočtu k druhému.

Kvantové počítače sa líšia v dvoch dôležitých smeroch.

Po prvé, je to výhoda „superpozície“. Zatiaľ čo tradičné počítače pracujú s bitmi, kvantové počítače pracujú s qubitmi. Umožnenie superpozičného efektu qubitov spočíva v tom, že namiesto toho, aby bol qubit obmedzený na jednu z dvoch možných hodnôt (1 alebo 0), môže existovať ako zmes oboch. Táto funkcia umožňuje kvantovým počítačom pracovať efektívnejšie (rýchlejšie) ako tradičné počítače.

Po druhé, je to výhoda „zapletenia“. Tento jav je jedinečným správaním kvantovej fyziky, ktorá spája osud množstva rôznych častíc, takže to, čo sa stane jednej, ovplyvní ostatné. Pri aplikácii na kvantové počítače to znamená, že môžu manipulovať so všetkými svojimi qubitmi súčasne – inými slovami, namiesto toho, aby robil súbor výpočtov jeden po druhom, kvantový počítač by ich mohol robiť všetky súčasne.

Preteky o zostavenie prvého kvantového počítača

Tento nadpis je trochu nesprávne označenie. Popredné spoločnosti ako Microsoft, IBM a Google už vytvorili prvé experimentálne kvantové počítače, ale tieto prvé prototypy obsahujú menej ako dva tucty qubitov na čip. A hoci sú tieto skoré snahy skvelým prvým krokom, technologické spoločnosti a vládne výskumné oddelenia budú musieť postaviť kvantový počítač s najmenej 49 až 50 qubitmi, aby tento humbuk splnil svoj teoretický potenciál v reálnom svete.

Na tento účel sa experimentuje s množstvom prístupov na dosiahnutie tohto 50 qubitového míľnika, ale dva stoja nad všetkými prichádzajúcimi.

V jednom tábore majú Google a IBM za cieľ vyvinúť kvantový počítač reprezentovaním qubitov ako prúdov prúdiacich cez supravodivé drôty, ktoré sú ochladené na –273.15 stupňov Celzia alebo absolútnu nulu. Prítomnosť alebo neprítomnosť prúdu znamená 1 alebo 0. Výhodou tohto prístupu je, že tieto supravodivé drôty alebo obvody môžu byť vyrobené z kremíka, materiálu, s ktorým majú polovodičové spoločnosti desiatky rokov skúseností.

Druhý prístup, vedený spoločnosťou Microsoft, zahŕňa zachytené ióny držané na mieste vo vákuovej komore a manipulované lasermi. Oscilujúce náboje fungujú ako qubity, ktoré sa potom používajú na spracovanie operácií kvantového počítača.

Ako budeme využívať kvantové počítače

Dobre, nechajme teóriu bokom, zamerajme sa na skutočné aplikácie týchto kvantových počítačov vo svete a na to, ako sa s nimi spoločnosti a ľudia zapájajú.

Logistické a optimalizačné problémy. Medzi najbezprostrednejšie a najziskovejšie využitie kvantových počítačov bude patriť optimalizácia. Aká je najrýchlejšia cesta pre aplikácie na zdieľanie jázd, ako je Uber, na vyzdvihnutie a vysadenie čo najväčšieho počtu zákazníkov? Aký je pre gigantov elektronického obchodu, ako je Amazon, nákladovo najefektívnejší spôsob doručenia miliárd balíkov počas zhonu s nákupom darčekov?

Tieto jednoduché otázky zahŕňajú množstvo stoviek až tisícok premenných naraz, čo je výkon, ktorý moderné superpočítače jednoducho nedokážu zvládnuť; namiesto toho vypočítajú malé percento týchto premenných, aby pomohli týmto spoločnostiam riadiť ich logistické potreby menej ako optimálnym spôsobom. Ale s kvantovým počítačom sa preseká cez kopec premenných bez toho, aby sa zapotil.

Počasie a podnebie modelovanie. Podobne ako v bode vyššie, dôvod, prečo sa meteorologický kanál niekedy pomýli, je ten, že ich superpočítače majú príliš veľa premenných prostredia na spracovanie (to a niekedy aj slabý zber údajov o počasí). Ale s kvantovým počítačom môžu vedci počasia nielen dokonale predpovedať krátkodobé vzorce počasia, ale môžu tiež vytvárať presnejšie dlhodobé hodnotenia klímy na predpovedanie účinkov zmeny klímy.

Personalizovaný liek. Dekódovanie vašej DNA a vášho jedinečného mikrobiómu je kľúčové pre budúcich lekárov, aby vám mohli predpisovať lieky, ktoré sú dokonale prispôsobené vášmu telu. Zatiaľ čo tradičné superpočítače urobili pokroky v nákladovo efektívnom dekódovaní DNA, mikrobióm je ďaleko za ich dosahom - ale nie pre budúce kvantové počítače.

Kvantové počítače tiež umožnia spoločnosti Big Pharma lepšie predpovedať, ako rôzne molekuly reagujú s ich liekmi, čím sa výrazne urýchli farmaceutický vývoj a znížia sa ceny.

Prieskum vesmíru. Vesmírne teleskopy dneška (a zajtrajška) zhromažďujú každý deň obrovské množstvo údajov z astrologických snímok, ktoré sledujú pohyby biliónov galaxií, hviezd, planét a asteroidov. Bohužiaľ, toto je príliš veľa údajov na to, aby ich dnešné superpočítače pravidelne preosiali, aby mohli robiť zmysluplné objavy. Ale s vyspelým kvantovým počítačom v kombinácii so strojovým učením môžu byť všetky tieto údaje konečne efektívne spracované, čo otvára dvere k objavovaniu stoviek až tisícok nových planét denne začiatkom 2030. rokov XNUMX. storočia.

Základné vedy. Podobne ako v bodoch vyššie, surový výpočtový výkon, ktorý tieto kvantové počítače umožňujú, umožní vedcom a inžinierom navrhnúť nové chemikálie a materiály, ako aj lepšie fungujúce motory a samozrejme chladnejšie vianočné hračky.

Strojové učenie. Pomocou tradičných počítačov potrebujú algoritmy strojového učenia obrovské množstvo upravených a označených príkladov (veľké údaje), aby sa naučili nové zručnosti. Vďaka kvantovej výpočtovej technike sa softvér na strojové učenie môže začať učiť viac ako ľudia, čím si môžu osvojiť nové zručnosti s použitím menšieho množstva údajov, zložitejších údajov, často s niekoľkými inštrukciami.

Táto aplikácia je tiež témou vzrušenia medzi výskumníkmi v oblasti umelej inteligencie (AI), pretože táto vylepšená kapacita prirodzeného učenia by mohla urýchliť pokrok vo výskume AI o desaťročia. Viac o tom v našej sérii Future of Artificial Intelligence.

Šifrovanie. Bohužiaľ, toto je aplikácia, ktorá znervózňuje väčšinu výskumníkov a spravodajských agentúr. Všetky súčasné šifrovacie služby závisia od vytvárania hesiel, ktorých prelomenie by moderným superpočítačom trvalo tisíce rokov; kvantové počítače by teoreticky mohli prelomiť tieto šifrovacie kľúče za menej ako hodinu.

Fungovanie bankovníctva, komunikácie, národných bezpečnostných služieb a samotného internetu závisí od spoľahlivého šifrovania. (Ach, a zabudnite aj na bitcoiny, vzhľadom na jeho základnú závislosť od šifrovania.) Ak budú tieto kvantové počítače fungovať tak, ako je inzerované, všetky tieto odvetvia budú ohrozené, v najhoršom prípade ohrozia celú svetovú ekonomiku, kým nevybudujeme kvantové šifrovanie tempo.

Jazykový preklad v reálnom čase. Aby sme túto kapitolu a túto sériu ukončili menej stresujúco, kvantové počítače tiež umožnia takmer dokonalý jazykový preklad v reálnom čase medzi akýmikoľvek dvoma jazykmi, buď cez Skype chat alebo pomocou audio nositeľa alebo implantátu vo vašom uchu. .

O 20 rokov už jazyk nebude prekážkou v podnikaní a každodenných interakciách. Napríklad osoba, ktorá hovorí len po anglicky, môže s väčšou istotou nadväzovať obchodné vzťahy s partnermi v cudzích krajinách, kam by anglické značky inak neprenikli, a pri návšteve týchto cudzích krajín sa táto osoba môže dokonca zaľúbiť do určitej osoby, hovorí iba kantonsky.

Séria Budúcnosť počítačov

Vznikajúce používateľské rozhrania na predefinovanie ľudstva: Budúcnosť počítačov P1

Budúcnosť vývoja softvéru: Budúcnosť počítačov P2

Revolúcia digitálnych úložísk: Budúcnosť počítačov P3

Miznúci Mooreov zákon, ktorý podnietil zásadné prehodnotenie mikročipov: Budúcnosť počítačov P4

Cloud computing sa stáva decentralizovaným: Budúcnosť počítačov P5

Prečo krajiny súťažia o výrobu najväčších superpočítačov? Budúcnosť počítačov P6