Quantumrun

BILDKREDIT: Quantumrun

Hur Quantum-datorer kommer att förändra världen: Future of Computers P7

David Tal, Förläggare, Futurist
@DavidTalWrites
LinkedIn

Man, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

Det finns en hel del hype som flyter runt den allmänna datorindustrin, hype centrerad kring en specifik teknik som har potential att förändra allt: kvantdatorer. Eftersom vi är vårt företags namne, kommer vi att erkänna att vi är partiska i vår hausseartadhet kring denna teknik, och under loppet av det här sista kapitlet i vår Future of Computers-serie hoppas vi kunna dela med dig av varför det är så.

På en grundläggande nivå erbjuder en kvantdator en möjlighet att manipulera information på ett fundamentalt annorlunda sätt. Faktum är att när den här tekniken mognar kommer dessa datorer inte bara att lösa matematiska problem snabbare än någon dator som existerar för närvarande, utan även vilken dator som förutses existera under de närmaste decennierna (förutsatt att Moores lag stämmer). I själva verket liknande vår diskussion kring superdatorer i vårt sista kapitel, kommer framtida kvantdatorer att göra det möjligt för mänskligheten att ta itu med allt större frågor som kan hjälpa oss att få en djupare förståelse av världen omkring oss.

Vad är kvantdatorer?

Hype åsido, hur skiljer sig kvantdatorer från vanliga datorer? Och hur fungerar de?

För visuella elever rekommenderar vi att du tittar på denna roliga, korta video från Kurzgesagt YouTube-team om detta ämne:

Under tiden, för våra läsare, kommer vi att göra vårt bästa för att förklara kvantdatorer utan att behöva en fysikexamen.

Till att börja med måste vi komma ihåg att den grundläggande enheten för information datorer process är lite. Dessa bitar kan ha ett av två värden: 1 eller 0, på eller av, ja eller nej. Om du kombinerar tillräckligt många av dessa bitar tillsammans, kan du sedan representera tal av vilken storlek som helst och göra alla möjliga beräkningar på dem, efter varandra. Ju större eller kraftfullare datorchipet är, desto större siffror kan du skapa och tillämpa beräkningar, och desto snabbare kan du gå från en beräkning till en annan.

Kvantdatorer är olika på två viktiga sätt.

För det första är fördelen med "superposition". Medan traditionella datorer arbetar med bitar, arbetar kvantdatorer med qubits. Den superpositionseffekt som qubits möjliggör är att istället för att vara begränsad till ett av två möjliga värden (1 eller 0), kan en qubit existera som en blandning av båda. Denna funktion gör att kvantdatorer kan fungera mer effektivt (snabbare) än traditionella datorer.

För det andra är fördelen med "förveckling". Detta fenomen är ett unikt kvantfysiskt beteende som binder ödet för en mängd olika partiklar, så att det som händer med en kommer att påverka de andra. När det tillämpas på kvantdatorer betyder detta att de kan manipulera alla sina qubits samtidigt - med andra ord, istället för att göra en uppsättning beräkningar efter varandra, kan en kvantdator göra dem alla samtidigt.

Kapplöpet om att bygga den första kvantdatorn

Denna rubrik är något av en felaktig benämning. Ledande företag som Microsoft, IBM och Google har redan skapat de första experimentella kvantdatorerna, men dessa tidiga prototyper har mindre än två dussin kvantbitar per chip. Och även om dessa tidiga ansträngningar är ett bra första steg, kommer teknikföretag och statliga forskningsavdelningar att behöva bygga en kvantdator med minst 49 till 50 qubits för att hypen ska möta dess teoretiserade verkliga potential.

För detta ändamål finns det ett antal tillvägagångssätt som experimenteras med för att uppnå denna milstolpe på 50 qubit, men två står över alla nykomlingar.

I ett läger siktar Google och IBM på att utveckla en kvantdator genom att representera qubits som strömmar som flyter genom supraledande ledningar som kyls till –273.15 grader Celsius, eller absolut noll. Närvaron eller frånvaron av ström står för en 1 eller 0. Fördelen med detta tillvägagångssätt är att dessa supraledande ledningar eller kretsar kan byggas av kisel, ett material som halvledarföretag har årtionden av erfarenhet av att arbeta med.

Det andra tillvägagångssättet, ledd av Microsoft, involverar fångade joner som hålls på plats i en vakuumkammare och manipuleras av lasrar. De oscillerande laddningarna fungerar som qubits, som sedan används för att bearbeta kvantdatorns operationer.

Hur vi kommer att använda kvantdatorer

Okej, om vi lägger teorin åt sidan, låt oss fokusera på de verkliga tillämpningarna som dessa kvantdatorer kommer att ha på världen och hur företag och människor engagerar sig i den.

Logistik- och optimeringsproblem. En av de mest omedelbara och lönsamma användningsområdena för kvantdatorer kommer att vara optimering. För samåkningsappar, som Uber, vad är den snabbaste vägen för att hämta och lämna så många kunder som möjligt? För e-handelsjättar, som Amazon, vad är det mest kostnadseffektiva sättet att leverera miljarder paket under julklappsköpet?

Dessa enkla frågor involverar sifferknäppning av hundratals till tusentals variabler på en gång, en bedrift som moderna superdatorer helt enkelt inte kan hantera; så istället beräknar de en liten andel av dessa variabler för att hjälpa dessa företag att hantera sina logistiska behov på ett mindre än optimalt sätt. Men med en kvantdator kommer den att skära sig genom ett berg av variabler utan att svettas.

Väder och klimat modellering. I likhet med punkten ovan är anledningen till att väderkanalen ibland får fel att det finns för många miljövariabler för deras superdatorer att bearbeta (det och ibland dålig väderdatainsamling). Men med en kvantdator kan väderforskare inte bara förutsäga kortsiktiga vädermönster perfekt, utan de kan också skapa mer exakta långsiktiga klimatbedömningar för att förutsäga effekterna av klimatförändringar.

Personlig medicin. Att avkoda ditt DNA och ditt unika mikrobiom är avgörande för att framtida läkare ska ordinera läkemedel som är perfekt anpassade till din kropp. Medan traditionella superdatorer har gjort framsteg i att avkoda DNA på ett kostnadseffektivt sätt, är mikrobiomet långt bortom deras räckhåll - men inte så för framtida kvantdatorer.

Kvantdatorer kommer också att göra det möjligt för Big Pharma att bättre förutsäga hur olika molekyler reagerar med deras läkemedel, vilket avsevärt påskyndar läkemedelsutvecklingen och sänker priserna.

Utforskning av rymden. Rymdteleskopen för idag (och morgondagen) samlar in enorma mängder astrologiska bilddata varje dag som spårar rörelser av biljoner galaxer, stjärnor, planeter och asteroider. Tyvärr är detta alldeles för mycket data för dagens superdatorer att sålla igenom för att göra meningsfulla upptäckter på en regelbunden basis. Men med en mogen kvantdator i kombination med maskininlärning kan all denna data äntligen bearbetas effektivt, vilket öppnar dörren för upptäckten av hundratals till tusentals nya planeter dagligen i början av 2030-talet.

Grundläggande vetenskaper. I likhet med punkterna ovan kommer den råa beräkningskraften som dessa kvantdatorer möjliggör att tillåta forskare och ingenjörer att ta fram nya kemikalier och material, såväl som bättre fungerande motorer och naturligtvis svalare julleksaker.

Maskininlärning. Med traditionella datorer behöver maskininlärningsalgoritmer en enorm mängd utvalda och märkta exempel (big data) för att lära sig nya färdigheter. Med kvantberäkning kan maskininlärningsmjukvara börja lära sig mer som människor, varvid de kan få nya färdigheter med mindre data, stökigare data, ofta med få instruktioner.

Denna applikation är också ett ämne för spänning bland forskare inom artificiell intelligens (AI), eftersom denna förbättrade naturliga inlärningskapacitet kan påskynda framstegen inom AI-forskning med årtionden. Mer om detta i vår Future of Artificial Intelligence-serie.

kryptering. Tyvärr är detta den applikation som gör de flesta forskare och underrättelsetjänster nervösa. Alla nuvarande krypteringstjänster är beroende av att skapa lösenord som skulle ta en modern superdator tusentals år att knäcka; kvantdatorer skulle teoretiskt kunna rippa igenom dessa krypteringsnycklar på under en timme.

Bankverksamhet, kommunikation, nationella säkerhetstjänster, internet i sig är beroende av pålitlig kryptering för att fungera. (Åh, och glöm bitcoin också, med tanke på dess kärnberoende av kryptering.) Om dessa kvantdatorer fungerar som de annonseras kommer alla dessa industrier att vara i riskzonen, i värsta fall äventyra hela världsekonomin tills vi bygger kvantkryptering för att behålla takt.

Språköversättning i realtid. För att avsluta det här kapitlet och den här serien med en mindre stressande ton, kommer kvantdatorer också att möjliggöra nästan perfekt språköversättning i realtid mellan två språk, antingen över en Skype-chatt eller genom att använda en bärbar ljudenhet eller implantat i örat .

Om 20 år kommer språket inte längre att vara ett hinder för affärer och vardagliga interaktioner. Till exempel kan en person som bara talar engelska med större självförtroende inleda affärsrelationer med partners i främmande länder där engelska varumärken annars skulle ha misslyckats, och när han besöker nämnda främmande länder kan denna person till och med bli kär i en viss person som råkar bara prata kantonesiska.