Як квантові комп’ютери змінять світ: майбутнє комп’ютерів P7

Навколо загальної комп’ютерної індустрії витає багато ажіотажу, ажіотажу зосередженого навколо однієї конкретної технології, яка має потенціал змінити все: квантових комп’ютерів. Оскільки наша компанія є тезкою, ми визнаємо, що налаштовані на цю технологію упереджено, і в цьому останньому розділі нашої серії «Майбутнє комп’ютерів» ми сподіваємося поділитися з вами, чому це так.

На базовому рівні квантовий комп’ютер пропонує можливість маніпулювати інформацією принципово іншим способом. Насправді, коли ця технологія стане зрілою, ці комп’ютери не тільки вирішуватимуть математичні проблеми швидше, ніж будь-який комп’ютер, який існує зараз, але й будь-який комп’ютер, який, за прогнозами, існуватиме протягом наступних кількох десятиліть (припускаючи, що закон Мура вірний). По суті, схоже на нашу дискусію суперкомп’ютерів у нашій останній главі, квантові комп’ютери майбутнього дозволять людству вирішувати дедалі масштабніші питання, які допоможуть нам глибше зрозуміти навколишній світ.

Що таке квантові комп’ютери?

Чим квантові комп’ютери відрізняються від стандартних? І як вони працюють?

Для тих, хто навчається візуально, ми рекомендуємо переглянути це веселе коротке відео від команди Kurzgesagt YouTube на цю тему:

Тим часом, для наших читачів ми докладемо всіх зусиль, щоб пояснити квантові комп’ютери без необхідності мати ступінь фізика.

Для початку потрібно нагадати, що основною одиницею обробки інформації комп'ютерами є біт. Ці біти можуть мати одне з двох значень: 1 або 0, увімкнено чи вимкнено, так чи ні. Якщо ви об’єднаєте достатню кількість цих бітів разом, ви зможете представити числа будь-якого розміру та виконувати з ними всілякі обчислення один за одним. Чим більший або потужніший чіп комп’ютера, тим більші числа можна створювати та застосовувати обчислення, і тим швидше можна переходити від одного обчислення до іншого.

Квантові комп’ютери відрізняються двома важливими аспектами.

По-перше, це перевага «суперпозиції». У той час як традиційні комп’ютери працюють з бітами, квантові комп’ютери працюють з кубітами. Ефект суперпозиції, який забезпечують кубіти, полягає в тому, що замість обмеження одним із двох можливих значень (1 або 0) кубіт може існувати як суміш обох. Ця функція дозволяє квантовим комп’ютерам працювати ефективніше (швидше), ніж традиційні комп’ютери.

По-друге, це перевага «заплутаності». Це явище є унікальною поведінкою квантової фізики, яка пов’язує долю певної кількості різних частинок, так що те, що відбувається з однією, вплине на інші. У застосуванні до квантових комп’ютерів це означає, що вони можуть маніпулювати всіма своїми кубітами одночасно — іншими словами, замість того, щоб виконувати набір обчислень один за одним, квантовий комп’ютер може виконувати їх усі одночасно.

Гонка за створення першого квантового комп'ютера

Цей заголовок є дещо неправильним. Такі провідні компанії, як Microsoft, IBM і Google, уже створили перші експериментальні квантові комп’ютери, але ці ранні прототипи містять менше двох десятків кубітів на чіп. І хоча ці перші зусилля є чудовим першим кроком, технологічним компаніям і державним дослідницьким департаментам потрібно буде побудувати квантовий комп’ютер, який містить щонайменше 49-50 кубітів, щоб ажіотаж відповідав своєму теоретичному потенціалу реального світу.

З цією метою існує кілька підходів, які експериментують, щоб досягти цієї віхи в 50 кубітів, але два стоять вище всіх бажаючих.

В одному таборі Google і IBM прагнуть розробити квантовий комп’ютер, представляючи кубіти як струми, що протікають через надпровідні дроти, охолоджені до –273.15 градусів Цельсія, або абсолютного нуля. Наявність або відсутність струму означає 1 або 0. Перевага цього підходу полягає в тому, що ці надпровідні дроти або схеми можуть бути побудовані з кремнію, матеріалу, з яким напівпровідникові компанії мають десятиліття досвіду роботи.

Другий підхід, очолюваний Microsoft, включає захоплені іони, які утримуються на місці у вакуумній камері та маніпулюються лазерами. Коливальні заряди функціонують як кубіти, які потім використовуються для обробки операцій квантового комп’ютера.

Як ми будемо використовувати квантові комп'ютери

Гаразд, відкинувши теорію вбік, давайте зосередимося на реальному застосуванні цих квантових комп’ютерів у світі та на тому, як компанії та люди взаємодіють з ним.

Проблеми логістики та оптимізації. Серед найбільш безпосередніх і прибуткових застосувань квантових комп’ютерів буде оптимізація. Яким найшвидшим маршрутом для додатків для обміну поїздками, як-от Uber, буде посадка та висадка якомога більшої кількості клієнтів? Для таких гігантів електронної комерції, як Amazon, який найвигідніший спосіб доставити мільярди пакунків під час святкової ажіотажної купівлі подарунків?

Ці прості запитання передбачають обробку чисел від сотень до тисяч змінних одночасно, з чим сучасні суперкомп’ютери просто не впораються; тому натомість вони обчислюють невеликий відсоток цих змінних, щоб допомогти цим компаніям керувати своїми логістичними потребами менш ніж оптимальним способом. Але за допомогою квантового комп’ютера він без жодних потовиділень розрізає гору змінних.

Погода і клімат моделювання. Подібно до вищезазначеного, причина, чому канал погоди іноді помиляється, полягає в тому, що їх суперкомп’ютери можуть обробляти занадто багато змінних навколишнього середовища (це, а іноді й поганий збір даних про погоду). Але за допомогою квантового комп’ютера синоптики можуть не тільки ідеально прогнозувати погодні умови на найближчу перспективу, але й створювати більш точні довгострокові оцінки клімату для прогнозування наслідків зміни клімату.

Персоналізована медицина. Розшифровка вашої ДНК і вашого унікального мікробіому має вирішальне значення для майбутніх лікарів, щоб призначати препарати, які ідеально підходять для вашого організму. У той час як традиційні суперкомп’ютери досягли успіху в економічно ефективному декодуванні ДНК, мікробіом далеко за межами їх досяжності, але не для майбутніх квантових комп’ютерів.

Квантові комп’ютери також дозволять Big Pharma краще передбачати, як різні молекули реагують на їхні ліки, тим самим значно прискорюючи фармацевтичну розробку та знижуючи ціни.

Дослідження космосу. Сучасні (і завтрашні) космічні телескопи щодня збирають величезну кількість даних астрологічних зображень, які відстежують рух трильйонів галактик, зірок, планет і астероїдів. На жаль, це занадто багато даних, щоб сучасні суперкомп’ютери могли їх просіювати, щоб регулярно робити важливі відкриття. Але зі зрілим квантовим комп’ютером у поєднанні з машинним навчанням усі ці дані нарешті можна ефективно обробляти, відкриваючи двері для відкриття сотень до тисяч нових планет щодня до початку 2030-х років.

Фундаментальні науки. Подібно до наведених вище пунктів, необхідна обчислювальна потужність цих квантових комп’ютерів дозволить вченим та інженерам створювати нові хімічні речовини та матеріали, а також краще функціонуючі двигуни та, звичайно, крутіші різдвяні іграшки.

навчання за допомогою машини. Використовуючи традиційні комп’ютери, алгоритми машинного навчання потребують величезної кількості підібраних і позначених прикладів (великі дані), щоб отримати нові навички. Завдяки квантовим обчисленням програмне забезпечення для машинного навчання може почати вчитися більше, як люди, завдяки чому вони можуть отримати нові навички, використовуючи менше даних, більш брудні дані, часто з невеликою кількістю інструкцій.

Ця програма також викликає хвилювання серед дослідників у галузі штучного інтелекту (ШІ), оскільки ця вдосконалена природна здатність до навчання може прискорити прогрес у дослідженнях ШІ на десятиліття. Більше про це в нашій серії «Майбутнє штучного інтелекту».

Шифрування. На жаль, це програма, яка нервує більшість дослідників і спецслужб. Усі поточні служби шифрування залежать від створення паролів, на злам яких сучасному суперкомп’ютеру знадобилися б тисячі років; квантові комп’ютери теоретично могли б зірвати ці ключі шифрування менш ніж за годину.

Банківська справа, зв’язок, служби національної безпеки та сам Інтернет залежать від надійного шифрування. (О, і забудьте також про біткойн, враховуючи його основну залежність від шифрування.) Якщо ці квантові комп’ютери працюватимуть, як рекламується, усі ці галузі опиниться під загрозою, у гіршому випадку – під загрозою вся світова економіка, доки ми не створимо квантове шифрування, щоб зберегти темп.

Мовний переклад у реальному часі. Щоб завершити цю главу та цю серію на менш напруженій ноті, квантові комп’ютери також забезпечать майже ідеальний мовний переклад у режимі реального часу між будь-якими двома мовами, або через чат у Skype, або за допомогою аудіопристрою чи імплантату у вашому вусі. .

Через 20 років мова більше не буде перешкодою для ділового та повсякденного спілкування. Наприклад, людина, яка розмовляє лише англійською, може з більшою впевненістю вступати в ділові відносини з партнерами в інших країнах, куди англійські бренди інакше не змогли б проникнути, а під час відвідування цих іноземних країн ця особа може навіть закохатися в певну людину, яка випадково розмовляє лише кантонською.

Серія "Майбутнє комп'ютерів".

Нові інтерфейси користувача для нового визначення людства: майбутнє комп’ютерів P1

Майбутнє розробки програмного забезпечення: Майбутнє комп'ютерів P2

Революція цифрових сховищ: майбутнє комп’ютерів P3

Зникнення закону Мура, що спонукає до фундаментального перегляду мікрочіпів: майбутнє комп’ютерів P4

Хмарні обчислення стають децентралізованими: майбутнє комп’ютерів P5

Чому країни змагаються за створення найбільших суперкомп’ютерів? Майбутнє комп'ютерів P6