Quantumrun

KREDIT OBRAZU: Quantumrun

Jak kvantové počítače změní svět: Budoucnost počítačů P7

David Tal, vydavatel, futurista
@DavidTalWrites
LinkedIn

Po, 09/14/2020 - 05:14

Všeobecným počítačovým průmyslem se vznáší spousta humbuku, který se soustředí kolem jedné konkrétní technologie, která má potenciál všechno změnit: kvantových počítačů. Jelikož jsme jmenovci naší společnosti, přiznáme se k zaujatosti v naší býčím postoji k této technologii a doufáme, že v průběhu této poslední kapitoly naší série Future of Computers se s vámi podělíme o to, proč tomu tak je.

Na základní úrovni nabízí kvantový počítač možnost manipulovat s informacemi zásadně odlišným způsobem. Ve skutečnosti, jakmile tato technologie dospěje, budou tyto počítače nejen řešit matematické problémy rychleji než jakýkoli počítač v současnosti existující, ale také jakýkoli počítač, o kterém se předpokládá, že bude existovat v příštích několika desetiletích (za předpokladu, že platí Moorův zákon). Ve skutečnosti, podobně jako naše diskuse kolem superpočítače v naší poslední kapitoleBudoucí kvantové počítače umožní lidstvu řešit stále větší otázky, které nám mohou pomoci získat hluboce hlubší porozumění světu kolem nás.

Co jsou to kvantové počítače?

Nechme stranou humbuk, jak se kvantové počítače liší od standardních počítačů? A jak fungují?

Pro vizuální studenty doporučujeme zhlédnout toto zábavné krátké video od týmu Kurzgesagt YouTube na toto téma:

Mezitím se pro naše čtenáře pokusíme vysvětlit kvantové počítače, aniž bychom museli mít titul z fyziky.

Pro začátek si musíme připomenout, že základní jednotkou informačního počítačového procesu je bit. Tyto bity mohou mít jednu ze dvou hodnot: 1 nebo 0, zapnuto nebo vypnuto, ano nebo ne. Pokud zkombinujete dostatek těchto bitů dohromady, můžete pak reprezentovat čísla libovolné velikosti a provádět s nimi nejrůznější výpočty, po sobě. Čím větší nebo výkonnější je počítačový čip, tím větší čísla můžete vytvářet a používat výpočty a tím rychleji můžete přecházet z jednoho výpočtu do druhého.

Kvantové počítače se liší ve dvou důležitých ohledech.

Za prvé je to výhoda „superpozice“. Zatímco tradiční počítače pracují s bity, kvantové počítače pracují s qubity. Funkce superpozičního efektu qubitů spočívá v tom, že namísto omezení na jednu ze dvou možných hodnot (1 nebo 0) může qubit existovat jako směs obou. Tato funkce umožňuje kvantovým počítačům pracovat efektivněji (rychleji) než tradiční počítače.

Za druhé je to výhoda „zapletení“. Tento jev je jedinečným chováním kvantové fyziky, které spojuje osud množství různých částic, takže to, co se stane jedné, ovlivní ostatní. Při aplikaci na kvantové počítače to znamená, že mohou manipulovat se všemi svými qubity současně – jinými slovy, namísto provádění sady výpočtů jeden po druhém by je kvantový počítač mohl provádět všechny současně.

Závod o sestavení prvního kvantového počítače

Tento nadpis je poněkud nesprávné označení. Přední společnosti jako Microsoft, IBM a Google již vytvořily první experimentální kvantové počítače, ale tyto rané prototypy obsahují méně než dva tucty qubitů na čip. A i když jsou tyto rané snahy skvělým prvním krokem, technologické společnosti a vládní výzkumná oddělení budou muset postavit kvantový počítač obsahující alespoň 49 až 50 qubitů, aby humbuk splnil svůj teoretický potenciál v reálném světě.

Za tímto účelem existuje řada přístupů, se kterými se experimentuje, jak dosáhnout tohoto milníku 50 qubitů, ale dva stojí nade všemi.

V jednom táboře mají Google a IBM za cíl vyvinout kvantový počítač reprezentující qubity jako proudy protékající supravodivými dráty, které jsou chlazené na –273.15 stupňů Celsia neboli absolutní nulu. Přítomnost nebo nepřítomnost proudu znamená 1 nebo 0. Výhodou tohoto přístupu je, že tyto supravodivé dráty nebo obvody mohou být vyrobeny z křemíku, materiálu, s nímž mají polovodičové společnosti desítky let zkušeností s prací.

Druhý přístup, vedený společností Microsoft, zahrnuje zachycené ionty držené na místě ve vakuové komoře a manipulované lasery. Oscilující náboje fungují jako qubity, které se pak používají ke zpracování operací kvantového počítače.

Jak budeme využívat kvantové počítače

Dobře, odložíme-li teorii stranou, zaměřme se na skutečné aplikace těchto kvantových počítačů ve světě a na to, jak se s nimi společnosti a lidé zabývají.

Logistické a optimalizační problémy. Mezi nejbezprostřednější a nejziskovější využití kvantových počítačů bude patřit optimalizace. Jaká je pro aplikace pro sdílení jízd, jako je Uber, nejrychlejší cesta k vyzvednutí a odložení co největšího počtu zákazníků? Jaký je pro giganty elektronického obchodu, jako je Amazon, nákladově nejefektivnější způsob, jak doručit miliardy balíčků během shonu s nákupem vánočních dárků?

Tyto jednoduché otázky zahrnují číslování stovek až tisíců proměnných najednou, což je výkon, který moderní superpočítače prostě nezvládnou; místo toho vypočítají malé procento těchto proměnných, aby těmto společnostem pomohli řídit jejich logistické potřeby méně než optimálním způsobem. Ale s kvantovým počítačem prořízne horu proměnných, aniž by se zapotil.

Počasí a podnebí modelování. Podobně jako ve výše uvedeném bodě, důvod, proč se meteorologický kanál někdy mýlí, je ten, že existuje příliš mnoho proměnných prostředí, které jejich superpočítače nezpracovávají (to a někdy špatný sběr dat o počasí). Ale s kvantovým počítačem mohou vědci počasí nejen dokonale předpovídat krátkodobé vzorce počasí, ale mohou také vytvářet přesnější dlouhodobé klimatické odhady pro předpovídání účinků změny klimatu.

Personalizovaná medicína. Dekódování vaší DNA a vašeho jedinečného mikrobiomu je zásadní pro budoucí lékaře, aby předepisovali léky, které jsou dokonale přizpůsobeny vašemu tělu. Zatímco tradiční superpočítače pokročily v nákladově efektivním dekódování DNA, mikrobiom je daleko mimo jejich dosah – ale ne tak pro budoucí kvantové počítače.

Kvantové počítače také umožní společnosti Big Pharma lépe předvídat, jak různé molekuly reagují s jejich léky, čímž výrazně urychlí farmaceutický vývoj a sníží ceny.

Průzkum vesmíru. Vesmírné teleskopy dneška (a zítřka) shromažďují každý den obrovské množství astrologických dat, která sledují pohyby bilionů galaxií, hvězd, planet a asteroidů. Bohužel je to příliš mnoho dat na to, aby je dnešní superpočítače pravidelně probíraly, aby mohly dělat smysluplné objevy. Ale s vyspělým kvantovým počítačem v kombinaci se strojovým učením mohou být všechna tato data konečně efektivně zpracována, což otevírá dveře k objevování stovek až tisíců nových planet denně do počátku 2030. let XNUMX. století.

Základní vědy. Podobně jako výše uvedené body, hrubý výpočetní výkon, který tyto kvantové počítače umožňují, umožní vědcům a inženýrům vymýšlet nové chemikálie a materiály, stejně jako lépe fungující motory a samozřejmě chladnější vánoční hračky.

Strojové učení. Pomocí tradičních počítačů potřebují algoritmy strojového učení obrovské množství upravených a označených příkladů (velká data), aby se naučily nové dovednosti. S kvantovým počítáním se software pro strojové učení může začít učit více jako lidé, díky čemuž mohou získat nové dovednosti s použitím menšího množství dat, složitějších dat, často s několika instrukcemi.

Tato aplikace je také tématem vzrušení mezi výzkumníky v oblasti umělé inteligence (AI), protože tato vylepšená schopnost přirozeného učení by mohla urychlit pokrok ve výzkumu AI o desítky let. Více o tom v naší sérii Future of Artificial Intelligence.

Šifrování. Je to bohužel aplikace, která většinu výzkumníků a zpravodajských agentur znervózňuje. Všechny současné šifrovací služby závisí na vytváření hesel, jejichž prolomení by modernímu superpočítači trvalo tisíce let; kvantové počítače by mohly teoreticky prolomit tyto šifrovací klíče za méně než hodinu.

Fungování bankovnictví, komunikace, národních bezpečnostních služeb a samotného internetu závisí na spolehlivém šifrování. (Ach, a zapomeňte také na bitcoiny, vzhledem k jeho základní závislosti na šifrování.) Pokud budou tyto kvantové počítače fungovat tak, jak je inzerováno, všechna tato odvětví budou ohrožena a v nejhorším případě ohrozí celou světovou ekonomiku, dokud nevybudujeme kvantové šifrování. tempo.

Jazykový překlad v reálném čase. Abychom tuto kapitolu a tuto sérii zakončili méně stresující poznámkou, kvantové počítače také umožní téměř dokonalý jazykový překlad v reálném čase mezi libovolnými dvěma jazyky, ať už přes Skype chat nebo pomocí audio nositelného zařízení nebo implantátu ve vašem uchu. .

Za 20 let už jazyk nebude překážkou v podnikání a každodenních interakcích. Například osoba, která mluví pouze anglicky, může jistěji navazovat obchodní vztahy s partnery v cizích zemích, kam by anglické značky jinak nepronikly, a při návštěvě těchto cizích zemí se tato osoba může dokonce zamilovat do jistého mluví pouze kantonsky.