Quantenlauf

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Wie Quantencomputer die Welt verändern werden: Future of Computers P7

David Tal, Verleger, Futurist
@DavidTalWrites
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Mon, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

Es gibt eine Menge Hype um die allgemeine Computerindustrie, ein Hype, der sich um eine bestimmte Technologie dreht, die das Potenzial hat, alles zu verändern: Quantencomputer. Als Namensvetter unseres Unternehmens geben wir zu, dass wir dieser Technologie gegenüber tendenziell optimistisch eingestellt sind, und hoffen, Ihnen im Laufe dieses letzten Kapitels unserer Serie „Future of Computers“ mitteilen zu können, warum das so ist.

Auf einer grundlegenden Ebene bietet ein Quantencomputer die Möglichkeit, Informationen auf grundlegend andere Weise zu manipulieren. Sobald diese Technologie ausgereift ist, werden diese Computer nicht nur mathematische Probleme schneller lösen als jeder derzeit existierende Computer, sondern auch jeder Computer, von dem prognostiziert wird, dass er in den nächsten Jahrzehnten existieren wird (vorausgesetzt, Moores Gesetz gilt). In der Tat ähnlich wie bei unserer Diskussion um Supercomputer in unserem letzten Kapitel, werden zukünftige Quantencomputer die Menschheit in die Lage versetzen, immer größere Fragen anzugehen, die uns helfen können, ein tiefgreifenderes Verständnis der Welt um uns herum zu erlangen.

Was sind Quantencomputer?

Abgesehen vom Hype, wie unterscheiden sich Quantencomputer von Standardcomputern? Und wie funktionieren sie?

Für visuelle Lerner empfehlen wir, sich dieses lustige, kurze Video vom Kurzgesagt-YouTube-Team zu diesem Thema anzusehen:

In der Zwischenzeit werden wir unser Bestes tun, um unseren Lesern Quantencomputer zu erklären, ohne dass ein Physikstudium erforderlich ist.

Für den Anfang müssen wir uns daran erinnern, dass die Grundeinheit der von Computern verarbeiteten Informationen ein bisschen ist. Diese Bits können einen von zwei Werten haben: 1 oder 0, ein oder aus, ja oder nein. Wenn Sie genügend dieser Bits miteinander kombinieren, können Sie Zahlen beliebiger Größe darstellen und alle möglichen Berechnungen damit durchführen, eine nach der anderen. Je größer oder leistungsfähiger der Computerchip ist, desto größere Zahlen können Sie erstellen und Berechnungen anwenden und desto schneller können Sie von einer Berechnung zur nächsten wechseln.

Quantencomputer unterscheiden sich in zwei wichtigen Punkten.

Erstens ist der Vorteil der „Überlagerung“. Während herkömmliche Computer mit Bits arbeiten, arbeiten Quantencomputer mit Qubits. Der Überlagerungseffekt, den Qubits ermöglichen, besteht darin, dass ein Qubit als Mischung aus beiden existieren kann, anstatt auf einen von zwei möglichen Werten (1 oder 0) beschränkt zu sein. Diese Funktion ermöglicht es Quantencomputern, effizienter (schneller) zu arbeiten als herkömmliche Computer.

Zweitens ist der Vorteil der „Verschränkung“. Dieses Phänomen ist ein einzigartiges quantenphysikalisches Verhalten, das das Schicksal einer Menge verschiedener Teilchen bindet, sodass das, was mit einem passiert, die anderen beeinflusst. Übertragen auf Quantencomputer bedeutet dies, dass sie alle ihre Qubits gleichzeitig manipulieren können – mit anderen Worten, anstatt eine Reihe von Berechnungen nacheinander durchzuführen, könnte ein Quantencomputer sie alle gleichzeitig durchführen.

Der Wettlauf um den Bau des ersten Quantencomputers

Diese Überschrift ist etwas irreführend. Führende Unternehmen wie Microsoft, IBM und Google haben bereits die ersten experimentellen Quantencomputer entwickelt, aber diese frühen Prototypen verfügen über weniger als zwei Dutzend Qubits pro Chip. Und obwohl diese frühen Bemühungen ein großartiger erster Schritt sind, müssen Technologieunternehmen und staatliche Forschungsabteilungen einen Quantencomputer mit mindestens 49 bis 50 Qubits bauen, damit der Hype sein theoretisches Potenzial in der realen Welt ausschöpfen kann.

Zu diesem Zweck gibt es eine Reihe von Ansätzen, mit denen experimentiert wird, um diesen 50-Qubit-Meilenstein zu erreichen, aber zwei stehen über allen Ankömmlingen.

In einem Lager wollen Google und IBM einen Quantencomputer entwickeln, indem sie Qubits als Ströme darstellen, die durch supraleitende Drähte fließen, die auf –273.15 Grad Celsius oder den absoluten Nullpunkt gekühlt sind. Das Vorhandensein oder Fehlen von Strom steht für eine 1 oder 0. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass diese supraleitenden Drähte oder Schaltkreise aus Silizium gebaut werden können, einem Material, mit dem Halbleiterunternehmen jahrzehntelange Erfahrung haben.

Der zweite Ansatz, angeführt von Microsoft, beinhaltet gefangene Ionen, die in einer Vakuumkammer an Ort und Stelle gehalten und von Lasern manipuliert werden. Die oszillierenden Ladungen fungieren als Qubits, die dann zur Verarbeitung der Operationen des Quantencomputers verwendet werden.

Wie wir Quantencomputer verwenden werden

Okay, lassen wir die Theorie beiseite, konzentrieren wir uns auf die realen Anwendungen, die diese Quantencomputer auf der Welt haben werden, und wie Unternehmen und Menschen damit umgehen.

Logistik- und Optimierungsprobleme. Zu den unmittelbarsten und profitabelsten Anwendungen für Quantencomputer wird die Optimierung gehören. Was ist für Mitfahr-Apps wie Uber die schnellste Route, um so viele Kunden wie möglich abzuholen und abzusetzen? Was ist für E-Commerce-Giganten wie Amazon der kostengünstigste Weg, um Milliarden von Paketen während des Kaufansturms auf Weihnachtsgeschenke zuzustellen?

Bei diesen einfachen Fragen müssen Hunderte bis Tausende von Variablen gleichzeitig verarbeitet werden, eine Leistung, die moderne Supercomputer einfach nicht bewältigen können. Stattdessen berechnen sie einen kleinen Prozentsatz dieser Variablen, um diesen Unternehmen dabei zu helfen, ihre logistischen Anforderungen nicht optimal zu verwalten. Aber mit einem Quantencomputer wird er durch einen Berg von Variablen schneiden, ohne ins Schwitzen zu geraten.

Wetter und Klima Modellieren. Ähnlich wie beim obigen Punkt liegt der Grund, warum der Wetterkanal manchmal falsch liegt, darin, dass es zu viele Umgebungsvariablen gibt, die ihre Supercomputer verarbeiten können (das und manchmal eine schlechte Wetterdatenerfassung). Aber mit einem Quantencomputer können Wetterwissenschaftler nicht nur kurzfristige Wettermuster perfekt vorhersagen, sondern auch genauere langfristige Klimabewertungen erstellen, um die Auswirkungen des Klimawandels vorherzusagen.

Personalisierte Medizin. Die Entschlüsselung Ihrer DNA und Ihres einzigartigen Mikrobioms ist entscheidend für zukünftige Ärzte, um Medikamente zu verschreiben, die perfekt auf Ihren Körper zugeschnitten sind. Während herkömmliche Supercomputer Fortschritte bei der kostengünstigen Entschlüsselung von DNA gemacht haben, ist das Mikrobiom weit außerhalb ihrer Reichweite – nicht jedoch für zukünftige Quantencomputer.

Quantencomputer werden es Big Pharma auch ermöglichen, besser vorherzusagen, wie verschiedene Moleküle mit ihren Medikamenten reagieren, wodurch die pharmazeutische Entwicklung erheblich beschleunigt und die Preise gesenkt werden.

Weltraumforschung. Die Weltraumteleskope von heute (und morgen) sammeln jeden Tag enorme Mengen astrologischer Bilddaten, die die Bewegungen von Billionen von Galaxien, Sternen, Planeten und Asteroiden verfolgen. Leider sind dies viel zu viele Daten für die heutigen Supercomputer, um sie zu sichten, um regelmäßig sinnvolle Entdeckungen zu machen. Aber mit einem ausgereiften Quantencomputer in Kombination mit maschinellem Lernen können all diese Daten endlich effizient verarbeitet werden und bis Anfang der 2030er Jahre täglich die Tür zur Entdeckung von Hunderten bis Tausenden neuer Planeten öffnen.

Grundlegende Wissenschaften. Ähnlich wie bei den oben genannten Punkten wird die rohe Rechenleistung, die diese Quantencomputer ermöglichen, es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichen, neue Chemikalien und Materialien sowie besser funktionierende Motoren und natürlich cooleres Weihnachtsspielzeug zu entwickeln.

Maschinelles Lernen. Unter Verwendung traditioneller Computer benötigen maschinelle Lernalgorithmen eine riesige Menge an kuratierten und gekennzeichneten Beispielen (Big Data), um neue Fähigkeiten zu erlernen. Mit Quantencomputing kann maschinell lernende Software beginnen, mehr wie Menschen zu lernen, wodurch sie neue Fähigkeiten mit weniger Daten, unordentlicheren Daten und oft mit wenigen Anweisungen erlernen können.

Diese Anwendung ist auch ein spannendes Thema unter Forschern auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz (KI), da diese verbesserte natürliche Lernfähigkeit den Fortschritt in der KI-Forschung um Jahrzehnte beschleunigen könnte. Mehr dazu in unserer Serie Future of Artificial Intelligence.

Verschlüsselung. Leider ist dies die Anwendung, die die meisten Forscher und Geheimdienste nervös macht. Alle aktuellen Verschlüsselungsdienste hängen von der Erstellung von Passwörtern ab, für deren Knacken ein moderner Supercomputer Tausende von Jahren benötigen würde; Quantencomputer könnten diese Verschlüsselungsschlüssel theoretisch in weniger als einer Stunde durchbrechen.

Bankgeschäfte, Kommunikation, nationale Sicherheitsdienste und das Internet selbst sind auf eine zuverlässige Verschlüsselung angewiesen, um zu funktionieren. (Oh, und vergessen Sie auch Bitcoin, angesichts seiner Kernabhängigkeit von Verschlüsselung.) Wenn diese Quantencomputer wie angekündigt funktionieren, sind alle diese Industrien gefährdet und gefährden im schlimmsten Fall die gesamte Weltwirtschaft, bis wir eine Quantenverschlüsselung aufbauen, um sie aufrechtzuerhalten Tempo.

Sprachübersetzung in Echtzeit. Um dieses Kapitel und diese Serie mit weniger Stress zu beenden, werden Quantencomputer auch eine nahezu perfekte Sprachübersetzung in Echtzeit zwischen zwei beliebigen Sprachen ermöglichen, entweder über einen Skype-Chat oder durch die Verwendung eines Audio-Wearables oder -Implantats in Ihrem Ohr .

In 20 Jahren wird die Sprache kein Hindernis mehr für geschäftliche und alltägliche Interaktionen sein. Wer zum Beispiel nur Englisch spricht, kann souveräner Geschäftsbeziehungen mit Partnern in fremden Ländern eingehen, wo englische Marken sonst nicht vordringen würden, und sich bei einem Besuch in diesen fremden Ländern sogar in einen bestimmten Menschen verlieben spricht nur Kantonesisch.