Quantumrun

ΠΙΣΤΩΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ: Quantumrun

Πώς οι κβαντικοί υπολογιστές θα αλλάξουν τον κόσμο: Το μέλλον των υπολογιστών P7

David Tal, Εκδότης, Μελλοντολόγος
@DavidTalWrites
LinkedIn

Δευτ., 09/14/2020 - 05:14

Υπάρχει πολλή διαφημιστική εκστρατεία που επιπλέει στη γενική βιομηχανία υπολογιστών, η διαφημιστική εκστρατεία επικεντρώνεται σε μια συγκεκριμένη τεχνολογία που έχει τη δυνατότητα να αλλάξει τα πάντα: τους κβαντικούς υπολογιστές. Όντας ο συνονόματος της εταιρείας μας, θα παραδεχτούμε ότι έχουμε μια προκατάληψη όσον αφορά την αισιοδοξία μας σχετικά με αυτήν την τεχνολογία και κατά τη διάρκεια αυτού του τελευταίου κεφαλαίου της σειράς Future of Computers, ελπίζουμε να μοιραστούμε μαζί σας γιατί ακριβώς συμβαίνει αυτό.

Σε ένα βασικό επίπεδο, ένας κβαντικός υπολογιστής προσφέρει την ευκαιρία να χειριστείτε τις πληροφορίες με έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο. Στην πραγματικότητα, μόλις ωριμάσει αυτή η τεχνολογία, αυτοί οι υπολογιστές όχι μόνο θα λύσουν μαθηματικά προβλήματα γρηγορότερα από οποιονδήποτε υπολογιστή που υπάρχει αυτή τη στιγμή, αλλά και οποιονδήποτε υπολογιστή προβλέπεται να υπάρχει τις επόμενες δεκαετίες (υποθέτοντας ότι ο νόμος του Moore ισχύει). Στην πραγματικότητα, παρόμοια με τη συζήτησή μας γύρω υπερυπολογιστές στο τελευταίο μας κεφάλαιο, οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές θα επιτρέψουν στην ανθρωπότητα να αντιμετωπίσει όλο και μεγαλύτερα ερωτήματα που μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε βαθύτερα τον κόσμο γύρω μας.

Τι είναι οι κβαντικοί υπολογιστές;

Πέρα από τη διαφημιστική εκστρατεία, πόσο διαφέρουν οι κβαντικοί υπολογιστές από τους τυπικούς υπολογιστές; Και πώς λειτουργούν;

Για οπτικούς μαθητές, συνιστούμε να παρακολουθήσετε αυτό το διασκεδαστικό, σύντομο βίντεο από την ομάδα του YouTube Kurzgesagt σχετικά με αυτό το θέμα:

Εν τω μεταξύ, για τους αναγνώστες μας, θα κάνουμε το καλύτερο δυνατό για να εξηγήσουμε τους κβαντικούς υπολογιστές χωρίς την ανάγκη για πτυχίο φυσικής.

Για αρχή, πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι η βασική μονάδα της επεξεργασίας των υπολογιστών πληροφοριών είναι λίγο. Αυτά τα bit μπορεί να έχουν μία από τις δύο τιμές: 1 ή 0, ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση, ναι ή όχι. Εάν συνδυάσετε αρκετά από αυτά τα bits μαζί, μπορείτε στη συνέχεια να αναπαραστήσετε αριθμούς οποιουδήποτε μεγέθους και να κάνετε κάθε είδους υπολογισμούς πάνω τους, μετά το άλλο. Όσο μεγαλύτερο ή ισχυρότερο είναι το τσιπ του υπολογιστή, τόσο μεγαλύτεροι είναι οι αριθμοί που μπορείτε να δημιουργήσετε και να εφαρμόσετε υπολογισμούς και τόσο πιο γρήγορα μπορείτε να μετακινηθείτε από τον έναν υπολογισμό στον άλλο.

Οι κβαντικοί υπολογιστές διαφέρουν με δύο σημαντικούς τρόπους.

Πρώτον, είναι το πλεονέκτημα της «υπερθέσεως». Ενώ οι παραδοσιακοί υπολογιστές λειτουργούν με bit, οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν με qubits. Τα qubit εφέ υπέρθεσης που ενεργοποιούνται είναι ότι αντί να περιορίζεται σε μία από τις δύο πιθανές τιμές (1 ή 0), ένα qubit μπορεί να υπάρχει ως μείγμα και των δύο. Αυτή η δυνατότητα επιτρέπει στους κβαντικούς υπολογιστές να λειτουργούν πιο αποτελεσματικά (γρηγορότερα) από τους παραδοσιακούς υπολογιστές.

Δεύτερον, είναι το πλεονέκτημα της «διαπλοκής». Αυτό το φαινόμενο είναι μια μοναδική συμπεριφορά της κβαντικής φυσικής που δεσμεύει το πεπρωμένο μιας ποσότητας διαφορετικών σωματιδίων, έτσι ώστε αυτό που συμβαίνει στο ένα να επηρεάζει και τα άλλα. Όταν εφαρμόζεται σε κβαντικούς υπολογιστές, αυτό σημαίνει ότι μπορούν να χειριστούν όλα τα qubits τους ταυτόχρονα - με άλλα λόγια, αντί να κάνει ένα σύνολο υπολογισμών ο ένας μετά τον άλλο, ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να τους κάνει όλους ταυτόχρονα.

Ο αγώνας για την κατασκευή του πρώτου κβαντικού υπολογιστή

Αυτή η επικεφαλίδα είναι κάπως εσφαλμένη. Κορυφαίες εταιρείες όπως η Microsoft, η IBM και η Google έχουν ήδη δημιουργήσει τους πρώτους πειραματικούς κβαντικούς υπολογιστές, αλλά αυτά τα πρώιμα πρωτότυπα διαθέτουν λιγότερα από δύο δωδεκάδες qubits ανά τσιπ. Και ενώ αυτές οι πρώιμες προσπάθειες είναι ένα σπουδαίο πρώτο βήμα, οι εταιρείες τεχνολογίας και τα κυβερνητικά ερευνητικά τμήματα θα χρειαστεί να κατασκευάσουν έναν κβαντικό υπολογιστή με τουλάχιστον 49 έως 50 qubits για να καλύψει τη διαφημιστική εκστρατεία που θεωρεί ότι υπάρχει στον πραγματικό κόσμο.

Για το σκοπό αυτό, υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις που πειραματίζονται για να επιτευχθεί αυτό το ορόσημο των 50 qubit, αλλά δύο βρίσκονται πάνω από όλους τους πελάτες.

Σε ένα στρατόπεδο, η Google και η IBM στοχεύουν να αναπτύξουν έναν κβαντικό υπολογιστή αντιπροσωπεύοντας τα qubits ως ρεύματα που ρέουν μέσω υπεραγώγιμων καλωδίων που ψύχονται στους -273.15 βαθμούς Κελσίου, ή το απόλυτο μηδέν. Η παρουσία ή η απουσία ρεύματος σημαίνει 1 ή 0. Το πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι αυτά τα υπεραγώγιμα καλώδια ή κυκλώματα μπορούν να κατασκευαστούν από πυρίτιο, ένα υλικό με το οποίο οι εταιρείες ημιαγωγών έχουν δεκαετίες πείρας.

Η δεύτερη προσέγγιση, με επικεφαλής τη Microsoft, περιλαμβάνει παγιδευμένα ιόντα που συγκρατούνται στη θέση τους σε ένα θάλαμο κενού και τα οποία χειρίζονται με λέιζερ. Τα ταλαντευόμενα φορτία λειτουργούν ως qubits, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των λειτουργιών του κβαντικού υπολογιστή.

Πώς θα χρησιμοποιήσουμε τους κβαντικούς υπολογιστές

Εντάξει, αφήνοντας στην άκρη τη θεωρία, ας εστιάσουμε στις εφαρμογές του πραγματικού κόσμου που θα έχουν αυτοί οι κβαντικοί υπολογιστές στον κόσμο και στο πώς οι εταιρείες και οι άνθρωποι ασχολούνται με αυτόν.

Προβλήματα υλικοτεχνικής υποστήριξης και βελτιστοποίησης. Μεταξύ των πιο άμεσων και κερδοφόρων χρήσεων για κβαντικούς υπολογιστές θα είναι η βελτιστοποίηση. Για εφαρμογές κοινής χρήσης διαδρομής, όπως η Uber, ποια είναι η πιο γρήγορη διαδρομή για να παραλάβετε και να αφήσετε όσο το δυνατόν περισσότερους πελάτες; Για τους γίγαντες του ηλεκτρονικού εμπορίου, όπως η Amazon, ποιος είναι ο πιο οικονομικός τρόπος για να παραδώσετε δισεκατομμύρια πακέτα κατά τη διάρκεια της βιασύνης αγοράς δώρων για τις γιορτές;

Αυτές οι απλές ερωτήσεις συνεπάγονται τον αριθμό των εκατοντάδων έως χιλιάδων μεταβλητών ταυτόχρονα, ένα κατόρθωμα που οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές απλά δεν μπορούν να χειριστούν. Έτσι, αντ 'αυτού, υπολογίζουν ένα μικρό ποσοστό αυτών των μεταβλητών για να βοηθήσουν αυτές τις εταιρείες να διαχειριστούν τις υλικοτεχνικές τους ανάγκες με λιγότερο από βέλτιστο τρόπο. Αλλά με έναν κβαντικό υπολογιστή, θα περάσει μέσα από ένα βουνό μεταβλητών χωρίς να ιδρώσει.

Καιρός και κλίμα πρίπλασμα. Παρόμοια με το παραπάνω σημείο, ο λόγος για τον οποίο το κανάλι καιρού μερικές φορές το κάνει λάθος είναι επειδή υπάρχουν πάρα πολλές περιβαλλοντικές μεταβλητές για να επεξεργαστούν οι υπερυπολογιστές τους (αυτό και μερικές φορές κακή συλλογή δεδομένων καιρού). Αλλά με έναν κβαντικό υπολογιστή, οι επιστήμονες καιρού όχι μόνο μπορούν να προβλέψουν τέλεια τα βραχυπρόθεσμα καιρικά μοτίβα, αλλά μπορούν επίσης να δημιουργήσουν πιο ακριβείς μακροπρόθεσμες κλιματικές εκτιμήσεις για να προβλέψουν τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής.

Εξατομικευμένη ιατρική. Η αποκωδικοποίηση του DNA και του μοναδικού μικροβιώματος σας είναι ζωτικής σημασίας για τους μελλοντικούς γιατρούς να συνταγογραφούν φάρμακα που είναι τέλεια προσαρμοσμένα στο σώμα σας. Ενώ οι παραδοσιακοί υπερυπολογιστές έχουν κάνει άλματα στην αποκωδικοποίηση του DNA με οικονομικά αποδοτικό τρόπο, το μικροβίωμα είναι πολύ πέρα από την εμβέλειά τους—αλλά όχι τόσο για τους μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές.

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα επιτρέψουν επίσης στη Big Pharma να προβλέψει καλύτερα πώς αντιδρούν διαφορετικά μόρια με τα φάρμακά τους, επιταχύνοντας έτσι σημαντικά τη φαρμακευτική ανάπτυξη και μειώνοντας τις τιμές.

Εξερεύνηση του διαστήματος. Τα διαστημικά τηλεσκόπια του σήμερα (και του αύριο) συλλέγουν τεράστιες ποσότητες δεδομένων αστρολογικών εικόνων κάθε μέρα που παρακολουθούν τις κινήσεις τρισεκατομμυρίων γαλαξιών, αστεριών, πλανητών και αστεροειδών. Δυστυχώς, αυτά είναι πάρα πολλά δεδομένα για τους σημερινούς υπερυπολογιστές για να κάνουν σημαντικές ανακαλύψεις σε τακτική βάση. Αλλά με έναν ώριμο κβαντικό υπολογιστή σε συνδυασμό με τη μηχανική μάθηση, όλα αυτά τα δεδομένα μπορούν τελικά να υποβληθούν σε επεξεργασία αποτελεσματικά, ανοίγοντας την πόρτα στην ανακάλυψη εκατοντάδων έως χιλιάδων νέων πλανητών καθημερινά μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2030.

Θεμελιώδεις επιστήμες. Παρόμοια με τα παραπάνω σημεία, η ακατέργαστη υπολογιστική ισχύς που δίνουν αυτοί οι κβαντικοί υπολογιστές θα επιτρέψει σε επιστήμονες και μηχανικούς να επινοήσουν νέα χημικά και υλικά, καθώς και κινητήρες καλύτερης λειτουργίας και φυσικά πιο δροσερά χριστουγεννιάτικα παιχνίδια.

Εκμάθηση μηχανών. Χρησιμοποιώντας παραδοσιακούς υπολογιστές, οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης χρειάζονται μια τεράστια ποσότητα επιμελημένων και επισημασμένων παραδειγμάτων (μεγάλα δεδομένα) για να μάθουν νέες δεξιότητες. Με τους κβαντικούς υπολογιστές, το λογισμικό μηχανικής μάθησης μπορεί να αρχίσει να μαθαίνει περισσότερα όπως οι άνθρωποι, με το οποίο μπορούν να αποκτήσουν νέες δεξιότητες χρησιμοποιώντας λιγότερα δεδομένα, πιο ακατάστατα δεδομένα, συχνά με λίγες οδηγίες.

Αυτή η εφαρμογή είναι επίσης ένα θέμα ενθουσιασμού μεταξύ των ερευνητών στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης (AI), καθώς αυτή η βελτιωμένη φυσική ικανότητα μάθησης θα μπορούσε να επιταχύνει την πρόοδο στην έρευνα τεχνητής νοημοσύνης κατά δεκαετίες. Περισσότερα για αυτό στη σειρά Future of Artificial Intelligence.

κρυπτογράφηση. Δυστυχώς, αυτή είναι η εφαρμογή που έχει νευριάσει τους περισσότερους ερευνητές και υπηρεσίες πληροφοριών. Όλες οι τρέχουσες υπηρεσίες κρυπτογράφησης εξαρτώνται από τη δημιουργία κωδικών πρόσβασης που θα χρειαζόταν ένας σύγχρονος υπερυπολογιστής χιλιάδες χρόνια για να σπάσει. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν θεωρητικά να αντιγράψουν αυτά τα κλειδιά κρυπτογράφησης σε λιγότερο από μία ώρα.

Τράπεζες, επικοινωνίες, υπηρεσίες εθνικής ασφάλειας, το ίδιο το διαδίκτυο εξαρτάται από την αξιόπιστη κρυπτογράφηση για να λειτουργήσει. (Ω, και ξεχάστε το bitcoin επίσης, δεδομένης της βασικής του εξάρτησης από την κρυπτογράφηση.) Εάν αυτοί οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν όπως διαφημίζεται, όλες αυτές οι βιομηχανίες θα κινδυνεύσουν, στη χειρότερη περίπτωση να θέσουν σε κίνδυνο ολόκληρη την παγκόσμια οικονομία μέχρι να δημιουργήσουμε την κβαντική κρυπτογράφηση για να διατηρήσουμε βήμα.

Μετάφραση γλώσσας σε πραγματικό χρόνο. Για να τελειώσει αυτό το κεφάλαιο και αυτή η σειρά με λιγότερο αγχωτικό νόημα, οι κβαντικοί υπολογιστές θα επιτρέψουν επίσης σχεδόν τέλεια μετάφραση γλώσσας σε πραγματικό χρόνο μεταξύ οποιωνδήποτε δύο γλωσσών, είτε μέσω συνομιλίας Skype είτε μέσω της χρήσης ενός φορητού ήχου ή εμφυτεύματος στο αυτί σας .

Σε 20 χρόνια, η γλώσσα δεν θα είναι πλέον εμπόδιο στις επιχειρηματικές και καθημερινές αλληλεπιδράσεις. Για παράδειγμα, ένα άτομο που μιλάει μόνο αγγλικά μπορεί με μεγαλύτερη σιγουριά να συνάψει επιχειρηματικές σχέσεις με συνεργάτες σε ξένες χώρες όπου διαφορετικά θα είχαν αποτύχει να διεισδύσουν οι αγγλικές επωνυμίες, και όταν επισκέπτεται τις εν λόγω ξένες χώρες, αυτό το άτομο μπορεί ακόμη και να ερωτευτεί κάποιον που τυχαίνει να μιλάει μόνο καντονέζικα.