Kaip kvantiniai kompiuteriai pakeis pasaulį: kompiuterių ateitis P7

Aplink bendrą kompiuterių pramonę sklando daugybė ažiotažų, kurių pagrindinis dėmesys skiriamas vienai specifinei technologijai, kuri gali pakeisti viską: kvantinius kompiuterius. Būdami mūsų įmonės bendravardis, pripažinsime, kad esame linkę į šią technologiją, o paskutiniame mūsų serijos „Kompiuterių ateitis“ skyriuje tikimės pasidalinti su jumis, kodėl taip yra.

Pradiniame lygmenyje kvantinis kompiuteris suteikia galimybę manipuliuoti informacija iš esmės kitaip. Tiesą sakant, kai ši technologija subręsta, šie kompiuteriai ne tik greičiau išspręs matematines problemas nei bet kuris šiuo metu egzistuojantis kompiuteris, bet ir bet kuris kompiuteris, kuris, kaip prognozuojama, egzistuos per ateinančius kelis dešimtmečius (darant prielaidą, kad Moore'o dėsnis galioja). Tiesą sakant, panašu į mūsų diskusiją superkompiuteriai paskutiniame mūsų skyriuje, būsimi kvantiniai kompiuteriai leis žmonijai spręsti vis didesnius klausimus, kurie gali padėti mums giliau suprasti mus supantį pasaulį.

Kas yra kvantiniai kompiuteriai?

Atmetus triukšmą, kuo kvantiniai kompiuteriai skiriasi nuo standartinių kompiuterių? Ir kaip jie veikia?

Besimokantiesiems vizualiai rekomenduojame pažiūrėti šį smagų trumpą Kurzgesagt YouTube komandos vaizdo įrašą šia tema:

Tuo tarpu savo skaitytojams mes padarysime viską, kad paaiškintume kvantinius kompiuterius be fizikos laipsnio.

Pradedantiesiems turime prisiminti, kad pagrindinis informacijos kompiuterių proceso vienetas yra šiek tiek. Šie bitai gali turėti vieną iš dviejų reikšmių: 1 arba 0, įjungta arba išjungta, taip arba ne. Jei sujungsite pakankamai šių bitų, galėsite pateikti bet kokio dydžio skaičius ir atlikti įvairius skaičiavimus. Kuo didesnis ar galingesnis kompiuterio lustas, tuo didesnius skaičius galėsite kurti ir taikyti skaičiavimus bei greičiau pereiti nuo vieno skaičiavimo prie kito.

Kvantiniai kompiuteriai skiriasi dviem svarbiais būdais.

Pirma, tai yra „superpozicijos“ pranašumas. Nors tradiciniai kompiuteriai veikia su bitais, kvantiniai kompiuteriai veikia su kubitais. Superpozicijos efekto kubitai įgalinami yra tai, kad kubitas gali egzistuoti kaip abiejų galimų reikšmių mišinys, užuot apribotas viena iš dviejų galimų reikšmių (1 arba 0). Ši funkcija leidžia kvantiniams kompiuteriams veikti efektyviau (greičiau) nei tradiciniai kompiuteriai.

Antra, yra „susipainiojimo“ pranašumas. Šis reiškinys yra unikalus kvantinės fizikos elgesys, susiejantis įvairių dalelių kiekio likimą, todėl tai, kas atsitiks su viena, paveiks kitas. Taikant kvantiniams kompiuteriams, tai reiškia, kad jie gali manipuliuoti visais savo kubitais vienu metu – kitaip tariant, užuot atlikę skaičiavimus vieną po kito, kvantinis kompiuteris galėtų juos visus atlikti vienu metu.

Lenktynės kuriant pirmąjį kvantinį kompiuterį

Ši antraštė yra šiek tiek klaidinga. Pirmaujančios kompanijos, tokios kaip „Microsoft“, IBM ir „Google“, jau sukūrė pirmuosius eksperimentinius kvantinius kompiuterius, tačiau šie ankstyvieji prototipai turi mažiau nei dvi dešimtis kubitų vienoje lustoje. Ir nors šios ankstyvos pastangos yra puikus pirmasis žingsnis, technologijų įmonės ir vyriausybinių tyrimų departamentai turės sukurti kvantinį kompiuterį, turintį mažiausiai 49–50 kubitų, kad ažiotažas atitiktų teorinį realaus pasaulio potencialą.

Šiuo tikslu eksperimentuojama su įvairiais būdais, kaip pasiekti šį 50 kubitų etapą, tačiau du yra aukščiau visų.

Vienoje stovykloje „Google“ ir IBM siekia sukurti kvantinį kompiuterį, vaizduodami kubitus kaip sroves, tekančias superlaidžiais laidais, kurie atšaldomi iki –273.15 laipsnių Celsijaus arba absoliutaus nulio. Srovės buvimas arba nebuvimas reiškia 1 arba 0. Šio metodo pranašumas yra tas, kad šiuos superlaidžius laidus ar grandines galima pastatyti iš silicio – medžiagos, puslaidininkių įmonės turi dešimtmečių darbo patirtį.

Antrasis metodas, kuriam vadovauja „Microsoft“, apima įstrigusius jonus, laikomus vakuuminėje kameroje ir manipuliuojamus lazeriais. Svyruojantys krūviai veikia kaip kubitai, kurie vėliau naudojami kvantinio kompiuterio operacijoms apdoroti.

Kaip naudosime kvantinius kompiuterius

Gerai, atmetus teoriją, sutelkime dėmesį į realaus pasaulio pritaikymus, kuriuos šie kvantiniai kompiuteriai turės pasaulyje ir kaip įmonės ir žmonės su tuo sąveikauja.

Logistinės ir optimizavimo problemos. Vienas iš artimiausių ir pelningiausių kvantinių kompiuterių naudojimo būdų bus optimizavimas. Koks yra greičiausias būdas pasiimti ir išsiųsti kuo daugiau klientų, pavyzdžiui, pavėžėjimo programoms, pvz., „Uber“? Koks elektroninės prekybos milžinams, pvz., „Amazon“, yra ekonomiškiausias būdas pristatyti milijardus pakuočių per šventines dovanas?

Šie paprasti klausimai yra susiję su skaičiais susmulkinti nuo šimtų iki tūkstančių kintamųjų vienu metu – tai žygdarbis, kurio šiuolaikiniai superkompiuteriai tiesiog negali susidoroti; todėl vietoj to jie apskaičiuoja nedidelę tų kintamųjų procentą, kad padėtų šioms įmonėms valdyti savo logistikos poreikius ne taip optimaliai. Tačiau su kvantiniu kompiuteriu jis įveiks kalną kintamųjų, neišleisdamas prakaito.

Orai ir klimatas modeliavimas. Panašiai kaip aukščiau, orų kanalas kartais klysta dėl to, kad jų superkompiuteriams yra per daug aplinkos kintamųjų (tai ir kartais prastas oro duomenų rinkimas). Tačiau naudojant kvantinį kompiuterį orų mokslininkai gali ne tik puikiai prognozuoti artimiausio laikotarpio orų modelius, bet ir sukurti tikslesnius ilgalaikius klimato vertinimus, kad nuspėtų klimato kaitos poveikį.

Individualizuota medicina. Būsimiems gydytojams labai svarbu iššifruoti jūsų DNR ir unikalų mikrobiomą, kad jie išrašytų vaistus, puikiai pritaikytus jūsų kūnui. Nors tradiciniai superkompiuteriai padarė pažangą ekonomiškai efektyviai dekoduodami DNR, mikrobiomas toli gražu nepasiekiamas, bet ne ateities kvantiniams kompiuteriams.

Kvantiniai kompiuteriai taip pat leis „Big Pharma“ geriau numatyti, kaip skirtingos molekulės reaguoja su savo vaistais, taip žymiai paspartindami vaistų kūrimą ir sumažindami kainas.

Kosmoso tyrinėjimas. Šiandienos (ir rytojaus) kosminiai teleskopai kiekvieną dieną surenka milžinišką kiekį astrologinių vaizdų duomenų, kurie seka trilijonų galaktikų, žvaigždžių, planetų ir asteroidų judėjimą. Deja, tai yra per daug duomenų, kad šiuolaikiniai superkompiuteriai galėtų reguliariai atlikti reikšmingus atradimus. Tačiau naudojant brandųjį kvantinį kompiuterį ir mašininį mokymąsi, visi šie duomenys pagaliau gali būti efektyviai apdoroti, o tai atveria duris šimtų ar tūkstančių naujų planetų atradimui iki 2030-ųjų pradžios.

Fundamentalieji mokslai. Panašiai kaip ir aukščiau, šių kvantinių kompiuterių neapdorota skaičiavimo galia leis mokslininkams ir inžinieriams sukurti naujas chemines medžiagas ir medžiagas, taip pat geriau veikiančius variklius ir, žinoma, vėsesnius kalėdinius žaislus.

Mašininis mokymasis. Naudojant tradicinius kompiuterius, mašininio mokymosi algoritmams reikia daug kuruotų ir pažymėtų pavyzdžių (didelių duomenų), kad išmoktų naujų įgūdžių. Naudojant kvantinį skaičiavimą, mašininio mokymosi programinė įranga gali pradėti mokytis daugiau kaip žmonės, todėl jie gali įgyti naujų įgūdžių naudodami mažiau duomenų, sudėtingesnius duomenis, dažnai turėdami keletą instrukcijų.

Ši programa taip pat kelia susidomėjimą dirbtinio intelekto (AI) srities tyrėjams, nes šis patobulintas natūralus mokymosi pajėgumas gali paspartinti DI tyrimų pažangą dešimtmečiais. Daugiau apie tai mūsų serijoje „Dirbtinio intelekto ateitis“.

Šifravimas. Deja, dėl šios programos nerimauja dauguma tyrėjų ir žvalgybos agentūrų. Visos dabartinės šifravimo paslaugos priklauso nuo slaptažodžių kūrimo, kuriuos nulaužti šiuolaikiniam superkompiuteriui prireiktų tūkstančius metų; kvantiniai kompiuteriai teoriškai galėtų perplėšti šiuos šifravimo raktus per mažiau nei valandą.

Bankininkystė, ryšiai, nacionalinio saugumo tarnybos, pats internetas priklauso nuo patikimo šifravimo. (O, ir pamirškite apie bitkoiną, atsižvelgiant į jo pagrindinę priklausomybę nuo šifravimo.) Jei šie kvantiniai kompiuteriai veiks taip, kaip reklamuojama, visoms šioms pramonės šakoms iškils pavojus, o blogiausiu atveju kils pavojus visai pasaulio ekonomikai, kol nesukursime kvantinio šifravimo, kad išlaikytume. tempą.

Kalbos vertimas realiuoju laiku. Norėdami užbaigti šį skyrių ir šią seriją mažiau įtemptai, kvantiniai kompiuteriai taip pat įgalins beveik tobulą kalbų vertimą realiuoju laiku iš bet kurių dviejų kalbų per „Skype“ pokalbį arba naudojant nešiojamą garso aparatą ar implantą į ausį. .

Po 20 metų kalba nebebus kliūtis verslui ir kasdieniniam bendravimui. Pavyzdžiui, žmogus, kalbantis tik angliškai, gali drąsiau užmegzti verslo santykius su partneriais užsienio šalyse, kur kitu atveju anglų prekės ženklai nebūtų prasiskverbę, o lankydamasis minėtose užsienio šalyse gali net įsimylėti tam tikrą žmogų, kuris kalba tik kantono kalba.

Serialas „Kompiuterių ateitis“.

Naujos vartotojo sąsajos, skirtos iš naujo apibrėžti žmoniją: kompiuterių ateitis P1

Programinės įrangos kūrimo ateitis: kompiuterių ateitis P2

Skaitmeninės saugojimo revoliucija: kompiuterių ateitis P3

Blėstantis Moore'o dėsnis, skatinantis iš esmės permąstyti mikroschemas: kompiuterių ateitis P4

Debesų kompiuterija tampa decentralizuota: kompiuterių ateitis P5

Kodėl šalys konkuruoja, kad sukurtų didžiausius superkompiuterius? Kompiuterių ateitis P6