Quantumrun

KREDIT ZA SLIKO: Quantumrun

Kako bodo kvantni računalniki spremenili svet: Prihodnost računalnikov P7

David Tal, založnik, futurist
@DavidTalPiše
LinkedIn

Pon, 09 - 14:2020

V splošni računalniški industriji kroži veliko navdušenja, ki se osredotoča na eno posebno tehnologijo, ki lahko spremeni vse: kvantne računalnike. Ker smo soimenjak našega podjetja, bomo priznali pristranskost v našem navdušenju nad to tehnologijo in v tem zadnjem poglavju naše serije Prihodnost računalnikov upamo, da bomo z vami delili, zakaj je tako.

Na osnovni ravni kvantni računalnik ponuja priložnost za manipulacijo informacij na bistveno drugačen način. Pravzaprav, ko bo ta tehnologija dozorela, ti računalniki ne bodo le reševali matematičnih problemov hitreje kot kateri koli računalnik, ki trenutno obstaja, ampak tudi kateri koli računalnik, ki naj bi obstajal v naslednjih nekaj desetletjih (ob predpostavki, da velja Moorov zakon). Pravzaprav podobno kot v naši razpravi superračunalniki v našem zadnjem poglavju, bodo prihodnji kvantni računalniki človeštvu omogočili reševanje vedno večjih vprašanj, ki nam lahko pomagajo pridobiti globoko globlje razumevanje sveta okoli nas.

Kaj so kvantni računalniki?

Če pustimo hype na stran, kako se kvantni računalniki razlikujejo od standardnih računalnikov? In kako delujejo?

Za vizualne učence priporočamo ogled tega zabavnega kratkega videoposnetka skupine Kurzgesagt YouTube o tej temi:

Medtem se bomo za naše bralce potrudili razložiti kvantne računalnike, ne da bi potrebovali diplomo iz fizike.

Za začetek se moramo spomniti, da je osnovna enota informacijskega računalniškega procesa bit. Ti biti imajo lahko eno od dveh vrednosti: 1 ali 0, vklopljeno ali izklopljeno, da ali ne. Če združite dovolj teh bitov skupaj, lahko nato predstavljate števila poljubne velikosti in na njih, enega za drugim, naredite vse možne izračune. Večji ali zmogljivejši kot je računalniški čip, večje številke lahko ustvarite in uporabite izračune ter hitreje se lahko premikate od enega izračuna do drugega.

Kvantni računalniki se razlikujejo na dva pomembna načina.

Prvič, to je prednost "superpozicije". Medtem ko tradicionalni računalniki delujejo z biti, kvantni računalniki delujejo s kubiti. Učinek superpozicije, ki ga omogočajo kubiti, je, da namesto, da bi bil omejen na eno od dveh možnih vrednosti (1 ali 0), lahko kubit obstaja kot mešanica obeh. Ta funkcija kvantnim računalnikom omogoča učinkovitejše (hitrejše) delovanje kot tradicionalni računalniki.

Drugič, je prednost "zapletanja". Ta pojav je edinstveno vedenje kvantne fizike, ki veže usodo količine različnih delcev, tako da bo to, kar se zgodi enemu, vplivalo na druge. Ko se uporablja za kvantne računalnike, to pomeni, da lahko manipulirajo z vsemi svojimi kubiti hkrati - z drugimi besedami, namesto da bi opravil niz izračunov enega za drugim, bi jih lahko kvantni računalnik naredil vse hkrati.

Dirka za izdelavo prvega kvantnega računalnika

Ta naslov je nekoliko napačen. Vodilna podjetja, kot so Microsoft, IBM in Google, so že ustvarila prve eksperimentalne kvantne računalnike, vendar ti zgodnji prototipi vsebujejo manj kot dva ducata kubitov na čip. In čeprav so ta zgodnja prizadevanja odličen prvi korak, bodo tehnološka podjetja in vladni raziskovalni oddelki morali zgraditi kvantni računalnik z vsaj 49 do 50 kubiti, da bo hype izpolnil svoj teoretiziran potencial v resničnem svetu.

V ta namen se preizkušajo številni pristopi, da bi dosegli ta mejnik 50 kubitov, vendar dva stojita pred vsemi.

V enem taboru si Google in IBM prizadevata razviti kvantni računalnik s predstavitvijo kubitov kot tokov, ki tečejo skozi superprevodne žice, ki so ohlajene na –273.15 stopinj Celzija ali absolutno ničlo. Prisotnost ali odsotnost toka pomeni 1 ali 0. Prednost tega pristopa je, da so te superprevodne žice ali vezja lahko izdelana iz silicija, materiala, s katerim imajo polprevodniška podjetja desetletja izkušenj.

Drugi pristop, ki ga vodi Microsoft, vključuje ujete ione, ki se zadržujejo v vakuumski komori in upravljajo z laserji. Nihajoči naboji delujejo kot kubiti, ki se nato uporabljajo za obdelavo operacij kvantnega računalnika.

Kako bomo uporabljali kvantne računalnike

V redu, če pustimo teorijo ob strani, se osredotočimo na aplikacije v resničnem svetu, ki jih bodo ti kvantni računalniki imeli na svetu, in na to, kako podjetja in ljudje sodelujejo z njimi.

Logistične in optimizacijske težave. Med najbolj neposrednimi in donosnimi uporabami kvantnih računalnikov bo optimizacija. Katera je najhitrejša pot za aplikacije za deljenje prevozov, kot je Uber, da poberete in odložite čim več strank? Kaj je za velikane e-trgovine, kot je Amazon, najbolj stroškovno učinkovit način za dostavo milijard paketov med prazničnim nakupovanjem daril?

Ta preprosta vprašanja vključujejo drobljenje številk na stotine do tisoče spremenljivk hkrati, kar je podvig, ki ga sodobni superračunalniki preprosto ne zmorejo; zato namesto tega izračunajo majhen odstotek teh spremenljivk, da tem podjetjem pomagajo upravljati svoje logistične potrebe na manj kot optimalen način. Toda s kvantnim računalnikom bo prerezal goro spremenljivk, ne da bi se preznojil.

Vreme in podnebje manekenstvo. Podobno kot pri zgornji točki je razlog, zakaj se vremenski kanal včasih zmoti, ta, da je preveč okoljskih spremenljivk, ki bi jih njihovi superračunalniki lahko obdelali (to in včasih slabo zbiranje vremenskih podatkov). Toda s kvantnim računalnikom lahko vremenski znanstveniki ne le popolno napovedujejo kratkoročne vremenske vzorce, ampak lahko ustvarijo tudi natančnejše dolgoročne podnebne ocene za napovedovanje učinkov podnebnih sprememb.

Prilagojena medicina. Dekodiranje vaše DNK in vašega edinstvenega mikrobioma je ključnega pomena za bodoče zdravnike, da predpišejo zdravila, ki so popolnoma prilagojena vašemu telesu. Medtem ko so tradicionalni superračunalniki napredovali pri stroškovno učinkovitem dekodiranju DNK, je mikrobiom daleč zunaj njihovega dosega, vendar ne za prihodnje kvantne računalnike.

Kvantni računalniki bodo podjetju Big Pharma omogočili tudi boljše predvidevanje, kako različne molekule reagirajo z njihovimi zdravili, s čimer bodo znatno pospešili farmacevtski razvoj in znižali cene.

Raziskovanje vesolja. Današnji (in jutrišnji) vesoljski teleskopi vsak dan zbirajo ogromne količine podatkov o astroloških posnetkih, ki sledijo gibanju bilijonov galaksij, zvezd, planetov in asteroidov. Na žalost je to veliko preveč podatkov, da bi jih današnji superračunalniki lahko presejali, da bi redno delali pomembna odkritja. Toda z zrelim kvantnim računalnikom v kombinaciji s strojnim učenjem je mogoče vse te podatke končno učinkovito obdelati, kar odpre vrata odkritju na stotine do tisoče novih planetov dnevno do zgodnjih 2030-ih let.

Temeljne znanosti. Podobno kot pri zgornjih točkah bo surova računalniška moč, ki jo omogočajo ti kvantni računalniki, omogočila znanstvenikom in inženirjem, da oblikujejo nove kemikalije in materiale, pa tudi bolje delujoče motorje in seveda hladnejše božične igrače.

Strojno učenje. Z uporabo tradicionalnih računalnikov algoritmi strojnega učenja potrebujejo ogromno kuriranih in označenih primerov (veliki podatki), da se naučijo novih veščin. S kvantnim računalništvom se lahko programska oprema za strojno učenje začne učiti bolj kot ljudje, pri čemer lahko pridobijo nove veščine z uporabo manj podatkov, z bolj neurejenimi podatki, pogosto z malo navodili.

Ta aplikacija je tudi predmet navdušenja med raziskovalci na področju umetne inteligence (AI), saj bi ta izboljšana naravna sposobnost učenja lahko pospešila napredek pri raziskavah AI za desetletja. Več o tem v naši seriji Prihodnost umetne inteligence.

šifriranje. Na žalost je to aplikacija, ki spravlja ob živce večino raziskovalcev in obveščevalnih agencij. Vse trenutne šifrirne storitve so odvisne od ustvarjanja gesel, za katere bi sodoben superračunalnik potreboval tisoče let, da bi jih razbil; kvantni računalniki bi lahko teoretično razdrli te šifrirne ključe v manj kot eni uri.

Bančništvo, komunikacije, nacionalne varnostne storitve, sam internet so odvisni od zanesljivega šifriranja. (Oh, pozabite tudi na bitcoin, glede na njegovo temeljno odvisnost od šifriranja.) Če bodo ti kvantni računalniki delovali, kot je oglaševano, bodo vse te industrije ogrožene, v najslabšem primeru pa bo ogroženo celotno svetovno gospodarstvo, dokler ne zgradimo kvantnega šifriranja, ki bo ohranjalo tempo.

Jezikovni prevod v realnem času. Da zaključimo to poglavje in to serijo na manj stresni noti, bodo kvantni računalniki omogočili tudi skoraj popoln jezikovni prevod v realnem času med katerima koli dvema jezikoma, bodisi prek Skype klepeta ali z uporabo avdio nosljive naprave ali vsadka v vašem ušesu .

Čez 20 let jezik ne bo več ovira za poslovne in vsakodnevne interakcije. Oseba, ki govori le angleško, lahko na primer bolj samozavestno vstopa v poslovna razmerja s partnerji v tujini, kamor sicer angleške znamke ne bi prodrle, ob obisku omenjene tujine pa se lahko celo zaljubi v nekoga, ki slučajno govori samo kantonščino.