Настъпващата квантова компютърна революция

Представете си компютър, който работи почти толкова бързо, колкото човешкото тяло, и съхранява всичките си данни, като хората, върху ДНК вериги. Това не е научна фантастика - това е много научен факт - тъй като наскоро учените демонстрираха как да запишат данните в ДНК. Само през последните две години чиповете за квантова компютърна обработка постигнаха голям напредък в технологичния свят с по-големи и по-добри процесори, изградени и експериментално използвани.

Квантовата механика предоставя основните закони и основа за изграждане на квантови компютри. Това е областта на науката, която описва как се държат и взаимодействат субатомните частици и включва закони, теории и принципи от квантовата физика, които описват как се случват тези изумителни взаимодействия в областта на изчислителна техника.

Тези теории и закони включват енергийно квантуване, енергийни пакети, дефинирани като квантови; едновременното съществуване на частици както като вълна, така и на частици, известни като двойственост на вълна-частица; Принципът на несигурността на Хайзенберг, който казва, че измерването срива субатомната частица в едно от двете си потенциални състояния; и принципа на кореспонденция, разработен от физика Нилс Бор, който твърди, че всяка нова теория също трябва да се прилага конвенционалните явления и в старата физика, а не само описват поведението на частиците и вълните на атомно ниво в ново теории.

При стандартните изчисления компютрите изпълняват чрез обработка на битове информация цифрово в една от двете стойности: нула и една, които представляват или включено, или изключено състояние. Докато компютърните скорости нарастват експоненциално от ранните дни на персоналните компютри в края на 80-те и началото на 90-те, тези и дори суперкомпютрите, използвани от военните, изследователските лаборатории и колежите, все още имат ограничения за това колко бързо завършват сложни математически уравнения. Някои уравнения отнемат години дори на суперкомпютрите да се изработят поради това колко дълго са някои от математическите уравнения.

Не е така с квантовия компютър, изграден върху идеята за квантови битове, известни като кубити, тъй като тези данни могат да съществуват едновременно в множество състояния 0 и 1. Колкото повече кубита има в квантовия компютър, толкова повече потенциални състояния той позволява - и по-бързите изчисления на данни могат да се появят. Поради квантовото заплитане, което Айнщайн нарича „призрачно действие на разстояние“, кубитите могат да работят с големи разстояния помежду си, без да са необходими жици. И поради това това, което се случва с едната частица, се случва и с другата едновременно.

Квантовите компютри работят толкова бързо, че могат да нарушат повечето методи за криптиране, използвани днес, включително банкови транзакции и други методи за киберсигурност. В ръцете на хора със злонамерени намерения квантовият компютър би нанесъл много щети и би могъл да постави света на технически колене.

Но в ръцете на хора с правилните намерения квантовите компютри ще подобрят способностите на изкуствения интелект, за разлика от всичко, наблюдавано до момента. Например, можете да заредите периодичната таблица и законите за квантовата механика в компютъра, за да проектирате по-ефективни слънчеви клетки. Квантовите компютри могат да доведат до фино настроени и оптимални производствени процеси, да подобрят акумулаторите на електрически автомобили, да изчислят алгоритмите по-бързо, за да се разтворят задръствания по магистрали, измислете най-добрите методи за доставка и маршрути за пътуване и всъщност раздробявайте данни с огромни скорости, нечувани дори при най-бързите суперкомпютри.

Квантовите компютри предлагат не само по-усъвършенстван тип технологии; те са основата за изцяло нова форма на изчисления, основана на законите, които са в основата на квантовата механика. В сравнение със стандартен компютър, оборудван с класически изчислителни методи, квантовият компютър прави обикновения компютър да изглежда като триколка в сравнение със супер бърза състезателна кола.

Разработките в qubit процесорите през годините включват:

• 1998 г. Оксфордският университет във Великобритания разкрива техния 2-кубитов процесор.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University и MIT разработват 2-кубитов процесор.
• 2000 Техническият университет в Мюнхен, Германия, създава 5-кубитов процесор.
• 2000 г. Националната лаборатория в Лос Аламос в САЩ разкри 7-кубитов процесор.
• 2006 Институт за квантови изчисления, Институт за теоретична физика и MIT създават 12-кубитов процесор.
• 2017 IBM споделя новините за своя 17-кубитов процесор.
• 2017 IBM представя своя 50-кубитов процесор.
• 2018 Google споделя новини за своя 72-кубитов процесор.

Докато квантовите компютри работят бързо, в момента те нямат начин да съхраняват данни, тъй като съгласно съществуващите правила за квантова механика не можете да направите дубликат, копие или да запишете данни в квантовата система. Инженери и учени изследват множество начини за съхраняване на квантови данни; някои дори обмислят да съхраняват данни за ДНК вериги.

Учените разработиха метод през 2017 г., който съхранява около 215 милиона гигабайта информация в един ДНК грам. Конвенционалните твърди дискове съхраняват данни в две измерения, докато ДНК предлага три измерения и по-голямо съхранение на данни. Ако начинът за използване на ДНК се окаже работещ, общо взето цялото световно знание, съхранявано върху ДНК, ще запълни една стая или задната част на два стандартни пикапа.

Изследователи и големи играчи от цял ​​свят се опитват да създадат следващия най-голям процесор. IBM постави квантовите изчисления в облака си, като ги направи достъпни за повечето, които се регистрират да участват в експериментите му.

Microsoft е в процес на интегриране на квантовите изчисления в своята платформа Visual Studio, но освен обявяването през септември 2017 г. на своите планове да основава плановете си на Частица Majorana Fermions - частица, която съществува като собствена античастица и е открита през 2012 г. - Microsoft остава относително мълчалив по отношение на квантовите си изчисления планове.

Google има планове да доминира в областта на квантовите компютри и се надява да постигне "квантово надмощие", като изгради чип, който може да надмине днешните суперкомпютри със своите квантови изчисления.

Независимо от напредъка, постигнат в квантовите изчисления, квантовите компютри скоро няма да попаднат в ръцете на обществеността. Работещите квантови компютри ще намерят първо място в лабораториите, мозъчните тръстове и изследователските центрове, за да помогнат за решаването на уравнения, които биха отнели години, за да се получат суперкомпютрите.

Въпреки че много изследователи прогнозират комерсиализацията на квантовите компютри през следващите четири до пет години, може да минат няколко години след това и повече, преди квантовите компютри да станат норма за публично.