Nadcházející kvantová počítačová revoluce

Představte si počítač, který funguje téměř stejně rychle jako lidské tělo a ukládá všechna svá data, podobně jako lidi, na řetězce DNA. Toto není sci-fi - je to velmi vědecký fakt - protože vědci nedávno prokázali, jak ukládat data do DNA. Jen za poslední dva roky udělaly čipy pro kvantové počítačové zpracování velké pokroky v technologickém světě s většími a lepšími procesory postavenými a experimentálně používanými.

Kvantová mechanika poskytuje základní zákony a základ pro stavbu kvantových počítačů. Toto je oblast vědy, která popisuje chování a interakci subatomárních částic a zahrnuje zákony, teorie a principy z kvantové fyziky, které popisují, jak k těmto ohromujícím interakcím dochází v oblasti výpočetní.

Tyto teorie a zákony zahrnují kvantování energie, balíčky energie definované jako kvantové; současná existence částic jako obou vln a částic známých jako dualita vln-částic; Heisenbergův princip neurčitosti, který říká, že měření zhroutí subatomární částici do jednoho ze svých dvou potenciálních stavů; a zásada korespondence, kterou vytvořil fyzik Niels Bohr, který předpokládal, že každá nová teorie musí platit také pro konvenční jevy také ve staré fyzice, nejen popsat chování částic a vln na atomové úrovni v nových teorie.

Ve standardních počítačích počítače fungují zpracováním bitů informací digitálně v jedné ze dvou hodnot: nula a jedna, které představují buď zapnutý nebo vypnutý stav. Zatímco rychlosti počítačů exponenciálně vzrostly od počátků osobních počítačů na konci 80. a počátku 90. let, tyto a dokonce superpočítače používané armádou, výzkumnými laboratořemi a vysokými školami mají stále omezení, pokud jde o to, jak rychle dokončují složité matematické rovnice. Některé rovnice trvají roky, než se dokonce superpočítače vypracují kvůli tomu, jak dlouhé jsou některé matematické rovnice.

Není tomu tak u kvantového počítače postaveného na myšlence kvantových bitů, známých jako qubits, protože tato data mohou existovat ve více stavech 0 a 1 současně. Čím více qubitů v kvantovém počítači, tím více potenciálních stavů umožňuje - a tím může dojít k rychlejším výpočtům dat. Kvůli kvantovému zapletení, které Einstein nazýval „strašidelnou akcí na dálku“, mohou qubits operovat s velkými vzdálenostmi mezi nimi bez nutnosti drátů. A proto se to, co se stane jedné částice, stane druhé.

Kvantové počítače fungují tak rychle, že mohou narušit většinu dnes používaných šifrovacích metod, včetně bankovních transakcí a dalších metod kybernetické bezpečnosti. V rukou lidí se zákeřnými úmysly by kvantový počítač způsobil velké škody a mohl by svět dostat na technologická kolena.

Ale v rukou lidí se správnými úmysly budou kvantové počítače podporovat schopnosti umělé inteligence na rozdíl od všeho, co bylo dosud vidět. Například můžete do počítače nahrát zákony periodické tabulky a zákony kvantové mechaniky a navrhnout tak účinnější solární články. Kvantové počítače mohou vést k vyladěným a optimálním výrobním procesům, vylepšit baterie pro elektromobily, rychleji vypočítat algoritmy k jejich rozpuštění dálniční dopravní zácpy, zjistěte nejlepší způsoby přepravy a cestovní trasy a v zásadě chraňte data obrovskou rychlostí, o které se ani v nejrychlejších neslyší superpočítače.

Kvantové počítače nenabízejí jen pokročilejší typ technologie; jsou základem pro zcela novou formu výpočtu na základě zákonů, které jsou základem kvantové mechaniky. Ve srovnání se standardním počítačem vybaveným klasickými výpočetními metodami je díky kvantovému počítači běžný počítač ve srovnání se superrychlým závodním vozem podobný tříkolce.

Vývoj procesorů qubit v průběhu let zahrnuje:

• 1998 Oxfordská univerzita ve Velké Británii odhalila svůj 2kbitový procesor.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University a MIT vyvíjejí 2kbitový procesor.
• 2000 Technická univerzita v Mnichově, Německo, vytvořil 5kbitový procesor.
• 2000 Národní laboratoř Los Alamos v USA představila 7kbitový procesor.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics and MIT create a 12-qubit processor.
• 2017 IBM sdílí novinky o svém 17kbitovém procesoru.
• 2017 IBM představuje svůj 50kbitový procesor.
• 2018 Google sdílí novinky o svém 72kbitovém procesoru.

Zatímco kvantové počítače fungují rychle, právě teď nemají žádný způsob, jak ukládat data, protože podle stávajících pravidel kvantové mechaniky nemůžete vytvořit duplikát, kopii nebo uložit data do kvantového systému. Inženýři a vědci zkoumají různé způsoby ukládání kvantových dat; někteří dokonce uvažují o uložení údajů o řetězcích DNA.

Vědci vyvinuli v roce 2017 metodu, která ukládá přibližně 215 milionů gigabajtů informací do jednoho gramu DNA. Konvenční pevné disky ukládají data ve dvou dimenzích, zatímco DNA nabízí tři dimenze a větší úložiště dat. Pokud by se způsob použití DNA ukázal jako proveditelný, v podstatě by všechny znalosti světa uložené v DNA zaplnily jednu místnost nebo zadní část dvou standardních pickupů.

Vědci a velcí hráči z celého světa se snaží vybudovat další největší procesor. IBM vložila do svého cloudu kvantové výpočty a zpřístupnila je tak všem, kteří se přihlásí k účasti na jeho experimentech.

Microsoft je v procesu integrace kvantového výpočtu do své platformy Visual Studio, ale kromě oznámení v září 2017 o svých plánech založit své plány na Částice Majorana Fermions - částice, která existuje jako vlastní antičástice a která byla objevena v roce 2012 - Microsoft o svém kvantovém výpočtu relativně mlčí plány.

Google má v plánu ovládnout kvantové počítačové pole a doufá, že dosáhne „kvantové nadvlády“ vybudováním čipu, který svými kvantovými výpočty překoná dnešní superpočítače.

Bez ohledu na pokroky v kvantové práci na počítači se kvantové počítače v dohledné době nedostanou do rukou veřejnosti. Pracovní kvantové počítače si nejprve najdou cestu do laboratoří, think tanků a výzkumných středisek, aby pomohly řešit rovnice, kterým by superpočítače trvalo roky.

Ačkoli mnoho vědců předpovídá komercializaci kvantových počítačů v příštích čtyřech až pěti letech let, může to být několik let poté a ještě více, než se kvantové počítače stanou normou pro veřejnost.