Den kommende kvantecomputerrevolution

Forestil dig en computer, der fungerer næsten lige så hurtigt som den menneskelige krop og gemmer alle dens data, som mennesker, på DNA-tråde. Dette er ikke science fiction - det er meget videnskabelig kendsgerning - da forskere for nylig demonstrerede, hvordan man gemmer data til DNA. Alene inden for de sidste to år har kvantecomputerbehandlingschips gjort store fremskridt i den teknologiske verden med større og bedre processorer bygget og i eksperimentel brug.

Kvantemekanik giver de underliggende love og grundlag for opbygning af kvantecomputere. Dette er det videnskabelige felt, der beskriver, hvordan subatomære partikler opfører sig og interagerer, og det inkluderer love, teorier og principper fra kvantefysik, der beskriver, hvordan disse forbløffende interaktioner forekommer inden for computing.

Disse teorier og love inkluderer energikvantisering, energipakker defineret som kvante; den samtidige eksistens af partikler som både bølge og partikler kendt som bølge-partikel dualitet; Heisenbergs usikkerhedsprincip, der siger, at måling kollapser den subatomære partikel i en af ​​dens to potentielle tilstande; og korrespondanceprincippet, udviklet af fysikeren Niels Bohr, der hævdede, at enhver ny teori også skal gælde for konventionelle fænomener også i gammel fysik, ikke kun beskriver adfærd af partikler og bølger på atomniveau i nyt teorier.

I standard computing udfører computere ved at behandle informationsbit digitalt i en af ​​to værdier: nul og en, som repræsenterer enten en til eller fra-tilstand. Mens computerhastigheder er steget eksponentielt siden pc'ernes tidlige dage i slutningen af ​​80'erne og begyndelsen af ​​90'erne, er disse og endda supercomputere brugt af militæret, forskningslaboratorier og colleges har stadig grænser for, hvor hurtigt de gennemfører komplekse matematiske ligninger. Nogle ligninger tager år for selv supercomputere at træne på grund af hvor længe nogle af de matematiske ligninger er.

Ikke så med en kvantecomputer, der er bygget på ideen om kvantebits, kendt som qubits, da disse data kan eksistere i flere 0- og 1-tilstande på samme tid. Jo flere qubits i en kvantecomputer, jo flere potentielle tilstande tillader det - og jo hurtigere kan dataregistreringer forekomme. På grund af kvanteindvikling, hvad Einstein kaldte "uhyggelig handling på afstand", kan qubits fungere med store afstande mellem dem uden behov for ledninger. Og på grund af dette sker det, der sker med den ene partikel, den anden samtidigt.

Kvantecomputere fungerer så hurtigt, at de mest kan bryde enhver krypteringsmetode, der bruges i dag, inklusive banktransaktioner og andre cybersikkerhedsmetoder. I hænderne på mennesker med ondsindet hensigt ville en kvantecomputer skade meget og kunne bringe verden på sine teknologiske knæ.

Men i hænderne på mennesker med de rigtige intentioner vil kvantecomputere fremme kunstig intelligens kapaciteter i modsætning til noget, der hidtil er set. For eksempel kan du indlæse det periodiske system og kvantemekaniklovene i computeren for at designe mere effektive solceller. Kvantecomputere kan føre til finjusterede og optimale fremstillingsprocesser, forbedre elektriske bilbatterier, beregne algoritmer hurtigere for at opløse dem trafikpropper i motorvejen, finde ud af de bedste forsendelsesmetoder og rejse ruter, og dybest set knuse data ved enorme hastigheder uhørt i selv de hurtigste supercomputere.

Kvantecomputere tilbyder ikke bare en mere avanceret type teknologi; de er grundlaget for en helt ny form for computing helt baseret på de love, der understøtter kvantemekanik. Sammenlignet med en standardcomputer udstyret med klassiske computermetoder får en kvantecomputer en almindelig computer til at ligne en trehjulet cykel sammenlignet med en superhurtig racerbil.

Udviklingen i qubit-processorer gennem årene inkluderer:

• 1998 Oxford University i Storbritannien afslørede deres 2-qubit processor.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University og MIT udvikler en 2-qubit processor.
• 2000 Technical University of Munich, Tyskland, oprettede en 5-qubit processor.
• 2000 Los Alamos National Laboratory i USA afslørede en 7-qubit processor.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics og MIT skaber en 12-qubit processor.
• 2017 IBM deler nyheden om sin 17-qubit processor.
• 2017 IBM afslører sin 50-qubit processor.
• 2018 deler Google nyheder om sin 72-qubit processor.

Mens kvantecomputere fungerer hurtigt, har de lige nu ingen måde at gemme data på, fordi du under eksisterende kvantemekanikregler ikke kan lave en kopi, en kopi eller gemme data i kvantesystemet. Ingeniører og forskere undersøger flere måder at lagre kvantedata på; nogle overvejer endda at gemme data på DNA-tråde.

Forskere udviklede en metode i 2017, der lagrer cirka 215 millioner gigabyte information i et enkelt DNA-gram. Konventionelle harddiske lagrer data i to dimensioner, mens DNA tilbyder tre dimensioner og større datalagring. Hvis en måde at bruge DNA på viste sig at være brugbar, ville dybest set al verdens viden, der er gemt på DNA, fylde et enkelt rum eller bagsiden af ​​to standard pick-up trucks.

Forskere og store spillere over hele verden kæmper for at bygge den næststørste processor. IBM har sat kvantecomputering i sin sky, hvilket gør den tilgængelig for de fleste, der tilmelder sig for at deltage i sine eksperimenter.

Microsoft er i færd med at integrere kvantecomputering i sin Visual Studio-platform, men bortset fra at annoncere i september 2017 om sine planer om at basere sine planer på Majorana Fermions-partikel - en partikel, der eksisterer som sin egen antipartikel, og som blev opdaget i 2012 - Microsoft forbliver relativt tavs om sin kvanteberegning planer.

Google har planer om at dominere kvantecomputerfeltet og håber at opnå "kvanteherredømme" ved at opbygge en chip, der kan overgå nutidens supercomputere med sine kvanteberegninger.

Uanset de fremskridt, der er gjort inden for kvantecomputering, vil kvantecomputere ikke komme i offentlighedens hænder snart. Arbejdende kvantecomputere finder først vej til laboratorier, tænketanke og forskningscentre for at hjælpe med at løse ligninger, der vil tage år for supercomputere at træne.

Skønt mange forskere forudsiger kommercialisering af kvantecomputere inden for de næste fire til fem år kan det gå et par år efter det og mere, før kvantecomputere bliver normen for offentlig.