Η επανάσταση των ερχόμενων κβαντικών υπολογιστών

Φανταστείτε έναν υπολογιστή που λειτουργεί σχεδόν τόσο γρήγορα όσο το ανθρώπινο σώμα και αποθηκεύει όλα τα δεδομένα του, όπως οι άνθρωποι, σε σκέλη DNA. Αυτό δεν είναι επιστημονική φαντασία - είναι πάρα πολύ επιστημονικό γεγονός - καθώς οι επιστήμονες έδειξαν πρόσφατα πώς να αποθηκεύουν δεδομένα στο DNA. Μόνο τα τελευταία δύο χρόνια, τα κβαντικά τσιπ επεξεργασίας υπολογιστών σημείωσαν μεγάλη πρόοδο στον τεχνολογικό κόσμο με μεγαλύτερους και καλύτερους επεξεργαστές ενσωματωμένους και σε πειραματική χρήση.

Η κβαντομηχανική παρέχει τους βασικούς νόμους και τη βάση για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. Αυτός είναι ο τομέας της επιστήμης που περιγράφει πώς συμπεριφέρονται και αλληλεπιδρούν τα υποατομικά σωματίδια και περιλαμβάνει νόμους, θεωρίες και αρχές από την κβαντική φυσική που περιγράφουν τον τρόπο με τον οποίο συμβαίνουν αυτές οι αλληλεπιδράσεις στο μυαλό χρήση υπολογιστή.

Αυτές οι θεωρίες και οι νόμοι περιλαμβάνουν την κβαντοποίηση ενέργειας, πακέτα ενέργειας που ορίζονται ως κβαντικά. την ταυτόχρονη ύπαρξη σωματιδίων ως κύματος και σωματιδίων γνωστών ως δυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίων · Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, που λέει ότι η μέτρηση καταρρέει το υποατομικό σωματίδιο σε μία από τις δύο πιθανές καταστάσεις του. και η αρχή της αλληλογραφίας, που αναπτύχθηκε από τον φυσικό Niels Bohr, ο οποίος θεώρησε ότι οποιαδήποτε νέα θεωρία πρέπει επίσης να ισχύει συμβατικά φαινόμενα και στην παλιά φυσική, δεν περιγράφουν απλώς νέα συμπεριφορά σωματιδίων και κυμάτων σε ατομικό επίπεδο θεωρίες.

Στον τυπικό υπολογισμό, οι υπολογιστές εκτελούν ψηφιακή επεξεργασία bit πληροφοριών σε μία από τις δύο τιμές: μηδέν και μία, οι οποίες αντιπροσωπεύουν είτε κατάσταση ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης. Ενώ οι ταχύτητες του υπολογιστή έχουν αυξηθεί εκθετικά από τις πρώτες μέρες των προσωπικών υπολογιστών στα τέλη της δεκαετίας του '80 και στις αρχές της δεκαετίας του '90, αυτές και ακόμη και οι υπερυπολογιστές που χρησιμοποιούνται από το στρατό, τα ερευνητικά εργαστήρια και τα κολέγια εξακολουθούν να έχουν όρια ως προς το πόσο γρήγορα ολοκληρώνουν σύνθετα μαθηματικά εξισώσεις. Ορισμένες εξισώσεις χρειάζονται χρόνια για να επιλυθούν ακόμη και οι υπερυπολογιστές λόγω του πόσο καιρό είναι μερικές από τις μαθηματικές εξισώσεις.

Όχι έτσι με έναν κβαντικό υπολογιστή, βασισμένο στην ιδέα των κβαντικών bits, γνωστών ως qubits, καθώς αυτά τα δεδομένα μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα σε πολλές καταστάσεις 0 και 1. Όσο περισσότερα qubits σε έναν κβαντικό υπολογιστή, τόσο περισσότερες πιθανές καταστάσεις επιτρέπει - και μπορούν να προκύψουν ταχύτεροι υπολογισμοί δεδομένων. Λόγω της κβαντικής εμπλοκής, αυτό που ο Αϊνστάιν ονόμασε «τρομακτική δράση από απόσταση», τα qubits μπορούν να λειτουργήσουν με μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους χωρίς την ανάγκη καλωδίων. Και εξαιτίας αυτού, αυτό που συμβαίνει σε ένα σωματίδιο, συμβαίνει στο άλλο ταυτόχρονα.

Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν τόσο γρήγορα, μπορούν να σπάσουν τις περισσότερες μεθόδους κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται σήμερα, συμπεριλαμβανομένων τραπεζικών συναλλαγών και άλλων μεθόδων ασφάλειας στον κυβερνοχώρο. Στα χέρια ανθρώπων με κακόβουλη πρόθεση, ένας κβαντικός υπολογιστής θα έκανε πολλές ζημιές και θα μπορούσε να φέρει τον κόσμο στα τεχνολογικά γόνατά του.

Αλλά στα χέρια των ανθρώπων με τις σωστές προθέσεις, οι κβαντικοί υπολογιστές θα προωθήσουν τις δυνατότητες τεχνητής νοημοσύνης σε αντίθεση με οτιδήποτε φαίνεται μέχρι σήμερα. Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να φορτώσετε τους νόμους περιοδικού πίνακα και κβαντικής μηχανικής στον υπολογιστή για να σχεδιάσετε πιο αποδοτικά ηλιακά κύτταρα. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να οδηγήσουν σε βελτιωμένες και βέλτιστες διαδικασίες κατασκευής, να βελτιώσουν τις ηλεκτρικές μπαταρίες αυτοκινήτων, να υπολογίσουν αλγόριθμους πιο γρήγορα για να διαλύσουν μποτιλιαρίσματος αυτοκινητοδρόμων, καταλάβετε τις καλύτερες μεθόδους αποστολής και διαδρομές ταξιδιού και βασικά σπάζετε δεδομένα σε τεράστιες ταχύτητες που δεν έχουν ακούσει ακόμη και στις πιο γρήγορες υπερυπολογιστές.

Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν προσφέρουν απλώς έναν πιο προηγμένο τύπο τεχνολογίας. Αποτελούν τη βάση για μια εντελώς νέα μορφή υπολογισμού με βάση τους νόμους που στηρίζουν την κβαντική μηχανική. Σε σύγκριση με έναν τυπικό υπολογιστή εξοπλισμένο με κλασικές μεθόδους υπολογισμού, ένας κβαντικός υπολογιστής κάνει έναν κανονικό υπολογιστή να μοιάζει με τρίκυκλο σε σύγκριση με ένα εξαιρετικά γρήγορο αγωνιστικό αυτοκίνητο.

Οι εξελίξεις στους επεξεργαστές qubit με τα χρόνια περιλαμβάνουν:

• Το 1998 το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο αποκάλυψε τον επεξεργαστή των 2-qubit.
• 1998 Οι IBM, UC Berkeley, Stanford University και MIT αναπτύσσουν επεξεργαστή 2-qubit.
• 2000 Το Πολυτεχνείο του Μονάχου, Γερμανία, δημιούργησε έναν επεξεργαστή 5-qubit.
• 2000 Το Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos στις ΗΠΑ παρουσίασε έναν επεξεργαστή 7-qubit.
• 2006 Το Ινστιτούτο Κβαντικής Πληροφορικής, το Περιμετρικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής και το MIT δημιουργούν έναν επεξεργαστή 12-qubit.
• Το 2017 η IBM μοιράζεται τα νέα του επεξεργαστή 17-qubit.
• Το 2017 η IBM παρουσιάζει τον επεξεργαστή 50 qubit.
• Το 2018 η Google μοιράζεται νέα σχετικά με τον επεξεργαστή 72-qubit.

Ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν γρήγορα, αυτή τη στιγμή δεν έχουν τρόπο αποθήκευσης δεδομένων, επειδή σύμφωνα με τους υπάρχοντες κανόνες κβαντικής μηχανικής, δεν μπορείτε να δημιουργήσετε ένα αντίγραφο, ένα αντίγραφο ή να αποθηκεύσετε δεδομένα στο κβαντικό σύστημα. Μηχανικοί και επιστήμονες ερευνούν πολλούς τρόπους αποθήκευσης κβαντικών δεδομένων. Μερικοί σκέφτονται ακόμη και την αποθήκευση δεδομένων σε κλώνους DNA.

Οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια μέθοδο το 2017 που αποθηκεύει περίπου 215 εκατομμύρια gigabytes πληροφοριών σε ένα μόνο γραμμάριο DNA. Οι συμβατικοί σκληροί δίσκοι αποθηκεύουν δεδομένα σε δύο διαστάσεις, ενώ το DNA προσφέρει τρεις διαστάσεις και μεγαλύτερη αποθήκευση δεδομένων. Εάν ένας τρόπος χρήσης του DNA αποδείχθηκε λειτουργικός, βασικά όλες οι γνώσεις του κόσμου που είναι αποθηκευμένες στο DNA θα γεμίζουν ένα μόνο δωμάτιο ή το πίσω μέρος δύο τυπικών φορτηγών.

Ερευνητές και μεγάλοι παίκτες σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να δημιουργήσουν τον επόμενο μεγαλύτερο επεξεργαστή. Η IBM έχει τοποθετήσει την κβαντική πληροφορική στο cloud της, καθιστώντας τη διαθέσιμη στους περισσότερους όσους εγγράφονται για να συμμετάσχουν στα πειράματά της.

Η Microsoft βρίσκεται στη διαδικασία ενσωμάτωσης του κβαντικού υπολογιστή στην πλατφόρμα του Visual Studio, αλλά εκτός από το να ανακοινώνει τον Σεπτέμβριο του 2017 τα σχέδιά της να βασίσει τα σχέδιά της στο Majorana Fermions σωματίδιο - ένα σωματίδιο που υπάρχει ως το δικό του αντισωματίδιο και ανακαλύφθηκε το 2012 - η Microsoft παραμένει σχετικά σιωπηλή σχετικά με τον κβαντικό υπολογισμό της σχέδια.

Η Google σχεδιάζει να κυριαρχήσει στο κβαντικό πεδίο του υπολογιστή και ελπίζει να επιτύχει την «κβαντική υπεροχή» δημιουργώντας ένα τσιπ που μπορεί να ξεπεράσει τους σημερινούς υπερυπολογιστές με τους κβαντικούς υπολογισμούς του.

Ανεξάρτητα από τις εξελίξεις στην κβαντική πληροφορική, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα το κάνουν σύντομα στα χέρια του κοινού. Οι κβαντικοί υπολογιστές που εργάζονται θα βρουν το δρόμο τους σε εργαστήρια, δεξαμενές σκέψης και ερευνητικά κέντρα για να βοηθήσουν στην επίλυση εξισώσεων που θα απαιτούσαν χρόνια για να δουλέψουν οι υπερυπολογιστές.

Αν και πολλοί ερευνητές προβλέπουν την εμπορευματοποίηση των κβαντικών υπολογιστών μέσα στα επόμενα τέσσερα έως πέντε χρόνια, μπορεί να είναι μερικά χρόνια μετά από αυτό και περισσότερο πριν οι κβαντικοί υπολογιστές γίνουν ο κανόνας για το δημόσιο.