Tulev kvantarvutite revolutsioon

Kujutage ette arvutit, mis töötab peaaegu sama kiiresti kui inimkeha ja salvestab kõik oma andmed nagu inimesed ka DNA-ahelatele. See pole ulme - see on väga teaduslik fakt - nagu teadlased hiljuti demonstreerisid, kuidas andmeid DNA-sse salvestada. Ainuüksi viimase kahe aasta jooksul saavutasid kvantarvutitöötluskiibid tehnoloogilises maailmas suured edusammud, kuna suuremad ja paremad protsessorid olid sisse ehitatud ja katseliselt kasutatavad.

Kvantmehaanika annab kvantarvutite ehitamise aluseks olevad seadused ja aluse. See on teadusvaldkond, mis kirjeldab, kuidas subatomaalsed osakesed käituvad ja suhtlevad, ning see hõlmab seadusi, kvantfüüsikast pärinevad teooriad ja põhimõtted, mis kirjeldavad, kuidas need teadvustamata mõtlevad vastastikmõjud toimuvad arvutamine.

Need teooriad ja seadused hõlmavad energia kvantimist, kvantidena määratletud energiapakette; osakeste samaaegne olemasolu nii lainena kui ka osakestena, mida nimetatakse laineosakeste duaalsuseks; Heisenbergi määramatuse põhimõte, mis ütleb, et mõõtmine variseb subatoomilise osakese ühte oma kahest potentsiaalsest olekust; ja vastavuse põhimõte, mille on välja töötanud füüsik Niels Bohr, kes väitis, et iga uus teooria peab kehtima ka tavanähtused ka vanas füüsikas, mitte ainult ei kirjelda osakeste ja lainete käitumist aatomitasandil uutes teooriad.

Standardarvutuses töötavad arvutid teabe bitti digitaalsel töötlemisel ühes kahest väärtusest: null ja üks, mis tähistavad kas sisse- või väljalülitatud olekut. Kui arvuti kiirus on alates personaalarvutite algusaegadest 80ndate lõpus ja 90ndate alguses hüppeliselt kasvanud, siis need ja isegi sõjaväe, uurimislaborite ja kolledžite kasutatavatel superarvutitel on endiselt keerulise matemaatilise lõpuleviimise piirid võrrandid. Mõne võrrandi jaoks kulub isegi superarvutite väljatöötamiseks aastaid, kuna mõni matemaatiline võrrand on pikk.

Seda mitte kvantarvutite puhul, mis on üles ehitatud kvantbittide ideele, mida tuntakse kui kvitte, kuna need andmed võivad eksisteerida korraga mitmes 0 ja 1 olekus. Mida rohkem kvantarvutis kviteerib, seda rohkem potentsiaalseid olekuid see võimaldab - ja seda kiiremini saab andmeid arvutada. Kvantpõimumise tõttu, mida Einstein nimetas "õudseks tegevuseks kaugel", suudavad akbitid töötada nende vahel suurte vahemaadega, ilma et oleks vaja juhtmeid. Ja seetõttu juhtub see, mis juhtub ühe osakesega, samaaegselt ka teise osakesega.

Kvantarvutid töötavad nii kiiresti, et need võivad murda enamiku tänapäeval kasutatavatest krüptimismeetoditest, sealhulgas pangatehingud ja muud küberturvalisuse meetodid. Pahatahtlike kavatsustega inimeste käes teeks kvantarvuti palju kahju ja võib panna maailma põlvili.

Kuid õigete kavatsustega inimeste käes edendavad kvantarvutid tehisintellekti võimalusi erinevalt millestki seni nähtust. Näiteks võiksite tõhusamate päikesepatareide kujundamiseks laadida arvutisse perioodilisustabeli ja kvantmehaanika seadused. Kvantarvutid võivad viia peenhäälestatud ja optimaalsete tootmisprotsessideni, täiustada elektriautode akusid, arvutada algoritme kiiremini lahustumiseks maantee liiklusummikud, selgitada välja parimad saatmisviisid ja reisimarsruutid ning kruttida andmeid tohutu kiirusega ennekuulmatult isegi kõige kiiremini superarvutid.

Kvantarvutid ei paku ainult kõrgemat tüüpi tehnoloogiat; need on aluseks täiesti uuele arvutusvormile, mis põhineb kvantmehaanika aluseks olevatel seadustel. Võrreldes klassikaliste arvutusmeetoditega varustatud tavalise arvutiga muudab kvantarvuti ülikiire võistlusautoga võrreldes tavalise arvuti välimuselt kolmerattaliseks.

Aastate jooksul on qubit-protsessorites toimunud arengud järgmised:

• 1998 Oxfordi ülikool Suurbritannias näitas oma 2-bitist protsessorit.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanfordi ülikool ja MIT töötavad välja 2 -bitise protsessori.
• 2000 Saksamaal Müncheni tehnikaülikool lõi 5-bitise protsessori.
• 2000. aastal avalikustas USA Los Alamose riiklik laboratoorium 7 -bitise protsessori.
• 2006. aasta Kvantarvutuste Instituut, Perimeetri Teoreetilise Füüsika Instituut ja MIT loovad 12 -bitise protsessori.
• 2017 jagab IBM oma 17-bitise protsessori uudiseid.
• 2017 tutvustab IBM oma 50-bitist protsessorit.
• 2018 jagab Google uudiseid oma 72-bitise protsessori kohta.

Kuigi kvantarvutid töötavad kiiresti, pole neil praegu võimalust andmeid salvestada, sest olemasolevate kvantmehaanika reeglite kohaselt ei saa te andmeid duplikaati, koopiat teha ega kvantsüsteemi salvestada. Insenerid ja teadlased uurivad mitut viisi kvantandmete salvestamiseks; mõned kaaluvad isegi andmete säilitamist DNA-ahelates.

Teadlased töötasid 2017. aastal välja meetodi, mis salvestab ühe DNA grammi umbes 215 miljonit gigabaiti teavet. Tavapärased kõvakettad salvestavad andmeid kahes mõõtmes, samas kui DNA pakub kolme mõõdet ja suuremat andmesalvestust. Kui DNA kasutamise viis osutuks toimivaks, täidaksid põhimõtteliselt kõik DNA-sse salvestatud maailma teadmised ühe toa või kahe tavapärase pikapiga tagumise osa.

Teadlased ja suured mängijad kogu maailmas üritavad ehitada järgmise suurima protsessori. IBM on pannud kvantarvutused oma pilve, muutes selle kättesaadavaks enamusele kõigile, kes registreeruvad selle katsetes osalema.

Microsoft integreerib kvantarvutusi oma Visual Studio platvormi, kuid peale selle, et teatas 2017. aasta septembris oma plaanidest rajada oma plaanid Majorana Fermionsi osake - osake, mis eksisteerib oma antiosakestena ja mis avastati 2012. aastal - Microsoft jääb oma kvantarvutustest suhteliselt vait plaanid.

Google plaanib domineerida kvantarvutite valdkonnas ja loodab saavutada "kvantide ülemvõimu", ehitades kiibi, mis suudab oma kvantarvutustega edestada tänaseid superarvuteid.

Hoolimata kvantarvutuses tehtud edusammudest, ei saa kvantarvutid seda niipea avalikkuse kätte. Töötavad kvantarvutid leiavad kõigepealt tee laboritesse, mõttekodadesse ja uurimiskeskustesse, et aidata lahendada võrrandeid, mille superarvutite väljatöötamine võtab aastaid.

Kuigi paljud teadlased ennustavad kvantarvutite turustamist järgmise nelja kuni viie jooksul aastat, võib kuluda mõni aasta pärast seda ja rohkemgi, enne kui kvantarvutid saavad avalik.