Dolazeća kvantna računalna revolucija

Zamislite računalo koje radi gotovo jednako brzo kao i ljudsko tijelo i pohranjuje sve svoje podatke, poput ljudi, na lancima DNA. Ovo nije znanstvena fantastika - to je itekako znanstvena činjenica - jer su znanstvenici nedavno demonstrirali kako podatke spremati u DNK. Samo u posljednje dvije godine, čipovi za kvantnu računalnu obradu postigli su velik napredak u tehnološkom svijetu s većim i boljim procesorima izgrađenim i u eksperimentalnoj uporabi.

Kvantna mehanika pruža temeljne zakone i osnovu za izgradnju kvantnih računala. Ovo je područje znanosti koje opisuje kako se subatomske čestice ponašaju i komuniciraju, a uključuje zakone, teorije i principi iz kvantne fizike koji opisuju kako se te zapanjujuće interakcije javljaju u polju računarstvo.

Te teorije i zakoni uključuju kvantizaciju energije, pakete energije definirane kao kvant; istodobno postojanje čestica i kao val i kao dualnost valova i čestica; Heisenbergov princip nesigurnosti, koji kaže da mjerenje sruši subatomsku česticu u jedno od svoja dva potencijalna stanja; i princip korespondencije, koji je razvio fizičar Niels Bohr, koji je tvrdio da se svaka nova teorija također mora primijeniti na nju konvencionalni fenomeni i u staroj fizici, a ne samo da opisuju ponašanje čestica i valova na atomskoj razini u novim teorije.

U standardnom računarstvu računala izvode digitalnu obradu bitova podataka u jednu od dvije vrijednosti: nulu i jednu, koje predstavljaju ili uključeno ili isključeno stanje. Iako su se brzine računala eksponencijalno povećavale od ranih dana osobnih računala krajem 80-ih i početkom 90-ih, ove pa čak i superračunala koja koriste vojska, istraživački laboratoriji i fakulteti još uvijek imaju ograničenja koliko brzo završavaju složene matematičke jednadžbe. Nekim jednadžbama trebaju godine da bi se razradila čak i superračunala zbog toga koliko su neke matematičke jednadžbe duge.

S kvantnim računalom, izgrađenim na ideji kvantnih bitova, poznatih kao kubiti, nije tako, jer ti podaci mogu istovremeno postojati u više stanja 0 i 1. Što više kubita ima kvantno računalo, to više potencijalnih stanja omogućuje - i brži izračun podataka može se dogoditi. Zbog kvantne zapletenosti, ono što je Einstein nazvao "sablasnom akcijom na daljinu", kubiti mogu raditi na velikim udaljenostima između sebe, bez potrebe za žicama. I zbog toga, ono što se događa jednoj čestici, događa se i drugoj istovremeno.

Kvantna računala rade tako brzo da mogu razbiti većinu bilo koje metode šifriranja koja se danas koristi, uključujući bankarske transakcije i druge metode kibernetičke sigurnosti. U rukama ljudi sa zlonamjernom namjerom, kvantno računalo nanijelo bi veliku štetu i moglo bi svijet baciti na tehnološka koljena.

Ali u rukama ljudi s pravim namjerama, kvantna računala će unaprijediti sposobnosti umjetne inteligencije za razliku od bilo čega što je do danas viđeno. Na primjer, u računalo možete učitati periodični sustav i zakone o kvantnoj mehanici kako biste dizajnirali učinkovitije solarne ćelije. Kvantna računala mogu dovesti do fino podešenih i optimalnih proizvodnih procesa, poboljšati baterije za električne automobile, brže izračunati algoritme za otapanje gužve na autocesti, pronađite najbolje načine otpreme i rute putovanja i u osnovi drobite podatke velikom brzinom nečuvene čak i najbrže superračunala.

Kvantna računala ne nude samo napredniju vrstu tehnologije; oni su osnova za potpuno novi oblik računanja koji se temelji na zakonima koji podupiru kvantnu mehaniku. U usporedbi sa standardnim računalom opremljenim klasičnim računalnim metodama, kvantno računalo čini redovno računalo izgledom poput tricikla u usporedbi sa superbrzim trkaćim automobilom.

Razvoj qubit procesora kroz godine uključuje:

• Sveučilište Oxford u Velikoj Britaniji 1998. otkrilo je njihov 2-qubit procesor.
• 1998. IBM, UC Berkeley, Sveučilište Stanford i MIT razvijaju 2-qubit procesor.
• 2000. Tehničko sveučilište u Münchenu, Njemačka, stvorilo je procesor od 5 kubita.
• 2000. Nacionalni laboratorij Los Alamos u SAD-u predstavio je 7-qubit procesor.
• 2006. Institut za kvantno računanje, Institut za teorijsku fiziku Perimeter i MIT kreiraju 12-qubit procesor.
• 2017. IBM dijeli vijesti o svom 17-qubit procesoru.
• 2017. IBM predstavlja svoj procesor od 50 kubita.
• 2018. Google dijeli vijesti o svom 72-qubit procesoru.

Iako kvantna računala rade brzo, trenutno nemaju načina za pohranu podataka jer prema postojećim pravilima kvantne mehanike ne možete napraviti duplikat, kopirati ili spremiti podatke u kvantni sustav. Inženjeri i znanstvenici istražuju više načina za pohranu kvantnih podataka; neki čak razmišljaju o pohrani podataka o lancima DNA.

Znanstvenici su 2017. razvili metodu koja pohranjuje oko 215 milijuna gigabajta podataka u jedan DNA gram. Uobičajeni tvrdi diskovi pohranjuju podatke u dvije dimenzije, dok DNA nudi tri dimenzije i veću pohranu podataka. Kad bi se način upotrebe DNK pokazao izvodljivim, u osnovi bi svo svjetsko znanje pohranjeno na DNK ispunilo jednu sobu ili stražnji dio dvaju standardnih kamioneta.

Istraživači i veliki igrači širom svijeta trude se izgraditi sljedeći najveći procesor. IBM je kvantno računanje stavio u svoj oblak, čineći ga dostupnim većini svih koji se prijave za sudjelovanje u njegovim eksperimentima.

Microsoft je u procesu integriranja kvantnog računanja u svoju Visual Studio platformu, ali osim što je u rujnu 2017. najavio svoje planove da svoje planove temelji na Majorana Fermionska čestica - čestica koja postoji kao vlastita antičestica i koja je otkrivena 2012. godine - Microsoft i dalje relativno šuti o svom kvantnom računanju planovi.

Google planira dominirati na polju kvantnih računala i nada se postizanju "kvantne nadmoći" izgradnjom čipa koji svojim kvantnim proračunima može nadmašiti današnja superračunala.

Bez obzira na napredak postignut u kvantnom računanju, kvantna računala neće uskoro doći u ruke javnosti. Radna kvantna računala naći će put do laboratorija, istraživačkih centara i istraživačkih centara kako bi pomogla u rješavanju jednadžbi kojima bi trebale godine da superračunala rade.

Iako mnogi istraživači predviđaju komercijalizaciju kvantnih računala u sljedećih četiri do pet godina, može proći nekoliko godina nakon toga i više prije nego što kvantna računala postanu norma za javnost.