The Coming Quantum Computer Revolution

Tenk deg en datamaskin som fungerer nesten like raskt som menneskekroppen gjør og lagrer alle dataene, som mennesker, på DNA-tråder. Dette er ikke science fiction - det er veldig mye vitenskapelig faktum - da forskere nylig demonstrerte hvordan man lagrer data til DNA. Bare de siste to årene gjorde prosesseringsbrikker for kvante store fremskritt i den teknologiske verden med større og bedre prosessorer bygget og i eksperimentell bruk.

Kvantemekanikk gir de underliggende lovene og grunnlaget for å bygge kvantecomputere. Dette er vitenskapsfeltet som beskriver hvordan subatomære partikler oppfører seg og samhandler, og det inkluderer lover, teorier og prinsipper fra kvantefysikk som beskriver hvordan disse forbløffende interaksjonene forekommer innen databehandling.

Disse teoriene og lovene inkluderer energikvantisering, energipakker definert som kvante; den samtidige eksistensen av partikler som både bølge og partikler kjent som bølge-partikkel dualitet; Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, som sier at måling kollapser den subatomære partikkelen i en av de to potensielle tilstandene; og korrespondanseprinsippet, utviklet av fysikeren Niels Bohr, som antydet at enhver ny teori også må gjelde for konvensjonelle fenomener i gammel fysikk også, ikke bare beskriver oppførsel av partikler og bølger på atomnivå i nytt teorier.

I standard databehandling utfører datamaskiner ved å behandle informasjonsbiter digitalt i en av to verdier: null og en, som representerer enten en på eller av-tilstand. Mens datamaskinhastigheter har økt eksponentielt siden de tidlige dagene med personlige datamaskiner på slutten av 80- og begynnelsen av 90-tallet, er disse og til og med superdatamaskiner som brukes av militæret, forskningslaboratorier og høyskoler har fortsatt grenser for hvor raskt de fullfører komplekse matematiske ligninger. Noen ligninger tar år for til og med superdatamaskiner å trene på grunn av hvor lenge noen av de matematiske ligningene er.

Ikke slik med en kvantecomputer, bygget på ideen om kvantebiter, kjent som qubits, da disse dataene kan eksistere i flere 0- og 1-stater samtidig. Jo flere qubits i en kvantecomputer, jo mer potensielle tilstander tillater det - og jo raskere dataregninger kan forekomme. På grunn av kvanteforvikling, det Einstein kalte "uhyggelig handling på avstand", kan qubits operere med store avstander mellom dem uten behov for ledninger. Og på grunn av dette skjer det som skjer med den ene partikkelen med den andre samtidig.

Kvantedatamaskiner fungerer så raskt at de kan bryte de fleste krypteringsmetoder som brukes i dag, inkludert banktransaksjoner og andre cybersikkerhetsmetoder. I hendene på mennesker med ondsinnet hensikt, ville en kvantecomputer skade mye og kunne bringe verden på sine teknologiske knær.

Men i hendene på mennesker med de rette intensjonene, vil kvantedatamaskiner fremme kunstig intelligens evner i motsetning til noe som hittil har blitt sett. For eksempel kan du laste periodiske tabeller og kvantemekanikklover inn i datamaskinen for å designe mer effektive solceller. Kvantumaskiner kan føre til finjusterte og optimale produksjonsprosesser, forbedre elbilbatterier, beregne algoritmer raskere for å løse seg opp trafikkork, finne ut de beste fraktmetodene og reiseveiene, og knase i utgangspunktet data i enorme hastigheter uhørt i selv de raskeste superdatamaskiner.

Kvantumaskiner tilbyr ikke bare en mer avansert type teknologi; de er grunnlaget for en helt ny form for databehandling helt basert på lovene som ligger til grunn for kvantemekanikken. Sammenlignet med en standard datamaskin utstyrt med klassiske databehandlingsmetoder, får en kvantecomputer en vanlig datamaskin til å se ut som en trehjulssykkel sammenlignet med en superrask racerbil.

Utviklingen i qubit-prosessorer gjennom årene inkluderer:

• 1998 Oxford University i Storbritannia avslørte deres 2-qubit prosessor.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University og MIT utvikler en 2-qubit prosessor.
• 2000 Technical University of Munich, Tyskland, opprettet en 5-qubit prosessor.
• 2000 Los Alamos National Laboratory i USA avduket en 7-qubit prosessor.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics og MIT oppretter en 12-qubit prosessor.
• 2017 IBM deler nyheten om sin 17-qubit prosessor.
• 2017 IBM avdekker sin 50-qubit prosessor.
• 2018 Google deler nyheter om sin 72-qubit prosessor.

Mens kvantecomputere fungerer raskt, har de akkurat nå ingen måte å lagre data på grunn av eksisterende kvantemekanikkregler, kan du ikke lage et duplikat, kopiere eller lagre data i kvantesystemet. Ingeniører og forskere undersøker flere måter å lagre kvantedata på; noen vurderer til og med å lagre data på DNA-tråder.

Forskere utviklet en metode i 2017 som lagrer omtrent 215 millioner gigabyte informasjon i et enkelt DNA-gram. Konvensjonelle harddisker lagrer data i to dimensjoner, mens DNA tilbyr tre dimensjoner og større datalagring. Hvis en måte å bruke DNA på viste seg å være brukbar, ville i utgangspunktet all verdens kunnskap lagret på DNA fylle et enkelt rom eller baksiden av to standard pickup-lastebiler.

Forskere og store aktører over hele verden prøver å bygge den neste største prosessoren. IBM har satt kvanteberegning i skyen, noe som gjør den tilgjengelig for de fleste som registrerer seg for å delta i eksperimentene.

Microsoft er i ferd med å integrere quantum computing i Visual Studio-plattformen, men annet enn å kunngjøre i september 2017 sine planer om å basere planene sine på Majorana Fermions-partikkel - en partikkel som eksisterer som sin egen antipartikkel og som ble oppdaget i 2012 - Microsoft forblir relativt stille på sin kvanteberegning planer.

Google har planer om å dominere kvantecomputerfeltet og håper å oppnå "kvanteoverlegenhet" ved å bygge en chip som kan overgå dagens superdatamaskiner med sine kvanteberegninger.

Uavhengig av fremskrittene som er gjort innen kvanteberegning, vil kvantedatamaskiner ikke komme i offentlighetens hender når som helst. Arbeidende kvantedatamaskiner vil finne veien til laboratorier, tenketanker og forskningssentre først for å hjelpe med å løse ligninger som det vil ta flere år før superdatamaskiner trener.

Selv om mange forskere spår kommersialisering av kvantedatamaskiner i løpet av de neste fire til fem år kan det gå noen år etter det og mer før kvantecomputere blir normen for offentlig.