Wyobraź sobie komputer, który działa prawie tak szybko jak ludzkie ciało i przechowuje wszystkie swoje dane, podobnie jak ludzie, na niciach DNA. To nie jest fantastyka naukowa – to w dużej mierze fakt naukowy – jak niedawno naukowcy wykazali, jak zapisywać dane w DNA. Tylko w ciągu ostatnich dwóch lat chipy do przetwarzania komputerów kwantowych poczyniły duże postępy w świecie technologii dzięki większym i lepszym procesorom zbudowanym i wykorzystywanym eksperymentalnie.
Prawa Mechaniki Kwantowej i Komputery
Mechanika kwantowa dostarcza podstawowych praw i podstaw do budowy komputerów kwantowych. Jest to dziedzina nauki, która opisuje, jak zachowują się i oddziałują cząstki subatomowe, i obejmuje prawa, teorie i zasady fizyki kwantowej opisujące, w jaki sposób te zadziwiające interakcje zachodzą w dziedzinie przetwarzanie danych.
Te teorie i prawa obejmują kwantyzację energii, pakiety energii określone jako kwant; jednoczesne istnienie cząstek jako zarówno fali, jak i cząstek, znane jako dualność falowo-cząstkowa; zasada nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że pomiar załamuje cząstkę subatomową do jednego z jej dwóch potencjalnych stanów; oraz zasada korespondencji, opracowana przez fizyka Nielsa Bohra, który założył, że każda nowa teoria musi mieć również zastosowanie do Zjawiska konwencjonalne również w starej fizyce, nie tylko opisują zachowanie cząstek i fal na poziomie atomowym w nowej teorie.
Jak działają komputery kwantowe
W standardowym przetwarzaniu komputery wykonują przetwarzanie bitów informacji cyfrowo w jednej z dwóch wartości: zero i jeden, które reprezentują stan włączenia lub wyłączenia. Podczas gdy szybkość komputerów wzrosła wykładniczo od wczesnych dni komputerów osobistych pod koniec lat 80. i na początku lat 90., te, a nawet superkomputery używane przez wojsko, laboratoria badawcze i uczelnie wciąż mają ograniczenia co do szybkości wykonywania skomplikowanych obliczeń matematycznych równania. Niektóre równania potrzebują lat, aby nawet superkomputery pracowały z powodu długości niektórych równań matematycznych.
Inaczej jest w przypadku komputera kwantowego, opartego na idei bitów kwantowych, znanych jako kubity, ponieważ dane te mogą istnieć jednocześnie w wielu stanach 0 i 1. Im więcej kubitów w komputerze kwantowym, tym więcej potencjalnych stanów pozwala – i szybsze obliczenia danych mogą wystąpić. Z powodu splątania kwantowego, co Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”, kubity mogą działać na dużych odległościach między nimi bez potrzeby stosowania przewodów. I z tego powodu to, co dzieje się z jedną cząsteczką, dzieje się jednocześnie z drugą.
Co robią komputery kwantowe?
Komputery kwantowe działają tak szybko, że mogą złamać większość obecnie używanych metod szyfrowania, w tym transakcje bankowe i inne metody cyberbezpieczeństwa. W rękach ludzi o złych zamiarach komputer kwantowy wyrządziłby wiele szkód i mógłby rzucić świat na technologiczne kolana.
Jednak w rękach ludzi o właściwych intencjach komputery kwantowe rozwiną możliwości sztucznej inteligencji, jakich nie widziano do tej pory. Na przykład, można załadować do komputera układ okresowy pierwiastków i prawa mechaniki kwantowej, aby zaprojektować bardziej wydajne ogniwa słoneczne. Komputery kwantowe mogą prowadzić do dopracowanych i optymalnych procesów produkcyjnych, ulepszać akumulatory samochodów elektrycznych, obliczać algorytmy szybciej do rozpuszczania korki na autostradach, znaleźć najlepsze metody wysyłki i trasy podróży, a przede wszystkim przetwarzać dane z ogromnymi prędkościami, niespotykanymi w nawet najszybszych superkomputery.
Przełomy w komputerach kwantowych
Komputery kwantowe oferują nie tylko bardziej zaawansowany rodzaj technologii; są podstawą zupełnie nowej formy obliczeń opartych na prawach leżących u podstaw mechaniki kwantowej. W porównaniu ze standardowym komputerem wyposażonym w klasyczne metody obliczeniowe, komputer kwantowy sprawia, że zwykły komputer wygląda jak trójkołowiec w porównaniu do superszybkiego samochodu wyścigowego.
Rozwój procesorów kubitowych na przestrzeni lat obejmuje:
- 1998 Oxford University w Wielkiej Brytanii ujawnił swój 2-kubitowy procesor.
- 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University i MIT opracowują 2-kubitowy procesor.
- 2000 Uniwersytet Techniczny w Monachium, Niemcy, stworzył procesor 5-kubitowy.
- 2000 National Laboratory w Los Alamos w USA zaprezentowało 7-kubitowy procesor.
- 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics i MIT tworzą 12-kubitowy procesor.
- 2017 IBM dzieli się wiadomością o swoim 17-kubitowym procesorze.
- 2017 IBM prezentuje swój 50-kubitowy procesor.
- 2018 Google udostępnia informacje o swoim 72-kubitowym procesorze.
Wypracowanie załamań
Chociaż komputery kwantowe działają szybko, w tej chwili nie mają możliwości przechowywania danych, ponieważ zgodnie z istniejącymi zasadami mechaniki kwantowej nie można wykonać duplikatu, skopiować ani zapisać danych w systemie kwantowym. Inżynierowie i naukowcy badają wiele sposobów przechowywania danych kwantowych; niektórzy rozważają nawet przechowywanie danych na niciach DNA.
W 2017 roku naukowcy opracowali metodę, która przechowuje około 215 milionów gigabajtów informacji w jednym gramie DNA. Konwencjonalne dyski twarde przechowują dane w dwóch wymiarach, podczas gdy DNA oferuje trzy wymiary i większą pamięć masową. Gdyby sposób na wykorzystanie DNA okazał się wykonalny, w zasadzie cała wiedza świata przechowywana w DNA wypełniłaby pojedynczy pokój lub tył dwóch standardowych pickupów.
Przyszłość jest kwantowa
Naukowcy i wielcy gracze z całego świata starają się zbudować kolejny największy procesor. IBM umieścił obliczenia kwantowe w swojej chmurze, udostępniając je większości każdemu, kto zarejestruje się, aby wziąć udział w jego eksperymentach.
Microsoft jest w trakcie integrowania obliczeń kwantowych ze swoją platformą Visual Studio, ale poza ogłoszeniem we wrześniu 2017 r. planów oparcia swoich planów na Cząstka Majorany Fermions – cząstka, która istnieje jako własna antycząstka i została odkryta w 2012 roku – Microsoft pozostaje stosunkowo cichy w kwestii obliczeń kwantowych plany.
Google planuje zdominować dziedzinę komputerów kwantowych i ma nadzieję na osiągnięcie „dominacji kwantowej” poprzez zbudowanie układu, który może przewyższyć dzisiejsze superkomputery swoimi obliczeniami kwantowymi.
Niezależnie od postępów poczynionych w informatyce kwantowej, komputery kwantowe nie dotrą w najbliższym czasie do rąk publicznych. Działające komputery kwantowe najpierw trafią do laboratoriów, think tanków i ośrodków badawczych, aby pomóc w rozwiązywaniu równań, których rozwiązanie zajęłoby superkomputerom lata.
Chociaż wielu badaczy przewiduje komercjalizację komputerów kwantowych w ciągu najbliższych czterech do pięciu lat, może minąć kilka lat później, a nawet więcej, zanim komputery kwantowe staną się normą dla for publiczny.