Revoluția computerizată cuantică care vine

Imaginați-vă un computer care funcționează aproape la fel de repede ca și corpul uman și stochează toate datele sale, ca și oamenii, pe fire ADN. Aceasta nu este science fiction - este un fapt științific - așa cum oamenii de știință au demonstrat recent cum se salvează date în ADN. Numai în ultimii doi ani, cipurile cuantice de procesare a computerului au făcut pași mari în lumea tehnologică cu procesoare mai mari și mai bune construite și în utilizare experimentală.

Mecanica cuantică oferă legile și baza care stau la baza construirii computerelor cuantice. Acesta este domeniul științei care descrie modul în care particulele subatomice se comportă și interacționează și include legi, teorii și principii din fizica cuantică care descriu modul în care aceste interacțiuni minunate apar în domeniul tehnica de calcul.

Aceste teorii și legi includ cuantificarea energiei, pachete de energie definite ca cuantice; existența simultană a particulelor atât ca undă, cât și particule cunoscute sub numele de dualitate undă-particulă; Principiul incertitudinii lui Heisenberg, care spune că măsurarea prăbușește particula subatomică într-una din cele două stări potențiale ale sale; și principiul corespondenței, dezvoltat de fizicianul Niels Bohr, care a susținut că orice nouă teorie trebuie să se aplice și ei fenomenele convenționale din fizica veche, de asemenea, nu descriu doar comportamentul particulelor și undelor la nivel atomic în nou teorii.

În calculul standard, computerele funcționează prin procesarea digitală a unor biți de informații în una din cele două valori: zero și una, care reprezintă fie o stare de pornire, fie oprită. În timp ce viteza computerului a crescut exponențial de la începuturile computerelor personale de la sfârșitul anilor '80 și începutul anilor '90, acestea și chiar supercomputerele utilizate de militari, laboratoarele de cercetare și colegiile au încă limite cu privire la cât de repede completează matematica complexă ecuații. Unele ecuații durează ani pentru ca chiar și supercomputerele să funcționeze din cauza duratei unor ecuații matematice.

Nu la fel cu un computer cuantic, construit pe ideea de biți cuantici, cunoscuți sub numele de qubiți, deoarece aceste date pot exista în mai multe stări 0 și 1 în același timp. Cu cât sunt mai mulți qubits într-un computer cuantic, cu atât permite mai multe stări potențiale - și se pot produce calcule mai rapide ale datelor. Datorită încurcării cuantice, ceea ce Einstein a numit „acțiune înfricoșătoare la distanță”, qubiturile pot funcționa cu distanțe mari între ele fără a fi nevoie de fire. Și din această cauză, ceea ce se întâmplă cu o particulă, se întâmplă cu cealaltă simultan.

Calculatoarele cuantice funcționează atât de repede încât pot rupe majoritatea oricărei metode de criptare utilizate astăzi, inclusiv tranzacții bancare și alte metode de securitate cibernetică. În mâinile oamenilor cu intenție malițioasă, un computer cuantic ar face multe daune și ar putea aduce lumea în genunchiul său tehnologic.

Dar în mâinile oamenilor cu intențiile corecte, computerele cuantice vor avansa capabilitățile de inteligență artificială, spre deosebire de orice se vede până în prezent. De exemplu, ați putea încărca tabelul periodic și legile mecanicii cuantice în computer pentru a proiecta celule solare mai eficiente. Calculatoarele cuantice pot duce la procese de fabricație optimizate și optimizate, pot îmbunătăți bateriile electrice ale mașinilor, pot calcula algoritmi mai repede pentru a se dizolva blocaje de trafic pe autostrăzi, descoperiți cele mai bune metode de expediere și rute de călătorie și, în principiu, restrângeți date la viteze masive nemaiauzite chiar și în cele mai rapide supercomputere.

Calculatoarele cuantice nu oferă doar un tip de tehnologie mai avansat; ele stau la baza unei noi forme de calcul, bazată pe legile care stau la baza mecanicii cuantice. Comparativ cu un computer standard echipat cu metode clasice de calcul, un computer cuantic face ca un computer obișnuit să arate ca un triciclu comparativ cu o mașină de curse super-rapidă.

Evoluțiile procesorilor qubit de-a lungul anilor includ:

• 1998 Universitatea Oxford din Marea Britanie și-a dezvăluit procesorul de 2 qubit.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Universitatea Stanford și MIT dezvoltă un procesor de 2 qubit.
• 2000 Universitatea Tehnică din München, Germania, a creat un procesor de 5 qubit.
• Laboratorul Național Los Alamos din 2000 a prezentat un procesor de 7 qubit.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics și MIT creează un procesor de 12 qubit.
• 2017 IBM împărtășește vestea procesorului său de 17 qubit.
• 2017 IBM dezvăluie procesorul său de 50 qubit.
• 2018 Google împărtășește știri despre procesorul său de 72 de qubit.

În timp ce calculatoarele cuantice funcționează rapid, chiar acum nu au nicio modalitate de a stoca date, deoarece în conformitate cu regulile de mecanică cuantică existente, nu puteți face un duplicat, o copie sau salva date în sistemul cuantic. Inginerii și oamenii de știință cercetează mai multe modalități de stocare a datelor cuantice; unii chiar iau în considerare stocarea datelor pe firele de ADN.

Oamenii de știință au dezvoltat o metodă în 2017 care stochează aproximativ 215 milioane de gigaocteți de informații într-un singur gram de ADN. Hard diskurile convenționale stochează datele în două dimensiuni, în timp ce ADN oferă trei dimensiuni și o stocare mai mare a datelor. Dacă o modalitate de utilizare a ADN-ului s-ar dovedi funcțională, practic toate cunoștințele lumii stocate pe ADN ar umple o singură cameră sau partea din spate a două camioane standard.

Cercetătorii și jucătorii mari din întreaga lume se străduiesc să construiască următorul procesor cel mai mare. IBM a pus calculul cuantic în cloud-ul său, făcându-l disponibil pentru majoritatea celor care se înscriu pentru a participa la experimentele sale.

Microsoft este în proces de integrare a calculelor cuantice în platforma sa Visual Studio, dar în afara anunțării în septembrie 2017 a planurilor sale de a-și baza planurile pe Particulă Majorions Fermions - o particulă care există ca antiparticulă proprie și care a fost descoperită în 2012 - Microsoft rămâne relativ tăcută cu privire la calculul său cuantic planuri.

Google intenționează să domine domeniul computerelor cuantice și speră să obțină „supremația cuantică” prin construirea unui cip care poate depăși performanța supercomputerelor de astăzi cu calculele sale cuantice.

Indiferent de progresele înregistrate în calculul cuantic, computerele cuantice nu vor ajunge în mâinile publicului în curând. Calculatoarele cuantice care funcționează își vor găsi mai întâi drumul în laboratoare, grupuri de reflecție și centre de cercetare pentru a ajuta la rezolvarea ecuațiilor care ar necesita ani de zile pentru ca supercomputerele să funcționeze.

Deși mulți cercetători prezic comercializarea computerelor cuantice în următoarele patru până la cinci ani, poate trece câțiva ani după aceea și mai mult înainte ca computerele cuantice să devină norma pentru public.