Представьте себе компьютер, который работает почти так же быстро, как и человеческое тело, и хранит все свои данные, как и люди, на нитях ДНК. Это не научная фантастика - это в большей степени научный факт, поскольку ученые недавно продемонстрировали, как сохранять данные в ДНК. Только за последние два года процессоры квантовых компьютеров сделали большие успехи в технологическом мире, создав более крупные и лучшие процессоры, которые используются в экспериментах.
Законы квантовой механики и компьютеры
Квантовая механика обеспечивает основные законы и основу для создания квантовых компьютеров. Это область науки, которая описывает, как субатомные частицы ведут себя и взаимодействуют, и включает в себя законы, теории и принципы квантовой физики, которые описывают, как эти ошеломляющие взаимодействия происходят в области вычисления.
Эти теории и законы включают квантование энергии, пакеты энергии, определяемые как кванты; одновременное существование частиц как волны и как частиц, известное как дуальность волна-частица; Принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что измерение коллапсирует субатомную частицу в одно из двух ее потенциальных состояний; и принцип соответствия, разработанный физиком Нильсом Бором, который утверждал, что любая новая теория должна также применяться к обычные явления в старой физике, а не просто описывают поведение частиц и волн на атомном уровне в новой теории.
Как работают квантовые компьютеры
В стандартных вычислениях компьютеры работают, обрабатывая биты информации в цифровом виде с одним из двух значений: нулем и единицей, которые представляют либо включенное, либо выключенное состояние. Хотя скорость компьютеров росла экспоненциально с первых дней появления персональных компьютеров в конце 80-х - начале 90-х годов, эти и даже суперкомпьютеры, используемые в вооруженных силах, исследовательских лабораториях и колледжах, по-прежнему имеют ограничения на скорость выполнения сложных математических задач. уравнения. Некоторые уравнения даже на суперкомпьютерах решаются годами из-за длины некоторых математических уравнений.
Иначе обстоит дело с квантовым компьютером, построенным на идее квантовых битов, известных как кубиты, поскольку эти данные могут существовать в нескольких состояниях 0 и 1 одновременно. Чем больше кубитов в квантовом компьютере, тем больше потенциальных состояний он допускает и тем быстрее могут происходить вычисления данных. Из-за квантовой запутанности, которую Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», кубиты могут работать на больших расстояниях между собой без необходимости в проводах. И из-за этого то, что происходит с одной частицей, происходит одновременно с другой.
Что делают квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры работают настолько быстро, что могут взломать практически любой метод шифрования, который используется сегодня, включая банковские транзакции и другие методы кибербезопасности. В руках злонамеренных людей квантовый компьютер нанесет большой ущерб и может поставить мир на технологические колени.
Но в руках людей с правильными намерениями квантовые компьютеры будут продвигать возможности искусственного интеллекта в отличие от всего, что было известно на сегодняшний день. Например, вы можете загрузить в компьютер периодическую таблицу и законы квантовой механики, чтобы разработать более эффективные солнечные элементы. Квантовые компьютеры могут вести к отлаженным и оптимальным производственным процессам, улучшать аккумуляторы электромобилей, быстрее вычислять алгоритмы растворения пробки на шоссе, выяснение лучших способов доставки и маршрутов движения и обработка данных на огромных скоростях, неслыханных даже в самых быстрых суперкомпьютеры.
Прорыв в квантовых компьютерах
Квантовые компьютеры не просто предлагают более продвинутый тип технологий; они являются основой для совершенно новой формы вычислений, основанной на законах, лежащих в основе квантовой механики. По сравнению со стандартным компьютером, оснащенным классическими вычислительными методами, квантовый компьютер делает обычный компьютер похожим на трехколесный велосипед по сравнению со сверхбыстрым гоночным автомобилем.
Разработки кубитных процессоров на протяжении многих лет включают:
- 1998 Оксфордский университет в Великобритании представил свой 2-кубитный процессор.
- 1998 IBM, Калифорнийский университет в Беркли, Стэнфордский университет и Массачусетский технологический институт разрабатывают 2-кубитный процессор.
- 2000 Технический университет Мюнхена, Германия, создал 5-кубитный процессор.
- 2000 г. Лос-Аламосская национальная лаборатория в США представила 7-кубитный процессор.
- 2006 Институт квантовых вычислений, Институт теоретической физики Периметра и Массачусетский технологический институт создают 12-кубитный процессор.
- 2017 IBM делится новостями о своем 17-кубитном процессоре.
- 2017 IBM представляет свой 50-кубитный процессор.
- 2018 Google делится новостями о своем 72-кубитном процессоре.
Устранение изломов
Хотя квантовые компьютеры работают быстро, прямо сейчас у них нет возможности хранить данные, потому что в соответствии с существующими правилами квантовой механики вы не можете сделать дубликат, копию или сохранить данные в квантовой системе. Инженеры и ученые исследуют множество способов хранения квантовых данных; некоторые даже рассматривают возможность хранения данных о цепях ДНК.
В 2017 году ученые разработали метод, который хранит около 215 миллионов гигабайт информации в одном грамме ДНК. Обычные жесткие диски хранят данные в двух измерениях, тогда как ДНК предлагает трехмерные и более вместительные хранилища данных. Если бы способ использования ДНК оказался работоспособным, в основном все мировые знания, хранящиеся в ДНК, заняли бы одну комнату или заднюю часть двух стандартных пикапов.
Квантовое будущее
Исследователи и крупные игроки по всему миру изо всех сил пытаются создать следующий по величине процессор. IBM поместила квантовые вычисления в свое облако, сделав их доступными для большинства, кто подписался на участие в ее экспериментах.
Microsoft находится в процессе интеграции квантовых вычислений в свою платформу Visual Studio, но помимо объявления в сентябре 2017 года о своих планах основывать свои планы на Частица Majorana Fermions - частица, которая существует как собственная античастица и была открыта в 2012 году - Microsoft хранит относительное молчание о своих квантовых вычислениях. планы.
Google планирует доминировать в области квантовых компьютеров и надеется достичь «квантового превосходства», создав чип, который сможет превзойти современные суперкомпьютеры с его квантовыми вычислениями.
Независимо от достижений в области квантовых вычислений, квантовые компьютеры в ближайшее время не попадут в руки общественности. Рабочие квантовые компьютеры сначала найдут свое применение в лабораториях, аналитических центрах и исследовательских центрах, чтобы помочь решить уравнения, на решение которых суперкомпьютерам потребуются годы.
Хотя многие исследователи предсказывают коммерциализацию квантовых компьютеров в ближайшие четыре-пять лет. лет, может пройти несколько лет после этого или даже больше, прежде чем квантовые компьютеры станут нормой для общественность.