Prihajajoča kvantna računalniška revolucija

Predstavljajte si računalnik, ki deluje skoraj tako hitro kot človeško telo in shranjuje vse svoje podatke, kot ljudje, na verigah DNA. To ni znanstvena fantastika - to je zelo znanstveno dejstvo - saj so znanstveniki nedavno pokazali, kako shraniti podatke v DNK. Samo v zadnjih dveh letih so čipi za kvantno računalniško obdelavo v tehnološkem svetu močno napredovali z večjimi in boljšimi procesorji, ki so bili vgrajeni in v eksperimentalni uporabi.

Kvantna mehanika zagotavlja zakone in osnovo za gradnjo kvantnih računalnikov. To je področje znanosti, ki opisuje, kako se subatomski delci obnašajo in medsebojno delujejo, in vključuje zakone, teorije in načela iz kvantne fizike, ki opisujejo, kako se te neverjetne interakcije pojavljajo na področju računalništvo.

Te teorije in zakoni vključujejo kvantiziranje energije, pakete energije, opredeljene kot kvantne; hkratni obstoj delcev kot valov in delcev, znanih kot dualnost valov-delcev; Heisenbergovo načelo negotovosti, ki pravi, da merjenje podatomski delec sesuje v eno od njegovih dveh potencialnih stanj; in načelo korespondence, ki ga je razvil fizik Niels Bohr, ki je trdil, da mora veljati tudi katera koli nova teorija običajni pojavi tudi v stari fiziki, ne samo opisujejo vedenje delcev in valov na atomski ravni v novi teorije.

V običajnem računalništvu računalniki delujejo tako, da bitov informacij digitalno obdelajo v eni od dveh vrednosti: nič in ena, ki predstavljata vklopljeno ali izklopljeno stanje. Medtem ko so se hitrosti računalnikov eksponentno povečevale od zgodnjih dni osebnih računalnikov v poznih 80-ih in zgodnjih 90-ih, so te in celo superračunalniki, ki jih uporabljajo vojska, raziskovalni laboratoriji in fakultete, imajo še vedno omejitve glede tega, kako hitro dokončajo kompleksne matematične predmete enačbe. Nekatere enačbe potrebujejo leta, da se celo superračunalniki izkažejo, kako dolge so nekatere matematične enačbe.

S kvantnim računalnikom, ki temelji na ideji kvantnih bitov, imenovanih kubiti, ni tako, saj lahko ti podatki obstajajo hkrati v več 0 in 1 stanju. Več kubitov v kvantnem računalniku, več potencialnih stanj omogoča - in hitrejši izračuni podatkov se lahko pojavijo. Zaradi kvantne zapletenosti, kar je Einstein poimenoval "sablasno delovanje na daljavo", lahko kubiti delujejo na velikih razdaljah brez potrebe po žicah. In zaradi tega se to, kar se zgodi enemu delcu, istočasno zgodi drugemu.

Kvantni računalniki delujejo tako hitro, da lahko prekinejo večino vseh načinov šifriranja, ki se danes uporabljajo, vključno z bančnimi transakcijami in drugimi načini kibernetske varnosti. V rokah ljudi z zlonamernimi naklepi bi kvantni računalnik naredil veliko škode in lahko svet postavil na kolena.

Toda v rokah ljudi z ustreznimi nameni bodo kvantni računalniki napredovali na področju umetne inteligence, za razliko od vsega, kar smo videli doslej. Na primer, v računalnik lahko naložite periodično tabelo in zakone o kvantni mehaniki za načrtovanje učinkovitejših sončnih celic. Kvantni računalniki lahko vodijo do natančno nastavljenih in optimalnih proizvodnih procesov, izboljšajo akumulatorje električnih avtomobilov, hitreje izračunajo algoritme za raztapljanje zastojev na avtocestah, ugotovite najboljše načine pošiljanja in potovalne poti ter v bistvu zdrobite podatke z velikimi hitrostmi, ki jih ni mogoče slišati niti pri najhitrejših superračunalniki.

Kvantni računalniki ne ponujajo le naprednejše vrste tehnologije; so osnova za povsem novo obliko računalništva, ki temelji na zakonih, ki podpirajo kvantno mehaniko. V primerjavi s standardnim računalnikom, opremljenim s klasičnimi računalniškimi metodami, kvantni računalnik naredi običajni računalnik videti kot tricikel v primerjavi s super hitrim dirkalnikom.

Razvoj qubit procesorjev skozi leta vključuje:

• 1998 Univerza Oxford v Združenem kraljestvu je razkrila njihov 2-kubitni procesor.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Univerza Stanford in MIT razvijejo 2-kubitni procesor.
• 2000 Tehnična univerza v Münchnu v Nemčiji je ustvarila 5-kubitni procesor.
• 2000 Nacionalni laboratorij Los Alamos v ZDA je predstavil 7-kubitni procesor.
• 2006 Inštitut za kvantno računanje, Inštitut za teoretično fiziko Perimeter in MIT ustvarijo 12-kubitni procesor.
• 2017 IBM deli novice o svojem 17-kubitnem procesorju.
• 2017 IBM predstavil svoj 50-kubitni procesor.
• 2018 Google deli novice o svojem 72-kubitnem procesorju.

Čeprav kvantni računalniki delujejo hitro, trenutno nimajo možnosti za shranjevanje podatkov, ker po obstoječih pravilih kvantne mehanike ne morete narediti dvojnikov, kopirati ali shraniti podatkov v kvantni sistem. Inženirji in znanstveniki raziskujejo več načinov za shranjevanje kvantnih podatkov; nekateri celo razmišljajo o shranjevanju podatkov o verigah DNA.

Znanstveniki so leta 2017 razvili metodo, ki shrani približno 215 milijonov gigabajtov informacij v enem samem DNA gramu. Običajni trdi diski shranjujejo podatke v dveh dimenzijah, medtem ko DNA ponuja tri dimenzije in večje shranjevanje podatkov. Če bi se način uporabe DNK izkazal za izvedljivega, bi v bistvu vse svetovno znanje, shranjeno na DNK, zapolnilo eno samo sobo ali zadnji del dveh običajnih tovornjakov.

Raziskovalci in veliki igralci po vsem svetu se trudijo zgraditi naslednji največji procesor. IBM je kvantno računalništvo postavil v svoj oblak, tako da je na voljo večini vsem, ki se prijavijo za sodelovanje v njegovih eksperimentih.

Microsoft je v postopku vključevanja kvantnega računalništva v svojo platformo Visual Studio, a razen tega, da septembra 2017 napove svoje načrte, da svoje načrte opira na Delček Majorana Fermions - delček, ki obstaja kot lasten antidelec in je bil odkrit leta 2012 - Microsoft ostaja razmeroma tiho pri svojem kvantnem računalništvu načrtov.

Google namerava prevladovati na področju kvantnih računalnikov in upa, da bo dosegel "kvantno prevlado" z izgradnjo čipa, ki bo s svojimi kvantnimi izračuni presegel današnje superračunalnike.

Ne glede na napredek kvantnega računalništva kvantni računalniki ne bodo kmalu prišli v roke javnosti. Delujoči kvantni računalniki bodo najprej našli pot v laboratorije, možganske truste in raziskovalna središča, ki bodo pomagali reševati enačbe, ki bi trajale leta, da bi superračunalniki izšli.

Čeprav mnogi raziskovalci napovedujejo komercializacijo kvantnih računalnikov v naslednjih štirih do petih let, lahko mine nekaj let po tem in še več, preden kvantni računalniki postanejo norma za javnosti.