Den kommande kvantdatorrevolutionen

Föreställ dig en dator som fungerar nästan lika snabbt som människokroppen gör och lagrar all sin data, som människor, på DNA-trådar. Detta är inte science fiction - det är väldigt mycket vetenskapligt faktum - eftersom forskare nyligen visade hur man sparar data till DNA. Bara under de senaste två åren gjorde kvantdatabehandlingschips stora framsteg i den tekniska världen med större och bättre processorer byggda och i experimentell användning.

Kvantmekanik ger de underliggande lagarna och grunden för att bygga kvantdatorer. Detta är vetenskapens fält som beskriver hur subatomära partiklar beter sig och interagerar, och det inkluderar lagar, teorier och principer från kvantfysik som beskriver hur dessa otroliga interaktioner uppträder inom området datoranvändning.

Dessa teorier och lagar inkluderar energikvantisering, energipaket definierade som kvant; den samtidiga existensen av partiklar som både våg och partiklar som kallas vågpartikel dualitet; Heisenbergs osäkerhetsprincip, som säger att mätning kollapsar den subatomära partikeln i ett av dess två potentiella tillstånd; och korrespondensprincipen, utvecklad av fysikern Niels Bohr, som föreslog att någon ny teori också måste gälla konventionella fenomen i gammal fysik också, inte bara beskriver partiklarnas och vågornas beteende på atomnivå i nya teorier.

I standardbearbetning utför datorer genom att bearbeta bitar av information digitalt i ett av två värden: noll och ett, som representerar antingen ett på eller av-tillstånd. Datorhastigheterna har ökat exponentiellt sedan de tidiga dagarna av persondatorer i slutet av 80-talet och början av 90-talet, men dessa och till och med superdatorer som används av militären, forskningslaboratorier och högskolor har fortfarande gränser för hur snabbt de slutför komplex matematik ekvationer. Vissa ekvationer tar flera år för till och med superdatorer att träna på grund av hur länge några av de matematiska ekvationerna är.

Inte så med en kvantdator, byggd på tanken på kvantbitar, så kallade qubits, eftersom dessa data kan finnas i flera 0- och 1-tillstånd samtidigt. Ju fler qubits i en kvantdator, desto fler potentiella tillstånd tillåter det - och desto snabbare kan beräkningar uppstå. På grund av kvanttrassel, vad Einstein kallade "spöklik handling på avstånd", kan qubits fungera med stora avstånd mellan dem utan behov av ledningar. Och på grund av detta händer det som sker med en partikel samtidigt med den andra.

Kvantdatorer fungerar så snabbt att de kan bryta de flesta krypteringsmetoder som används idag, inklusive banktransaktioner och andra cybersäkerhetsmetoder. I händerna på människor med skadlig avsikt skulle en kvantdator göra mycket skada och skulle kunna föra världen till sina tekniska knän.

Men i händerna på människor med rätt avsikter kommer kvantdatorer att främja artificiell intelligens till skillnad från någonting som hittills sett. Du kan till exempel ladda det periodiska systemet och kvantmekaniklagarna i datorn för att designa mer effektiva solceller. Kvantdatorer kan leda till finjusterade och optimala tillverkningsprocesser, förbättra elbilbatterier, beräkna algoritmer snabbare för att lösa sig trafikstockningar på motorvägen, ta reda på de bästa fraktmetoderna och resvägarna, och i grund och botten knäcka data i enorma hastigheter oöverträffade även i de snabbaste superdatorer.

Kvantdatorer erbjuder inte bara en mer avancerad typ av teknik; de är grunden för en helt ny form av beräkning helt och hållet baserat på de lagar som ligger till grund för kvantmekanik. Jämfört med en standarddator utrustad med klassiska datormetoder får en kvantdator en vanlig dator att se ut som en trehjuling jämfört med en supersnabb racerbil.

Utvecklingen i qubit-processorer genom åren inkluderar:

• 1998 Oxford University i Storbritannien avslöjade sin 2-qubit processor.
• 1998 utvecklar IBM, UC Berkeley, Stanford University och MIT en 2-qubit-processor.
• 2000 Technical University of Munich, Tyskland, skapade en 5-qubit-processor.
• 2000 Los Alamos National Laboratory i USA presenterade en 7-qubit-processor.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics och MIT skapar en 12-qubit-processor.
• 2017 IBM delar nyheterna om sin 17-qubit-processor.
• 2017 lanserar IBM sin 50-qubit-processor.
• 2018 delar Google nyheter om sin 72-qubit-processor.

Medan kvantdatorer fungerar snabbt, just nu har de inget sätt att lagra data, för enligt befintliga kvantmekanikregler kan du inte göra en kopia, kopiera eller spara data till kvantsystemet. Ingenjörer och forskare undersöker flera sätt att lagra kvantdata; vissa överväger till och med att lagra data på DNA-strängar.

Forskare utvecklade en metod 2017 som lagrar cirka 215 miljoner gigabyte information i ett enda DNA-gram. Konventionella hårddiskar lagrar data i två dimensioner, medan DNA har tre dimensioner och större datalagring. Om ett sätt att använda DNA visade sig fungera, skulle i princip all världens kunskap som lagrats på DNA fylla ett enda rum eller baksidan av två vanliga pickupbilar.

Forskare och stora spelare över hela världen klättrar för att bygga nästa största processor. IBM har lagt kvantbearbetning i sitt moln, vilket gör det tillgängligt för de flesta som anmäler sig för att delta i sina experiment.

Microsoft håller på att integrera kvantberäkning i sin Visual Studio-plattform, men förutom att i september 2017 meddela sina planer att basera sina planer på Majorana Fermions-partikel - en partikel som existerar som sin egen antipartikel och som upptäcktes 2012 - Microsoft förblir relativt tyst på sin kvantberäkning planer.

Google har planer på att dominera kvantdatordatafältet och hoppas kunna uppnå "kvantöverhöghet" genom att bygga ett chip som kan överträffa dagens superdatorer med sina kvantberäkningar.

Oavsett de framsteg som gjorts inom kvantberäkning kommer kvantdatorer inte att göra det i allmänhetens händer när som helst. Arbetande kvantdatorer hittar först in i laboratorier, tankesmedjor och forskningscentra för att hjälpa till att lösa ekvationer som skulle ta år för superdatorer att träna.

Även om många forskare förutspår kommersialisering av kvantdatorer inom de närmaste fyra till fem år kan det ta några år efter det och mer innan kvantdatorer blir normen för offentlig.