Уявіть собі комп’ютер, який працює майже так само швидко, як це робить людський організм, і зберігає всі свої дані, як і люди, на нитках ДНК. Це не наукова фантастика - це дуже великий науковий факт - адже нещодавно вчені продемонстрували, як зберегти дані в ДНК. Лише за останні два роки мікросхеми для обробки квантових комп’ютерів досягли великих успіхів у технологічному світі завдяки більшим і кращим процесорам, побудованим та експериментальним використанням.
Закони та комп'ютери про квантову механіку
Квантова механіка забезпечує основні закони та основу для побудови квантових комп'ютерів. Це галузь науки, яка описує поведінку та взаємодію субатомних частинок, і включає закони, теорії та принципи з квантової фізики, що описують, як ці вражаючі взаємодії відбуваються в галузі обчислювальної техніки.
Ці теорії та закони включають квантування енергії, пакети енергії, що визначаються як квантові; одночасне існування частинок як хвилі, так і частинок, відомих як подвійність хвильових частинок; Принцип невизначеності Гейзенберга, який говорить, що вимірювання руйнує субатомну частинку в один із двох її потенційних станів; і принцип відповідності, розроблений фізиком Нільсом Бором, який стверджував, що будь-яка нова теорія також повинна застосовуватися звичайні явища і в старій фізиці, а не просто описують поведінку частинок і хвиль на атомному рівні в нових теорії.
Як працюють квантові комп'ютери
У стандартних обчисленнях комп’ютери виконують цифрову обробку бітів інформації в одному з двох значень: нуль та одиниця, які представляють або ввімкнений, або вимкнений стан. Хоча швидкість комп'ютерів зростала в геометричній прогресії з перших днів персональних комп'ютерів наприкінці 80-х та на початку 90-х, ці та навіть Суперкомп'ютери, що використовуються військовими, дослідницькими лабораторіями та коледжами, все ще мають обмеження щодо того, наскільки швидко вони виконують складні математичні завдання рівняння. Деякі рівняння вимагають років, щоб навіть суперкомп’ютери опрацьовувались через те, скільки часу мають деякі математичні рівняння.
З квантовим комп’ютером, побудованим на ідеї квантових бітів, відомих як кубіти, не так, оскільки ці дані можуть існувати одночасно в декількох станах 0 та 1. Чим більше кубітів у квантовому комп’ютері, тим більше потенційних станів він дозволяє - і швидше можуть відбуватися обчислення даних. Через квантову заплутаність, яку Ейнштейн називав "моторошною дією на відстані", кубіти можуть працювати на великих відстанях між собою, не потребуючи проводів. І через це те, що відбувається з однією частинкою, відбувається з іншою одночасно.
Що роблять квантові комп’ютери
Квантові комп'ютери працюють настільки швидко, що можуть порушити більшість будь-яких методів шифрування, що використовуються сьогодні, включаючи банківські операції та інші методи кібербезпеки. В руках людей зі зловмисними намірами квантовий комп'ютер завдасть великої шкоди і може поставити світ на коліна.
Але в руках людей, які мають правильні наміри, квантові комп’ютери розвиватимуть можливості штучного інтелекту, на відміну від усього, що бачилося на сьогодні. Наприклад, ви можете завантажити в комп'ютер періодичну систему та закони квантової механіки, щоб сконструювати більш ефективні сонячні елементи. Квантові комп'ютери можуть призвести до тонко налаштованих та оптимальних виробничих процесів, поліпшити акумулятори електричних автомобілів, швидше обчислити алгоритми для їх розчинення затори на шосе, визначте найкращі способи доставки та маршрути подорожі, і в основному хрустіть дані на величезних швидкостях, нечуваних навіть за найшвидших суперкомп'ютери.
Прориви в квантових комп’ютерах
Квантові комп'ютери не просто пропонують більш досконалий тип технологій; вони є основою для абсолютно нової форми обчислень на основі законів, що лежать в основі квантової механіки. У порівнянні зі стандартним комп’ютером, оснащеним класичними обчислювальними методами, квантовий комп’ютер робить звичайний комп’ютер схожим на триколісний велосипед порівняно з надшвидким гоночним автомобілем.
Розвиток кубіт-процесорів протягом багатьох років включає:
- У 1998 році Оксфордський університет у Великобританії розкрив їх 2-кубітовий процесор.
- 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University і MIT розробляють 2-кубітовий процесор.
- 2000 Технічний університет Мюнхена, Німеччина, створив 5-кубітовий процесор.
- 2000 р. Національна лабораторія Лос-Аламоса в США представила 7-кубітовий процесор.
- 2006 Інститут квантових обчислень, Інститут теоретичної фізики і МІТ створюють 12-кубітовий процесор.
- 2017 рік IBM ділиться новинами свого 17-кубітового процесора.
- 2017 рік IBM представляє свій 50-кубітовий процесор.
- 2018 рік Google ділиться новинами про 72-кубітовий процесор.
Розробка Kinks
Хоча квантові комп’ютери працюють швидко, зараз у них немає можливості зберігати дані, оскільки за існуючими правилами квантової механіки ви не можете зробити копію, скопіювати або зберегти дані в квантовій системі. Інженери та вчені досліджують різні способи зберігання квантових даних; деякі навіть розглядають можливість зберігання даних про нитки ДНК.
У 2017 році вчені розробили метод, який зберігає близько 215 мільйонів гігабайт інформації в одному грамі ДНК. Звичайні жорсткі диски зберігають дані у двох вимірах, тоді як ДНК пропонує три виміри та більше даних. Якби спосіб використання ДНК виявився працездатним, в основному всі знання світу, що зберігаються на ДНК, заповнили б одну кімнату або задню частину двох стандартних пікапів.
Майбутнє - квантове
Дослідники та великі гравці у всьому світі намагаються створити наступний найбільший процесор. IBM поставила квантові обчислення у свою хмару, зробивши їх доступними для більшості тих, хто зареєструвався для участі в його експериментах.
Microsoft перебуває в процесі інтеграції квантових обчислень у свою платформу Visual Studio, але крім оголошення у вересні 2017 року своїх планів базувати свої плани на Частка Majorana Fermions - частинка, яка існує як власна античастинка і була виявлена в 2012 році - Microsoft залишається відносно мовчазною щодо своїх квантових обчислень плани.
Google планує домінувати у галузі квантових комп'ютерів і сподівається досягти "квантового переваги", створивши мікросхему, яка може перевершити сучасні суперкомп'ютери за допомогою своїх квантових розрахунків.
Незалежно від прогресу в квантових обчисленнях, квантові комп'ютери не скоро потраплять у руки громадськості. Працюючі квантові комп’ютери найперше потраплять у лабораторії, аналітичні центри та дослідницькі центри, щоб допомогти розв’язати рівняння, на розробку яких повинні піти роки.
Хоча багато дослідників прогнозують комерціалізацію квантових комп'ютерів протягом наступних чотирьох-п'яти років, може пройти кілька років після цього і більше, перш ніж квантові комп'ютери стануть нормою для громадськості.