Hvordan kvantecomputering kan ændre verden

Kvantefysik har allerede påvirket vores liv betydeligt. Opfindelserne af laseren og transistoren er faktisk en konsekvens af kvanteteorien - og da begge disse komponenter er en grundlæggende byggesten for enhver elektronisk enhed i dag, hvad du er vidne til er grundlæggende, ”kvantemekanik i handling".

Når det er sagt, er kvanteindustrien nu klar til at revolutionere computerverdenen, da der gøres en betydelig indsats for at udnytte den sande kraft fra kvanteområdet. Quantum computing kunne finde applikationer i forskellige sektorer som sikkerhed, sundhedspleje, energi og endda underholdningsindustrien.

Kvantum vs. Klassiske computere

Kvanteteoriens historie går tilbage over et århundrede. Imidlertid skyldes den nuværende kvantesummer nyere forskningsresultater, der antyder usikkerhed, en iboende egenskab af kvantepartikler, kan tjene som et stærkt våben til at realisere kvanten potentiel.

Som teorien siger, er det tilsyneladende umuligt at kende hver eneste egenskab ved individuelle kvantepartikler (dvs. elektroner eller fotoner). Overvej et eksempel på en klassisk GPS, hvor den nøjagtigt kan forudsige hastigheden, placeringen og retningen af ​​din bevægelse for dig, mens du kommer til din ønskede destination.

En kvante-GPS kan imidlertid ikke nøjagtigt bestemme alle ovennævnte egenskaber for en kvantepartikel, da kvantefysikens love ikke tillader dig at gøre det. Dette giver anledning til et sandsynligt sprog i kvanteverdenen snarere end det klassiske sikkerhedssprog.

I dette tilfælde indebærer probabilistisk sprog at tildele sandsynligheder til forskellige kvanteegenskaber partikler som hastighed, position og bevægelsesretning, der tilsyneladende er vanskelige at angive sikkerhed. Denne sandsynlige karakter af kvantepartikler giver anledning til en mulighed, der gør det muligt for alt og alt at ske på ethvert øjeblik.

På baggrund af computing har de binære 0'er og 1'er, der er repræsenteret som qubits (kvantebit), egenskaben at være 1 eller 0 på ethvert tidspunkt i tiden.

Ovenstående repræsentation efterlader en bitter smag i munden, da i klassiske maskiner er 0'er og 1'er knyttet til afbrydere og kredsløb, der tænder og slukker ved forskellige øjeblikke. Derfor ville det ikke virke fornuftigt i computerkonteksten at ikke kende deres nøjagtige tilstand (dvs. til eller fra).

I reel forstand kan det forårsage beregningsfejl. Imidlertid er informationsbehandling i kvanteverden afhængig af begrebet kvanteusikkerhed - hvor "superposition" på 0 og 1 ikke er en fejl, men en funktion i stedet. Det giver hurtigere databehandling og letter hurtigere kommunikation.

Læs mere: Sådan fungerer optiske kvantecomputere

På slutningen af ​​Quantum Computing

Konsekvensen af ​​kvanteteoriens sandsynlige egenskab er, at den nøjagtige kopiering af kvanteinformation tilsyneladende er umulig. Ud fra sikkerhedssynspunktet er dette vigtigt, da cyberkriminelle, der har til hensigt at kopiere kvantenøgler for at kryptere og sende meddelelser, til sidst vil mislykkes, selvom de får adgang til kvantecomputere.

Det er vigtigt at fremhæve her, at en sådan avanceret kryptering (dvs. sofistikeret metode til at konvertere hemmelige data eller nøgler til en kode, der forhindrer uautoriseret adgang) er et resultat af fysiklove og ikke de matematisk scriptede algoritmer, der bruges i dag. Matematiske kryptering kan knækkes ved hjælp af kraftige computere, men krakning af kvantekryptering kræver omskrivning af de grundlæggende fysiske love.

Da kvantekryptering adskiller sig fra de nuværende krypteringsteknikker, adskiller kvantecomputere sig ligeledes fra klassiske på et meget grundlæggende niveau. Overvej en analogi af en bil og en tyrevogn. Her overholder en bil visse fysiske love, der bringer dig til den ønskede destination på kort tid sammenlignet med modstykket. Den samme filosofi gælder for en kvantecomputer og en klassisk computer.

En kvantecomputer udnytter kvantfysikens sandsynlighed til at udføre beregninger og behandle data på en unik måde. Det kan udføre computeropgaver i et meget hurtigere tempo og også tage et spring i traditionelt umulige begreber som kvante teleportering. Denne form for datatransmission kunne bane vej for fremtidens internet, dvs. kvanteinternet.

Hvad kan en kvantecomputer bruges til i dag?

Kvantecomputere kan være nyttige for F & U-organisationer, offentlige myndigheder og akademikere institutioner, da de kunne hjælpe med at løse komplekse problemer, som nuværende computere finder udfordrende for behandle.

En væsentlig applikation kunne være inden for lægemiddeludvikling, hvor den problemfrit kunne simulere og analysere kemikalier og molekyler, efterhånden som molekylerne fungerer på samme love i kvantefysik som kvante computere. Yderligere kan effektiv kvantekemisimulering være mulig, da de hurtigste supercomputere ikke når målet i dag.

Kvantecomputere kunne også løse komplekse optimeringsproblemer og hjælpe med hurtig søgning af usorterede data. Der er adskillige applikationer i denne henseende lige fra sortering af tilsyneladende dynamiske klimatiske, sundhedsmæssige eller økonomiske data til optimering af logistik eller trafikflow.

Kvantecomputere er også gode til at genkende mønstre i data som f.eks. Maskinindlæringsproblemer. Derudover kan kvantecomputere spille en afgørende rolle i udviklingen af ​​modeller til at forudsige fremtiden, f.eks. I vejrudsigter.

Gearing op for den kvante fremtid

Da kappløbet om en kvantefremtid er i centrum, fremmer investorer og offentlige organer milliarder af dollars i kvanteforskning. Et globalt kommunikationsnetværk, der anvender satellitbaseret distribution af kvantenøgler, er allerede blevet implementeret, der fastlægger vejen for yderligere udvikling.

Virksomheder som Google, Amazon, Microsoft, IBM og andre foretager tunge investeringer i udvikling af kvantecomputerressourcer, dvs. hardware og software.

Ifølge Kosmos, et team af forskere i Kina byggede en kvantecomputer, der afsluttede en kompleks beregning i lidt over 60 minutter, der ville have taget mindst 8 år for en klassisk computer at komplet.

Det er et højdepunkt i kvantecomputerudviklingen, der har fundet sted i løbet af de sidste to år. Det menes, at det videnskabelige samfund endelig har opnået den undvigende ”kvantefordel” - hvor kvanteberegning er i stand til at løse det mest sofistikerede problem, som klassisk databehandling bogstaveligt talt kunne tage upraktisk tid at forstå.

Kvantemilepælen blev først opnået af Google i 2019 hvor de brugte qubits, der brugte strøm til at udføre beregninger. Senere i 2020 brugte det kinesiske team fotoniske qubits til at fremskynde processen. Nu i 2021 har et andet kinesisk hold (ledet af Jian-Wei Pan ved University of Science and Technology of China i Shanghai) overgået Google igen.

I et forskningspapir, der er offentliggjort på pre-printserver ArXiv, afslørede det bidragende forskerteam deres fund for kvantefordel, hvor de brugte superledende qubits på en kvanteprocessor navngivet som Zuchongzhi, der består af 66 qubits. Holdet demonstrerede, at Zuchongzhi var i stand til at manipulere 56 qubits til at håndtere et beregningsproblem, der havde til formål at teste computerenes magt.

Omfavne usikkerheden

Den hurtige udvikling i quantum tech-verdenen i de sidste fem år har været ret spændende. Ifølge Quantum Daily, forventes kvanteindustrien at have en værdi på flere milliarder dollars inden udgangen af ​​2030. Der er dog forskellige praktiske udfordringer, der skal overvindes inden en sådan storskala implementering, men alligevel ser fremtiden lys ud.

Heldigvis kaster kvanteteori lys på den lysere side af ”uforudsigelighed”. Som teorien går, kan to qubits låses med hinanden med en sandsynlighed for, at hver qubit forbliver ubestemt individuelt, men er synkroniseret med den anden, når man betragter det som en enhed - hvilket antyder, at begge er 0 eller 1.

Denne individuelle uforudsigelighed og kombinerede sikkerhed kaldes "sammenfiltring" - et praktisk værktøj til de fleste kvanteberegningsalgoritmer i dag. Derfor kan organisationer ved at håndtere usikkerhed forsigtigt komme i form til at omfavne den kvante fremtid.

Nanocomputing: Kan computere virkelig være mikroskopiske?

Computere bliver mindre, men vil de nogensinde være så små, at de er usynlige for det blotte øje?

Læs Næste

Om forfatteren

Udvid for at læse hele historien