Quantum Computing: Betydning, fordele og mere

Quantum computing er anvendelsen af ​​kvantemekaniske principper ved udførelse af beregninger. De grundlæggende fænomener anvendt her er sammenfiltring og superposition.

Mens kvantecomputere er et relativt nyt buzzword, har kvantemekanik eksisteret meget længere. Den var ansvarlig for store udviklinger i elektronikindustrien og tilbyder desuden svar på mange af menneskehedens mysterier.

Kvantemekanik fokuserer på, hvordan atomer og subatomare partikler fungerer, mens ordet kvante refererer til den mindste partikel, man kan arbejde med. Det er den mest grundlæggende byggesten i ethvert fysisk objekt.

Fra Max Planck til Albert Einstein, Neils Bohr og Erwin Schrödinger var mange store videnskabsmænd involveret i udviklingen af ​​kvantemekanik og dens endelige kulmination til kvanteberegningsræset – en af ​​vor tids største teknologiracer.

Dette indlæg tager dig ind i den magiske verden af ​​kvantefænomener, viser dig, hvordan du laver en computer ud fra den, og udforsker dens relaterede felter.

Uhyggelig handling på afstand

Kvantefænomener trodser konventionel forståelse og arbejder på helt andre vilkår end klassisk fysik. Så i 1930'erne brugte Einstein ordene "uhyggelig handling på afstand" til at beskrive fænomenerne med kvanteforviklinger, og hvordan det ikke passer ind i konventionel videnskab.

Kvantesammenfiltring er ikke noget nyt. Hvis du skaber to partikler på samme sted og på samme øjeblik, bliver de viklet ind. Det betyder, at hvad der end sker med den ene, påvirker den anden.

Det er som at blive forelsket og få et opkald, når du tænker på din kæreste. Eller ringe op og høre "Jeg var lige ved at ringe til dig". Enæggede tvillinger har også været kendt for at blive syge på samme tid.

Den mest uhyggelige del af kvantesammenfiltring er, at du kan tage en af ​​de sammenfiltrede partikler langt væk. Og hvilke betingelser du end udsætter den for, vil påvirke den anden partikel øjeblikkeligt, selv fra en halv galakse væk.

Kvantecomputere anvender denne egenskab til at gemme enorme mængder information om flere partikler på én gang. Disse partikler kaldes qubits eller kvantebits, men først et kig på det andet kvantemekaniske fænomen.

Erwin Schrödinger og hans kat

En anden tidlig kvanteforsker var den østrigske fysiker Erwin Schrödinger, der ligesom Albert Einstein ligeså fandt dele af kvantefænomener latterlige. Så han kom op med det nu berømte tankeeksperiment kaldet "Schrödingers kat" for at visualisere paradokset ved kvantesuperposition.

Dette dog eksperiment siger, at hvis du putter en kat og noget, der kunne dræbe katten, i en boks og forseglede den. Du ville ikke vide, om katten var død eller levende, før du åbnede kassen. Så logisk nok var katten både død og levende, indtil du åbnede kassen.

Superposition er det andet fænomen, der gør kvanteberegning mulig. Hvor klassiske computere arbejder med informationsbits, der enten kan repræsentere 1 eller 0 på et givet tidspunkt, arbejder kvantecomputere med qubits (kvantebits), der kan repræsentere både 0 og 1 på samme tid, ligesom katten, der både var død og i live.

Her er et nærmere kig på qubits.

The Bit vs The Qubit

Qubitten er det, der gør kvanteberegning mulig. Også omtalt som kvantebit eller qbit, en qubit er den mindste energienhed, som du kan manipulere for at gemme og hente information fra.

En almindelig computerbit kan kun være 0 eller 1 på et givet tidspunkt. Mens en kvantebit kan være begge dele på samme tid. To almindelige bit kan derfor holde 00, 01, 10 og 11 på ethvert givet tidspunkt. Men to kvantebit kan holde alle fire tilstande på samme tid. Det betyder 4x hurtigere beregningscyklusser.

Med 3 almindelige bits kan du enten få 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 og 111 til enhver tid. Men 3 qubits vil holde alle otte tilstande på samme tid, hvilket giver dig 8x hurtigere beregningscyklusser. Som du kan se, er dette forhold eksponentielt, så fordobler hver ekstra bit mængden af ​​tilgængelig information.

Så med 5 qubits ser du på 32 samtidige tilstande, med 10 qubits er det over 1,000 tilstande, og ved 20 qubits over en million. Overvej nu, hvor mange stater 1,000-qubit kvantecomputere som IBM og Google udvikler kan holde samtidigt.

Du kan lave qubits af fotoner, elektroner, atomkerner, kvantepunkter, superledereog andre implementeringer. Målet er at skabe en stabil samling af kvantebits af energi, som du nemt kan indstille og måle efter behag.

Fordele ved Quantum Computing

Den største fordel ved kvanteberegning er øjeblikkelige resultater fra komplekse problemer. Dette er primært i situationer, hvor du skal vælge det rigtige svar blandt mange muligheder. Og dette gør dem gode til talfaktorering, simuleringer i stor skala og mønstergenkendelse inden for kunstig intelligens.

Standardtilgangen for klassiske computere er at undersøge hver mulighed, indtil du finder det, du leder efter. Ofte kaldet en nål i en høstaksøgning, hvor lang tid denne operation vil tage afhænger af, hvor meget hø eller poster du skal finkæmme igennem. Og hvor hurtig din maskine er.

Supercomputere gør sådanne problemer lettere ved at øge hastigheden for at kontrollere hver mulighed. Kvantecomputere kan på den anden side generere alle mulighederne samtidigt, hvis der er nok qubits til rådighed. Det er derfor, de kan beregne problemer på få timer, som almindelige computere vil tage hundreder til tusinder af år at beregne.

Kvantecomputerproblemer og begrænsninger

Mens du nemt kan måle bits i en klassisk computer, ødelægger måling af en qubit dens tilstand og dens sammenfiltrede qubits.

Klassiske bits er også lavet af en bred vifte af halvledermaterialer, der bare skal holde en ladning (1) eller ej (0). Qubits er dog meget mere komplekse og svære at implementere. Og ud over at isolere en qubit rumligt, skal du beskytte den mod miljøinterferens, såsom temperatur og elektrostatiske udsving. Fordi sådanne små miljøændringer også vil korrumpere disse stater.

Dette tab af sammenfiltring eller systembalance kaldes kvantedekohærens og er det største problem, som de fleste forskere forsøger at løse. Det er så alvorligt, at Googles kommende 1,000-qubit-maskine skal bruge op til 1,000 qubits til fejlkorrektion af hver qubit. Dette gør det til en 1-million qubits maskine.

Det betyder også, at du i øjeblikket ikke kan håndtere en kvantecomputer, som du ville gøre med en bærbar eller smartphone. Computeren har brug for laboratorieforhold for at opretholde et sikkert stabilitetsniveau for dens qubits.

En anden ulempe er det begrænsede omfang af den såkaldte kvanteoverherredømme, fordi ikke alle computerproblemer involverer store mængder af tal eller muligheder. Så det beregningsmæssige boost i de fleste andre operationer er for ubetydeligt til at retfærdiggøre en kvanteberegningstilgang. Og medmindre kvantecomputere ender billigere end klassiske computere, erstatter de dem heller ikke lige foreløbig.

På trods af alle disse ulemper rummer kvantecomputere og deres qubits et stort potentiale i computerindustrien på grund af det store antal, de nemt kan håndtere.

Er der farer ved Quantum Computing?

Ja. Enhver god hacker ved, at enhver teknologi har et smuthul. Du skal bare finde det. Så uanset de faktiske implementeringer af kvantecomputere i fremtiden, vil der stadig være problemer med teknologien. Og skuespillere klar til at udnytte dem.

Dette scenarie refererer til anvendelser som bank, finans, regering og lignende offentlige aktiviteter. Et andet scenarie er, når en ondsindet skuespiller bruger den fantastiske kraft fra en god kvantecomputer til at udføre en bedrift. Og som altid vil folk først blive opmærksomme på en sådan mulighed efter gerningen er udført.

Quantum computing klarer sig godt med tal. Så asymmetriske krypteringsalgoritmer, der bruger faktorisering, såsom public-key RSA, er ikke sikre. Hashing og symmetrisk kryptografi, såsom AES-256 og 512, samt SHA-256 og 512, er på den anden side relativt sikre.

Andre anvendelser af kvantemekanik

Så spændende som verden af ​​kvantecomputere er, er den stadig kun en del af kvantemekanikken. Så kvantefesten er med andre ord kun lige begyndt.

Kvantemekanik har været medvirkende til udvikling af halvledere og moderne elektronik. Der arbejdes også med kvantenetværk og kryptografi, såsom schweizisk-baseret kvantekryptografi pioner ID Quantique. Plus, kvantefænomener har desuden vist lovende inden for adskillige forskningsfelter, herunder fotosyntese, lugtreceptorer og endda vores forståelse af tid.

Kvantecomputere i den virkelige verden

Der er mange kvantecomputere og lignende applikationer derude. De kommer fra store multinationale selskaber som Google og IBM, såvel som regeringer og endnu mindre aktører som Rigetti.

Quantum computing er i øjeblikket et af de hotteste forskningsområder på planeten. Så der er nok flere hemmelige programmer derude, end du kan forestille dig. Nedenfor er nogle større projekter:

• Google ejer 54-qubit og 72-qubit maskiner
• IBM ejer over 30 maskiner spredt over hele kloden, inklusive 65-qubit Manhattan
• Kina er hjemsted for mange kvantecomputere, inklusive en 76-qubit-maskine og endda kvantesatellitkommunikation.
• Googles 54-qubit Sycamore-drevne maskine brugte kun 200 sekunder på at beregne, hvad supercomputere ville bruge 10,000 år for at beregne.
• IBM udvikler en 1,000-qubit-maskine inden 2023
• Rigetti Computing ejer fire, inklusive en 31-qubit-maskine
• Google er ved at bygge et nyt kvantecenter for at skabe en 1,000-qubit-computer inden 2029. Tager man hensyn til fejlkorrektion, kan computerens samlede qubit nå op på 1 mio.

Konklusion

Kvantecomputere er kommet for at blive. Da de vil skabe mange muligheder og løse problemer i den virkelige verden, som klassiske computere har kæmpet med i årtier.

Der er dog stadig meget arbejde, der skal gøres og udfordringer, der skal overvindes, før vi når dertil. Og indtil da vil Kina måske bare overraske verden.