Hur kvantberäkning kan förändra världen

Kvantfysik har redan påverkat våra liv avsevärt. Uppfinningarna av lasern och transistorn är faktiskt en konsekvens av kvantteorin - och eftersom båda dessa komponenter är en grundläggande byggsten för varje elektronisk enhet i dag, det du bevittnar är i grund och botten ”kvantmekanik in handling".

Med detta sagt är kvantindustrin nu inställd på att revolutionera datavärlden eftersom stora ansträngningar görs för att utnyttja den verkliga kraften från kvantområdet. Kvantbearbetning kan hitta applikationer i olika sektorer som säkerhet, hälso- och sjukvård, energi och till och med underhållningsindustrin.

Kvant vs. Klassiska datorer

Kvantteoriens historia går tillbaka över ett sekel. Men den nuvarande kvantmassan beror på nyligen gjorda forskningsresultat som tyder på osäkerhet, en inneboende egenskap hos kvantpartiklar, kan fungera som ett kraftfullt vapen för att förverkliga kvanten potential.

Som teorin säger är det till synes omöjligt att känna till varje egenskap hos enskilda kvantpartiklar (dvs. elektroner eller fotoner). Tänk på ett exempel på en klassisk GPS, där den exakt kan förutsäga hastighet, plats och riktning för din rörelse åt dig när du kommer till önskad destination.

En kvant-GPS kan dock inte exakt bestämma alla egenskaper ovan för en kvantpartikel eftersom kvantfysikens lagar inte tillåter dig att göra det. Detta ger upphov till ett probabilistiskt språk i kvantvärlden snarare än det klassiska säkerhetsspråket.

I detta fall innebär probabilistiskt språk att man tilldelar sannolikheter till olika kvantegenskaper partiklar som hastighet, position och rörelseriktning som till synes är svåra att konstatera med säkerhet. Denna probabilistiska karaktär hos kvantpartiklar ger upphov till en möjlighet som gör att allting kan hända när som helst.

Mot bakgrund av beräkning har de binära 0: erna och 1: erna som qubits (kvantbitar) egenskapen att vara 1 eller 0 när som helst i tid.

Ovanstående representation lämnar en bitter smak i munnen, eftersom i klassiska maskiner är 0 och 1 kopplade till strömbrytare och kretsar som slås på och av vid olika tillfällen. Att inte känna till deras exakta tillstånd (dvs. på eller av) verkar därför inte förnuftigt i datorkontexten.

I verklig mening kan det orsaka beräkningsfel. Informationshantering i kvantvärlden är dock beroende av begreppet kvantosäkerhet - där "superposition" på 0 och 1 inte är ett fel, utan en funktion istället. Det möjliggör snabbare databehandling och underlättar snabbare kommunikation.

Läs mer: Hur optiska kvantdatorer fungerar

I spetsen för Quantum Computing

Konsekvensen av kvantteoriens probabilistiska egenskap är att den exakta kopieringen av kvantinformation till synes är omöjlig. Ur säkerhetssynpunkt är detta viktigt eftersom cyberbrottslingar som avser att kopiera kvantnycklar för att kryptera och skicka meddelanden så småningom skulle misslyckas, även om de får tillgång till kvantdatorer.

Det är viktigt att markera här att sådan avancerad kryptering (dvs. sofistikerad metod för att konvertera hemliga data eller nycklar till en kod som förhindrar obehörig åtkomst) är ett resultat av fysiklagar och inte de matematiskt skrivna algoritmerna som används idag. Matematiska krypteringar kan knäckas med hjälp av kraftfulla datorer, men sprickande kvantkryptering kräver omskrivning av fysikens grundläggande lagar.

Eftersom kvantkryptering skiljer sig från nuvarande krypteringsteknik skiljer sig kvantdatorer från klassiska på mycket grundläggande nivå. Tänk på en analogi mellan en bil och en tjurvagn. Här följer en bil vissa fysiklagar som tar dig till önskad destination på kort tid jämfört med motsvarigheten. Samma filosofi gäller för en kvantdator och en klassisk dator.

En kvantdator använder kvantfysikens probabilistiska natur för att utföra beräkningar och bearbeta data på ett unikt sätt. Det kan utföra datoruppgifter i mycket snabbare takt och också ta ett steg in i traditionellt omöjliga begrepp som kvantteleportering. Denna form av dataöverföring kan bana väg för framtidens internet, dvs. kvantinternet.

Vad kan en kvantdator användas idag?

Kvantdatorer kan vara användbara för FoU-organisationer, myndigheter och akademiker institutioner eftersom de kan hjälpa till att lösa komplexa problem som nuvarande datorer tycker är utmanande för hantera.

En viktig applikation kan vara inom läkemedelsutveckling, där den sömlöst kan simulera och analysera kemikalier och molekyler eftersom molekylerna fungerar på samma kvantfysiklagar som kvantfysik datorer. Vidare kan effektiv kvantkemisimulering vara möjlig eftersom de snabbaste superdatorerna inte når målet idag.

Kvantdatorer kan också lösa komplexa optimeringsproblem och hjälpa till med snabb sökning av osorterad data. Det finns många applikationer i detta avseende, allt från att sortera till synes dynamiska klimat-, hälso- eller finansiella data, till att optimera logistik eller trafikflöde.

Kvantdatorer är också bra på att känna igen mönster i data som maskininlärningsproblem. Dessutom kan kvantdatorer spela en avgörande roll för att utveckla modeller för att förutsäga framtiden, t.ex. i väderprognoser.

Använder sig för kvantframtiden

När loppet för en kvantframtid är i centrum, driver investerare och statliga organ miljarder dollar i kvant FoU. Ett globalt kommunikationsnätverk som använder satellitbaserad kvantnyckeldistribution har redan implementerats, vilket anger vägen för vidare utveckling.

Företag som Google, Amazon, Microsoft, IBM och andra gör stora investeringar i utveckling av kvantdatorresurser, dvs. hårdvara och programvara.

Enligt Kosmos, byggde ett team av forskare i Kina en kvantdator som slutförde en komplex beräkning i drygt 60 minuter som skulle ha tagit minst åtta år eller mer för en klassisk dator komplett.

Det är en höjdpunkt i den kvantberäkning som har ägt rum under de senaste två åren. Man tror att det vetenskapliga samfundet äntligen har uppnått den svårfångade ”kvantfördelen” - där kvantberäkning är i en position för att lösa det mest sofistikerade problemet som klassisk databehandling bokstavligen kunde ta opraktisk tid att förstå.

Kvantmilstolpen uppnåddes först av Google 2019 där de använde qubits som använde ström för att utföra beräkningar. Senare 2020 använde det kinesiska laget fotoniska qubits för att påskynda processen. Nu 2021 har ett annat kinesiskt team (ledt av Jian-Wei Pan vid University of Science and Technology i Shanghai) överträffat Google igen.

I ett forskningspapper publicerat på förtrycksservern ArXiv, avslöjade det bidragande forskargruppen sina resultat för kvantfördel där de använde supraledande qubits på en kvantprocessor som heter Zuchongzhi som består av 66 qubits. Teamet visade att Zuchongzhi kunde manipulera 56 qubits för att hantera ett dataproblem som syftade till att testa datornas kraft.

Omfattar osäkerheten

Den snabba utvecklingen i kvantteknologivärlden under de senaste fem åren har varit ganska spännande. Enligt Quantum Daily, förväntas kvantindustrin ha en värdering på flera miljarder dollar i slutet av 2030. Det finns dock olika praktiska utmaningar att lösa innan en sådan storskalig utplacering, men framtiden verkar ljus.

Lyckligtvis kastar kvantteorin ljus på den ljusare sidan av ”oförutsägbarhet”. Som teorin går kan två qubits låsas med varandra med en sannolikhet att varje qubit stannar obestämd individuellt, men är synkroniserad med den andra när den betraktas som en enhet - vilket antyder att båda är 0 eller 1.

Denna individuella oförutsägbarhet och kombinerade säkerhet kallas "intanglement" - ett praktiskt verktyg för de flesta kvantberäkningsalgoritmer idag. Därför, genom att hantera osäkerhet försiktigt, kan organisationer komma i form för att anamma kvantframtiden.

Nanocomputing: Kan datorer verkligen vara mikroskopiska?

Datorer blir mindre, men kommer de någonsin att vara så små att de är osynliga för blotta ögat?

Läs Nästa

Om författaren

Expandera för att läsa hela berättelsen