Hvad er kvantecomputere?

Kvantecomputere har potentialet til dramatisk at øge variationen og nøjagtigheden af ​​beregninger, åbne op for nye applikationer til computere og forbedre vores modeller for fysiske fænomener. Selvom kvantecomputere oplever stigende mediedækning, er mange stadig ikke sikre på, hvordan kvantecomputere adskiller sig fra almindelige computere. Lad os undersøge, hvordan kvantecomputere fungerer, nogle af deres applikationer og deres kommende fremtid.

Hvad er en kvantecomputer?

Før vi meningsfuldt kan undersøge, hvordan kvantecomputere betjene, skal vi først definere kvantecomputere. Den korte definition af en kvantecomputer er denne: en computer baseret på kvantemekanik, der er i stand til at udføre visse komplekse beregninger med meget større effektivitet end traditionelle computere. Det er en hurtig definition af kvantecomputere, men vi vil gerne bruge lidt tid på virkelig at forstå, hvad der adskiller kvantecomputere fra traditionelle computere.

Almindelige computere koder information med et binært system: repræsenterer hver bit af dataene som enten et eller nul. Serier af et-taller og nuller er kædet sammen for at repræsentere komplekse bidder af information som tekst, billeder og lyd. Men i disse binære systemer kan informationen kun gemmes som etaller og nuller, hvilket betyder, at der er en hård grænse for, hvordan data repræsenteres og fortolkes, og at efterhånden som data bliver mere komplekse, må de nødvendigvis blive længere og længere rækker af et- og nuller.

Grunden til at kvantecomputere er i stand til mere effektivt at gemme og fortolke data, er fordi de ikke bruger bits til at repræsentere data, snarere bruger de "qubits”. Qubits er subatomære partikler som fotoner og elektroner. Qubits har et par interessante egenskaber, der gør dem nyttige til nye beregningsmetoder. Qubits har to egenskaber, som computeringeniører kan drage fordel af: superpositioner og sammenfiltring.

Kvantesuperpositioner tillader qubits at eksistere i ikke kun "en" tilstand eller "nul" tilstand, men langs et kontinuum mellem disse tilstande, hvilket betyder, at mere information kan opbevares ved hjælp af qubits. I mellemtiden refererer kvantesammenfiltring til et fænomen, hvor par af qubits kan genereres, og hvis en qubit ændres, ændres den anden qubit også på en forudsigelig måde. Disse kvanteegenskaber kan bruges til at repræsentere og strukturere komplekse data på mere effektive måder.

Sådan fungerer kvantecomputere

Kvante "superpositioner" får deres navn fra det faktum, at de kan være i mere end én position ad gangen. Mens bits kun kan være i to positioner, kan qubits eksistere i flere tilstande på én gang.

Til dels takket være eksistensen af ​​kvantesuperpositioner er en kvantecomputer i stand til at beregne mange forskellige potentielle udfald på samme tid. Når beregningerne er udført, måles qubits, hvilket skaber et endeligt resultat gennem sammenbruddet af kvantetilstanden til enten 0 eller 1, hvilket betyder, at resultatet derefter kan fortolkes af traditionelle computere.

Kvantecomputerforskere og -ingeniører kan ændre den position, qubits er i, ved at bruge mikrobølger eller præcisionslasere.

Computeringeniører kan drage fordel af kvantesammenfiltring til dramatisk at forbedre computernes processorkraft. Kvantesammenfiltring refererer til det faktum, at to qubits kan kobles sammen på en sådan måde, at ændring af en af ​​qubits ændrer den anden qubit på en pålidelig måde. Det er ikke fuldt ud forstået, hvorfor qubits kan etablere et sådant forhold, eller hvordan dette fænomen fungerer præcist, men videnskabsmænd forstår det godt nok til potentielt at drage fordel af det til kvantecomputere. På grund af kvantesammenfiltring fordobler tilføjelsen af ​​ekstra qubits til en kvantemaskine ikke bare processorkraften af ​​en computer, den kan skalere processorkraften eksponentielt.

Hvis det hele har virket lidt for abstrakt, kan vi beskrive, hvordan superpositioner er nyttige ved at forestille os en labyrint. For at en normal computer skal forsøge at løse en labyrint, skal den prøve hver vej i labyrinten, indtil den finder en vellykket rute. Imidlertid kunne en kvantecomputer i det væsentlige udforske alle de forskellige veje på én gang, da den ikke er bundet til en given tilstand.

Alt dette er at sige, at egenskaberne ved sammenfiltring og superpositioner gør kvantecomputere nyttige, fordi de kan håndtere usikkerhed, de er i stand til at udforske flere mulige tilstande og resultater. Kvantecomputere vil hjælpe videnskabsmænd og ingeniører med bedre at modellere og forstå situationer, der er mangefacetterede, med mange variabler.

Hvad bruges kvantecomputere til?

Nu hvor vi har en bedre intuition for, hvordan kvantecomputere fungerer, lad os undersøge det mulige use cases til kvantecomputere.

Vi har allerede hentydet til det faktum, at kvantecomputere kan bruges til at udføre traditionelle beregninger i et meget hurtigere tempo. Kvantecomputerteknologi kan dog bruges til at opnå ting, som måske ikke engang er mulige, eller som er meget upraktiske, med traditionelle computere.

En af de mest lovende og interessante anvendelser af kvantecomputere er inden for kunstig intelligens. Kvantecomputere har magten til at forbedre de modeller, der er skabt af neurale netværk, såvel som den software, der understøtter dem. Google bruger i øjeblikket sine kvantecomputere til hjælpe med at skabe selvkørende køretøjer.

Kvantecomputere har også en rolle at spille i analysen af kemiske interaktioner og reaktioner. Selv de mest avancerede normale computere kan kun modellere reaktioner mellem relativt simple molekyler, som de opnår ved at simulere de pågældende molekylers egenskaber. Kvantecomputere giver imidlertid forskere mulighed for at skabe modeller, der har de nøjagtige kvanteegenskaber som de molekyler, de forsker i. Hurtigere og mere nøjagtig molekylemodellering ville hjælpe med at skabe nye terapeutiske lægemidler og nye materialer til brug i skabelsen af ​​energiteknologi, såsom mere effektive solpaneler.

Kvantecomputere kan også bruges for bedre at forudsige vejret. Vejret er sammenløbet af mange begivenheder, og de formler, der bruges til at forudsige vejrmønstre, er komplicerede og indeholder mange variabler. Det kan tage ekstremt lang tid at udføre alle de beregninger, der er nødvendige for at forudsige vejret, hvor selve vejrforholdene kan udvikle sig. Heldigvis har de ligninger, der bruges til at forudsige vejret, en bølgenatur, som en kvantecomputer kan udnytte. Kvantecomputere kan hjælpe forskere med at bygge mere præcise klimamodeller, som er nødvendige i en verden, hvor klimaet ændrer sig.

Kvantecomputere og algoritmer kan også bruges til at sikre folks databeskyttelse. Kvantekryptografi gør brug af kvanteusikkerhedsprincippet, hvor ethvert forsøg på at måle et objekt ender med at foretage ændringer i det objekt. Forsøg på at opsnappe kommunikation ville påvirke den resulterende kommunikation og vise tegn på manipulation.

Kvantecomputerens fremtid

De fleste anvendelser af kvantecomputere vil være begrænset til akademikere og virksomheder. Det er usandsynligt, at forbrugere/den brede offentlighed vil få kvantesmartphones, i hvert fald ikke lige om lidt. Dette skyldes, at det kræver specialiseret udstyr at betjene en kvantecomputer. Kvantecomputere er meget følsomme over for forstyrrelser, da selv de mindste ændringer i det omgivende miljø kan få qubits til at skifte position og falde ud af superpositionstilstanden. Dette kaldes dekohærens, og det er en af ​​grundene til, at fremskridt inden for kvantecomputere ser ud til at komme så langsomt sammenlignet med almindelige computere. Kvantecomputere skal typisk fungere under forhold med ekstremt lave temperaturer, isoleret fra andet elektrisk udstyr.

Selv med alle de forholdsregler, formår støj stadig at skabe fejl i beregningerne, og forskere leder efter måder at gøre qubits mere pålidelige. For at opnå kvanteoverherredømme, hvor en kvantecomputer fuldstændig overskygger kraften i en nuværende supercomputer, skal qubits forbindes sammen. En virkelig kvantecomputer kunne kræve tusindvis af qubits, men de bedste kvantecomputere i dag kan beskæftiger sig typisk kun med omkring 50 qubits. Forskere er konstant på vej mod at skabe mere stabile og pålidelige qubits. Eksperter inden for kvantecomputere forudser, at kraftfulde og pålidelige kvanteenheder kan være her inden for et årti.