Hva er en kvantecomputer?

Kvantecomputere har potensialet til å dramatisk øke variasjonen og nøyaktigheten av beregninger, åpne opp nye anvendelser for datamaskiner og forbedre våre modeller av fysiske fenomener. Likevel, selv om kvantecomputere ser økende mediedekning, er mange usikre på hvordan kvantecomputere skiller seg fra vanlige datamaskiner. La oss undersøke hvordan kvantecomputere fungerer, noen av deres anvendelser og deres kommende fremtid.

Hva er en kvantecomputer?

Før vi kan undersøke hvordan kvantecomputere fungerer, må vi først definere kvantecomputere. Den korte definisjonen av en kvantecomputer er denne: en datamaskin, basert på kvantemekanikk, som kan utføre visse komplekse beregninger med mye større effisiens enn tradisjonelle datamaskiner. Dette er en rask definisjon av kvantecomputere, men vi vil ønske å bruke litt tid til å virkelig forstå hva skiller kvantecomputere fra tradisjonelle datamaskiner.

Vanlige datamaskiner kodar informasjon med et binært system: representerer hver bit av dataen som enten en eller null. Serier av enere og nuller kobles sammen for å representere komplekse blokker av informasjon som tekst, bilder og lyd. Likevel, i disse binære systemene, kan informasjonen bare noen gang lagres som enere og nuller, noe som betyr at det er en hard grense for hvordan data representeres og tolkes, og at når data blir mer komplekst, må det nødvendigvis bli lengre og lengre strenger av enere og nuller.

Grunden til at kvantecomputere kan lagre og tolke data mer effektivt er fordi de ikke bruker biter til å representere data, men heller ” qubiter“. Qubiter er subatomære partikler som fotoner og elektroner. Qubiter har noen interessante egenskaper som gjør dem nyttige for nye metoder for beregning. Qubiter har to egenskaper som datamaskin-ingeniører kan dra nytte av: superposisjoner og sammenfiltring.

Kvant-superposisjoner lar qubiter eksistere ikke bare i “en”-tilstanden eller “null”-tilstanden, men langs en kontinuum mellom disse tilstandene, noe som betyr at mer informasjon kan lagres ved hjelp av qubiter. I mellomtiden refererer kvant-sammenfiltring til et fenomen der par av qubiter kan genereres og hvis en qubit endres, endres den andre qubiten på en forutsigbar måte, også. Disse kvant-egenskapene kan brukes til å representere og strukturere kompleks data på mer effektive måter.

Hvordan kvantecomputere opererer

Kvant-“superposisjoner” får navnet sitt fra det faktum at de kan være i mer enn én posisjon samtidig. Mens biter kan bare være i to posisjoner, kan qubiter eksistere i flere tilstander samtidig.

Takk til dels den eksistensen av kvant-superposisjoner, er en kvantecomputer i stand til å beregne mange forskjellige potensielle resultater samtidig. Når beregningene er ferdige, måles qubitene, noe som skaper et endelig resultat gjennom kollapsen av den kvant-mekaniske tilstanden til enten 0 eller 1, noe som betyr at resultatet kan tolkes av tradisjonelle datamaskiner.

Kvant-computing-forskere og -ingeniører kan endre posisjonen qubitene er i ved å bruke mikrobølger eller presisjonslaser.

Datamaskin-ingeniører kan dra nytte av kvant-sammenfiltring til å dramatisk forbedre prosesseringskraften til datamaskiner. Kvant-sammenfiltring refererer til det faktum at to qubiter kan kobles sammen på en slik måte at endring av en qubit endrer den andre qubiten på en pålitelig måte. Det er ikke fullstendig forstått hvorfor qubiter kan etablere en slik relasjon eller hvordan dette fenomenet fungerer nøyaktig, men vitenskapsmenn forstår det godt nok til å potensielt dra nytte av det for kvantecomputere. Fordi kvant-sammenfiltring, øker tillegg av ekstra qubiter til en kvantemaskin ikke bare prosesseringskraften til datamaskinen, men kan skalerer prosesseringskraften eksponentielt.

Hvis dette har vært litt for abstrakt, kan vi beskrive hvordan superposisjoner er nyttige ved å forestille oss en labyrint. For en vanlig datamaskin å forsøke å løse en labyrint, må den prøve hver vei i labyrinten til den finner en vellykket rute. Imidlertid kan en kvantecomputer essensielt utforske alle forskjellige veier samtidig, siden den ikke er bundet til en bestemt tilstand.

All dette er å si at egenskapene til sammenfiltring og superposisjoner gjør kvantecomputere nyttige fordi de kan håndtere usikkerhet, de er i stand til å utforske flere mulige tilstander og resultater. Kvantecomputere vil hjelpe vitenskapsmenn og ingeniører bedre å modellere og forstå situasjoner som er flerdimensjonale, med mange variabler.

Hva brukes kvantecomputere til?

Nå som vi har en bedre forståelse av hvordan kvantecomputere opererer, la oss utforske de mulige anvendelsene for kvantecomputere.

Vi har allerede antydet at kvantecomputere kan brukes til å utføre tradisjonelle beregninger mye raskere. Likevel, kan kvantecomputerteknologi brukes til å oppnå ting som kanskje ikke er mulig, eller er svært upraktisk, med tradisjonelle datamaskiner.

En av de mest lovende og interessante anvendelsene av kvantecomputere er i feltet kunstig intelligens. Kvantecomputere har kraften til å forbedre modellene som er skapt av neurale nettverk, samt programvaren som støtter dem. Google (GOOGL ) bruker for tiden sine kvantecomputere til å hjelpe med å skape selvkjørende kjøretøy.

Kvantecomputere har også en rol å spille i analysen av kjemiske interaksjoner og reaksjoner. Selv de mest avanserte vanlige datamaskinene kan bare modellere reaksjoner mellom relativt enkle molekyler, som de oppnår ved å simulere egenskapene til molekylene i question. Kvantecomputere, derimot, lar forskere skape modeller som har de eksakte kvant-egenskapene som molekylene de forsker på. Raskere, mer nøyaktig molekylmodellering ville hjelpe med å skape nye terapeutiske legemidler og nye materialer for bruk i skapelsen av energiteknologi, som mer effektive solceller.

Kvantecomputere kan også brukes til å forbedre værvarselet. Vær er en sammenstilling av mange hendelser og formlene som brukes til å forutsi værmønster er kompliserte og inneholder mange variabler. Det kan ta svært lang tid å utføre alle beregningene som trengs for å forutsi været, under hvilken værforholdene selv kan utvikle seg. Heldigvis, har formlene som brukes til å forutsi vær en bølgenatur som en kvantecomputer kan utnytte. Kvantecomputere kan hjelpe forskere med å bygge mer nøyaktige klimamodeller, som er nødvendige i en verden hvor klimaet endrer seg.

Kvantecomputere og algoritmer kan også brukes til å hjelpe med å sikre folks dataprivacy. Kvantkryptografi tar i bruk kvant-usikkerhetsprinsippet, hvor enhver forsøk på å måle et objekt endrer objektet selv. Forsøk på å avlytte kommunikasjon ville påvirke den resulterende kommunikasjonen og vise bevis på manipulering.

Fremtiden for kvantecomputing

De fleste anvendelsene for kvantecomputere vil være begrenset til akademikere og bedrifter. Det er usannsynlig at forbrukerne / allmennheten vil få kvantesmartere, i alle fall ikke i nær fremtid. Dette er fordi det krever spesialisert utstyr for å operere en kvantecomputer. Kvantecomputere er svært følsomme for forstyrrelser, da selv de minste endringene i omgivelsene kan forårsake qubiter til å endre posisjon og falle ut av superposisjonstilstanden. Dette kalles dekoherens, og det er en av grunnene til at fremgang i kvantecomputere synes å komme så sakte sammenlignet med vanlige datamaskiner. Kvantecomputere trenger vanligvis å operere under ekstreme lavtemperaturer, isolert fra andre elektriske utstyr.

Even med alle forsiktighetene, klarer støy likevel å skape feil i beregningene, og forskere søker etter måter å gjøre qubiter mer pålitelige. For å oppnå kvant-overlegenhet, hvor en kvantecomputer fullstendig overgår kraften til en nåværende superdatamaskin, må qubiter kobles sammen. En virkelig kvant-overlegen datamaskin kunne kreve tusener av qubiter, men de beste kvantecomputerne i dag kan vanligvis bare håndtere rundt 50 qubiter. Forskere arbeider konstant med å skape mer stabile og pålitelige qubiter. Eksperter i feltet kvantecomputere forutser at kraftfulle og pålitelige kvantenheter kan være her innen en årti.