Vad är kvantdatorer?

Kvantdatorer har potential att dramatiskt öka variationen och noggrannheten i beräkningar, öppna upp nya applikationer för datorer och förbättra våra modeller av fysiska fenomen. Men även om kvantdatorer ser ökande mediebevakning, är många fortfarande inte säkra på hur kvantdatorer skiljer sig från vanliga datorer. Låt oss undersöka hur kvantdatorer fungerar, några av deras applikationer och deras kommande framtid.

Vad är en kvantdator?

Innan vi vettigt kan undersöka hur kvantdatorer driva, måste vi först definiera kvantdatorer. Den korta definitionen av en kvantdator är denna: en dator, baserad på kvantmekanik, som kan utföra vissa komplexa beräkningar med mycket större effektivitet än traditionella datorer. Det är en snabb definition av kvantdatorer, men vi kommer att vilja ta lite tid att verkligen förstå vad som skiljer kvantdatorer från traditionella datorer.

Vanliga datorer kodar information med ett binärt system: representerar varje bit av data som antingen en etta eller noll. Serier av ettor och nollor är sammankopplade för att representera komplexa informationsbitar som text, bilder och ljud. Men i dessa binära system kan informationen bara lagras som ettor och nollor, vilket innebär att det finns en hård gräns för hur data representeras och tolkas och att när data blir mer komplex måste den nödvändigtvis bli längre och längre strängar av ettor och nollor.

Anledningen till att kvantdatorer kan lagra och tolka data mer effektivt är att de inte använder bitar för att representera data, snarare använder de "kvantbitar”. Qubits är subatomära partiklar som fotoner och elektroner. Qubits har ett par intressanta egenskaper som gör dem användbara för nya beräkningsmetoder. Qubits har två egenskaper som dataingenjörer kan dra nytta av: superpositioner och förveckling.

Kvantöverlagringar tillåter qubits att existera i inte bara "ett"-tillståndet eller "noll"-tillståndet, utan längs ett kontinuum mellan dessa tillstånd, vilket innebär att mer information kan hållas med hjälp av qubits. Samtidigt hänvisar kvantentanglement till ett fenomen där par av qubits kan genereras och om en qubit ändras ändras den andra qubiten också på ett förutsägbart sätt. Dessa kvantegenskaper kan användas för att representera och strukturera komplexa data på mer effektiva sätt.

Hur kvantdatorer fungerar

Quantum "superpositioner" får sitt namn från det faktum att de kan vara i mer än en position åt gången. Medan bitar kan vara i bara två positioner, kan qubits existera i flera tillstånd samtidigt.

Delvis tack vare förekomsten av kvantsuperpositioner kan en kvantdator beräkna många olika potentiella utfall samtidigt. När beräkningarna är gjorda, mäts kvantbitarna, vilket skapar ett slutresultat genom att kvanttillståndet kollapsar till antingen 0 eller 1, vilket betyder att resultatet sedan kan tolkas av traditionella datorer.

Kvantberäkningsforskare och ingenjörer kan ändra positionen qubitarna befinner sig i genom att använda mikrovågor eller precisionslasrar.

Datoringenjörer kan dra fördel av kvantintrassling för att dramatiskt förbättra datorernas processorkraft. Kvantentanglement hänvisar till det faktum att två qubits kan länkas samman på ett sådant sätt att en förändring av en av qubits ändrar den andra qubiten på ett tillförlitligt sätt. Det är inte helt förstått varför qubits kan etablera ett sådant förhållande eller hur detta fenomen fungerar exakt, men forskare förstår det tillräckligt bra för att potentiellt dra fördel av det för kvantdatorer. På grund av kvantintrassling fördubblar tillägget av extra kvantbitar till en kvantmaskin inte bara processorkraften hos en dator utan kan skala processorkraften exponentiellt.

Om allt detta har verkat lite för abstrakt, kan vi beskriva hur superpositioner är användbara genom att föreställa oss en labyrint. För att en vanlig dator ska försöka lösa en labyrint måste den prova varje väg i labyrinten tills den hittar en framgångsrik rutt. Men en kvantdator kan i huvudsak utforska alla olika vägar på en gång, eftersom den inte är bunden till något givet tillstånd.

Allt detta är att säga att egenskaperna hos intrassling och superpositioner gör kvantdatorer användbara eftersom de kan hantera osäkerhet, de är kapabla att utforska fler möjliga tillstånd och resultat. Kvantdatorer kommer att hjälpa forskare och ingenjörer att bättre modellera och förstå situationer som är mångfacetterade, med många variabler.

Vad används kvantdatorer till?

Nu när vi har en bättre intuition för hur kvantdatorer fungerar, låt oss utforska det möjliga användningsfall för kvantdatorer.

Vi har redan hänvisat till det faktum att kvantdatorer kan användas för att utföra traditionella beräkningar i mycket snabbare takt. Däremot kan kvantdatorteknik användas för att åstadkomma saker som kanske inte ens är möjliga, eller som är mycket opraktiska, med traditionella datorer.

En av de mest lovande och intressanta tillämpningarna av kvantdatorer är inom området artificiell intelligens. Kvantdatorer har kraften att förbättra de modeller som skapas av neurala nätverk, såväl som programvaran som stöder dem. Google använder för närvarande sina kvantdatorer för att hjälpa till med att skapa självkörande fordon.

Kvantdatorer har också en roll att spela i analysen av kemiska interaktioner och reaktioner. Även de mest avancerade normala datorerna kan bara modellera reaktioner mellan relativt enkla molekyler, vilket de uppnår genom att simulera egenskaperna hos de aktuella molekylerna. Kvantdatorer tillåter dock forskare att skapa modeller som har exakta kvantegenskaper som de molekyler de forskar om. Snabbare, mer exakt molekylmodellering skulle hjälpa till att skapa nya terapeutiska läkemedel och nya material för användning vid skapandet av energiteknik, såsom effektivare solpaneler.

Kvantdatorer kan också användas för att bättre förutspå väder. Vädret är sammanflödet av många händelser och formlerna som används för att förutsäga vädermönster är komplicerade och innehåller många variabler. Det kan ta extremt lång tid att utföra alla beräkningar som behövs för att förutsäga vädret, då själva väderförhållandena kan utvecklas. Lyckligtvis har ekvationerna som används för att förutsäga väder en vågnatur som en kvantdator kan utnyttja. Kvantdatorer kan hjälpa forskare att bygga mer exakta klimatmodeller, vilket är nödvändigt i en värld där klimatet förändras.

Kvantdatorer och algoritmer kan också användas för att säkerställa människors datasekretess. Quantum kryptografi använder sig av kvantosäkerhetsprincipen, där varje försök att mäta ett objekt slutar med att göra ändringar i det objektet. Försök att avlyssna kommunikation skulle påverka den resulterande kommunikationen och visa tecken på manipulering.

Kvantdatorns framtid

De flesta användningarna av kvantdatorer kommer att begränsas till akademiker och företag. Det är osannolikt att konsumenter/allmänheten kommer att skaffa kvantsmarttelefoner, åtminstone inte när som helst snart. Detta beror på att det krävs specialutrustning för att driva en kvantdator. Kvantdatorer är mycket känsliga för störningar, eftersom även de minsta förändringar i den omgivande miljön kan få qubits att skifta position och falla ur superpositionstillståndet. Detta kallas dekoherens, och det är en av anledningarna till att framstegen inom kvantdatorer verkar gå så långsamt jämfört med vanliga datorer. Kvantdatorer behöver vanligtvis fungera under förhållanden med extremt låga temperaturer, isolerade från annan elektrisk utrustning.

Även med alla försiktighetsåtgärder lyckas brus fortfarande skapa fel i beräkningarna, och forskare letar efter sätt att göra qubits mer tillförlitliga. För att uppnå kvantöverlägsenhet, där en kvantdator helt överskuggar kraften hos en nuvarande superdator, måste qubits länkas samman. En verkligt överlägsen kvantdator skulle kunna kräva tusentals kvantbitar, men de bästa kvantdatorerna idag kan hanterar vanligtvis bara cirka 50 qubits. Forskare gör ständigt in-roads för att skapa mer stabila och pålitliga qubits. Experter inom området kvantdatorer förutspår att kraftfulla och pålitliga kvantenheter kan vara här inom ett decennium.