Vi har hørt om kvantecomputere i mindst et par år. Men hvad er det? Hvad er en kvantecomputer til? I dag handler det om det i enkle ord.
Kvante computer er en opfindelse, som mange forskere har store forhåbninger til, idet de forventer, at den vil have en positiv indflydelse på videnskabens udvikling. Det er imidlertid meget svært at forstå, hvordan kvantefysik fungerer. Nogle fysikere tvivler endda på, om de nuværende "kvantecomputere" skal kaldes det. Den største hindring i brugen af kvanteberegning er det store antal fejl, der påvirkes af selv de mindste ændringer i kvantemaskinernes miljø. Indtil videre har vi endnu ikke formået fuldt ud at udnytte potentialet i kvantebits. I dag vil vi forsøge at finde ud af, hvad der er specielt ved netop disse kvantebits?
Findes kvantecomputere?
Essensen af enhver rigtig videnskabsmand er ikke at stole på og kontrollere hele tiden. Jeg huskede netop disse ord, da jeg stadig var studerende. Og mere end én gang sørgede han for rigtigheden af denne sætning. Det gælder også "kvantecomputere". Hvorfor citerede jeg navnet på disse computere? Lad os finde ud af det.
Kvantecomputere er et meget komplekst emne, men jeg vil forsøge at gøre det så enkelt som muligt og tale om dem på en tilgængelig måde. Selv i dag kan videnskabsmænd, fysikere og ingeniører diskutere det tilsyneladende simple spørgsmål om, hvorvidt en fungerende kvantecomputer findes et sted i verden. ”Men hvordan kan virksomheder som IBM trods alt prale af kvantecomputere!” – vil nogen måske sige. Og han vil have ret. Det er fortsat et åbent spørgsmål, om IBM virkelig har skabt en kvantecomputer eller blot kaldt dens enhed en "kvantecomputer".
Når en af mine venner beder mig forklare med enkle ord, hvordan kvantecomputere adskiller sig fra de computere, vi er vant til, bruger jeg normalt en simpel sammenligning. Hvis vores klassiske computere (som f.eks PC, bærbare computere og smartphones) er stearinlys, så er kvantecomputere elpærer. Formålet med begge er det samme - for glødelamper og stearinlys er det udsendelse af lys, og for computere er det til beregninger. Men i begge tilfælde opnås målet helt forskelligt, og resultatet er anderledes. Kort sagt er en kvantecomputer ikke bare en forbedret version af moderne computere, ligesom en pære ikke bare er et større stearinlys. Du kan ikke skabe en pære ved at gøre stearinlys bedre og bedre. Pæren er anderledes teknologi, baseret på dybere videnskabelig forståelse. Ligeledes er en kvantecomputer en ny type enhed baseret på kvantefysik, og ligesom pæren ændrede samfundet, kan kvantecomputere påvirke mange aspekter af vores liv, herunder sikkerhedsbehov, sundhedspleje og endda internettet.
Så hvis vi holder os til sammenligningen af computere med lyspærer, så er "quantum Joseph Swan" (skaberen af den første funktionelle glødepære) endnu ikke dukket op, og indtil videre forsøger videnskaben med enkle ord at lave "noget rødt og varmt" ved at tjekke, hvor meget det lyser. Vi kender nogle af de teoretiske grundlag for, hvordan kvantecomputere fungerer, men der er enorme forhindringer for deres udvikling, som stadig venter på at blive løst.
Forskningscentre og virksomheder rundt om i verden udfører yderligere test og forskning, og eksperter inden for kvantefysik er enige om, at skabelsen af fuldt fungerende kvantemaskiner, som vi kan bruge til at nå mål, der er umulige at nå på dette stadium, naturligvis vil passere tiere år.
Jeg tror, og mange videnskabsmænd vil være enige med mig, at de maskiner, der i øjeblikket kaldes kvantecomputere, slet ikke fortjener et sådant navn. De mangler evnen til at udføre beregninger eller løse problemer, som vi ikke kan løse på en normal, klassisk måde.
Vi har endnu ikke nået en sådan grad af vores teknologiske udvikling, at vi ville være i stand til at skabe en kvantemaskine, der ville løse problemer, som i øjeblikket er utilgængelige for klassiske computere. Selvfølgelig taler Google eller IBM om nogle eller andre udførte beregninger, som ville være svære at lave på en klassisk måde, men i øjeblikket er de ikke overbevisende.
Læs også: Kina er også ivrig efter at udforske rummet. Så hvordan har de det?
Hvad er et kvante?
Hvad er et "kvante" overhovedet? Det er ikke et fysisk objekt. Udtrykket "kvante" bruges i fysik til at beskrive den mindst mulige brøkdel af noget. Så du kan have et "kraftkvante", et "tidskvante" eller et "partikelkvante". Ved at følge denne vej vil vi nå frem til begreber som "kvantefysik" og "kvantemekanik", det vil sige grene af videnskaben, der beskæftiger sig med de mindst mulige interaktioner eller systemer - på niveau med atomer og endda individuelle kvarker.
Og nu er vi nået til qubit (kvantebit), det vil sige den "mindste og udelelige enhed af kvanteinformation." Samtidig kommer vi også til det første punkt, som fortæller os om ligheder og forskelle i, hvordan klassiske computere (ved hjælp af bits) og kvantecomputere (ved hjælp af qubits) udfører beregninger.
I klassiske computere er hvert stykke information gemt som en sekvens af etere og nuller. Sådan information opfattes og fortolkes af en computer, konsol, smartphone, smart ur og smart TV, svarende til de operationer, der udføres på disse oplysninger. Uanset om vi ser på feriebilleder, chatter med venner, spiller det seneste spil eller udfører avancerede kryptografiske beregninger, sker alt i et binært system, hvor der er 0'er eller 1'er og intet andet. Faktisk er det mere som et klassisk ja eller nej.
Hvor ineffektivt dette system er, kan ses, når vi når dets grænser. Og uanset om vi løber tør for plads på vores smartphones til endnu en selfie, eller videnskabsmænd forsøger at skabe matematiske modeller for udviklingen af en pandemi, er problemet, at der er for mange nuller og enere, og ressourcerne til at gemme dem og magten til at beregne dem er ikke tilgængelige.
Qubit løser dette problem. Dette stykke information bruger kvantefysikkens egenskaber, der tillader det at forblive i en såkaldt superposition. En qubit kan tage enhver værdi mellem 0 og 1. Den har egenskaberne for hele spektret og kan have værdier som 15 procent nul og 85 procent én. Teoretisk giver dette dig mulighed for at gemme meget mere information eller fremskynde beregninger. Men samtidig opstår der en masse problemer, som er svære at kontrollere og endda forstå.
Et andet træk ved kvantecomputere, som tillader yderligere skalering af computerkraft, er brugen af kvantesammenfiltring. Dette er en tilstand, hvor to qubits er forbundet med hinanden, og hver gang vi observerer en af dem, vil den anden være i nøjagtig samme tilstand. Entanglement gør det muligt at gruppere qubits i endnu mere effektive enheder til registrering og behandling af information.
Læs også: Hvem er biohackere, og hvorfor chipper de sig selv frivilligt?
Kvanteudstyr
En kvantecomputer består af tre hoveddele: et område til lagring af qubits, en metode til at sende signaler til qubits og en klassisk computer til at køre et program og sende instruktioner.
Kvantematerialet, der udgør qubits, er sart og ekstremt følsomt over for miljøpåvirkninger. For nogle qubit-lagringsmetoder holdes den enhed, der rummer qubits, ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt for at maksimere deres sammenhæng. Andre typer qubit-lagring bruger et vakuumkammer til at minimere vibrationer og stabilisere qubits.
Der er forskellige metoder til at transmittere signaler til qubits, såsom mikrobølger, lasere og elektrisk spænding.
For at etablere den normale drift af kvantecomputere er det nødvendigt at løse mange problemer. Et stort problem med kvantecomputere er fejlkorrektion, og skalering (tilføje flere qubits) øger deres frekvens yderligere. På grund af disse begrænsninger er en kvantecomputer på dit skrivebord stadig en fjern fremtid, men kommercielle kvantecomputere kan blive tilgængelige i den nærmeste fremtid. Lad os tale om dette mere detaljeret.
Problemer med kvantecomputere
Kvantecomputere har dog ét stort problem. Det vil sige, at forskere har et stort problem med deres brug, fordi qubits takket være deres specielle egenskaber har brug for et tilstrækkeligt roligt miljø til nøjagtigt at kunne læse data fra dem. Hver, selv den mindste overtrædelse vil gøre det umuligt at læse oplysningerne nøjagtigt.
I tilfældet med klassiske computere spillede et lignende problem også en vigtig rolle tidligere, men i dag er det så ubetydeligt, at det ofte bliver overset selv i den akademiske videnskab. Vi taler om fejlprocent. Det er en indikator, der bestemmer, hvor stor en andel af bits eller qubits af information, der kan blive beskadiget. Dette kan for eksempel ske ved overspænding eller andre forstyrrelser.
For klassiske enheder er fejlsandsynligheden cirka en til 1017 lidt I tilfælde af kvantecomputere er dette stadig en af flere hundrede. Og det er i en situation, hvor kvantecomputere arbejder under de mest isolerede forhold og ved en temperatur på -272 grader Celsius, altså lidt over det absolutte nulpunkt. Eventuelle temperatursvingninger, ændringer i det elektromagnetiske felt og endda bevægelse ødelægger hele beregningen.
Et andet problem er "ustabiliteten" af kvantetilstande. Hver gang vi måler eller ønsker at forstyrre en kvantetilstand, vender den tilbage til en af to positioner, nul og en. I dette tilfælde vil kvantetilstanden henfalde. Denne proces kaldes kvantedekohærens.
Tænk på det på denne måde: en kvantecomputer er en dygtig matematiker, der udfører komplekse beregninger, og dens resultater er mellem 0 og 1 mio. Vi er til gengæld et barn, der kun forstår, at noget kan være for meget eller for lidt. Når en matematiker kan have forskellige resultater, såsom 356 eller 670,23, vil hver af disse resultater ifølge vores forståelse af verden blive klassificeret som få (1) eller mange (846), uden at definere en specifik forskel mellem de to. Dette er kvantedekohærens. Den eneste måde at lave en korrekt beregning på er at garantere matematikarbejdet, før det er færdigt.
Læs også: Hvad vil udholdenhed og opfindsomhed gøre på Mars?
Hvad skal vi bruge kvantecomputere til?
I dag rejser spørgsmålet sig om, hvad kvantecomputere kan bruges til, ligesom for 20 år siden, hvad en smartphone kan bruges til. Selvfølgelig er der allerede nogle planer og antagelser, men de mest interessante retninger for brugen af qubits vil formentlig blive tydelige, når kvantecomputere bliver udbredt.
Kryptografi er et af de mest populære områder, hvor kvanteberegning oftest bruges. Sagen er, at det vil være en metode til at overføre information på en meget sikker måde, og sikkerheden er ikke baseret på kompleksiteten af computerprocesser, men på fysikkens love, som vil give tillid til, at visse ting simpelthen er umulige. Og i dette øjeblik vil det være umuligt at lytte, spionere, hacke.
Sikkerhed i dette tilfælde er garanteret af de meget fysiske egenskaber ved qubits, der, som jeg forklarede tidligere, ophører med at vise superpositionstræk, så snart de observeres. Så ethvert forsøg på at opsnappe eller endda kopiere den kodede besked vil simpelthen ødelægge den.
Kvantecomputere kan også give os mulighed for bedre at forstå naturlige processer. Superpositionens "kaos" afspejler meget bedre måden, for eksempel mutationer i DNA på, og derfor udviklingen af sygdom og evolution. Quantum computing bliver allerede brugt i dag til at skabe nye lægemidler.
Måske giver det mening at tale om brugen af kvantecomputere til datateleportering. Ja, netop teleportering af data, og muligvis en person. Vi vil være i stand til at teleportere information fra sted til sted uden fysisk at overføre det. Det lyder som fantasi, men det er muligt, fordi denne fluiditet af kvantepartikler kan blive viklet ind i tid og rum, så en ændring i en partikel kan påvirke en anden, og dette skaber en kanal for teleportering. Dette er allerede blevet demonstreret i laboratorier og kan være en del af fremtidens kvanteinternet. Vi har ikke et sådant netværk endnu, men nogle videnskabsmænd arbejder allerede på disse muligheder, idet de simulerer et kvantenetværk på en kvantecomputer. De har allerede udviklet og implementeret interessante nye protokoller, såsom teleportering mellem netværksbrugere og effektiv dataoverførsel og endda sikker afstemning.
Det skal også siges, at kvantecomputere skal bruges til at simulere forskellige situationer og finde løsninger på problemer, herunder medicin og vacciner. For eksempel under pandemier som coronavirus, hvor hurtigere beregning og beregning af muligheder er nødvendig. Her kan du bruge muligheden for kvantemodellering, som ikke kan udføres på en klassisk computer. Når en ny sygdom dukker op, tager processen med at finde en kur omkring 15 år og kan koste op til 2,6 milliarder dollars. I nogle sygdomme er det nødvendigt at filtrere gennem millioner af molekyler for kun at identificere hundredvis af lovende individer, som sandsynligvis vil blive donorer. Derefter falder cirka 99 % af molekylerne under testning på grund af blandt andet fejlforudsigelse af adfærd og prøvetagningsbegrænsninger. Det er her, kvantecomputere ville komme i forgrunden.
Og disse er stadig kun nogle få af de vidunderlige ideer om, hvad der kan opnås ved hjælp af kvantefysik. I øjeblikket formår vi til en vis grad at tæmme hendes lunefulde karakter, men alle udviklinger er stadig på det indledende niveau. Skabelsen af en rigtig kvantecomputer og dens masseanvendelse er stadig ret langt væk, men fremskridtet står ikke stille. Derfor vil du måske om cirka ti år læse denne artikel ved hjælp af en kvantecomputer og smile nedladende.
Læs også:
Çoch sağ olun, muellimin bize moderne hukommelsesenheder