Vi har hört talas om kvantdatorer i åtminstone några år. Men vad är det? Vad är en kvantdator till för? Idag handlar allt om det i enkla ord.
Kvant dator är en uppfinning som många forskare har stora förhoppningar på och förväntar sig att den kommer att ha en positiv inverkan på vetenskapens utveckling. Det är dock väldigt svårt att förstå hur kvantfysiken fungerar. Vissa fysiker tvivlar till och med på om de nuvarande "kvantdatorerna" ska kallas så. Det största hindret i användningen av kvantberäkning är det stora antalet fel som påverkas av även de minsta förändringarna i kvantmaskinernas miljö. Hittills har vi ännu inte lyckats helt tillfredsställande utnyttja potentialen hos kvantbitar. Idag ska vi försöka ta reda på vad som är speciellt med just dessa kvantbitar?
Finns kvantdatorer?
Kärnan i någon riktig vetenskapsman är att inte lita på och att kontrollera hela tiden. Jag kom ihåg just dessa ord när jag fortfarande var student. Och mer än en gång försäkrade han sig om riktigheten av denna fras. Det gäller även "kvantdatorer". Varför citerade jag namnet på dessa datorer? Låt oss ta reda på.
Kvantdatorer är ett väldigt komplext ämne, men jag ska försöka göra det så enkelt som möjligt och prata om dem på ett tillgängligt sätt. Än idag kan forskare, fysiker och ingenjörer diskutera den till synes enkla frågan om det finns en fungerande kvantdator någonstans i världen. ”Men hur trots allt företag som IBM skryter om kvantdatorer!” – kanske någon säger. Och han kommer att ha rätt. Det är fortfarande en öppen fråga om IBM verkligen har skapat en kvantdator eller helt enkelt kallat dess enhet en "kvantdator".
När en av mina vänner ber mig förklara i enkla ord hur kvantdatorer skiljer sig från de datorer vi är vana vid brukar jag använda en enkel jämförelse. Om våra klassiska datorer (t.ex PC, bärbara datorer att smartphones) är ljus, då är kvantdatorer glödlampor. Syftet med båda är detsamma – för glödlampor och ljus är det utsläpp av ljus, och för datorer är det för beräkningar. Men i båda fallen uppnås målet helt olika och resultatet är annorlunda. Enkelt uttryckt är en kvantdator inte bara en förbättrad version av moderna datorer, precis som en glödlampa inte bara är ett större ljus. Du kan inte skapa en glödlampa genom att göra ljus bättre och bättre. Glödlampan är annorlunda teknologi, baserad på djupare vetenskaplig förståelse. Likaså är en kvantdator en ny typ av enhet baserad på kvantfysik, och precis som glödlampan förändrade samhället kan kvantdatorer påverka många aspekter av våra liv, inklusive säkerhetsbehov, sjukvård och till och med internet.
Så, om vi håller oss till jämförelsen av datorer med glödlampor, så har "quantum Joseph Swan" (skaparen av den första funktionella glödlampan) ännu inte dykt upp, och hittills försöker vetenskapen, i enkla ord, göra "något rött och varmt" genom att kontrollera hur mycket det lyser. Vi känner till några av de teoretiska grunderna för hur kvantdatorer fungerar, men det finns enorma hinder för deras utveckling som fortfarande väntar på att bli lösta.
Forskningscentra och företag runt om i världen genomför ytterligare tester och forskning, och experter inom kvantfysikområdet är överens om att skapandet av fullt fungerande kvantmaskiner som vi kan använda för att uppnå mål som är omöjliga att uppnå i detta skede uppenbarligen kommer att passera tiotals år.
Jag tror, och många forskare kommer att hålla med mig, att de maskiner som för närvarande kallas kvantdatorer inte alls förtjänar ett sådant namn. De saknar förmågan att utföra beräkningar eller lösa problem som vi inte kan lösa på ett normalt, klassiskt sätt.
Vi har ännu inte nått en sådan grad av vår tekniska utveckling att vi skulle kunna skapa en kvantmaskin som skulle lösa problem som för närvarande är otillgängliga för klassiska datorer. Visst pratar Google eller IBM om några utförda beräkningar som skulle vara svåra att göra på ett klassiskt sätt, men i nuläget är de inte övertygande.
Läs också: Kina är också ivrigt att utforska rymden. Så hur mår de?
Vad är ett kvantum?
Vad är ett "kvantum" egentligen? Det är inte ett fysiskt föremål. Termen "kvantum" används i fysiken för att beskriva minsta möjliga bråkdel av något. Du kan alltså ha ett "kraftkvantum", ett "tidskvantum" eller ett "partikelkvantum". Efter denna väg kommer vi att komma fram till termer som "kvantfysik" och "kvantmekanik", det vill säga grenar av vetenskapen som sysslar med minsta möjliga interaktioner eller system - på atomnivå och till och med individuella kvarkar.
Och nu har vi nått kvantbiten (kvantbiten), det vill säga den "minsta och odelbara enheten av kvantinformation". Samtidigt kommer vi också till den första punkten, som berättar om likheterna och skillnaderna i hur klassiska datorer (som använder bitar) och kvantdatorer (som använder qubits) utför beräkningar.
I klassiska datorer lagras varje information som en sekvens av ettor och nollor. Sådan information uppfattas och tolkas av en dator, konsol, smartphone, smart klocka att smart TV, liknande de operationer som utförs på denna information. Oavsett om vi tittar på semesterfoton, chattar med vänner, spelar det senaste spelet eller utför avancerade kryptografiska beräkningar, händer allt i ett binärt system där det finns 0:or eller 1:or och inget annat. I själva verket är det mer som ett klassiskt ja eller nej.
Hur ineffektivt detta system är kan man se när vi når dess gränser. Och oavsett om vi får ont om utrymme på våra smartphones för ytterligare en selfie eller om forskare försöker skapa matematiska modeller för utvecklingen av en pandemi, är problemet att det finns för många nollor och ettor, och resurserna för att lagra dem och kraften att beräkna dem är inte tillgängliga.
Qubit löser detta problem. Denna del av information använder egenskaper hos kvantfysiken som gör att den kan förbli i en så kallad superposition. En qubit kan ta vilket värde som helst mellan 0 och 1. Den har egenskaperna för hela spektrumet och kan ha värden som 15 procent noll och 85 procent ett. Teoretiskt låter detta dig spara mycket mer information eller påskynda beräkningar. Men samtidigt uppstår en hel del problem som är svåra att kontrollera och till och med förstå.
En annan egenskap hos kvantdatorer, som tillåter ytterligare skalning av datorkraft, är användningen av kvantentanglement. Detta är ett tillstånd där två qubits är kopplade till varandra, och varje gång vi observerar en av dem kommer den andra att vara i exakt samma tillstånd. Entanglement gör att qubits kan grupperas i ännu mer effektiva enheter för inspelning och bearbetning av information.
Läs också: Vilka är biohackers och varför chippar de sig själva frivilligt?
Kvantutrustning
En kvantdator består av tre huvuddelar: ett område för lagring av qubits, en metod för att överföra signaler till qubits och en klassisk dator för att köra ett program och skicka instruktioner.
Kvantmaterialet som utgör qubits är känsligt och extremt känsligt för miljöpåverkan. För vissa qubit-lagringsmetoder hålls enheten som inrymmer qubits vid en temperatur nära absolut noll för att maximera deras koherens. Andra typer av qubit-lagring använder en vakuumkammare för att minimera vibrationer och stabilisera qubitarna.
Det finns olika metoder för att överföra signaler till qubits, såsom mikrovågor, lasrar och elektrisk spänning.
För att etablera kvantdatorernas normala funktion är det nödvändigt att lösa många problem. Ett stort problem med kvantdatorer är felkorrigering, och skalning (att lägga till fler qubits) ökar deras frekvens ytterligare. På grund av dessa begränsningar är en kvantdator på ditt skrivbord fortfarande en avlägsen framtid, men kommersiella kvantdatorer kan bli tillgängliga inom en snar framtid. Låt oss prata om detta mer i detalj.
Problem med kvantdatorer
Kvantdatorer har dock ett stort problem. Det vill säga, forskare har ett enormt problem med deras användning, eftersom qubits, tack vare sina speciella egenskaper, behöver en tillräckligt lugn miljö för att exakt kunna läsa all data från dem. Varje, även den minsta överträdelse kommer att göra det omöjligt att läsa informationen korrekt.
När det gäller klassiska datorer spelade ett liknande problem också en viktig roll tidigare, men idag är det så obetydligt att det ofta förbises även inom den akademiska vetenskapen. Vi pratar om felfrekvens. Det är en indikator som bestämmer hur stor andel av bitar eller qubits av information som kan skadas. Detta kan till exempel ske vid tidpunkten för överspänning eller andra störningar.
För klassiska enheter är felsannolikheten ungefär en till 1017 bit När det gäller kvantdatorer är detta fortfarande en av flera hundra. Och detta är i en situation där kvantdatorer arbetar under de mest isolerade förhållandena och vid en temperatur på -272 grader Celsius, det vill säga något över absoluta nollpunkten. Eventuella temperaturfluktuationer, förändringar i det elektromagnetiska fältet och till och med rörelse förstör hela beräkningen.
Ett annat problem är "instabiliteten" i kvanttillstånd. Varje gång vi mäter eller vill störa ett kvanttillstånd återgår det till en av två positioner, noll och en. I det här fallet kommer kvanttillståndet att förfalla. Denna process kallas kvantdekoherens.
Tänk på det så här: en kvantdator är en skicklig matematiker som utför komplexa beräkningar, och dess resultat är mellan 0 och 1 miljon. Vi är i sin tur ett barn som bara förstår att något kan vara för mycket eller för lite. Närhelst en matematiker kan ha olika resultat, såsom 356 670,23 eller 1 846 662, enligt vår förståelse av världen skulle vart och ett av dessa resultat klassificeras som få (0) eller många (1), utan att definiera en specifik skillnad mellan de två. Detta är kvantdekoherens. Det enda sättet att göra en korrekt beräkning är att garantera matematikarbetet innan det är klart.
Läs också: Vad kommer uthållighet och uppfinningsrikedom att göra på Mars?
Vad ska vi använda kvantdatorer till?
Idag uppstår frågan om vad kvantdatorer kan användas till, precis som för 20 år sedan, vad en smartphone kan användas till. Naturligtvis finns det redan några planer och antaganden, men de mest intressanta riktningarna för användningen av qubits kommer förmodligen att bli tydliga när kvantdatorer blir utbredda.
Kryptografi är ett av de mest populära områdena där kvantberäkning oftast används. Saken är att det kommer att vara en metod för att överföra information på ett mycket säkert sätt, och säkerheten är inte baserad på komplexiteten i beräkningsprocesser, utan på fysikens lagar, vilket kommer att ge förtroende för att vissa saker helt enkelt är omöjliga. Och i detta ögonblick kommer det att vara omöjligt att lyssna, spionera, hacka.
Säkerhet i detta fall garanteras av de mycket fysiska egenskaperna hos qubits, som, som jag förklarade tidigare, upphör att visa superpositionsegenskaper så snart de observeras. Så varje försök att fånga upp eller till och med kopiera det kodade meddelandet kommer helt enkelt att förstöra det.
Kvantdatorer kan också ge oss möjlighet att bättre förstå naturliga processer. Superpositionens "kaos" speglar mycket bättre sättet, till exempel, mutationer i DNA, och därför utvecklingen av sjukdomar och evolution. Quantum computing används redan idag för att skapa nya läkemedel.
Kanske är det vettigt att prata om användningen av kvantdatorer för datateleportering. Ja, just teleportering av data, och eventuellt en person. Vi kommer att kunna teleportera information från plats till plats utan att fysiskt överföra den. Det låter som fantasi, men det är möjligt, eftersom denna fluiditet av kvantpartiklar kan trassla in sig i tid och rum, så att en förändring i en partikel kan påverka en annan, och detta skapar en kanal för teleportering. Detta har redan demonstrerats i laboratorier och kan vara en del av framtidens kvantinternet. Vi har inte ett sådant nätverk ännu, men vissa forskare arbetar redan med dessa möjligheter och simulerar ett kvantnätverk på en kvantdator. De har redan utvecklat och implementerat intressanta nya protokoll, som teleportering mellan nätverksanvändare och effektiv dataöverföring och till och med säker röstning.
Det ska också sägas att kvantdatorer ska användas för att simulera olika situationer och hitta lösningar på problem, inklusive mediciner och vacciner. Till exempel under pandemier som coronaviruset, när snabbare beräkning och beräkning av alternativ behövs. Här kan du använda möjligheten till kvantmodellering, som inte kan utföras på en klassisk dator. När en ny sjukdom uppstår tar processen att hitta ett botemedel cirka 15 år och kan kosta upp till 2,6 miljarder dollar. I vissa sjukdomar är det nödvändigt att filtrera igenom miljontals molekyler för att identifiera endast hundratals lovande individer som sannolikt kommer att bli donatorer. Sedan, under testning, tappas cirka 99 % av molekylerna på grund av bland annat felaktig förutsägelse av beteende och provtagningsbegränsningar. Det är här kvantdatorer skulle komma i förgrunden.
Och dessa är fortfarande bara några av de underbara idéerna om vad som kan uppnås med hjälp av kvantfysik. För närvarande lyckas vi till viss del tämja hennes nyckfulla karaktär, men all utveckling är fortfarande på den initiala nivån. Skapandet av en riktig kvantdator och dess masstillämpning är fortfarande ganska långt borta, men framstegen står inte stilla. Därför kanske du om cirka tio år kommer att läsa den här artikeln med hjälp av en kvantdator och kommer att le nedlåtande.
Läs också:
Çoch sağ olun, muellimin bize moderna minnesenheter