Kvantecomputere dukker op nu og da som genstande af interesse og interesse - interesse fordi de tilbyder så massive stigninger i databehandlingskraft og bekymring, fordi de måske bare bryder vores nuværende kryptografi. Det er ikke længere et spørgsmål om "hvis", men om "hvornår." Den første arbejdsmodel dukkede op i 1998, men de seneste år har oplevet en massiv stigning i magten. Hvis du vil, kan du endda få adgang til en af ​​IBMs kvantemaskiner via internettet lige nu.

Fangsten? Kvantecomputere er ikke særlig nyttige endnu. De kræver for tiden nogle højtydende videnskabeligt udstyr til at fungere, er dyre at opbygge og vedligeholde, og er kun gode til specifikke opgaver. Grunden er, at kvantecomputere næsten er ved at være fantastiske videnskabelige maskiner, men de kan aldrig rent faktisk fremskynde levering af kattebilleder fra internet-servere til dine øjenkugler.

"I 1940'erne opdagede forskerne bare, hvordan man anvendte vakuumrør så enkle omskiftere. ... Disse kontakter kan danne logiske porte, som kunne knyttes sammen til dannelse af de første logiske kredsløb. Det er her, vi er i gang med kvanteprocessorer. Vi har verificeret, at alle komponenterne virker. Det næste skridt er at konstruere det mindste, men mest interessante kredsløb muligt. "- Jungsang Kim, Duke University

For længe læste ikke

Kvantecomputere er komplicerede, så hvis du bare søger at få ideen uden at komme ind i detaljerne, er dette for dig.

  • Konventionelle processorer arbejder ved at have mange små dele, der kan "vendes" til enten 0 eller 1 position.
  • Superposition: et "Schrodinger's cat" scenario: noget kan eksistere i flere stater, indtil det observeres. For kvantecomputere betyder det, at det kan gemme 0 og 1 samtidigt, indtil det bliver opfordret til at være den ene eller den anden.
  • Quantum entanglement: en egenskab, der lader kvantepartikler tale med hinanden - selv over mange kilometers afstande, vil eventuelle ændringer i en partikel også påvirke den anden. Dette gør det muligt for kvantecomputere at kombinere "superpositionerede" chips for eksponentielt at øge hastigheden og lagerpladsen. To bytes kan kun gemme et af følgende: 0-0, 0-1, 1-0 eller 1-1. To qubits kan gemme alle dem.
  • Qubits: Konventionelle computere bruger bits og bytes; kvantecomputere bruger qubits. Det er de ting der findes på flyet mellem 0 og 1, og de er, hvad alle prøver at forfalske og lægge på chips.
  • Kvantecomputere er ikke særlig nyttige til daglige computing ting, men de vil være sindssygt gode på nogle meget komplekse ting.

Konventionelle processorer

Konventionelle processorer, som Intel eller AMD-chip i din computer, er i det væsentlige regnemaskiner, der følger logiske veje - de får nogle data og et sæt instruktioner, der fortæller dem, hvad de skal gøre (matematik, som at tilføje / multiplicere; logik, ligesom AND / NOT) . De udfører operationen og sender resultatet, der skal opbevares et andet sted. Det er så simpelt, et input / nummer går ind, og en udgang kommer ud; hvis det virker abstrakt, forestil dig bare en sort boks, der tager instruktioner og materialer og spytter et produkt ud. Hvis du har en 2, 4 GHz processor, gør din computer omkring 2, 4 milliarder af disse operationer per sekund. Jo flere numre du kan komme ud af din processor pr. Sekund, jo hurtigere vil dine programmer udføre.

På hardwareniveau er processorer sammensat af millioner eller endda milliarder transistorer, som i det væsentlige er små småkontakter, der konstant skiftes (de bevæger sig ikke, ændrer bare deres elektriske ladestatus) til at repræsentere et af to stater: 0 eller 1. Disse er indrettet til logiske porte, caches og andre fancy ting på chippen, men det eneste, vi skal vide, er, at transistorer kun har to mulige stater: de er altid indstillet til enten 0 eller 1, hvilket tillader en beregning til gøres ad gangen.

For at opsummere: konventionelle processorer gør millioner af meget enkle operationer meget hurtigt ved hjælp af millioner / milliarder transistorer arrangeret i bestemte mønstre og indstillet til enten 0 eller 1 afhængigt af instruktioner.

Schrodinger's Cat og Superposition

I stedet for at komme lige ind i møtrikkerne og bolte, er det bedst at starte med nogle smukke fysikker. (Du skal ikke bekymre dig; der er ingen matematik.)

Schrodinger katte er et af de mest kendte eksempler på kvantefysik, og det handler om ideen om "superposition". Det er ret simpelt: en videnskabsmand har en kasse med en kat inde. Katten har 50% chance for at dø. (Ingen katte blev skadet ved at lave denne illustration.) Forskeren har ikke åbnet boksen, så han ved ikke, om katten er i live eller død.

Fra et objektivt synspunkt skal katten være enten død eller levende, men fra et kvantefysisk synspunkt er begge sande, i det mindste indtil kassen er åbnet. Hvorfor? Fordi (for vores formål, i det mindste, der er mange forskellige måder at nærme sig på), videnskabsmandens behandlingsenhed (hans hjerne) ved ikke, hvad svaret er, bortset fra at det kunne være enten en levende eller en død kat. I teorien har forskeren forberedt sig på begge muligheder, så når han åbner boksen, modtager hans hjerne input (katten er i live!) Og producerer den forudberegnede output (relief, formodentlig).

"Ikke alene er universet fremmed, end vi tror, ​​det er fremmed, end vi kan tænke." - Werner Heisenberg

Dette er superposition : ideen om, at der eksisterer noget i flere stater, indtil det observeres, måles eller på anden måde handles. Hvordan gælder dette for kvantecomputere? Udskift kun forskerens hjerne med en processor (metaforisk): den kender allerede de forskellige muligheder (instruktionen kan enten være for en 0 eller en 1), og det lagrer alle muligheder på samme tid. Når det kommer til output, udsender det dog en 0 eller 1, ligesom en normal processor. Alle muligheder kan eksistere samtidigt, men kun en output kan dukke op. Det er ikke særlig nyttigt med kun to tal, men når du skalere dette op til det punkt, hvor kvantecomputere kan beregne billedvis af muligheder ad gangen, begynder potentialet at blive tydeligt.

Som en analogi, forestil dig at smide en mønt i luften. Mens det flyver, roterer det hele tiden mellem hoveder og haler, der effektivt er hoveder, haler og både hoveder og haler. Det er en kvantecomputer's processor, der gør det, og det er derfor, det kan beregne stort set alle mulige resultater med det samme.

Quantum entanglement

Ting begynder at blive meget interessante her. Det viser sig, at kvantepartikler kan eksistere parvis, og at hvert medlem af parret er et spejlbillede af den anden. Dette er "quantum entanglement." Hvis der sker noget med partikel 1, forekommer der en modsat ændring i partikel 2. Einstein kaldte denne "spooky action på afstand" på grund af hvor ulige denne egenskab er. Militære forskere eksperimenterer endda med at bruge den til at erstatte radar - bare skyde den ene halvdel af et indviklet par op i himlen og se hvad der sker med sin partner herinde for at finde ud af om det rammer et fly.

"Hvis kvantemekanik ikke har dræbt dig dybt, har du ikke forstået det endnu." - Niels Bohr

Dette er en smule sindsbøjning for at få hovedet rundt, så det er tilstrækkeligt at sige, at kvantecomputere kan bruge sammenkobling til at forbinde flere "quantum transistorer" eller "qubits" for at øge niveauet af kompleksitet eksponentielt. En computer kan se på tilstanden på en qubit og derefter finde ud af, hvad alle de andre også har, fordi de er sammenfaldende.

qubits

Det er her, hvor hardwaren kommer ind. Qubits er som de almindelige computerbits og bytes den mest grundlæggende enhed for kvantinformationslagring. Den store forskel er, at hver qubit eksisterer på en måde som både 0 og 1 samtidigt, som kan replikeres på computerchips på få forskellige måder, fra superkølede superledere til lasere. Slutmålet er det samme, selvom: Få en slags partikel til at eksistere i den underlige kvante tilstand, hvor det er to ting på én gang. For eksempel kan en lille strimmel af forkølet metal spole elektroner rundt med meget lidt modstand, hvilket skaber potentialet for enhver stat i stedet for at holde qubit i en tilstand.

Et godt næste skridt er at forkaste qubits, hvilket i det væsentlige betyder, at du skal synkronisere dem helt op til samme frekvens, så de kan arbejde sammen. Dette gør kvantecomputere meget magtfulde, fordi det er muligt at få en hel chip af dem til at samle qubits sammen. På egen hånd er et qubit ret imponerende, men det gør ikke noget for spændende. Når den er forankret med en anden qubit, kan den dog gemme alle mulige værdier af begge qubits kombineret: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, med 2 ^ 2 muligheder. Hvis du forstyrrer tre qubits, har du nu 2 ^ 3 muligheder (8). Verdenspostchipet i juni 2018 har 72 qubits, som i teorien kunne udføre så mange beregninger i et sekund som en personlig computer kunne i over en uge.

For at gøre dette lidt enklere: Hvis du sammenligner to konventionelle bits til to qubits, er den mest synlige forskel, at to bits kun kan være 0-0, 0-1, 1-0 eller 1-1 - kun en kombination af binære resultater. To qubits kan imidlertid gemme alle fire af dem på samme tid, og da de vokser eksponentielt, går et par qubits meget længere end et par stykker. 3 indviklede qubits kan være 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 og 0- 1-0 samtidig - behold scaling det ene strøm ad gangen, og du ender med en computer, der kan gemme nogle meget komplekse muligheder.

Kommer snart (for et par specifikke ting)

Så dette er en kvantecomputer: en maskine, der kender alle svarene, men giver kun den, der svarer til spørgsmålet. Det er en tankebøjningsmaskine, men det er blevet bygget, og det bliver større og bedre så hurtigt, at det er svært at holde op. Du kan undre dig, når du skal få en lille subarktisk fryser fyldt med uhyggelig videnskab i din computer, og svaret er desværre ikke snart. Det er ikke at sige, det kommer aldrig til at ske, men lige nu kan det stort set kun fungere inde i et laboratorium, og din femårige laptop kan sikkert slå en kvantecomputer ved de fleste ting. Kvantecomputere vil være meget gode på nogle få ting, men som:

  • Bryd kryptering: Du behøver ikke at eje Bitcoin for at være bekymret for kryptering nedbrydning. Det er hvad der holder stort set alt på internettet fra at være åbent læselig til nogen, der ønsker at slippe ind og tage et kig. Din Wi-Fi? Krypteret. Kreditkort? Krypteret. Breaking RSA-kryptering betragtes som umuligt med normale computere, men det er bare fordi de ikke kan gætte hurtigt nok. Quantum computere er fantastiske at gætte. Heldigvis ser quantum entanglement ud, at det kan give en ny måde at kryptere ting på.
  • Søger enorme mængder data: Quantum-computere kan se på dataene, gemme alle svarene og besvare dit spørgsmål med det samme. Sig, at du har en tilfældig liste over tal, og du ved, at nummeret 193.201 forekommer et sted i det. En almindelig computer skal cykle gennem alle numrene for at finde den, men en kvantecomputer vidste, hvor det var før du selv spurgte.
  • Modellering af ekstremt komplekse scenarier: Kemiske strukturer, fysikproblemer, vejrudsigter massivt komplekse systemer med mange mulige resultater - det er her hvor kvantecomputere skinner. Fordi det kan eksistere i så mange mulige stater på en gang, kan det replikere den faktiske kompleksitet af den variabelfyldte naturlige verden (som selv er i en kvantestat)

"På mindre end ti år begynder kvantecomputere at overgå daglige computere, hvilket fører til gennembrud i kunstig intelligens, opdagelsen af ​​nye lægemidler og videre. Den meget hurtige databehandlingsstyrke givet af kvantecomputere har potentialet til at forstyrre traditionelle virksomheder og udfordre vores cybersikkerhed. Virksomheder skal være klar til en kvante fremtid, fordi den kommer. "- Jeremy O'Brien, University of Bristol

Kvantecomputere, som de eksisterer i øjeblikket, ser ud til at de hovedsagelig vil være problemløsende maskiner, optimering af forsyningskæder, strømforsyning af kunstig intelligens, forudsigelse af vejret, aktiemarkedet osv. IBM, Intel, D-Wave, Google og andre virksomheder producerer allerede versioner af disse maskiner og undersøger måder at gøre dem mere praktiske og anvendelige.

En betydelig hindring er imidlertid, at da qubits er bygget på at beregne så mange muligheder, får kvantecomputere nogle gange fejl i tingene. Forskere arbejder på at fastsætte dette, men det er en anden grund til, at du sandsynligvis ikke vil have en kvantecomputer, der erstatter din meget mere mekaniske (og derfor præcise) processor.

Konklusion: Forvirring, men det er okay

"Det er den ene del af Microsoft, hvor de lagde dias, som jeg virkelig ikke forstår. Jeg kender en masse fysik og masser af matematik. Men det ene sted hvor de lægger dias og det er hieroglyffer, det er kvante. "- Bill Gates

Tag trøst i dette: De fleste mennesker har ingen idé om, hvordan ting i deres computer fungerer, og selv dem der har en ide, forstår nok ikke alt om det. Det bedste ved at specialisere den måde, vi gør, er at du ikke behøver at have en anelse om, hvordan din processor fungerer for at gøre fantastiske ting med det, og det samme vil være sandt med kvantecomputere. Nøgleforskellen er, at mens din Intel i7 er ret pæn, vil det nok ikke få dig til at spørge selve virkeligheden.