Det mest innovativa som händer med kvantdatabehandling

Kvantdatabehandling har kapacitet att förändra vår framtid. Det har potential att helt omvandla medicin, bryta högnivåkryptering och påskynda artificiell intelligens. Det pågår för närvarande en tävling mellan IBM, Google och Microsoft för att bygga den mest tillförlitliga kvantdatorn som avsevärt kan överträffa alla moderna superdatorer. Det har nu blivit en miljard-dollarkamp, där alla företag hävdar om att överträffa varandra, Kina har investerat miljarder i kvantdatabehandling. Men vad är kvantdatabehandling? Kommer vi att se alldagliga stationära datorer som körs med denna teknik? Hur fungerar det egentligen?

Vad är kvantdatabehandling?

En kvantdator är precis som alla andra datorer som utför komplexa beräkningar, dock använder den kvantmekanikprinciper för att utföra dessa beräkningar i mycket höga hastigheter. En traditionell dator använder bitar, som lagrar information som binära ettor och nollor, dessa är precis som små brytare som slås på (1) och av (0). På vår traditionella dator använder vi appar, webbplatser, videor och bilder som består av miljontals bitar och översätts till det vi ser och hör på våra datorer.

Denna teori om att använda bitar fungerar bra för de flesta saker och våra datorer kan enkelt beräkna dessa resultat i ettor och nollor. Men vi vet också att det finns fall av osäkerhet som kräver extremt komplexa beräkningar, precis som i naturen och universum. Våra datorer kan inte hantera denna osäkerhet, även superdatorer har problem med att dessa beräkningar tar många år att utföra med komplexa beräkningar.

1927 introducerade den tyske fysikern Werner Heisenberg osäkerhetsprincipen, som säger att du inte kan veta allt om en kvantpartikel samtidigt. Ju mer du vet om dess position, desto mindre vet du om dess fart. Detta blev känt som kvantmekanik.

En kvantdator använder kvantmekanikens principer genom att ta dessa ettor och nollor och lägga till en osäkerhet så att den kan vara antingen 1 eller 0 samtidigt. Om du till exempel kastar ett mynt och det hamnar på krona kan det vara 1, om du kastar myntet igen kan det landa på klave och detta kan vara 0. Så varje gång du kastar myntet har du ett viss resultat. Vad händer om du kontinuerligt snurrar myntet? Är det 1 eller 0? Det är båda. Detta läge av osäkerhet är känt som superposition i kvantberäkning och är detsamma som att snurra myntet. Ju fler superpositioner du har i en kvantdator desto fler kombinationer och mer minne kan du ha.

Hur fungerar kvantdatorer?

I stället för att använda bitar som vanliga datorer använder kvantdatorer något som kallas qubits. Qubits är gjorda av superledande material och är en fysisk enhet. Qubits kontrolleras av mikrovågspulser som har specificerats med en viss frekvens och varaktighet för att sätta qubit i en superposition, eller kommer att kasta om tillståndet på ett eller annat sätt. Eftersom varje qubit representerar två tillstånd samtidigt, fördubblas det totala antalet lägen med varje extra qubit. En qubit är två nummer, två är fyra nummer, tre är åtta och så vidare. Det börjar lågt men blir snabbt enormt.

Qubits är små, ända ner på molekylär nivå. Därför är qubits mestadels tillverkade av elektroner på grund av kvantmekaniska egenskaper, speciellt deras magnetfältegenskap. Därför fungerar de som en fundamental byggsten i en kvantdator. För att en elektron ska kunna användas som en qubit måste det finnas ett tillförlitligt sätt att bestämma dess position och byta dess riktning. Qubits använder ett begrepp som kallas en kvantpunkt, vilket är en sfärisk volym vanligtvis med en diameter på en tiondel av en tusendels millimeter. Inuti denna kvantpunkt, som är tillverkad av två halvledande material som kisel och germanium kylt till exceptionellt låg temperatur, finns en fri elektron. i detta format kan den elektroniska rotationen växlas elektroniskt.

Superposition – Som redan förklarat är superposition osäkerheten i tillståndet för en qubit där den kan vara på och av samtidigt eller någonstans i ett spektrum mellan de två. Ett bra exempel på hur detta fungerar är om du ber en vanlig dator att gå in i en labyrint och hitta utgången, den kommer att prova varje enskild rutt och utesluta dem en efter en med genom “trial and error” tills den hittar sig ut ur labyrinten. Denna process kan ta lång tid och ta upp mer minne för att lagra varje misslyckad rutt. Be en kvantdator att hitta sin väg ut ur en labyrint och den kommer att följa varje gång i labyrinten samtidigt. Den kan ha den osäkerheten. Kombinerat med sammanflätning och interferens som är de två andra elementen i en kvantberäkning, och den kan hitta utgången i labyrinten på ett ögonblick.

Sammanflätning – Qubits kan också göra något som kallas sammanflätning. Om vi går tillbaka till kasta-myntanalogin, om du kastar två mynt har resultatet av det ena myntkastet inget inflytande på det andra, de är helt oberoende av varandra. I sammanflätning är två partiklar sammankopplade även om de är fysiskt kopplade från varandra. Denna sammanflätning betyder att om du kastar bägge mynten samtidigt blir resultatet också detsamma. De beter sig på ett sätt som blir ett slags system. Sammanflätning används för att minska antalet fel i ett system samtidigt som det utförs mer effektivt, vilket gör beräkningar mycket snabbare.

Interferens – Genom att använda en kvantegenskap som interferens kan du styra kvanttillstånden genom att förstärka signalerna som är mer mot rätt svar och avbryta de typer av signaler som lutar mot fel svar. Detta fungerar anmärkningsvärt likt brusreducerande hörlurar som läser av omgivande våglängder och sedan skapar motsatt våg för att avbryta den genom att skapa interferens. Som vi vet kan du konstruera interferens och dekonstruera interferens. Konstruktiv interferens förstärker våglängden så signalen blir högre, och om du har dekonstruktiv interferens blir amplituden lägre. Detta fungerar likadant vid kvantdatabehandling, vilket gör det möjligt att kontrollera tillstånden.

Kombinationen av alla dessa tre element är det som får kvantdatorer att fungera, för att utföra komplexa beräkningar vid extremt höga hastigheter.

Vilka är utmaningarna i kvantdatabehandling?

Kvantdatabehandling är ännu i sin linda, men det görs mycket bra forskning för att öppna upp dess möjligheter ytterligare. En av de största myterna kring kvantdatabehandling är att helt enkelt lägga till fler qubits kommer att öka dess kapacitet. Även om det är sant är det också en av de största utmaningarna inom kvantdatabehandling eftersom det inte bara är så enkelt. Kvantdatorer är utomordentligt komplexa maskiner med sina högprecisa mikrovågor och temperaturer under noll, de är extremt känsliga för elektriska störningar och miljöpåverkan. När du lägger till ytterligare en qubit multiplicerar du effektivt problemen.

En ytterligare utmaning som vissa finner det svårt att förstå är att du bara kan hålla kvantinformation så länge. Det finns bara så många beräkningar som kan utföras innan du börjar förlora den informationen.

Vad är nästa steg?

Vad måste hända nu? Branschledare idag måste börja bygga abstrakta lager för att göra det lättare för programmerare och forskare att bara komma in och börja lära, undersöka och hitta nya applikationsområden för kvantdatabehandling. Detta kommer också att kräva utveckling av nya kvantalgoritmer som forskningsparter arbetar med. Fortskridningen kommer också att följa den exponentiella tillväxten av hårdvara och kvantprocessorer för att addera fler qubits.

Vem använder den här tekniken?

Kvantdatabehandling har potential att snabbt påskynda artificiell intelligens och Industri 4.0. Google använder redan dem för att förbättra självkörande bilar samt modellera komplexa kemiska reaktioner.

Här är en omfattande lista över de mest populära applikationerna för kvantdatabehandling:

  • Cybersäkerhet
  • Medicinutveckling
  • Ekonomisk modellering
  • Bättre batterier
  • Renare gödsling
  • Trafikoptimering
  • Väderprognoser och klimatförändringar
  • Artificiell intelligens
  • Solfångare
  • Upptäcka material för elektronik


Daimler AG – År 2018 tillkännagav den tyska biltillverkaren Daimler AG två partnerskap med Google och IBM. Elektriska fordon är i grunden baserade på battericellkemi. Kvantdatabearbetning ger hopp för områden som cellulär simulering och åldrande av battericeller. Förbättrade batterier för elfordon kan hjälpa till att öka användningen av dessa fordon.

Daimler undersöker också hur kvantdatabehandling potentiellt kan påskynda AI, samt hantera en autonom fordonframtid och påskynda dess logistiska nätverk. Det följer i Volkswagens fotspår. 2017 tillkännagav VW ett partnerskap med Google fokuserat på liknande initiativ. De samarbetade också med D-Wave Systems 2018.

Volkswagen Group – D-Wave och VW har redan kört pilotprogram på ett antal trafik- och reserelaterade optimeringsutmaningar, inklusive effektivisering av trafikflöden i Peking, Barcelona, och i just denna månad, Lissabon. För den senare reste en hel flotta bussar längs olika vägar skräddarsydda för trafikförhållanden i realtid genom en kvantalgoritm, som VW kontinuerligt justerar efter varje försöksrunda. Enligt D-Wave VD Vern Brownell, företagets pilot “för det oss närmre än någonsin att förverkliga äkta, praktisk kvantdatabearbetning”.

JP Morgan Chase – Det är ingen överraskning att ett av de största finansiella företagen är intresserat av kvantdatabehandling. När allt kommer omkring är finansmarknaden i vissa avseenden en osäkerhet. JP Morgan är en av parterna i Microsofts kvantnätverk som inkluderar forskningsuniversitet, teknikföretag och näringsidkare. Kvantdatabehandling och ekonomisk modellering är en perfekt matchning med många strukturella likheter. Nu har forskning gjorts på Monte Carlo-modellen, som mäter sannolikheten för olika resultat och bedömer dess risker.

Vilka är de mest innovativa sakerna som händer i kvantdatabehandling?

De flesta stora genombrott som hänt hittills har kommit från kontrollerade inställningar, där man använt problem med redan kända svar för att uppnå kvantöverlägsenhet. Google hävdade nyligen att de redan hade uppnått kvantöverlägsenhet, det är där en kvantdator överträffar en traditionell dator. Google säger att dess 54 qubit-processor kunde utföra en beräkning på 200 sekunder som normalt skulle ha tagit en traditionell dator 10 000 år. Detta påstående kritiserades också kraftigt av IBM, som säger att beräkningen bara skulle ha tagit 2.5 dagar.

Forskare har även arbetat med att skapa algoritmer såsom Shor- eller Grover-algoritmer som kvantdatorer kommer att använda, men enheterna själva behöver fortfarande mycket mer arbete. Det förväntas nu att innovationen kommer att växa, öka exponentiellt med beräkningsvärde, och hårdvaruförbättringar som förväntas växa vart fjärde år baserat på kvantekvivalenten med Moores lag. Målet skulle vara att ha volymen för att köra de önskade kvantalgoritmerna. När detta inträffar kommer fokus då att ligga på kvantfelskorrigering.

En kvantdator är utformad för användning i ett stort antal komplexa beräkningar som behöver ett snabbt svar. De används inte, och kommer aldrig att användas för att ersätta våra traditionella datorer vi använder dagligen. De applikationer vi använder dagligen, som att titta på HD-video, surfa på internet och ordbehandling kommer inte att dra några fördelar av kvantdataberäkningar. Man kan se den enorma potentialen i denna teknik, och den får redan mycket fart med stora företag som investerar miljoner. Framtiden är spännande och detta är ett område att hålla koll på.

Total
0
Shares
Tidigare inlägg

Hur teknik förändrar hälso- och sjukvården

Nästa inlägg

Hur man minimerar effekterna av störningar i leveranskedjan: En komplett guide

Relaterade inlägg