Hvad er Quantum Computing? Den næste æra af beregningsmæssig evolution, forklaret

Når du først støder på begrebet "kvantecomputer", kan du udgive det som et eller andet vidtstrakt science fiction-koncept snarere end en seriøs aktuel nyhed.

Men med sætningen, der bliver kastet rundt med stigende frekvens, er det forståeligt at spekulere på præcis, hvad kvantecomputere er, og lige så forståeligt at være i tvivl om, hvor man skal dykke ind. Her er en oversigt over, hvad kvantecomputere er, hvorfor der er så meget buzz omkring dem, og hvad de kan betyde for dig.

Hvad er kvanteberegning, og hvordan fungerer det?

Al databehandling er afhængig af bits, den mindste informationsenhed, der er kodet som en "on"-tilstand eller en "off"-tilstand, mere almindeligt omtalt som et 1 eller et 0, i et eller andet fysisk medium.

Det meste af tiden tager lidt den fysiske form af et elektrisk signal, der rejser over kredsløbene i computerens bundkort. Ved at sætte flere bits sammen kan vi repræsentere mere komplekse og nyttige ting som tekst, musik og mere.

De to vigtigste forskelle mellem kvantebits og "klassiske" bits (fra de computere, vi bruger i dag) er den fysiske form, bits har, og tilsvarende arten af ​​data, der er kodet i dem. De elektriske bits i en klassisk computer kan kun eksistere i én tilstand ad gangen, enten 1 eller 0.

Kvantebits (eller "qubits") er lavet af subatomære partikler, nemlig individuelle fotoner eller elektroner. Fordi disse subatomære partikler er mere i overensstemmelse med kvantemekanikkens regler end klassisk mekanik, udviser de kvantepartiklernes bizarre egenskaber. Den mest fremtrædende af disse egenskaber for dataloger er superposition. Dette er ideen om, at en partikel kan eksistere i flere tilstande samtidigt, i det mindste indtil den tilstand måles og kollapser til en enkelt tilstand. Ved at udnytte denne superpositionsegenskab kan dataloger få qubits til at kode en 1 og en 0 på samme tid.

Den anden kvantemekaniske særhed, der får kvantecomputere til at tikke, er sammenfiltring, en sammenkobling af to kvantepartikler eller, i dette tilfælde, to qubits. Når de to partikler er viklet ind, vil ændringen i tilstanden af ​​en partikel ændre tilstanden af ​​dens partner i en forudsigelig måde, som er praktisk, når det er tid til at få en kvantecomputer til at beregne svaret på problemet du fodrer den.

En kvantecomputers qubits starter i deres 1-og-0-hybridtilstand, da computeren i starten begynder at knokle igennem et problem. Når løsningen er fundet, kollapser qubits i superposition til den korrekte orientering af stabile 1'ere og 0'ere for at returnere opløsningen.

Hvad er fordelen ved kvanteberegning?

Bortset fra det faktum, at de er langt uden for rækkevidde af alle undtagen de mest elite forskerhold (og vil sandsynligvis forblive sådan i et stykke tid), har de fleste af os ikke meget brug for kvantecomputere. De giver ikke nogen reel fordel i forhold til klassiske computere til den slags opgaver, vi udfører det meste af tiden.

Men selv de mest formidable klassiske supercomputere har svært ved at løse visse problemer på grund af deres iboende beregningsmæssige kompleksitet. Dette skyldes, at nogle beregninger kun kan opnås ved brute force, ved at gætte, indtil svaret er fundet. De ender med så mange mulige løsninger, at det ville tage tusinder af år for alle verdens supercomputere tilsammen at finde den rigtige.

Superpositionsegenskaben udstillet af qubits kan tillade supercomputere at skære denne gættetid ned hurtigt. Klassisk databehandlings besværlige trial-and-error-beregninger kan kun give et gæt ad gangen, mens den dobbelte 1-og-0-tilstand af en kvantecomputers qubits lader den foretage flere gæt på samme tid.

Så hvilken slags problemer kræver al denne tidskrævende gætteberegning? Et eksempel er simulering af atomstrukturer, især når de interagerer kemisk med andre atomers. Med en kvantecomputer, der driver atommodelleringen, kunne forskere inden for materialevidenskab skabe nye forbindelser til brug i teknik og fremstilling. Kvantecomputere er velegnede til at simulere lignende indviklede systemer som økonomiske markedskræfter, astrofysisk dynamik eller genetiske mutationsmønstre i organismer, for kun at nævne nogle få.

Midt i alle disse generelt harmløse anvendelser af denne nye teknologi, er der dog også nogle anvendelser af kvantecomputere, der giver anledning til alvorlige bekymringer. Langt den hyppigst nævnte skade er potentialet for kvantecomputere bryde nogle af de stærkeste krypteringsalgoritmer, der er i brug i øjeblikket.

I hænderne på en aggressiv udenlandsk regeringsmodstander kunne kvantecomputere kompromittere et bredt skår af ellers sikker internettrafik, hvilket efterlader følsom kommunikation modtagelig for udbredt overvågning. Der arbejdes i øjeblikket på at modne krypteringscifre baseret på beregninger, der stadig er svære for selv kvantecomputere at gøre, men de er ikke alle klar til prime-time, eller bredt vedtaget i øjeblikket.

Er kvanteberegning overhovedet muligt?

For lidt over et årti siden var den egentlige fremstilling af kvantecomputere knap i sin begyndende fase. Fra 2010'erne tog udviklingen af ​​fungerende prototype kvantecomputere dog fart. En række virksomheder har samlet fungerende kvantecomputere for et par år siden, hvor IBM går så langt som at tillade forskere og hobbyfolk at køre deres egne programmer på det via skyen.

På trods af de fremskridt, som virksomheder som IBM utvivlsomt har gjort for at bygge fungerende prototyper, er kvantecomputere stadig i deres vorden. I øjeblikket kræver de kvantecomputere, som forskerhold har konstrueret indtil videre, en masse overhead for at udføre fejlkorrektion. For hver qubit, der rent faktisk udfører en beregning, er der flere dusin, hvis opgave det er at kompensere for ens fejl. Samlingen af ​​alle disse qubits udgør det, der kaldes en "logisk qubit".

Lang historie kort, industri- og akademiske titaner har fået kvantecomputere til at fungere, men de gør det meget ineffektivt.

Hvem har en kvantecomputer?

Hård konkurrence mellem kvantecomputerforskere raser stadig, mellem store og små aktører. Blandt dem, der har fungerende kvantecomputere, er de traditionelt dominerende teknologivirksomheder, man ville forvente: IBM, Intel, Microsoft og Google.

Lige så krævende og dyrt af et foretagende, som at skabe en kvantecomputer er, er der et overraskende antal mindre virksomheder og endda startups, der tager udfordringen op.

De forholdsvis magre D-Wave Systems har ansporet mange fremskridt på området og beviste, at det ikke var ude af strid ved at besvare Googles betydningsfulde meddelelse med nyheder om en kæmpe aftale med Los Alamos National Labs. Alligevel er mindre konkurrenter som Rigetti Computing også med i opløbet etablere sig som kvantecomputerinnovatorer.

Afhængigt af hvem du spørger, får du en anden frontløber for den "mest kraftfulde" kvantecomputer. Google har bestemt gjort sin sag for nylig med sin opnåelse af kvanteoverherredømme, en metrik, som Google selv mere eller mindre har udtænkt. Kvanteoverherredømme er det punkt, hvor en kvantecomputer først er i stand til at udkonkurrere en klassisk computer ved en eller anden beregning. Googles Sycamore-prototype udstyret med 54 qubits var i stand til at bryde den barriere ved at lyne igennem et problem lige under tre og et halvt minut, der ville tage den mægtigste klassiske supercomputer 10.000 år at køre igennem.

For ikke at blive overgået praler D-Wave med, at de enheder, den snart vil levere til Los Alamos, vejer 5000 qubits stykket, selvom det skal bemærkes, at kvaliteten af ​​D-Waves qubits er blevet sat i tvivl før. IBM har ikke lavet den samme slags sprøjt som Google og D-Wave i de sidste par år, men de skal heller ikke tælles ud endnu, især i betragtning af deres spor rekord af langsomme og stabile præstationer.

Kort sagt er kapløbet om verdens mest kraftfulde kvantecomputer lige så åbent, som det nogensinde har været.

Vil kvantedatabehandling erstatte traditionel databehandling?

Det korte svar på dette er "ikke rigtig", i det mindste for den nærmeste fremtid. Kvantecomputere kræver en enorm mængde udstyr og finjusterede miljøer for at fungere. Den førende arkitektur kræver afkøling til blot grader over det absolutte nulpunkt, hvilket betyder, at de ikke er nær praktiske for almindelige forbrugere nogensinde at eje.

Men som eksplosionen af ​​cloud computing har bevist, behøver du ikke eje en specialiseret computer for at udnytte dens muligheder. Som nævnt ovenfor tilbyder IBM allerede dristige teknofiler chancen for at køre programmer på en lille delmængde af deres Q System Ones qubits. Med tiden vil IBM og dets konkurrenter sandsynligvis sælge regnetid på mere robuste kvantecomputere til dem, der er interesserede i at anvende dem på ellers uudgrundelige problemer.

Men hvis du ikke forsker i den slags usædvanligt vanskelige problemer, som kvantecomputere sigter mod at løse, vil du sandsynligvis ikke interagere med dem meget. Faktisk er kvantecomputere i nogle tilfælde dårligere til den slags opgaver, vi bruger computere til hver dag, udelukkende fordi kvantecomputere er så hyperspecialiserede. Medmindre du er en akademiker, der kører den slags modellering, hvor kvantecomputere trives, vil du sandsynligvis aldrig få fingrene i en og aldrig få brug for det.

Redaktørens anbefalinger

• Hvad er GDDR7? Alt hvad du behøver at vide om næste generations VRAM
• Intel mener, at din næste CPU har brug for en AI-processor - her er hvorfor
• Surface Pro 10: her er, hvad du kan forvente af den næste generation
• ChatGPT tilsluttede sig selv til internettet. Hvad sker der nu?
• Er Apples Mac Mini M2 god? Her er hvad anmeldelser siger