Hva er Quantum Computing? The Next Era of Computational Evolution, forklart

Når du først snubler over begrepet «kvantedatamaskin», kan det hende du gir det ut som et vidstrakt science fiction-konsept i stedet for en seriøs aktuell nyhetsartikkel.

Men med uttrykket som blir kastet rundt med økende frekvens, er det forståelig å lure på nøyaktig hva kvantedatamaskiner er, og like forståelig å være rådvill om hvor du skal dykke inn. Her er en oversikt over hva kvantedatamaskiner er, hvorfor det er så mye buzz rundt dem, og hva de kan bety for deg.

Hva er kvanteberegning, og hvordan fungerer det?

All databehandling er avhengig av biter, den minste informasjonsenheten som er kodet som en "på"-tilstand eller en "av"-tilstand, oftere referert til som en 1 eller en 0, i et eller annet fysisk medium.

Mesteparten av tiden tar litt den fysiske formen av et elektrisk signal som beveger seg over kretsene på datamaskinens hovedkort. Ved å sette sammen flere biter kan vi representere mer komplekse og nyttige ting som tekst, musikk og mer.

De to viktigste forskjellene mellom kvantebiter og "klassiske" biter (fra datamaskinene vi bruker i dag) er den fysiske formen bitene har, og tilsvarende arten av data som er kodet i dem. De elektriske bitene til en klassisk datamaskin kan bare eksistere i én tilstand om gangen, enten 1 eller 0.

Kvantebiter (eller "kvantebiter") er laget av subatomære partikler, nemlig individuelle fotoner eller elektroner. Fordi disse subatomære partiklene samsvarer mer med reglene for kvantemekanikk enn klassisk mekanikk, viser de de bisarre egenskapene til kvantepartikler. Den mest fremtredende av disse egenskapene for informatikere er superposisjon. Dette er ideen om at en partikkel kan eksistere i flere tilstander samtidig, i det minste til den tilstanden måles og kollapser til en enkelt tilstand. Ved å utnytte denne superposisjonsegenskapen kan informatikere få qubits til å kode en 1 og en 0 samtidig.

Det andre kvantemekaniske særpreg som får kvantedatamaskiner til å tikke, er sammenfiltring, en kobling av to kvantepartikler eller, i dette tilfellet, to kvantebiter. Når de to partiklene er sammenfiltret, vil endringen i tilstanden til en partikkel endre tilstanden til partneren i en forutsigbar måte, som kommer godt med når det er på tide å få en kvantedatamaskin til å beregne svaret på problemet du mater den.

En kvantedatamaskins qubits starter i deres 1-og-0 hybridtilstand når datamaskinen i utgangspunktet begynner å knaske gjennom et problem. Når løsningen er funnet, kollapser qubitene i superposisjon til riktig orientering av stabile 1-er og 0-er for å returnere løsningen.

Hva er fordelen med kvanteberegning?

Bortsett fra det faktum at de er langt utenfor rekkevidden av alle unntatt de mest eliteforskerteamene (og vil sannsynligvis forbli slik en stund), har de fleste av oss ikke mye bruk for kvantedatamaskiner. De gir ingen reell fordel i forhold til klassiske datamaskiner for den type oppgaver vi gjør mesteparten av tiden.

Men selv de mest formidable klassiske superdatamaskinene har vanskelig for å løse visse problemer på grunn av deres iboende beregningskompleksitet. Dette er fordi noen beregninger bare kan oppnås med brute force, gjette til svaret er funnet. De ender opp med så mange mulige løsninger at det vil ta tusenvis av år for alle verdens superdatamaskiner til sammen å finne den riktige.

Superposisjonsegenskapen som vises av qubits kan tillate superdatamaskiner å redusere denne gjettetiden raskt. Klassisk databehandlings møysommelige prøv-og-feil-beregninger kan bare gi én gjetning om gangen, mens den doble 1-og-0-tilstanden til en kvantedatamaskins qubits lar den gjøre flere gjetninger på samme tid.

Så, hva slags problemer krever all denne tidkrevende gjettingberegningen? Et eksempel er simulering av atomstrukturer, spesielt når de samhandler kjemisk med andre atomer. Med en kvantedatamaskin som driver atommodelleringen, kunne forskere innen materialvitenskap lage nye forbindelser for bruk i ingeniør- og produksjonsindustrien. Kvantedatamaskiner er godt egnet til å simulere lignende intrikate systemer som økonomiske markedskrefter, astrofysisk dynamikk eller genetiske mutasjonsmønstre i organismer, for bare å nevne noen.

Midt i alle disse generelt inoffensive anvendelsene av denne nye teknologien, er det imidlertid også noen bruk av kvantedatamaskiner som vekker alvorlige bekymringer. Den desidert hyppigst siterte skaden er potensialet for kvantedatamaskiner bryte noen av de sterkeste krypteringsalgoritmene som er i bruk.

I hendene på en aggressiv utenlandsk regjeringsmotstander, kan kvantedatamaskiner kompromittere et bredt skår av ellers sikker internettrafikk, noe som gjør at sensitiv kommunikasjon er utsatt for utbredelse overvåkning. Det jobbes for tiden med å modne krypteringschiffer basert på beregninger som fortsatt er vanskelige for selv kvantedatamaskiner å gjøre, men de er ikke alle klare for prime-time, eller bredt adoptert for tiden.

Er kvanteberegning i det hele tatt mulig?

For litt over et tiår siden var faktisk produksjon av kvantedatamaskiner knapt i begynnende fase. Fra 2010-tallet tok imidlertid utviklingen av fungerende prototype kvantedatamaskiner fart. En rekke selskaper har satt sammen fungerende kvantedatamaskiner for noen år siden, og IBM har gått så langt som å tillate forskere og hobbyfolk å kjøre sine egne programmer på den via skyen.

Til tross for fremskritt som selskaper som IBM utvilsomt har gjort for å bygge fungerende prototyper, er kvantedatamaskiner fortsatt i sin spede begynnelse. Foreløpig krever kvantedatamaskinene som forskerteam har konstruert så langt mye overhead for å utføre feilretting. For hver qubit som faktisk utfører en beregning, er det flere dusin hvis jobb det er å kompensere for ens feil. Samlingen av alle disse qubitene utgjør det som kalles en "logisk qubit".

Lang historie kort, industri- og akademiske titaner har fått kvantedatamaskiner til å fungere, men de gjør det veldig ineffektivt.

Hvem har en kvantedatamaskin?

Det er fortsatt hard konkurranse mellom kvantedatamaskinforskere, mellom store og små aktører. Blant dem som har fungerende kvantedatamaskiner er de tradisjonelt dominerende teknologiselskapene man kan forvente: IBM, Intel, Microsoft og Google.

Så krevende og kostbart for en satsning som å lage en kvantedatamaskin er, det er et overraskende antall mindre selskaper og til og med startups som tar utfordringen.

De forholdsvis magre D-Wave Systems har ansporet til mange fremskritt på feltet og beviste at det ikke var ute av strid ved å svare på Googles betydningsfulle kunngjøring med nyheter om en stor avtale med Los Alamos National Labs. Likevel er også mindre konkurrenter som Rigetti Computing med på jakt etter etablere seg som innovatører av kvantedatabehandling.

Avhengig av hvem du spør, vil du få en annen frontløper for den "kraftigste" kvantedatamaskinen. Google gjorde absolutt sin sak nylig med sin oppnåelse av kvanteoverlegenhet, en beregning som Google selv mer eller mindre har utviklet. Kvanteoverlegenhet er punktet der en kvantedatamaskin først er i stand til å utkonkurrere en klassisk datamaskin ved en eller annen beregning. Googles Sycamore-prototype utstyrt med 54 qubits var i stand til å bryte den barrieren ved å glide gjennom et problem i underkant tre og et halvt minutt som ville tatt den mektigste klassiske superdatamaskinen 10 000 år å churne gjennom.

For ikke å overgå, skryter D-Wave av at enhetene den snart vil levere til Los Alamos veier inn på 5000 qubits stykket, selv om det bør bemerkes at kvaliteten på D-Waves qubits har blitt stilt spørsmålstegn ved før. IBM har ikke gjort den samme typen splash som Google og D-Wave de siste par årene, men de bør heller ikke telles ut ennå, spesielt med tanke på deres spor oversikt over langsomme og jevne prestasjoner.

Enkelt sagt, kappløpet om verdens kraftigste kvantedatamaskin er like åpent som det noen gang har vært.

Vil kvantedatabehandling erstatte tradisjonell databehandling?

Det korte svaret på dette er "egentlig ikke", i det minste for den nærmeste fremtiden. Kvantedatamaskiner krever et enormt volum utstyr og finjusterte miljøer for å fungere. Den ledende arkitekturen krever kjøling til bare grader over absolutt null, noe som betyr at de ikke er i nærheten av praktiske for vanlige forbrukere å eie.

Men som eksplosjonen av cloud computing har bevist, trenger du ikke å eie en spesialisert datamaskin for å utnytte dens evner. Som nevnt ovenfor, tilbyr IBM allerede dristige tenofiler sjansen til å kjøre programmer på en liten undergruppe av sin Q System Ones qubits. Med tiden vil IBM og konkurrentene sannsynligvis selge beregningstid på mer robuste kvantedatamaskiner for de som er interessert i å bruke dem på ellers uutgrunnelige problemer.

Men hvis du ikke forsker på den typen eksepsjonelt vanskelige problemer som kvantedatamaskiner tar sikte på å løse, vil du sannsynligvis ikke samhandle med dem mye. Faktisk er kvantedatamaskiner i noen tilfeller dårligere til den typen oppgaver vi bruker datamaskiner til hver dag, rent fordi kvantedatamaskiner er så hyperspesialiserte. Med mindre du er en akademiker som driver den typen modellering der kvantedatabehandling trives, vil du sannsynligvis aldri få tak i en, og aldri trenge det.

Redaktørenes anbefalinger

• Hva er GDDR7? Alt du trenger å vite om neste generasjons VRAM
• Intel tror din neste CPU trenger en AI-prosessor - her er grunnen
• Surface Pro 10: Her er hva du kan forvente av neste generasjon
• ChatGPT koblet seg nettopp til internett. Hva skjer etterpå?
• Er Apples Mac Mini M2 bra? Her er hva anmeldelser sier