Vad är Quantum Computing? The Next Era of Computational Evolution, Explained

När du först snubblar över termen "kvantdator", kanske du föredrar det som något långt hållet science fiction-koncept snarare än ett seriöst aktuellt nyhetsinslag.

Men med frasen som kastas runt med ökande frekvens är det förståeligt att undra exakt vad kvantdatorer är, och lika förståeligt att vara osäker på var man ska dyka in. Här är en sammanfattning av vad kvantdatorer är, varför det är så mycket surr runt dem och vad de kan betyda för dig.

Vad är kvantberäkning och hur fungerar det?

All beräkning förlitar sig på bitar, den minsta informationsenheten som är kodad som ett "på"-tillstånd eller ett "av"-tillstånd, mer allmänt kallad 1 eller 0, i något fysiskt medium eller annat.

För det mesta tar lite den fysiska formen av en elektrisk signal som färdas över kretsarna i datorns moderkort. Genom att sätta ihop flera bitar kan vi representera mer komplexa och användbara saker som text, musik och mer.

De två nyckelskillnaderna mellan kvantbitar och "klassiska" bitar (från de datorer vi använder idag) är den fysiska formen bitarna har och, på motsvarande sätt, karaktären på data som kodas i dem. De elektriska bitarna i en klassisk dator kan bara existera i ett tillstånd åt gången, antingen 1 eller 0.

Kvantbitar (eller "kvantbitar") är gjorda av subatomära partiklar, nämligen enskilda fotoner eller elektroner. Eftersom dessa subatomära partiklar överensstämmer mer med kvantmekanikens regler än klassisk mekanik, uppvisar de kvantpartiklarnas bisarra egenskaper. Den mest framträdande av dessa egenskaper för datavetare är superposition. Detta är tanken att en partikel kan existera i flera tillstånd samtidigt, åtminstone tills det tillståndet mäts och kollapsar till ett enda tillstånd. Genom att utnyttja denna superpositionsegenskap kan datavetare få qubits att koda en 1 och en 0 samtidigt.

Den andra kvantmekaniska egenheten som får kvantdatorer att ticka är entanglement, en länkning av två kvantpartiklar eller, i det här fallet, två qubits. När de två partiklarna är intrasslade, kommer förändringen i tillståndet för en partikel att ändra tillståndet för dess partner i en förutsägbart sätt, vilket kommer väl till pass när det är dags att få en kvantdator att beräkna svaret på problemet du matar den.

En kvantdators qubits startar i deras 1-och-0-hybridtillstånd när datorn initialt börjar ta sig igenom ett problem. När lösningen hittas kollapsar qubitarna i superposition till den korrekta orienteringen av stabila 1:or och 0:or för att returnera lösningen.

Vad är fördelen med kvantberäkning?

Bortsett från det faktum att de är långt utom räckhåll för alla utom de mest elitforskarteam (och kommer sannolikt att förbli så ett tag), har de flesta av oss inte mycket användning för kvantdatorer. De erbjuder inte några verkliga fördelar jämfört med klassiska datorer för de typer av uppgifter vi gör för det mesta.

Men även de mest formidabla klassiska superdatorerna har svårt att knäcka vissa problem på grund av deras inneboende beräkningskomplexitet. Detta beror på att vissa beräkningar endast kan uppnås med brute force, gissa tills svaret finns. De slutar med så många möjliga lösningar att det skulle ta tusentals år för alla världens superdatorer tillsammans att hitta den rätta.

Superpositionsegenskapen som uppvisas av qubits kan tillåta superdatorer att minska denna gissningstid hastigt. Klassiska datorers mödosamma trial-and-error-beräkningar kan bara göra en gissning åt gången, medan det dubbla 1-och-0-tillståndet för en kvantdators qubits låter den göra flera gissningar samtidigt tid.

Så, vilken typ av problem kräver all denna tidskrävande gissningsberäkning? Ett exempel är att simulera atomstrukturer, särskilt när de interagerar kemiskt med andra atomers. Med en kvantdator som driver atommodelleringen kan forskare inom materialvetenskap skapa nya föreningar för användning inom teknik och tillverkning. Kvantdatorer är väl lämpade för att simulera liknande intrikata system som ekonomiska marknadskrafter, astrofysisk dynamik eller genetiska mutationsmönster i organismer, för att bara nämna några.

Mitt i alla dessa allmänt oförargliga tillämpningar av denna framväxande teknologi, men det finns också vissa användningar av kvantdatorer som väcker allvarliga farhågor. Den överlägset mest citerade skadan är potentialen för kvantdatorer bryta några av de starkaste krypteringsalgoritmerna som används för närvarande.

I händerna på en aggressiv utländsk regeringsmotståndare kan kvantdatorer äventyra ett brett spektrum av annars säker internettrafik, vilket gör att känslig kommunikation är mottaglig för utbredd övervakning. Arbete pågår för närvarande med att mogna krypteringschiffer baserat på beräkningar som fortfarande är svåra för även kvantdatorer att göra, men de är inte alla redo för bästa sändningstid, eller allmänt antagna för närvarande.

Är kvantberäkning ens möjlig?

För drygt ett decennium sedan var den faktiska tillverkningen av kvantdatorer knappt i sitt begynnande skede. Men med början på 2010-talet tog utvecklingen av fungerande prototypkvantdatorer fart. Ett antal företag har satt ihop fungerande kvantdatorer för några år sedan, och IBM har gått så långt att forskare och hobbyister kan köra sina egna program på den via molnet.

Trots de framsteg som företag som IBM utan tvekan har gjort för att bygga fungerande prototyper, är kvantdatorer fortfarande i sin linda. För närvarande kräver kvantdatorerna som forskarteam har konstruerat hittills mycket overhead för att utföra felkorrigering. För varje qubit som faktiskt utför en beräkning finns det flera dussin vars jobb det är att kompensera för ens misstag. Sammantaget av alla dessa qubits gör vad som kallas en "logisk qubit".

Lång historia kort, industri- och akademiska titaner har fått kvantdatorer att fungera, men de gör det väldigt ineffektivt.

Vem har en kvantdator?

Hård konkurrens mellan kvantdatorforskare rasar fortfarande, mellan stora och små aktörer. Bland dem som har fungerande kvantdatorer finns de traditionellt dominerande teknikföretagen man kan förvänta sig: IBM, Intel, Microsoft och Google.

Lika krävande och kostsam för ett företag som att skapa en kvantdator är det ett överraskande antal mindre företag och till och med nystartade företag som tar sig an utmaningen.

Den jämförelsevis magra D-Wave Systems har sporrat många framsteg på området och bevisade att det inte var ostridigt genom att svara på Googles betydelsefulla tillkännagivande med nyheter om en jätteaffär med Los Alamos National Labs. Ändå är mindre konkurrenter som Rigetti Computing också aktuella etablera sig som kvantdatorinnovatörer.

Beroende på vem du frågar får du en annan föregångare för den "kraftigaste" kvantdatorn. Google gjorde verkligen sitt fall nyligen med sin uppnå kvantöverhöghet, ett mått som Google själv mer eller mindre tagit fram. Quantum supremacy är den punkt då en kvantdator först kan överträffa en klassisk dator vid någon beräkning. Googles Sycamore-prototyp utrustad med 54 qubits kunde bryta den barriären genom att zippa igenom ett problem på strax under tre och en halv minut som skulle ta den mäktigaste klassiska superdatorn 10 000 år att köra genom.

För att inte överträffa, skryter D-Wave med att enheterna som den snart kommer att leverera till Los Alamos väger in på 5000 qubits per styck, även om det bör noteras att kvaliteten på D-Waves qubits har ifrågasatts tidigare. IBM har inte gjort samma typ av stänk som Google och D-Wave under de senaste åren, men de bör inte räknas bort än heller, särskilt med tanke på deras spår rekord av långsamma och stadiga prestationer.

Enkelt uttryckt är kapplöpningen om världens mest kraftfulla kvantdator lika vidöppen som den någonsin varit.

Kommer kvantdatorer att ersätta traditionella datorer?

Det korta svaret på detta är "inte riktigt", åtminstone för den närmaste framtiden. Kvantdatorer kräver en enorm mängd utrustning och finjusterade miljöer för att fungera. Den ledande arkitekturen kräver kylning till bara grader över absolut noll, vilket betyder att de inte är i närheten av praktiska för vanliga konsumenter att någonsin äga.

Men som explosionen av cloud computing har visat, behöver du inte äga en specialiserad dator för att utnyttja dess kapacitet. Som nämnts ovan erbjuder IBM redan djärva tenofiler chansen att köra program på en liten delmängd av sin Q System Ones qubits. Med tiden kommer IBM och dess konkurrenter sannolikt att sälja beräkningstid på mer robusta kvantdatorer för dem som är intresserade av att tillämpa dem på annars outgrundliga problem.

Men om du inte forskar om de typer av ovanligt knepiga problem som kvantdatorer strävar efter att lösa, kommer du förmodligen inte att interagera med dem mycket. Faktum är att kvantdatorer i vissa fall är sämre på den sortens uppgifter vi använder datorer för varje dag, enbart för att kvantdatorer är så hyperspecialiserade. Om du inte är en akademiker som driver den typen av modellering där kvantdatorer frodas, kommer du förmodligen aldrig att få tag på en och aldrig behöva göra det.

Redaktörens rekommendationer

• Vad är GDDR7? Allt du behöver veta om nästa generations VRAM
• Intel tror att din nästa CPU behöver en AI-processor - här är anledningen
• Surface Pro 10: här är vad du kan förvänta dig av nästa generation
• ChatGPT har precis kopplat in sig på internet. Vad händer sen?
• Är Apples Mac Mini M2 bra? Här är vad recensioner säger