Kvante datamaskiner dukker opp nå og da som gjenstander av interesse og bekymring - interesse fordi de tilbyr så massive økninger i databehandlingskraft og bekymring fordi de kanskje bare bryter hele vår nåværende kryptografi. Det er ikke lenger et spørsmål om "hvis", men om "når." Den første arbeidsmodellen dukket opp i 1998, men de siste årene har sett en kraftig økning i makt. Hvis du vil, kan du til og med få tilgang til en av IBMs kvantemaskiner via Internett.

Fangsten? Kvantum datamaskiner er ikke så nyttige ennå. De krever for øyeblikket at noe høyverdig vitenskapelig utstyr skal fungere, er dyrt å bygge og vedlikeholde, og er bare gode til bestemte oppgaver. Bunnlinjen er at kvante datamaskiner nesten er i ferd med å være fantastiske vitenskapelige maskiner, men de kan aldri faktisk øke hastigheten på levering av kattbilder fra Internett-servere til øyenbrynene dine.

"På 1940-tallet oppdaget forskerne bare hvordan man bruker vakuumrør så enkle brytere. ... Disse bryterne kan da danne logiske porter, som kan kobles sammen for å danne de første logikkretsene. Det er her vi er nå med kvanteprosessorer. Vi har bekreftet at alle komponentene fungerer. Det neste trinnet er å konstruere den minste, men mest interessante kretsen mulig. "- Jungsang Kim, Duke University

For lenge leste ikke

Quantum datamaskiner er kompliserte, så hvis du bare ser for å få ideen uten å komme inn i detaljene, er dette for deg.

  • Konvensjonelle prosessorer fungerer ved å ha mange små deler som kan "vendes" til enten 0 eller 1-posisjon.
  • Superposition: et "Schrodinger's cat" -scenario: noe kan eksistere i flere stater til det blir observert. For kvante datamaskiner betyr dette at det kan lagre 0 og 1 samtidig til det blir påkalt å være den ene eller den andre.
  • Quantum entanglement: en egenskap som lar kvantpartikler snakke med hverandre - selv over lengder på mange miles, vil eventuelle endringer i en partikkel også påvirke den andre. Dette gjør at kvante datamaskiner kombinerer "superposisjonerte" sjetonger for å øke hastigheten og lagringsplassen eksponentielt. To byte kan bare lagre ett av følgende: 0-0, 0-1, 1-0 eller 1-1. To qubits kan lagre alle disse.
  • Qubits: Konvensjonelle datamaskiner bruker biter og byte; kvante datamaskiner bruker qubits. Dette er de tingene som finnes på flyet mellom 0 og 1, og de er det som alle prøver å forstyrre og sette på sjetonger.
  • Kvante datamaskiner er ikke veldig nyttige for daglige datatyper, men de kommer til å være sinnsykt gode på noen svært komplekse ting.

Konvensjonelle prosessorer

Konvensjonelle prosessorer, som Intel eller AMD-brikken i datamaskinen, er i hovedsak kalkulatorer som følger logiske veier - de får noen data og et sett med instruksjoner som forteller dem hva de skal gjøre (matematikk, som å legge til / multiplisere, logikk, som OG / IKKE) . De utfører operasjonen og sender resultatet som skal lagres et annet sted. Det er så enkelt, et inngang / nummer går inn, og en utgang kommer ut; hvis det virker abstrakt, tenk bare en svart boks som tar instruksjoner og materialer og spytter ut et produkt. Hvis du har en 2, 4 GHz-prosessor, gjør datamaskinen din omtrent 2, 4 milliarder av disse operasjonene per sekund. Jo flere tall du kan komme ut av prosessoren din per sekund, desto raskere vil programmene dine utføre.

På maskinvarenivå er prosessorer sammensatt av millioner eller milliarder transistorer, som i hovedsak er små, små brytere som kontinuerlig blir skiftet (de beveger seg ikke, bare endre deres elektriske ladestatus) for å representere ett av to tilstander: 0 eller 1. Disse er ordnet i logiske porter, caches og andre fancy ting på brikken, men det eneste vi trenger å vite er at transistorer bare har to mulige stater: de er alltid satt til enten 0 eller 1, slik at en beregning til gjøres om gangen.

For å oppsummere: konvensjonelle prosessorer gjør mange milliarder av svært enkle operasjoner veldig raskt med millioner / milliarder transistorer arrangert i bestemte mønstre og satt til enten 0 eller 1, avhengig av instruksjonene.

Schrodinger katt og superposisjon

I stedet for å komme rett inn i mutter og bolter, er det best å begynne med noen ganske utendørs fysikk. (Ikke bekymre deg, det er ingen matte.)

Schrodinger katt er et av de mest kjente eksemplene på kvantfysikk, og det handler om ideen om "superposisjon". Det er ganske enkelt: en forsker har en boks med en katt inne. Katten har 50% sjanse for å dø. (Ingen katter ble skadet ved å lage denne illustrasjonen.) Vitenskapsmannen har ikke åpnet boksen, så han vet ikke om katten er i live eller død.

Fra et objektivt synspunkt må katten være enten død eller levende, men fra et kvantefysisk synspunkt, begge er sanne, i hvert fall til boksen åpnes. Hvorfor? Fordi (for våre formål, i det minste, det er mange forskjellige måter å nærme seg), vet forskerens behandlingsenhet (hjernen hans) ikke hva svaret er, bortsett fra at det kan være enten en levende eller en død katt. I teorien har forskeren forberedt seg på begge muligheter, så når han åpner esken, mottar hjernen sin inntasting (katten er i live!) Og produserer den forhåndsberegnede produksjonen (lettelse, antageligvis).

"Ikke bare er universet fremmed enn vi tror, ​​det er fremmed enn vi kan tenke." - Werner Heisenberg

Dette er superposisjon : ideen om at noe eksisterer i flere stater til det blir observert, målt eller på annen måte oppført. Hvordan gjelder dette for kvante datamaskiner? Bare erstatt forskerens hjerne med en prosessor (metaforisk): Den vet allerede de forskjellige mulighetene (instruksjonene kan enten være for 0 eller 1), og det lagrer alle muligheter samtidig. Når det kommer til produksjon, utsender den imidlertid en 0 eller en 1, akkurat som en vanlig prosessor. Alle muligheter kan eksistere samtidig, men bare en utgang kan dukke opp. Det er ikke spesielt nyttig med bare to tall, men når du skaler dette opp til det punktet hvor kvante datamaskiner kan beregne milliarder muligheter om gangen, begynner potensialet å bli tydelig.

Som en analogi, tenk å kaste en mynt i luften. Mens den flyr, roterer den hele tiden mellom hoder og haler, som effektivt er hodene, haler og hodene og hodene. Det er det en kvantecomputer prosessor gjør, og det er derfor det kan beregne stort sett alle mulige utfall umiddelbart.

Quantum entanglement

Ting begynner å bli veldig interessant her. Det viser seg at kvantepartikler kan eksistere i par og at hvert medlem av paret er et speilbilde av det andre. Dette er "quantum entanglement." Hvis noe skjer med partikkel 1, vil en motsatt endring forekomme i partikkel 2. Einstein kalte denne "spooky action på avstand" på grunn av hvor merkelig denne egenskapen er. Militære forskere eksperimenterer selv med å bruke den til å erstatte radar - bare skyte halvparten av et sammenkoblet par opp i himmelen og se hva som skjer med partneren hennes her for å finne ut om det rammer et fly.

"Hvis kvantemekanikken ikke har dratt deg sjokkert, har du ikke forstått det ennå." - Niels Bohr

Dette er litt mind-bending for å få hodet rundt, så det er nok å si at kvante datamaskiner kan bruke entanglement til å koble flere "quantum transistors" eller "qubits" for å øke nivået av kompleksitet eksponentielt. En datamaskin kan se på tilstanden til en qubit og deretter finne ut hva alle de andre er oppe i, fordi de er sammenklemt.

qubits

Dette er hvor maskinvaren kommer inn. Qubits er, som vanlige databyter og byte, den mest grunnleggende enheten for kvantinformasjonslagring. Den store forskjellen er at hver qubit eksisterer på en måte som både 0 og 1 samtidig, som kan kopieres på dataplisjer på noen forskjellige måter, fra superkjølte superledere til lasere. Endemålet er det samme, skjønt: få en slags partikkel til å eksistere i den rare kvante staten hvor det er to ting samtidig. For eksempel kan en liten strimmel av forkjølt metall sprette elektroner rundt med svært lite motstand, noe som skaper potensialet for enhver stat i stedet for å holde qubit i en tilstand.

Et godt neste skritt er å forstyrre qubits, som i hovedsak betyr at du trenger å synkronisere dem helt opp til samme frekvens slik at de kan jobbe sammen. Dette gjør kvante datamaskiner mye kraftigere, siden det blir kvittert med det som lar deg få en hel chip av dem som arbeider sammen. På egen hånd er en qubit ganske imponerende, men det gjør ikke noe for spennende. Når det er sammenklemt med en annen qubit, kan den lagre alle mulige verdier for begge qubits kombinert: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, med 2 ^ 2 muligheter. Hvis du forstyrrer tre qubits, har du nå 2 ^ 3 muligheter (8). Verdensrekordsporet i juni 2018 har 72 qubits, som i teorien kunne utføre så mange beregninger i et sekund som en personlig datamaskin kunne i over en uke.

For å gjøre dette litt enklere: Hvis du sammenligner to konvensjonelle biter til to qubits, er den mest merkbare forskjellen at to biter bare kan være 0-0, 0-1, 1-0 eller 1-1 - bare en kombinasjon av binær resultater. To qubits kan imidlertid lagre alle fire av dem samtidig, og siden de vokser eksponentielt, går noen få qubits mye lenger enn noen få biter. 3 entangled 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 opp en kraft om gangen, og du ender med en datamaskin som kan lagre noen svært komplekse muligheter.

Kommer snart (for noen spesifikke ting)

Så dette er en kvantecomputer: en maskin som kjenner alle svarene, men gir bare den som passer til spørsmålet. Det er en tankebøyemaskin, men det er blitt bygget, og det blir større og bedre så fort at det er vanskelig å holde tritt. Du lurer kanskje på når du skal få en liten subarktisk fryser fylt med spooky vitenskap i datamaskinen din, og svaret er dessverre ikke snart. Det er ikke å si det kommer aldri til å skje, men akkurat nå kan det stort sett bare fungere inne i et laboratorium, og den femårige bærbare datamaskinen kan sikkert slå en kvantecomputer på de fleste ting. Quantum datamaskiner vil være veldig bra på noen få ting, likevel, som:

  • Bryte kryptering: Du trenger ikke å eie Bitcoin for å være bekymret for kryptering som bryter ned. Det er det som holder stort sett alt på Internett fra å være åpenbart leselig for alle som ønsker å slippe inn og ta en titt. Din Wi-Fi? Kryptert. Kredittkort? Kryptert. Breaking RSA-kryptering regnes umulig med vanlige datamaskiner, men det er bare fordi de ikke kan gjette fort nok. Quantum datamaskiner er fantastisk å gjette. Heldigvis virker quantum entanglement som det kan gi en ny måte å kryptere ting på.
  • Søker store mengder data: Quantum-datamaskiner kan se på dataene, lagre alle svarene, og svar på spørsmålet ditt umiddelbart. Si at du har en tilfeldig liste med tall, og du vet at tallet 193.201 forekommer et sted i det. En vanlig datamaskin må sykle gjennom alle tallene for å finne den, men en kvantecomputer visste hvor det var før du spurte om det.
  • Modellering av ekstremt komplekse scenarier: Kjemiske strukturer, fysikkproblemer, værprognoser med massivt komplekse systemer med mange mulige utfall - det er der kvantecomputing skinner. Fordi det kan eksistere i så mange mulige stater samtidig, kan det replikere den faktiske kompleksiteten til den variabelfylte naturlige verden (som er seg i en kvantestatistikk)

"På mindre enn ti år vil kvante datamaskiner begynne å overgå daglige datamaskiner, som fører til gjennombrudd i kunstig intelligens, oppdagelsen av nye legemidler og videre. Den svært raske datakraften som er gitt av kvante datamaskiner, har potensial til å forstyrre tradisjonelle bedrifter og utfordre vår cybersikkerhet. Bedrifter må være klar for en kvant fremtid, fordi den kommer. "- Jeremy O'Brien, University of Bristol

Kvantum-datamaskiner som de eksisterer, ser ut til at de for det meste vil være problemløsende maskiner, optimalisere forsyningskjeder, drive kunstig intelligens, forutsi været, spille aksjemarkedet, etc. IBM, Intel, D-Wave, Google og andre selskaper produserer allerede versjoner av disse maskinene og undersøker måter å gjøre dem mer praktiske og brukbare.

En viktig hindring er imidlertid at siden qubits er bygget på å beregne så mange muligheter, blir kvante datamaskiner noe feil iblant. Forskere jobber med å fikse dette, men det er en annen grunn til at du sannsynligvis ikke vil ha en kvantecomputer som erstatter din mye mer mekaniske (og derfor nøyaktige) prosessor.

Konklusjon: Forvirring, men det er greit

"Det er den ene delen av Microsoft, hvor de satte opp lysbilder som jeg egentlig ikke forstår. Jeg vet mye fysikk og mye matte. Men det ene stedet hvor de legger opp lysbilder, og det er hieroglyfer, det er kvantum. "- Bill Gates

Ta tak i dette: De fleste har ingen anelse om hvordan ting i datamaskinen fungerer, og selv de som har en ide, forstår nok ikke alt om det. Det beste ved å spesialisere måten vi gjør er at du ikke trenger å ha en anelse hvordan prosessoren fungerer for å gjøre fantastiske ting med det, og det samme vil være sant med kvante datamaskiner. Hovedforskjellen er at mens din Intel i7 er ganske fin, vil det nok ikke få vite om selve virkeligheten.