211service.com
Forklarer: Hva er en kvantedatamaskin?
Bilde fra Rigetti Computing. Foto av Justin Fantl.
Dette er den første i en serie med forklaringer om kvanteteknologi. De to andre er på kvantekommunikasjon og postkvantekryptografi.
En kvantedatamaskin utnytter noen av de nesten mystiske fenomenene innen kvantemekanikk for å gi store sprang fremover i prosessorkraft. Kvantemaskiner lover å overgå selv de mest kapable av dagens – og morgendagens – superdatamaskiner.
De vil imidlertid ikke utslette konvensjonelle datamaskiner. Å bruke en klassisk maskin vil fortsatt være den enkleste og mest økonomiske løsningen for å takle de fleste problemer. Men kvantedatamaskiner lover å drive spennende fremskritt på ulike felt, fra materialvitenskap til farmasøytisk forskning. Bedrifter eksperimenterer allerede med dem for å utvikle ting som lettere og kraftigere batterier for elbiler, og for å hjelpe til med å lage nye medisiner.
Hemmeligheten bak en kvantedatamaskins kraft ligger i dens evne til å generere og manipulere kvantebiter, eller qubits.
Hva er en qubit?
Dagens datamaskiner bruker bits - en strøm av elektriske eller optiske pulser som representerer en s eller 0 s. Alt fra tweets og e-poster til iTunes-sanger og YouTube-videoer er i hovedsak lange strenger av disse binære sifrene.
Kvantedatamaskiner, på den annen side, bruker qubits, som typisk er subatomære partikler som elektroner eller fotoner. Generering og administrasjon av qubits er en vitenskapelig og teknisk utfordring. Noen selskaper, som IBM, Google og Rigetti Computing, bruker superledende kretser avkjølt til temperaturer kaldere enn dype rom. Andre, som IonQ, fanger individuelle atomer i elektromagnetiske felt på en silisiumbrikke i ultrahøyvakuumkamre. I begge tilfeller er målet å isolere qubits i en kontrollert kvantetilstand.
Qubits har noen sære kvanteegenskaper som betyr at en tilkoblet gruppe av dem kan gi mye mer prosessorkraft enn det samme antall binære biter. En av disse egenskapene er kjent som superposisjon og en annen kalles sammenfiltring.
Hva er superposisjon?
Qubits kan representere mange mulige kombinasjoner av en og 0 samtidig. Denne evnen til å være i flere tilstander samtidig kalles superposisjon. For å sette qubits i superposisjon, manipulerer forskere dem ved hjelp av presisjonslasere eller mikrobølgestråler.
Takket være dette kontraintuitive fenomenet kan en kvantedatamaskin med flere qubits i superposisjon knase gjennom et stort antall potensielle utfall samtidig. Det endelige resultatet av en beregning kommer først når qubitene er målt, noe som umiddelbart får kvantetilstanden deres til å kollapse til enten en eller 0 .
Hva er sammenfiltring?
Forskere kan generere par med qubits som er sammenfiltret, noe som betyr at de to medlemmene av et par eksisterer i en enkelt kvantetilstand. Å endre tilstanden til en av qubitene vil øyeblikkelig endre tilstanden til den andre på en forutsigbar måte. Dette skjer selv om de er adskilt med svært lange avstander.
Ingen vet egentlig helt hvordan eller hvorfor sammenfiltring fungerer. Det forvirret til og med Einstein, som berømt beskrev det som skummel handling på avstand. Men det er nøkkelen til kraften til kvantedatamaskiner. I en konvensjonell datamaskin dobler en dobling av antall bits prosessorkraften. Men takket være sammenfiltring gir det å legge til ekstra qubits til en kvantemaskin en eksponentiell økning i dens evne til å knuse tall.
Kvantedatamaskiner utnytter sammenfiltrede qubits i en slags kvantedaisy-kjede for å gjøre magien deres. Maskinenes evne til å fremskynde beregninger ved hjelp av spesialdesignede kvantealgoritmer er grunnen til at det er så mye buzz om potensialet deres.
Det er den gode nyheten. Den dårlige nyheten er at kvantemaskiner er mye mer utsatt for feil enn klassiske datamaskiner på grunn av dekoherens.
Hva er dekoherens?
Samspillet mellom qubits og miljøet deres på måter som får deres kvanteatferd til å forfalle og til slutt forsvinne, kalles dekoherens. Deres kvantetilstand er ekstremt skjør. Den minste vibrasjon eller endring i temperatur – forstyrrelser kjent som støy i kvantesnakk – kan få dem til å falle ut av superposisjon før jobben deres er riktig utført. Det er derfor forskere gjør sitt beste for å beskytte qubits fra omverdenen i disse superkjølte kjøleskapene og vakuumkamrene.
Men til tross for deres innsats, får støy fortsatt mange feil til å krype inn i beregninger. Smarte kvantealgoritmer kan kompensere for noen av disse, og å legge til flere kvantebiter hjelper også. Imidlertid vil det sannsynligvis ta tusenvis av standard qubits for å lage en enkelt, svært pålitelig en, kjent som en logisk qubit. Dette vil tappe mye av en kvantedatamaskins beregningskapasitet.
Og det er gnisten: så langt har forskere ikke vært i stand til å generere mer enn 128 standard qubits (se vår qubit-teller her ). Så vi er fortsatt mange år unna å få kvantedatamaskiner som stort sett vil være nyttige.
Det har ikke svekket pionerenes håp om å være den første til å demonstrere kvanteoverlegenhet.
Hva er kvanteoverlegenhet?
Det er punktet der en kvantedatamaskin kan fullføre en matematisk beregning som beviselig er utenfor rekkevidden til selv den kraftigste superdatamaskinen.
Det er fortsatt uklart nøyaktig hvor mange qubits som vil være nødvendig for å oppnå dette fordi forskere fortsetter å finne nye algoritmer for å øke ytelsen til klassiske maskiner, og superdatamaskinvare blir stadig bedre. Men forskere og selskaper jobber hardt for å kreve tittelen, og kjører tester mot noen av verdens kraftigste superdatamaskiner.
Det er mye debatt i forskningsverdenen om hvor viktig det vil være å oppnå denne milepælen. I stedet for å vente på at overherredømmet skal erklæres, begynner selskaper allerede å eksperimentere med kvantedatamaskiner laget av selskaper som IBM, Rigetti og D-Wave, et kanadisk firma. Kinesiske firmaer som Alibaba tilbyr også tilgang til kvantemaskiner. Noen virksomheter kjøper kvantedatamaskiner, mens andre bruker de som er gjort tilgjengelige gjennom nettskytjenester.
Hvor er en kvantedatamaskin sannsynligvis mest nyttig først?
En av de mest lovende bruksområdene til kvantedatamaskiner er å simulere oppførselen til materie ned til molekylært nivå. Bilprodusenter som Volkswagen og Daimler bruker kvantedatamaskiner for å simulere den kjemiske sammensetningen av batterier til elektriske kjøretøy for å finne nye måter å forbedre ytelsen på. Og farmasøytiske selskaper utnytter dem til å analysere og sammenligne forbindelser som kan føre til etableringen av nye legemidler.
Maskinene er også ypperlige for optimaliseringsproblemer fordi de kan knase gjennom et stort antall potensielle løsninger ekstremt raskt. Airbus, for eksempel, bruker dem til å hjelpe med å beregne de mest drivstoffeffektive opp- og nedstigningsstiene for fly. Og Volkswagen har avduket en tjeneste som beregner de optimale rutene for busser og drosjer i byer for å minimere overbelastning. Noen forskere tror også at maskinene kan brukes til å akselerere kunstig intelligens.
Det kan ta ganske mange år for kvantedatamaskiner å oppnå sitt fulle potensial. Universiteter og bedrifter som jobber med dem står overfor mangel på dyktige forskere på feltet – og mangel på leverandører av noen nøkkelkomponenter. Men hvis disse eksotiske nye datamaskinene holder løftet, kan de transformere hele industrier og sette turbo på global innovasjon.