Какие изменения принесут квантовые компьютеры?

На базовом уровне квантовый компьютер предоставляет возможность манипулировать информацией принципиально иным способом. На самом деле, как только эта технология созреет, эти компьютеры будут не только решать математические задачи быстрее, чем любой компьютер в настоящее время существует, но и любой компьютер, который, как ожидается, будет существовать в течение следующих нескольких десятилетий. Будущие квантовые компьютеры позволят человечеству решать все более масштабные вопросы, которые могут помочь нам достичь глубокого понимания окружающего нас мира.
Для начала, нам нужно вспомнить, что основной единицей информационного компьютерного процесса является бит. Эти биты могут иметь одно из двух значений: 1 или 0, вкл или выкл, да или нет. Если вы объедините достаточное количество этих битов вместе, вы можете затем представлять числа любого размера и выполнять все виды вычислений на них, после того, как другой. Чем больше или мощнее компьютерный чип, тем больше чисел вы можете создать и применить вычисления, и тем быстрее вы можете перейти от одного вычисления к другому.
Квантовые компьютеры различаются в двух важных отношениях.
Во-первых, это преимущество “суперпозиции". В то время как традиционные компьютеры работают с битами, квантовые компьютеры работают с кубитами. Эффект суперпозиции кубитов заключается в том, что вместо ограничения одним из двух возможных значений (1 или 0), кубит может существовать как смесь обоих. Эта функция позволяет квантовым компьютерам работать более эффективно (быстрее), чем традиционные компьютеры.
Во-вторых, это преимущество “запутанности". Этот феномен представляет собой уникальное поведение квантовой физики, которое связывает судьбу количества различных частиц, так что то, что происходит с одной, повлияет на другие. Применительно к квантовым компьютерам это означает, что они могут манипулировать всеми своими кубитами одновременно—другими словами, вместо выполнения набора вычислений один за другим, квантовый компьютер может выполнять их все одновременно.
Ведущие компании, такие как Microsoft, IBM и Google, уже создали первые экспериментальные квантовые компьютеры, но эти ранние прототипы имеют менее двух десятков кубитов на чип. И хотя эти ранние усилия являются большим первым шагом, технологические компании и государственные исследовательские отделы должны будут построить квантовый компьютер, содержащий по меньшей мере 49-50 кубитов, чтобы шумиха соответствовала своему теоретическому реальному потенциалу.
С этой целью существует ряд подходов, с которыми экспериментируют для достижения этого рубежа в 50 кубитов, но два из них стоят выше всех желающих.
В одном лагере Google и IBM стремятся разработать квантовый компьютер, представляя кубиты как токи, протекающие через сверхпроводящие провода, которые охлаждаются до -273,15 градуса Цельсия или абсолютного нуля. Наличие или отсутствие тока означает 1 или 0. Преимущество такого подхода заключается в том, что эти сверхпроводящие провода или схемы могут быть построены из кремния, материала, с которым полупроводниковые компании имеют десятилетний опыт работы.
Второй подход, возглавляемый Microsoft, включает в себя захваченные ионы, удерживаемые на месте в вакуумной камере и управляемые лазерами. Осциллирующие заряды функционируют как кубиты, которые затем используются для обработки операций квантового компьютера.
Применение квантовых компьютеров в жизни
Логистические и оптимизационные задачи. Одним из наиболее непосредственных и выгодных применений квантовых компьютеров будет оптимизация. Для приложений совместного использования поездок, таких как Uber, какой самый быстрый маршрут, чтобы забрать и высадить как можно больше клиентов? Для гигантов электронной коммерции, таких как Amazon, каков самый экономичный способ доставки миллиардов пакетов во время праздничной покупки подарков?
Моделирование погоды и климата. Как и в предыдущем пункте, причина, по которой канал погоды иногда ошибается, заключается в том, что существует слишком много переменных окружающей среды для обработки их суперкомпьютерами (это и иногда плохой сбор данных о погоде). Но с помощью квантового компьютера метеорологи могут не только точно прогнозировать краткосрочные погодные условия, но и создавать более точные долгосрочные климатические оценки для прогнозирования последствий изменения климата.
Персонализированная медицина . Расшифровка вашей ДНК и вашего уникального микробиома имеет решающее значение для будущих врачей, чтобы назначить лекарства, которые идеально подходят для вашего тела. В то время как традиционные суперкомпьютеры добились больших успехов в дешифрировании ДНК экономически эффективно, микробиом находится далеко за пределами их досягаемости-но не так для будущих квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры также позволят крупным фармацевтическим компаниям лучше прогнозировать реакцию различных молекул на их лекарственные препараты, что значительно ускорит развитие фармацевтики и снизит цены.
Освоение космоса. Современные (и завтрашние) космические телескопы ежедневно собирают огромное количество астрологических изображений, которые отслеживают движение триллионов галактик, звезд, планет и астероидов. К сожалению, это слишком много данных для сегодняшних суперкомпьютеров, чтобы просеять их, чтобы делать значимые открытия на регулярной основе. Но с помощью зрелого квантового компьютера в сочетании с машинным обучением все эти данные могут, наконец, быть эффективно обработаны, открывая дверь к открытию сотен или тысяч новых планет ежедневно к началу 2030-х годов.
Фундаментальные науки. Подобно вышеприведенным пунктам, необработанная вычислительная мощность этих квантовых компьютеров позволит ученым и инженерам разрабатывать новые химические вещества и материалы, а также более эффективные двигатели и, конечно же, более крутые рождественские игрушки.
Машинное обучение. Используя традиционные компьютеры, алгоритмы машинного обучения требуют гигантского количества кураторских и меченых примеров (больших данных) для изучения новых навыков. С квантовыми вычислениями программное обеспечение для машинного обучения может начать учиться больше, чем люди, в результате чего они могут приобретать новые навыки, используя меньше данных, более запутанные данные, часто с несколькими инструкциями.
Это приложение также является предметом волнения среди исследователей в области искусственного интеллекта (ИИ), так как это улучшенная естественная способность к обучению может ускорить прогресс в исследованиях ИИ на десятилетия. Подробнее об этом в нашей будущей серии искусственного интеллекта.
Шифрование. К сожалению, это приложение, которое имеет большинство исследователей и разведывательных органов нервничают. Все современные службы шифрования зависят от создания паролей, на взлом которых современному суперкомпьютеру потребовались бы тысячи лет; квантовые компьютеры теоретически могли бы взломать эти ключи шифрования менее чем за час.
Банковское дело, связь