Sbírky

Co přesně se kvantové výpočty změní?

Co přesně se kvantové výpočty změní?

Loni v lednu společnost IBM na veletrhu spotřební elektroniky v Las Vegas oznámila, že představuje první integrovaný kvantový počítač na světě pro obchodní a výzkumné účely, který bude k dispozici později v tomto roce. To nakoplo obvykle dechové tiskové zpravodajství o tom, jak kvantové počítače všechno změní. Pravdou je, že si nejsme úplně jisti, co se kvantové výpočty změní, ale to neznamená, že je to všechno humbuk. Nemusí to „všechno změnit“, ale je pravděpodobné, že tím nezůstane nic nedotčeno, i když nepřímo.

Co je kvantové počítání a co dělá?

Kvantové výpočty jsou, když počítač používá kvantovou superpozici částic k ukládání dat tak, jak to trochu dělá v klasickém počítači. Qubits, jak se jim říká, existují v neurčitém stavu inkluzivně ohraničeném 1 a 0. To znamená, že mohou být 1, 0 nebo 1 i 0, protože vesmír ještě nerozhodl, kterým chce být.

To nám umožňuje provádět několik výpočtů najednou využitím superpozic těchto qubitů, což nám otevírá dveře k řešení tříd problémů, jejichž řešení pomocí klasického počítače může vyžadovat stovky, ne-li tisíce let.

Má to však háček. Kvantové výpočty jsou mimořádně choulostivé věci, protože udržování suspendované kvantové částice v superpozici lze provést pouze po dobu asi 100 mikrosekund. Potřebuje také extrémně nízké teploty a supravodiče, ne přesně to, co se vejde do vašeho iPhone. Tento druh hardwaru činí z kvantových počítačů vysoce specializované vybavení, které je právě teď opravdu praktické pouze pro velmi specifické úkoly, jako jsou predikční modelování a optimalizační problémy na komplikovaných systémech s velkým počtem proměnných.

VIZ TÉŽ: PRVNÍ PRAKTICKÉ KVANTOVÉ NÁHODNÉ ČÍSLO GENERÁTORU MOHLO REVOLUČNĚ ZABEZPEČIT INTERNET

A dokonce i tehdy bude jejich použití zpočátku muset být na nějaký čas přiděleno, stejně jako tomu bylo u starých UNIVACů. CDC bude používat kvantové počítače k ​​modelování nadcházející chřipkové sezóny, takže místní nemocnice, které nejsou významnými výzkumnými centry, budou muset počkat uprostřed směrem k zadní části velmi dlouhé řady, dokud nebudou hotové. To je, pokud se Goldman Sachs neukáže, že potřebuje finanční prognózy, než se dostanete do čela linky.

Co se tedy s kvantovým výpočtem změní?

Nejprve jistě víme, že moderní šifrování RSA je toast. Šifrování RSA se spoléhá na praktickou nemožnost klasického počítače najít správné hlavní faktory velmi velkého celého čísla, jako je 500číselný druh velkého. To by mohlo trvat stovky let pomocí našich nejúčinnějších algoritmů na klasickém počítači a tisíce let, kdybyste se pokusili hrubou silou dostat k odpovědi.

Důvodem, proč je to s kvantovým počítačem řešitelné, je to, že to již vyřešil Peter Shor v roce 1994. Shorův algoritmus, jak se jeho řešení nazývá, potřebuje dostatečně výkonný kvantový počítač, aby mohl běžet, aby mohl prolomit šifrování RSA, a jeden ještě neexistuje. Brzy to bude a způsob, jakým zabezpečíme data, bude stejně efektivní jako použití západky suchého zipu na vašich předních dveřích při zabezpečení vašeho domova. Budeme muset vymyslet úplně jiný způsob zabezpečení všech našich stávajících dat, o čemž víme.

Co se týče věcí, které my myslet si kvantové výpočty se změní, prvním kandidátem je způsob, jakým organizujeme systémy na makroúrovni, jako je telekomunikační infrastruktura a silnice. Jak zajistit, aby tyto systémy byly optimálně vyvážené mezi náklady a užitkem, je jedním příkladem druhu problému, který by kvantové počítače dokázaly vyřešit díky kvantové superpozici qubitů.

Stejný problém s optimalizací trápí globální dodavatelský řetězec, a to není maličkost. Dopravní sektor plýtvá nevýslovným množstvím peněz - mluvíme zde možná o stovkách miliard dolarů - kvůli druhům skryté neefektivity, které optimalizace identifikuje.

Kvantové výpočty pravděpodobně nebudou mít prospěch pouze z vlád a podniků, ale medicína, astronomie a další vědy jsou vynikajícími kandidáty na transformační pokrok. Astronomové lovící exoplanety mají hromadu petabajtů dat, která je třeba zpracovat, aby z nich bylo možné získat vědecky relevantní poznatky, a toto je druh zpracování dat, o kterém si myslíme, že se kvantové výpočty transformačně změní.

V medicíně může kvantové výpočty možná neuvěřitelnou rychlostí zrychlit tempo lékařských průlomů zpracováním druhů problémů s více proměnnými, díky nimž je výzkum v těchto oblastech tak výzvou. Využitím kvantové superpozice qubitů k modelování druhů analýz používaných při výzkumu nemocí a vývoji nových léků bychom mohli objevit všechny druhy nových léků a léčby, na které by nikdo nikdy nepomyslel.

Nejvýznamnější vývoj by mohl být ve fyzice, kde vědci zkoumající supravodivost doufají, že jednoho dne využijí kvantové výpočty k identifikaci materiálu, který je supravodivý při pokojové teplotě, pomocí qubitů k modelování různých sloučenin a testování jejich charakteristik.

Pokud se takový supravodič najde, pak to vůle upřímně změnit všechno. Umožnilo by nám to eliminovat energetické ztráty z přenosu elektřiny a transformovat naši energetickou síť, čímž by se snížila produkce energie potřebná k napájení všeho na zlomek toho, co je dnes. Pokud dost snížíme naše energetické požadavky a budeme moci velmi rychle napájet svět z obnovitelných zdrojů.

Co tedy kvantové počítače nemohou dělat?

Kvantová výpočetní síla je v superpozicích svých qubitů. To, co s těmito daty uděláme, však kvantové výpočty vůbec nepomohou, přinejmenším ne tak, jak je nyní vidíme. Kvantový počítač „nespustí program“ tak, jak to dnes dělají naše počítače; kvantové počítače by musely spouštět instrukce programu po řádcích stejně jako klasický počítač. Superpozice obecně nepomůže, aby to bylo rychlejší.

Je myslitelné, že poté, co fyzici a chemici objeví supravodič o pokojové teplotě, mohli by být vyrobeni dostatečně malí, aby se vešli do síťových serverů nebo domácích počítačů, ale pokud někdy používáme kvantové výpočty v našich každodenních výpočetních úlohách, je pravděpodobnější, že náš klasický počítač dosáhl bodu v programu, který vyžaduje druh úlohy, kterou nejlépe zvládne kvantový počítač, jako je faktorizace celého čísla, a buď se připojí k cloudovému kvantovému počítači, aby tento problém zpracoval na výsledek , nebo použijte vestavěný kvantový čip, QPU, abyste to vyřešili způsobem, jakým dnešní CPU zpracovává offshore grafiku na GPU.

Milionnásobné zvýšení výkonu, které někteří očekávají, se však skutečně stane pouze u špatně napsaných programů, které se opakovaně zabředávají do zbytečně složitých algoritmů, které jsou předávány QPU. Žádný dobře napsaný program nebude implementovat algoritmus faktorizace hrubou silou v žádném programu, který by každý z nás pravděpodobně běžel v každodenním životě.

Prostě neznáme meze kvantových algoritmů

To znamená, že si nikdo nemyslel, že se Mark 1 nebo UNIVAC vyvinou v něco jiného než kalkulačka velikosti místnosti. Nemohli předvídat, jaké druhy použití budou tyto výpočty použity.

Dnes stavíme kvantové kalkulačky o velikosti místnosti a to je vše, za co je opravdu můžeme vidět; jednoho dne nám někdo ukáže, jak jsme mysleli příliš malý. Nakonec, až vývojáři jazyka BASIC zahrnuli během třetí revize jazyků příkaz INPUT, kdokoli si uvědomil, že nyní mohou napsat program, který funguje jako hra, a spustit jej na sálovém počítači.

Dokonce i ty nejpokročilejší videohry nebo jen 1 s a 0 s. Algoritmy a I / O zařízení, jako jsou monitory a klávesnice, dělají z těchto 1 a 0 více než jen výpočty.

Nakonec je příliš brzy na to, abyste s jistotou něco věděli, aniž byste za 10 let vypadali jako idiot. Teoretičtí počítačoví vědci a matematici, kteří často vyvíjejí algoritmy, které se začleňují do programů, které používáme v každodenním životě, teprve nyní začínají zkoumat, jaké druhy kvantových algoritmů mohou na kvantovém počítači běžet. Po jejich vývoji bude na ostatních, aby tyto nové kvantové algoritmy implementovaly do různých druhů programování.

Můžeme však říci, že věci vůle změna s kvantovým výpočtem a následný vývoj pokročilých kvantových algoritmů a že tato změna brzy přijde.


Podívejte se na video: Předávání Cen předsedkyně GA ČR 2020 (Leden 2022).