Kvantumdatorer dyker upp då och då som föremål av intresse och intresse - intresse för att de erbjuder sådana enorma ökningar i datakraft och oro för att de bara kan bryta hela vår nuvarande kryptografi. Det är inte längre en fråga om "om", men om "när". Den första arbetsmodellen dök upp i 1998, men de senaste åren har vi sett en kraftig ökning av makt. Om du vill kan du till och med få tillgång till en av IBMs kvantmaskiner via Internet.

Fångsten? Quantum-datorer är inte särskilt användbara än. De behöver för närvarande högkvalitativ vetenskaplig utrustning att fungera, är dyra att bygga och underhålla, och är bara bra för specifika uppgifter. Bottom line är att kvantdatorer nästan är i stånd att vara fantastiska vetenskapliga maskiner, men de kan aldrig påskynda leveransen av kattbilder från Internet-servrar till dina ögonbollar.

"På 1940-talet upptäckte forskarna bara hur man använder vakuumrör som enkla omkopplare. ... Dessa omkopplare kan då bilda logiska grindar, vilka kan länkas samman för att bilda de första logikkretsarna. Det är där vi befinner oss nu med kvantprocessorer. Vi har verifierat att alla komponenter fungerar. Nästa steg är att konstruera den minsta, men mest intressanta kretsen som möjligt. "- Jungsang Kim, Duke University

För länge läste inte

Kvantumdatorer är komplicerade, så om du bara söker för att få idén utan att komma in i detaljerna, så är det här för dig.

  • Konventionella processorer arbetar genom att ha många små delar som kan "vridas" till antingen 0 eller 1-position.
  • Superposition: ett "Schrodinger's cat" -scenario: något kan existera i flera stater tills det observeras. För kvantdatorer betyder det att det kan lagra 0 och 1 samtidigt tills det är uppmanat att vara en eller annan.
  • Quantum entanglement: en egenskap som låter kvantpartiklar prata med varandra - även över avstånd på många miles, kommer eventuella ändringar som görs på en partikel också att påverka den andra. Detta gör att kvantdatorer kombinerar "superpositionerade" chips för att exponentiellt öka hastigheten och lagringsutrymmet. Två bitgrupper kan endast lagra ett av följande: 0-0, 0-1, 1-0 eller 1-1. Två qubits kan lagra alla dessa.
  • Qubits: Konventionella datorer använder bitar och byte; kvantdatorer använder qubits. Dessa är de saker som finns på planet mellan 0 och 1, och de är vad alla försöker förväxla och sätta på marker.
  • Quantum-datorer är inte särskilt användbara för dagliga datorer, men de kommer att vara galen bra på några mycket komplexa saker.

Konventionella processorer

Konventionella processorer, som Intel eller AMD-chipet i din dator, är i huvudsak räknare som följer logiska vägar - de får några data och en uppsättning instruktioner som talar om vad de ska göra (matematik, som att lägga till / multiplicera, logik, som AND / NOT) . De utför operationen och skickar resultatet som ska lagras någon annanstans. Det är så enkelt, ett ingång / nummer går in och en utgång kommer ut; om det verkar vara abstrakt, föreställ dig en svart låda som tar instruktioner och material och spetsar ut en produkt. Om du har en 2, 4 GHz-processor, gör datorn ungefär 2, 4 miljarder av dessa operationer per sekund. Ju fler siffror du kan få ut av din processor per sekund, desto snabbare kommer dina program att utföras.

På hårdvarumnivån består processorer av miljontals eller till och med miljarder transistorer, som i huvudsak är små lilla växlar som ständigt växlar (de rör sig inte, ändrar bara sina elektriska laddningstillstånd) för att representera ett av två tillstånd: 0 eller 1. Dessa är inriktade på logiska grindar, cacher och andra fina saker på chipet, men det enda vi behöver veta är att transistorerna bara har två möjliga stater: de är alltid inställda på antingen 0 eller 1, vilket gör att en beräkning kan görs åt gången.

För att sammanfatta: konventionella processorer gör billioner av mycket enkla operationer mycket snabbt med miljoner / miljarder transistorer som är anordnade i vissa mönster och inställda på antingen 0 eller 1, beroende på instruktioner.

Schrodinger katt och superposition

I stället för att komma rakt in i muttrar och bultar, är det bäst att börja med en ganska fin fysik. (Oroa dig inte, det finns ingen matte.)

Schrodinger katt är ett av de mest kända exemplen på kvantfysik, och det handlar om tanken om "superposition". Det är ganska enkelt: en forskare har en låda med en katt inuti. Katten har 50% chans att dö. (Inga katter skadades vid bildandet av denna illustration.) Forskaren har inte öppnat lådan, så han vet inte om katten är levande eller död.

Ur en objektiv synpunkt måste katten vara antingen död eller levande, men från en kvadratisk fysisk synvinkel är båda sanna, åtminstone tills lådan öppnas. Varför? Eftersom (för vårt syfte, åtminstone, det finns många olika sätt att närma sig detta) vet forskarens processionsenhet (hans hjärna) inte vad svaret är, förutom att det kan vara antingen en levande eller en död katt. I teorin har forskaren förberett sig för båda möjligheterna, så när han öppnar lådan får hans hjärna ingången (katten är levande!) Och producerar den förutbestämda utsignalen (lättnad, förmodligen).

"Inte bara är universum främling än vi tror, ​​det är främling än vi kan tänka." - Werner Heisenberg

Detta är superposition : tanken att något finns i flera stater tills det observeras, mäts eller på annat sätt ageras. Hur gäller detta för kvantdatorer? Byt bara forskarens hjärna med en processor (metaforiskt): den vet redan olika möjligheter (instruktionen kan antingen vara 0 eller 1), och det lagrar alla möjligheter samtidigt. När det gäller utmatning utmatas emellertid en 0 eller en 1, precis som en vanlig processor. Alla möjligheter kan existera samtidigt, men endast en utgång kan uppstå. Det är inte särskilt användbart med bara två siffror, men när du förstår det här till den punkt där kvantdatorer kan beräkna miljarder möjligheter åt gången börjar potentialen bli uppenbar.

Som en analogi, tänk dig att kasta ett mynt i luften. Medan den flyger, roterar den ständigt mellan huvuden och svansarna, som effektivt är huvuden, svansar och både huvud och svansar. Det är vad en quantumdatorns processor gör, och det är därför det kan beräkna stort sett alla möjliga resultat direkt.

Kvantsammanflätning

Saker börjar bli väldigt intressanta här. Det visar sig att kvantpartiklar kan existera i par och att varje medlem i paret är en spegelbild av den andra. Detta är "quantum entanglement". Om något händer med partikel 1 kommer en motsatt förändring att inträffa i partikel 2. Einstein kallade denna "spöklika handling på avstånd" på grund av hur märkligt denna egenskap är. Militära forskare experimenterar ens med att använda den för att ersätta radar - bara skjuta en halv av ett förtrollat ​​par upp i himlen och se vad som händer med sin partner här för att se om det träffar ett plan.

"Om kvantmekaniken inte har drabbat dig djupt, har du inte förstått det än." - Niels Bohr

Det här är lite ansträngande för att få huvudet, så det är tillräckligt att säga att kvanta datorer kan använda entanglement för att ansluta flera "quantum transistors" eller "qubits" för att öka exponentialnivåens komplexitet. En dator kan titta på tillståndet på en qubit och sedan ta reda på vad alla andra är upp till, för att de är intrasslade.

kvantbitar

Det är här hårdvaran kommer in. Qubits är, som vanliga datorbitar och byte, den mest grundläggande enheten för kvantinformationslagring. Den stora skillnaden är att varje qubit existerar på ett sätt som både 0 och 1 samtidigt, vilket kan replikeras på datortillbehör på några olika sätt, från superkylade superledare till lasrar. Slutmålet är detsamma, dock: få någon slags partikel att existera i det konstiga kvanttillståndet där det är två saker på en gång. En liten remsa av superkyld metall kan till exempel studsa elektroner runt med mycket lite motstånd, vilket skapar potentialen för något tillstånd istället för att hålla qubit i ett tillstånd.

Ett bra nästa steg är att entangle qubitsna, vilket i grunden betyder att du måste synkronisera dem alla upp till samma frekvens så att de kan arbeta tillsammans. Detta gör kvantdatorer mycket kraftigare, eftersom det är vad som låter dig få en hel del av dem att arbeta tillsammans. På egen hand är en qubit ganska imponerande, men det gör inte alltför spännande. När det är förknippat med en annan qubit kan den dock lagra alla möjliga värden för båda qubits kombinerat: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, med 2 ^ 2 möjligheter. Om du krossar tre qubits har du nu 2 ^ 3 möjligheter (8). Världspostchipet från juni 2018 har 72 qubits vilket i teorin kan utföra så många beräkningar på en sekund som en persondator kunde på över en vecka.

För att göra detta lite enklare: Om du jämför två konventionella bitar till två kvartaler är den mest märkbara skillnaden att två bitar endast kan vara 0-0, 0-1, 1-0 eller 1-1 - bara en kombination av binär resultat. Två qubits kan dock lagra alla fyra av dem samtidigt, och eftersom de växer exponentiellt, går några kvittrar mycket längre än några bitar. 3 instängda qubits kan vara 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 och 0- 1-0 samtidigt - behåll scaling upp en kraft i taget, och du hamnar med en dator som kan lagra några mycket komplexa möjligheter.

Kommer snart (för några specifika saker)

Så här är en kvantdator: en maskin som känner till alla svaren, men ger bara den som matchar frågan. Det är en självsugande maskin, men den har byggts, och det blir allt större och bättre så snabbt att det är svårt att fortsätta. Du kanske undrar när du ska få en liten sub-arktisk frys fylld med spooky vetenskap i din dator, och svaret är tyvärr inte snart. Det säger inte att det aldrig kommer att hända, men just nu kan det nästan bara fungera inuti ett labb och din femåriga laptop kan förmodligen slå en kvantdator på de flesta saker. Kvantumdatorer kommer att vara mycket bra på några saker, men som:

  • Kryptering: Du behöver inte äga Bitcoin för att vara orolig för att kryptering bryts ner. Det är vad som håller stort sett allting på Internet från att vara öppet läsbar till någon som vill släppa in och ta en titt. Din Wi-Fi? Krypterad. Kreditkort? Krypterad. Att bryta RSA-kryptering anses omöjligt med vanliga datorer, men det är bara för att de inte kan gissa tillräckligt snabbt. Quantum-datorer är fantastiska att gissa. Lyckligtvis verkar quantum entanglement som att det kan ge ett nytt sätt att kryptera saker.
  • Sökande stora mängder data: Quantum-datorer kan ta en titt på data, lagra alla svar och svara på din fråga omedelbart. Säg att du har en slumpmässig lista med siffror, och du vet att numret 193.201 förekommer någonstans i det. En vanlig dator måste cykla igenom alla siffrorna för att hitta den, men en kvantdator visste var det var innan du ens frågade.
  • Modellering extremt komplexa scenarier: Kemiska strukturer, fysikproblem, väderprognoser massivt komplexa system med många möjliga resultat - det är där kvantkalkylering lyser. Eftersom det kan existera i så många möjliga stater samtidigt kan det replikera den faktiska komplexiteten hos den variabla fyllda naturen (som är själv i ett kvantum)

"På mindre än tio år kommer kvanta datorer att börja överträffa vardagliga datorer, vilket leder till genombrott i artificiell intelligens, upptäckten av nya läkemedel och bortom. Den mycket snabba datorkraft som ges av kvantdatorer har potential att störa traditionella företag och utmana vår cybersäkerhet. Företagen måste vara redo för en kvant framtid eftersom det kommer. "- Jeremy O'Brien, University of Bristol

Kvantumdatorer som de existerar ser ut som om de mest kommer att vara problemlösande maskiner, optimera utbudskedjor, driva artificiell intelligens, förutsäga vädret, spela på börsen etc. IBM, Intel, D-Wave, Google och andra företag producerar redan versioner av dessa maskiner och undersöker sätt att göra dem mer praktiska och användbara.

En signifikant hinder är dock att eftersom qubits bygger på att beräkna så många möjligheter, blir kvantumdatorer ibland felaktiga. Forskare arbetar med att fixa det här, men det är en annan anledning till att du förmodligen inte kommer att få en kvantdator att byta ut din mycket mer mekaniska (och därmed exakta) processor.

Slutsats: Förvirring, men det är okej

"Det är den ena delen av Microsoft, där de sätter upp bilder som jag verkligen inte förstår. Jag vet mycket fysik och mycket matematik. Men den enda platsen där de sätter upp bilder och det är hieroglyfer, det är kvant. "- Bill Gates

Torka i det här: De flesta människor har ingen aning om hur sakerna i datorn fungerar, och även de som har en idé förstår förmodligen inte allt om det. Det bästa med att specialisera hur vi gör är att du inte behöver tänka på hur din processor fungerar för att göra fantastiska saker med det, och detsamma kommer att vara sant med kvantdatorer. Den viktigaste skillnaden är att medan din Intel i7 är ganska snyggt, kommer det att få veta att det inte kommer att fråga dig själva verklighetens natur.