Hva er Quantum Advantage? Øyeblikket vil ekstremt kraftige kvantedatamaskiner komme

Hva er Quantum Advantage? Øyeblikket vil ekstremt kraftige kvantedatamaskiner komme

Tidsstempel: 17. november 2023 3:03

Kvantefordelen er milepælen feltet for kvanteberegning jobber inderlig mot, når en kvantedatamaskin kan løse problemer som er utenfor rekkevidden til de kraftigste ikke-kvante- eller klassiske datamaskinene.

Kvante refererer til skalaen til atomer og molekyler der fysikkens lover når vi opplever dem brytes ned og et annet, kontraintuitivt sett med lover gjelder. Kvantedatamaskiner utnytter disse merkelige atferdene for å løse problemer.

Det er noen typer problemer som er det upraktisk for klassiske datamaskiner å løse, Eksempel cracking state-of-the-art krypteringsalgoritmer. Forskning de siste tiårene har vist at kvantedatamaskiner har potensial til å løse noen av disse problemene. Hvis en kvantedatamaskin kan bygges som faktisk løser ett av disse problemene, vil den ha vist kvantefordeler.

Jeg er en fysiker som studerer kvanteinformasjonsbehandling og kontroll av kvantesystemer. Jeg tror at denne grensen for vitenskapelig og teknologisk innovasjon ikke bare lover banebrytende fremskritt innen beregning, men også representerer en bredere bølge innen kvanteteknologi, inkludert betydelige fremskritt innen kvantekryptografi og kvantesansing.

Kilden til Quantum Computing's Power

Sentralt i kvanteberegning er kvantebiten, eller qubit. I motsetning til klassiske biter, som bare kan være i tilstander 0 eller 1, kan en qubit være i en hvilken som helst tilstand som er en kombinasjon av 0 og 1. Denne tilstanden på verken bare 1 eller bare 0 er kjent som en kvantesuperposisjon. For hver ekstra qubit dobles antallet tilstander som kan representeres av qubitene.

Denne egenskapen blir ofte forvekslet med kilden til kraften til kvanteberegning. I stedet kommer det ned til et intrikat samspill av superposisjon, forstyrrelser og forviklinger.

Interferens innebærer å manipulere qubits slik at deres tilstander kombineres konstruktivt under beregninger for å forsterke riktige løsninger og destruktivt for å undertrykke feil svar. Konstruktiv interferens er det som skjer når toppene av to bølger – som lydbølger eller havbølger – kombineres for å skape en høyere topp. Destruktiv interferens er det som skjer når en bølgetopp og et bølgedal kombineres og opphever hverandre. Kvantealgoritmer, som er få og vanskelige å lage, setter opp en sekvens av interferensmønstre som gir det riktige svaret på et problem.

Entanglement etablerer en unik kvantekorrelasjon mellom qubits: Tilstanden til en kan ikke beskrives uavhengig av de andre, uansett hvor langt fra hverandre qubitene er. Dette er hva Albert Einstein berømt avfeide som «skummel handling på avstand». Entanglements kollektive oppførsel, orkestrert gjennom en kvantedatamaskin, muliggjør beregningshastigheter som er utenfor rekkevidden til klassiske datamaskiner.

[Innebygd innhold]

Anvendelser av kvanteberegning

Kvantedatabehandling har en rekke potensielle bruksområder der den kan utkonkurrere klassiske datamaskiner. I kryptografi utgjør kvantedatamaskiner både en mulighet og en utfordring. Mest kjent har de potensial til å dechiffrere gjeldende krypteringsalgoritmer, slik som den mye brukte RSA-ordning.

En konsekvens av dette er at dagens krypteringsprotokoller må omkonstrueres for å være motstandsdyktige mot fremtidige kvanteangrep. Denne anerkjennelsen har ført til det voksende feltet av post-kvante kryptografi. Etter en lang prosess valgte National Institute of Standards and Technology nylig ut fire kvanteresistente algoritmer og har begynt prosessen med å klargjøre dem slik at organisasjoner over hele verden kan bruke dem i krypteringsteknologien deres.

I tillegg kan kvanteberegning dramatisk øke hastigheten på kvantesimulering: evnen til å forutsi resultatet av eksperimenter som opererer i kvanteriket. Den kjente fysikeren Richard Feynman så for seg denne muligheten mer enn 40 år siden. Kvantesimulering gir potensialet for betydelige fremskritt innen kjemi og materialvitenskap, og hjelper på områder som intrikat modellering av molekylære strukturer for medikamentoppdagelse og muliggjør oppdagelse eller skapelse av materialer med nye egenskaper.

En annen bruk av kvanteinformasjonsteknologi er kvantesansing: oppdage og måle fysiske egenskaper som elektromagnetisk energi, gravitasjon, trykk og temperatur med større følsomhet og presisjon enn ikke-kvanteinstrumenter. Kvantesensing har utallige bruksområder innen felt som f.eks Miljøovervåking, geologisk utforskning, medisinsk bildebehandlingog overvåking.

Initiativer som utvikling av en kvanteinternett som kobler sammen kvantedatamaskiner er avgjørende skritt mot å bygge bro over kvante- og klassisk dataverden. Dette nettverket kan sikres ved hjelp av kvantekryptografiske protokoller som kvantenøkkeldistribusjon, som muliggjør ultrasikre kommunikasjonskanaler som er beskyttet mot dataangrep – inkludert de som bruker kvantedatamaskiner.

Til tross for en voksende applikasjonspakke for kvanteberegning, utvikle nye algoritmer som utnytter kvantefordelene fullt ut – spesielt innen maskinlæring— er fortsatt et kritisk område for pågående forskning.

et metallapparat med grønt laserlys i bakgrunnen
En prototype kvantesensor utviklet av MIT-forskere kan oppdage enhver frekvens av elektromagnetiske bølger. Bildekreditt: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Forbli sammenhengende og overvinne feil

De kvanteberegningsfelt står overfor betydelige hindringer i maskinvare- og programvareutvikling. Kvantedatamaskiner er svært følsomme for enhver utilsiktet interaksjon med deres miljøer. Dette fører til fenomenet dekoherens, der qubits raskt degraderes til 0 eller 1-tilstandene til klassiske biter.

Å bygge storskala kvantedatabehandlingssystemer som er i stand til å innfri løftet om kvantehastigheter, krever å overvinne dekoherens. Nøkkelen er å utvikle effektive metoder for undertrykke og korrigere kvantefeil, et område min egen forskning fokuserer på.

I å navigere disse utfordringene, mange oppstart av kvantemaskinvare og programvare har dukket opp sammen med veletablerte teknologiindustriaktører som Google og IBM. Denne industriinteressen, kombinert med betydelige investeringer fra regjeringer over hele verden, understreker en kollektiv anerkjennelse av kvanteteknologiens transformative potensial. Disse initiativene fremmer et rikt økosystem der akademia og industri samarbeider, og akselererer fremgangen på feltet.

Quantum Advantage kommer til syne

Kvantedatabehandling kan en dag være like forstyrrende som ankomsten av generativ AI. For tiden er utviklingen av kvantedatabehandlingsteknologi på et avgjørende tidspunkt. På den ene siden har feltet allerede vist tidlige tegn på å ha oppnådd en snevert spesialisert kvantefordel. Forskere ved Google og senere a team av forskere i Kina demonstrert kvantefordel for å generere en liste over tilfeldige tall med visse egenskaper. Forskerteamet mitt demonstrerte en kvantehastighet for et gjettespill med tilfeldige tall.

På den annen side er det en håndgripelig risiko for å gå inn i en «kvantevinter», en periode med reduserte investeringer dersom praktiske resultater uteblir på kort sikt.

Mens teknologiindustrien jobber for å levere kvantefordeler i produkter og tjenester på kort sikt, forblir akademisk forskning fokusert på å undersøke de grunnleggende prinsippene som ligger til grunn for denne nye vitenskapen og teknologien. Denne pågående grunnforskningen, drevet av entusiastiske kadre av nye og flinke studenter av typen jeg møter nesten hver dag, sikrer at feltet vil fortsette å utvikle seg.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bildekreditt: xx / xx

Tidstempel:

Mer fra Singularity Hub