Selvom forskere ikke forstår alt om kvanteverdenen, ved de, at kvantepartikler rummer et enormt potentiale, især for at opbevare og behandle store mængder information.
IBM
Hvad er kvanteberegning, og hvordan fungerer det?
Quantum computing udnytter den forvirrende adfærd, som forskere har observeret i årtier i naturens mindste partikler – tænk atomer, fotoner eller elektroner. På denne skala ophører de klassiske fysiske love med at gælde, og i stedet skifter vi til kvanteregler.
Selvom forskere ikke forstår alt om kvanteverdenen, ved de, at kvantepartikler rummer et enormt potentiale, især for at opbevare og behandle store mængder information. Succesfuldt at bringe disse partikler under kontrol i en kvantecomputer kunne udløse en eksplosion af beregningskraft, der fænomenalt ville fremme innovation på mange områder, der kræver komplekse beregninger, såsom opdagelse af stoffer, klimamodellering, finansiel optimering eller logistik.
Som Bob Sutor, chefkvanteeksponent hos IBM, udtrykker det: “Quantum computing er vores måde at efterligne naturen til at løse ekstraordinært vanskelige problemer og gøre dem håndterbare,” siger han til ZDNet.
Hvad er en kvantecomputer?
Kvantecomputere findes i forskellige former og former, men de er alle bygget på det samme princip: de er vært for en kvanteprocessor, hvor kvantepartikler kan isoleres for ingeniører at manipulere.
Naturen af disse kvantepartikler såvel som den metode, der anvendes til at kontrollere dem, varierer fra en kvanteberegningstilgang til en anden. Nogle metoder kræver, at processoren afkøles til frysende temperaturer, andre spiller med kvantepartikler ved hjælp af lasere – men deler målet om at finde ud af, hvordan man bedst udnytter værdien af kvantefysik.
Hvad er forskellen mellem en kvantecomputer og en klassisk computer?
De systemer, vi har brugt siden 1940'erne i forskellige former og former – bærbare computere, smartphones, cloud -servere, supercomputere – er kendt som klassiske computere. De er baseret på bits, en informationsenhed, der driver enhver beregning, der sker i enheden.
I en klassisk computer kan hver bit antage enten en værdi på en eller nul for at repræsentere og transmittere den information, der bruges til at udføre beregninger. Ved hjælp af bits kan udviklere skrive programmer, som er sæt af instruktioner, der læses og udføres af computeren.
Klassiske computere har været uundværlige værktøjer i de sidste par årtier, men bitens ufleksibilitet er begrænsende. Hvis en analogi har til opgave at lede efter en nål i en høstak, skulle en klassisk computer være programmeret til at se igennem hvert eneste stykke høstrå, indtil den nåede nålen.
Der er derfor stadig mange store problemer, som klassiske enheder ikke kan løse. “Der er beregninger, der kan udføres på et klassisk system, men de kan tage millioner af år eller bruge mere computerhukommelse, der findes i alt på Jorden,” siger Sutor. “Disse problemer er umulige i dag.”
Hvordan forbedres kvantecomputere på klassiske enheder?
Kernen i enhver kvantecomputer er qubits, også kendt som kvantebits, og som løst kan sammenlignes med de bits, der behandler information i klassiske computere.
Qubits har imidlertid meget forskellige egenskaber til bits, fordi de er lavet af de kvantepartikler, der findes i naturen – de samme partikler, der har været besat af forskere i mange år.
En af egenskaberne ved kvantepartikler, der er mest nyttige til kvanteberegning, er kendt som superposition, som gør det muligt for kvantepartikler at eksistere i flere tilstande på samme tid. Den bedste måde at forestille sig superposition på er at sammenligne den med at smide en mønt: i stedet for at være hoveder eller haler er kvantepartikler mønten, mens den stadig snurrer.
Ved at kontrollere kvantepartikler kan forskere indlæse dem med data for at oprette qubits – og takket være superposition behøver en enkelt qubit ikke at være enten en en eller en nul, men kan være begge på samme tid. Med andre ord, mens en klassisk bit kun kan være hoveder eller haler, kan en qubit på én gang være hoveder og haler.
Dette betyder, at når en bedt om at løse et problem, kan en kvantecomputer bruge qubits til at køre flere beregninger på én gang for at finde et svar og udforske mange forskellige veje parallelt.
Så i nål-i-en-høstakken scenariet om, i modsætning til en klassisk maskine, kunne en kvantecomputer i princippet gennemse alle høstrå på samme tid og finde nålen på få sekunder frem for at lede i årevis-endda århundreder – før den fandt, hvad den søgte efter.
Hvad mere er: qubits kan fysisk kobles sammen takket være en anden kvanteegenskab kaldet entanglement, hvilket betyder, at med hver qubit, der tilføjes til et system, stiger enhedens muligheder eksponentielt – hvor tilføjelse af flere bits kun genererer lineær forbedring.
Hver gang vi bruger en anden qubit i en kvantecomputer, fordobler vi mængden af information og behandlingsevne til løsning af problemer. Så når vi når 275 qubits, kan vi beregne flere oplysninger, end der er atomer i det observerbare univers. Og den komprimering af computetid, som dette kunne generere, kan have store konsekvenser i mange anvendelsessager.
Kvantecomputere er alle bygget på det samme princip: de er vært for en kvanteprocessor, hvor kvantepartikler kan isoleres for ingeniører at manipulere.
IBM
Hvorfor er kvanteberegning så vigtig?
“Der er en række tilfælde, hvor tid er penge. At kunne gøre ting hurtigere vil have en væsentlig indflydelse i erhvervslivet,” siger Scott Buchholz, administrerende direktør i Deloitte Consulting, til ZDNet.
De tidsgevinster, som forskere forventer som følge af kvanteberegning, er ikke af størrelsesordenen timer eller endda dage. Vi taler snarere om potentielt at være i stand til på få minutter at beregne svaret på problemer, som nutidens mest kraftfulde supercomputere ikke kunne løse i tusinder af år, lige fra modellering af orkaner helt til krakning af kryptografitasterne, der beskytter mest følsomme regeringshemmeligheder.
Og virksomheder har også meget at vinde. Ifølge nyere forskning fra Boston Consulting Group (BCG) kan de fremskridt, som kvanteberegning muliggør, skabe værdi på op til 850 milliarder dollar i de næste 15 til 30 år, hvoraf 5 til 10 milliarder dollar vil blive genereret i de næste fem år, hvis nøgleleverandører leverer teknologien, som de har lovet.
Hvad bruges en kvantecomputer til?
Programmerere skriver problemer i form af algoritmer, som klassiske computere skal løse – og på samme måde vil kvantecomputere udføre beregninger baseret på kvantealgoritmer. Forskere har allerede identificeret, at nogle kvantealgoritmer ville være særligt velegnede til kvantecomputers forbedrede muligheder.
For eksempel kan kvantesystemer tackle optimeringsalgoritmer, som hjælper med at identificere den bedste løsning blandt mange mulige muligheder og kan anvendes i en lang række scenarier lige fra administration af forsyningskæder til trafikstyring. ExxonMobil og IBM arbejder for eksempel sammen for at finde kvantealgoritmer, der en dag kunne styre de 50.000 handelsskibe, der krydser havene hver dag for at levere varer, for at reducere afstanden og den tid, flåden rejser.
Kvantesimuleringsalgoritmer forventes også at levere hidtil usete resultater, da qubits gør det muligt for forskere at håndtere simulering og forudsigelse af komplekse interaktioner mellem molekyler i større systemer, hvilket kan føre til hurtigere gennembrud inden for områder som materialevidenskab og opdagelse af lægemidler.
Med kvantecomputere, der er i stand til at håndtere og behandle meget større datasæt, vil AI- og maskinlæringsapplikationer have en enorm fordel med hurtigere træningstider og mere dygtige algoritmer. Og forskere har også demonstreret, at kvantealgoritmer har potentiale til at knække traditionelle kryptografinøgler, som for nu er for matematisk vanskelige for klassiske computere at bryde.
Hvad er de forskellige typer kvantecomputere?
For at skabe qubits, som er byggestenene i kvantecomputere, skal forskere finde og manipulere de mindste naturpartikler – små dele af universet, der kan findes takket være forskellige medier. Derfor er der i øjeblikket mange typer kvanteprocessorer, der udvikles af en række virksomheder.
En af de mest avancerede fremgangsmåder består i at bruge superledende qubits, som er lavet af elektroner, og kommer i form af de velkendte lysekronelignende kvantecomputere. Både IBM og Google har udviklet superledende processorer.
En anden tilgang, der tager fart, er fangede ioner, som Honeywell og IonQ fører an på, og hvor qubits er anbragt i arrays af ioner, der er fanget i elektriske felter og derefter styres med lasere.
Store virksomheder som Xanadu og PsiQuantum investerer på deres side i endnu en metode, der er afhængig af kvantepartikler af lys, kaldet fotoner, til at kode data og oprette qubits. Qubits kan også oprettes af silicium -spin -qubits – som Intel fokuserer på – men også kolde atomer eller endda diamanter.
Quantum annealing, en tilgang, der blev valgt af D-Wave, er en helt anden kategori af databehandling. Det er ikke afhængigt af det samme paradigme som andre kvanteprocessorer, kendt som portmodellen. Kvanteglødningsprocessorer er meget lettere at styre og betjene, hvorfor D-Wave allerede har udviklet enheder, der kan manipulere tusindvis af qubits, hvor stort set alle andre kvantehardwarefirmaer arbejder med omkring 100 qubits eller mindre. På den anden side er annealeringsmetoden kun egnet til et specifikt sæt optimeringsproblemer, hvilket begrænser dens muligheder.
Hvad kan du gøre med en kvantecomputer i dag?
Lige nu, med kun 100 qubits den nyeste teknik, er der meget lidt, der faktisk kan gøres med kvantecomputere. For at qubits kan begynde at udføre meningsfulde beregninger, skal de tælles i tusinder og endda millioner.
Både IBM og Google har udviklet superledende processorer.
IBM
Hvad kan du gøre med en kvantecomputer i dag?
Lige nu, med kun 100 qubits den nyeste teknik, er der meget lidt, der faktisk kan gøres med kvantecomputere. For at qubits kan begynde at udføre meningsfulde beregninger, skal de tælles i tusinder og endda millioner.
“Selvom der er en enorm mængde løfter og spænding om, hvad kvantecomputere kan gøre en dag, synes jeg, at det, de kan i dag, er relativt overvældende,” siger Buchholz.
At øge antallet af qubit i gate-model-processorer er imidlertid utrolig udfordrende. Dette skyldes, at det er svært at holde partiklerne, der udgør qubits i deres kvantetilstand – lidt som at forsøge at holde en mønt spinde uden at falde på den ene eller den anden side, undtagen meget hårdere.
At holde qubits i spinning kræver, at de isoleres fra enhver miljøforstyrrelse, der kan få dem til at miste deres kvantetilstand. Google og IBM gør det for eksempel ved at placere deres superledende processorer i temperaturer, der er koldere end det ydre rum, hvilket igen kræver sofistikerede kryogene teknologier, der i øjeblikket er næsten umulige at skalere.
Derudover betyder qubits ustabilitet, at de er upålidelige og stadig sandsynligvis vil forårsage beregningsfejl. Dette har givet anledning til en gren af quantum computing dedikeret til at udvikle fejlkorrigeringsmetoder.
Selvom forskningen skrider frem i tempo, er kvantecomputere derfor for øjeblikket fast i det, der kaldes NISQ-æraen: støjende, mellemstor kvanteberegning-men slutmålet er at opbygge en fejl- tolerant, universel kvantecomputer.
Som Buchholz forklarer, er det svært at sige, hvornår dette sandsynligvis vil ske. “Jeg vil gætte på, at vi er en håndfuld år fra produktionsanvendelsessager, men den virkelige udfordring er, at det er lidt som at forsøge at forudsige forskningsgennembrud,” siger han. “Det er svært at sætte en tidslinje på geni.”
Hvad er kvanteoverherredømme?
I 2019 hævdede Google, at dens 54-qubit superledende processor kaldet Sycamore havde opnået kvanteoverherredømme-det punkt, hvor en kvantecomputer kan løse en beregningsopgave, der er umulig at køre på en klassisk enhed på nogen realistisk tid.
Google sagde, at Sycamore på kun 200 sekunder har beregnet svaret på et problem, der ville have taget verdens største supercomputere 10.000 år at fuldføre.
For nylig hævdede forskere fra University of Science and Technology of China et lignende gennembrud og sagde, at deres kvanteprocessor havde taget 200 sekunder at opnå en opgave, der ville have taget 600 millioner år at gennemføre med klassiske enheder .
Dette er langt fra at sige, at en af disse kvantecomputere nu er i stand til at overgå enhver klassisk computer til enhver opgave. I begge tilfælde var enhederne programmeret til at køre meget specifikke problemer, med lidt nytte bortset fra at bevise, at de kunne beregne opgaven betydeligt hurtigere end klassiske systemer.
Uden et højere antal qubit og bedre fejlkorrektion er beviset for kvanteoverlegenhed for nyttige problemer stadig et stykke væk.
Hvad bruges kvantecomputere nu?
Organisationer, der investerer i kvanteressourcer, ser dette som forberedelsesfasen: deres forskere gør grunden for at være klar til den dag, hvor en universel og fejltolerant kvantecomputer er klar.
I praksis betyder det, at de forsøger at opdage de kvantealgoritmer, der mest sandsynligt vil vise en fordel i forhold til klassiske algoritmer, når de først kan køres på store kvantesystemer. For at gøre dette forsøger forskere typisk at bevise, at kvantealgoritmer udfører sammenligneligt med klassiske i meget små brugstilfælde, og teoretiserer, at efterhånden som kvantehardware forbedres, og størrelsen på problemet kan vokse, vil kvantetilgangen uundgåeligt vise en betydelig hastighed -UPS.
For eksempel kom forskere fra den japanske stålproducent Nippon Steel for nylig med en kvanteoptimeringsalgoritme, der kunne konkurrere mod sin klassiske pendant om et lille problem, der blev kørt på en 10-qubit kvantecomputer. I princippet betyder det, at den samme algoritme udstyret med tusinder eller millioner af fejlkorrigerede qubits i sidste ende kunne optimere hele virksomhedens forsyningskæde, komplet med håndtering af snesevis af råvarer, processer og stramme deadlines, hvilket kan give enorme omkostningsbesparelser.
Det arbejde, som kvanteforskere udfører for virksomheder, er derfor stærkt eksperimentelt, og indtil videre er der færre end 100 kvantealgoritmer, der har vist sig at konkurrere mod deres klassiske ækvivalenter – hvilket kun peger på, hvor fremadskridende feltet stadig er.
Hvem skal vinde quantum computing race?
Med de fleste brugstilfælde, der kræver en fuldstændigt fejlkorrigeret kvantecomputer, er det bare hvem, der skal levere en først, spørgsmålet på alles læber i kvanteindustrien, og det er umuligt at kende det nøjagtige svar.
Alle kvantehardwarevirksomheder er ivrige efter at understrege, at deres tilgang vil være den første til at knække kvanterevolutionen, hvilket gør det endnu sværere at skelne fra støj fra virkeligheden. “Udfordringen i øjeblikket er, at det er som at se på en gruppe småbørn på en legeplads og forsøge at finde ud af, hvem af dem der skal vinde Nobelprisen,” siger Buchholz.
“Jeg har set de klogeste mennesker på området sige, at de ikke rigtig er sikre på, hvilken af disse der er det rigtige svar. Der er mere end en halv snes forskellige konkurrerende teknologier, og det er stadig ikke klart, hvilken vil ende med at blive den bedste, eller hvis der vil være den bedste, ”fortsætter han.
Generelt er eksperter enige om, at teknologien ikke vil nå sit fulde potentiale før efter 2030. De næste fem år kan dog begynde at bringe nogle tidlige anvendelsestilfælde, da fejlkorrektion forbedres, og qubit-tællinger begynder at nå tal, der muliggør programmering af små problemer .
IBM er en af de sjældne virksomheder, der har forpligtet sig til en specifik kvanteplan, som definerer det ultimative mål om at realisere en million-qubit-kvantecomputer. På kort sigt forventer Big Blue, at det vil frigive et 1.112-qubit system i 2023, hvilket kan markere starten på de første eksperimenter med virkelige brugssager.
Generelt er eksperter enige om, at kvantecomputere først når deres fulde potentiale efter 2030.
IBM
Hvad med kvantesoftware?
Udvikling af kvantehardware er en kæmpe del af udfordringen og uden tvivl den største flaskehals i økosystemet. Men selv en universel fejltolerant kvantecomputer ville være til ringe nytte uden den matchende kvantesoftware.
“Selvfølgelig er ingen af disse onlinefaciliteter meget brugbare uden at vide, hvordan man 'taler' kvante,” siger Andrew Fearnside, seniormedarbejder med speciale i kvanteteknologier hos det intellektuelle ejendomsfirma Mewburn Ellis, til ZDNet.
Oprettelse af kvantealgoritmer er ikke så let som at tage en klassisk algoritme og tilpasse den til kvanteverdenen. Quantum computing kræver snarere et helt nyt programmeringsparadigme, der kun kan køres på en helt ny softwarestak.
Nogle hardwareudbydere udvikler naturligvis også softwareværktøjer, hvoraf det mest etablerede er IBM's open-source quantum software development kit Qiskit. Men oven i købet udvider kvanteøkosystemet sig til også at omfatte virksomheder, der udelukkende er dedikeret til at skabe kvantesoftware. Kendte navne omfatter Zapata, QC Ware eller 1QBit, som alle er specialiserede i at give virksomheder værktøjer til at forstå kvantesproget.
Og i stigende grad dannes lovende partnerskaber for at samle forskellige dele af økosystemet. For eksempel har den nylige alliance mellem Honeywell, der bygger fangede ioner kvantecomputere, og kvantesoftwarefirmaet Cambridge Quantum Computing (CQC), fået analytikere til at forudsige, at en ny spiller kan tage føringen i kvanteløbet.
Hvad er cloud quantum computing?
Kompleksiteten ved at bygge en kvantecomputer-tænk ultrahøj vakuumkamre, kryogene kontrolsystemer og andre eksotiske kvanteinstrumenter-betyder, at langt de fleste kvantesystemer i øjeblikket sidder fast i laboratoriemiljøer, frem for at blive sendt ud til kundernes datacentre .
For at give brugerne adgang til enhederne for at starte deres eksperimenter har kvantevirksomheder derfor lanceret kommercielle quantum computing cloud -tjenester, hvilket gør teknologien tilgængelig for et bredere spektrum af kunder.
De fire største udbydere af offentlige cloud computing -tjenester tilbyder i øjeblikket adgang til kvantecomputere på deres platform. IBM og Google har begge lagt deres egne kvanteprocessorer på skyen, mens Microsofts Azure Quantum og AWS's Braket-service lader kunderne få adgang til computere fra tredjeparts kvantehardwareudbydere.
Hvordan ser kvanteberegningsindustrien ud i dag?
Juryen er stadig ude på, hvilken teknologi der overhovedet vil vinde løbet, men en ting er sikkert: kvanteberegningsindustrien udvikler sig hurtigt, og investorer finansierer generøst økosystemet. Aktieinvesteringer i kvantecomputering er næsten tredoblet i 2020, og ifølge BCG forventes de at stige endnu mere i 2021 for at nå 800 millioner dollars.
Regeringens investeringer er endnu mere betydningsfulde: USA har låst op for 1,2 milliarder dollars til kvanteinformationsvidenskab i løbet af de næste fem år, mens EU annoncerede et kvanteflagskib på 1 milliard euro (1,20 milliarder dollars). Storbritannien nåede også for nylig milepælen på 1 milliard pund (1,37 milliarder dollar) for kvanteteknologier, og selvom de officielle tal ikke kendes i Kina, har regeringen ikke lagt skjul på, at det ønsker at aggressivt konkurrere i kvanteløbet.
Dette har fået kvanteøkosystemet til at blomstre i løbet af de sidste år, hvor nye start-ups er steget fra en håndfuld i 2013 til næsten 200 i 2020. Appellen til quantum computing er også stigende blandt potentielle kunder: ifølge til analysefirmaet Gartner, mens kun 1% af virksomhederne budgetterede med kvante i 2018, forventes 20% at gøre det inden 2023.
Hvem er ved at blive kvanteklar nu?
Selvom ikke alle virksomheder skal forberede sig på at følge med i kvanteklare konkurrenter, er der nogle brancher, hvor kvantealgoritmer forventes at generere enorm værdi, og hvor førende virksomheder allerede gør sig klar.
Goldman Sachs og JP Morgan er to eksempler på finansielle besætninger, der investerer i kvanteberegning. Det skyldes, at inden for bankvirksomhed kan kvanteoptimeringsalgoritmer give et boost til porteføljeoptimering ved bedre at vælge, hvilke aktier der skal købes og sælges for maksimalt afkast.
Inden for lægemidler, hvor lægemiddelopdagelsesprocessen i gennemsnit er en $ 2 milliarder dollar, ti år lang aftale, der stort set er afhængig af forsøg og fejl, forventes kvantesimuleringsalgoritmer også at lave bølger. Dette er også tilfældet inden for materialevidenskab: virksomheder som OTI Lumionics for eksempel undersøger brugen af kvantecomputere til at designe mere effektive OLED -skærme.
Førende bilvirksomheder, herunder Volkswagen og BMW, holder også godt øje med teknologien, som kan påvirke sektoren på forskellige måder, lige fra design af mere effektive batterier til optimering af forsyningskæden til bedre håndtering af trafik og mobilitet. Volkswagen var for eksempel banebrydende for brugen af en kvantealgoritme, der optimerede busruter i realtid ved at undgå trafikflaskehalse.
Da teknologien modnes, er det imidlertid usandsynligt, at kvanteberegning vil være begrænset til nogle få udvalgte. Analytikere forventer snarere, at stort set alle brancher har potentiale til at drage fordel af den beregningshastighed, qubits vil låse op.
Der er nogle brancher, hvor kvantealgoritmer forventes at generere enorm værdi, og hvor førende virksomheder allerede gør sig klar.
IBM
Vil kvantecomputere erstatte vores bærbare computere?
Kvantecomputere forventes at være fænomenal til at løse en bestemt klasse af problemer, men det betyder ikke, at de vil være et bedre værktøj end klassiske computere til hver enkelt applikation. Især kvantesystemer er ikke velegnede til grundlæggende beregninger som aritmetik eller til at udføre kommandoer.
“Kvantecomputere er gode begrænsningsoptimeringer, men det er ikke det, du har brug for for at køre Microsoft Excel eller Office,” siger Buchholz. “Det er hvad klassisk teknologi er til: for at lave masser af matematik, beregninger og sekventielle operationer.”
Med andre ord vil der altid være et sted for den måde, vi beregner i dag. Det er for eksempel usandsynligt, at du snart vil streame en Netflix -serie på en kvantecomputer. De to teknologier vil snarere blive brugt sammen, hvor der kun bliver efterlyst kvantecomputere, hvor de dramatisk kan accelerere en bestemt beregning.
Hvordan vil vi bruge kvantecomputere?
Buchholz forudsiger, at når klassisk og kvantecomputing begynder at arbejde sammen med hinanden, vil adgang ligne en konfigurationsmulighed. Dataforskere har i øjeblikket et valg om at bruge CPU'er eller GPU'er, når de kører deres arbejdsbyrder, og det kan være, at kvantebehandlingsenheder (QPU'er) slutter sig til listen på et tidspunkt. Det vil være op til forskere at beslutte, hvilken konfiguration de skal vælge, baseret på arten af deres beregning.
Selvom den nøjagtige måde, hvorpå brugere får adgang til kvantecomputing i fremtiden, stadig er defineret, er en ting sikker: det er usandsynligt, at de bliver forpligtet til at forstå de grundlæggende love for kvantecomputering for at kunne bruge teknologien .
“Folk bliver forvirrede, fordi den måde, vi leder ind på kvantecomputing på, er ved at tale om tekniske detaljer,” siger Buchholz. “Men du behøver ikke at forstå, hvordan din mobiltelefon fungerer for at bruge den.”
“Folk glemmer nogle gange, at når du logger ind på en server et eller andet sted, har du ingen idé om, hvilken fysisk placering serveren befinder sig i, eller selvom den overhovedet eksisterer fysisk. Det vigtige spørgsmål bliver virkelig, hvad det går efter for at se ud som at få adgang til det. ”
Og lige så fascinerende som qubits, superposition, sammenfiltring og andre kvantefænomener kan være, vil det for de fleste af os komme som en kærkommen nyhed.
Relaterede emner:
Cloud 