Medan forskare inte förstår allt om kvantvärlden, vet de att kvantpartiklar har en enorm potential, i synnerhet att hålla och bearbeta stora mängder information.
IBM
Vad är kvantberäkning och hur fungerar det?
Quantum computing utnyttjar det förvirrande beteende som forskare har observerat i decennier i naturens minsta partiklar – tänk atomer, fotoner eller elektroner. I denna skala upphör de klassiska fysikaliska lagarna att gälla, och istället går vi över till kvantregler.
Medan forskare inte förstår allt om kvantvärlden, vet de att kvantpartiklar har en enorm potential, i synnerhet att hålla och bearbeta stora mängder information. Att framgångsrikt få dessa partiklar under kontroll i en kvantdator kan utlösa en explosion av beräkningskraft som fenomenalt skulle främja innovation på många områden som kräver komplexa beräkningar, som läkemedelsupptäckt, klimatmodellering, finansiell optimering eller logistik.
Som Bob Sutor, chefskvantexponent på IBM, uttrycker det: “Quantum computing är vårt sätt att efterlikna naturen för att lösa utomordentligt svåra problem och göra dem behandlingsbara”, säger han till ZDNet.
Vad är en kvantdator?
Kvantdatorer finns i olika former och former, men de är alla byggda på samma princip: de är värd för en kvantprocessor där kvantpartiklar kan isoleras för ingenjörer att manipulera.
Naturen hos dessa kvantpartiklar, liksom den metod som används för att kontrollera dem, varierar från en kvantberäkningsmetod till en annan. Vissa metoder kräver att processorn kyls ner till minusgrader, andra för att leka med kvantpartiklar med hjälp av lasrar – men delar målet att ta reda på hur man bäst utnyttjar värdet av kvantfysik.
Vad är skillnaden mellan en kvantdator och en klassisk dator?
De system vi har använt sedan 1940 -talet i olika former och former – bärbara datorer, smartphones, molnservrar, superdatorer – är kända som klassiska datorer. De är baserade på bitar, en informationsenhet som driver varje beräkning som händer i enheten.
I en klassisk dator kan varje bit antingen anta ett värde på en eller noll för att representera och överföra informationen som används för att utföra beräkningar. Med hjälp av bitar kan utvecklare skriva program, som är en uppsättning instruktioner som läses och körs av datorn.
Klassiska datorer har varit oumbärliga verktyg de senaste decennierna, men bitarnas oflexibilitet är begränsande. Som en analogi, om den fick i uppdrag att leta efter en nål i en höstack, skulle en klassisk dator behöva programmeras för att titta igenom varje enskild höstrå tills den nådde nålen.
Det finns därför fortfarande många stora problem som klassiska enheter inte kan lösa. “Det finns beräkningar som kan göras på ett klassiskt system, men de kan ta miljontals år eller använda mer datorminne som finns totalt på jorden”, säger Sutor. “Dessa problem är svårlösliga idag.”
Hur förbättras kvantdatorer på klassiska enheter?
Kärnan i en kvantdator är qubits, även kända som kvantbitar, och som löst kan jämföras med bitarna som behandlar information i klassiska datorer.
Qubits har dock mycket olika egenskaper än bitar, eftersom de är gjorda av de kvantpartiklar som finns i naturen – samma partiklar som har besatt forskare i många år.
En av egenskaperna hos kvantpartiklar som är mest användbara för kvantberäkning kallas superposition, vilket gör att kvantpartiklar kan existera i flera tillstånd samtidigt. Det bästa sättet att föreställa sig superposition är att jämföra det med att slänga ett mynt: istället för att vara huvuden eller svansarna är kvantpartiklar myntet medan det fortfarande snurrar.
Genom att kontrollera kvantpartiklar kan forskare ladda dem med data för att skapa qubits – och tack vare superposition behöver en enda qubit inte vara antingen en en eller en nolla, utan kan vara båda samtidigt. Med andra ord, medan en klassisk bit bara kan vara huvuden eller svansarna, kan en qubit vara huvud och svans på en gång.
Det betyder att när en kvantdator blir ombedd att lösa ett problem kan han använda qubits för att köra flera beräkningar samtidigt för att hitta ett svar och utforska många olika vägar parallellt.
Så i nål-i-en-höstack-scenariot om, till skillnad från en klassisk maskin, skulle en kvantdator i princip kunna bläddra igenom alla stråstrån samtidigt och hitta nålen på några sekunder snarare än att leta efter år-till och med århundraden – innan den hittade vad den letade efter.
Vad mer: qubits kan fysiskt länkas ihop tack vare en annan kvantegenskap som kallas entanglement, vilket betyder att med varje qubit som läggs till i ett system ökar enhetens kapacitet exponentiellt – där tillsats av fler bitar bara genererar linjär förbättring.
Varje gång vi använder ytterligare en qubit i en kvantdator fördubblar vi mängden information och bearbetningsförmåga som är tillgänglig för att lösa problem. Så när vi når 275 qubits kan vi beräkna med mer information än det finns atomer i det observerbara universum. Och den komprimering av datortid som detta kan generera kan ha stora konsekvenser i många användningsfall.
Kvantdatorer är alla byggda på samma princip: de är värd för en kvantprocessor där kvantpartiklar kan isoleras för ingenjörer att manipulera.
IBM
Varför är kvantberäkning så viktigt?
“Det finns ett antal fall där tid är pengar. Att kunna göra saker snabbare kommer att ha en väsentlig inverkan i näringslivet”, säger Scott Buchholz, verkställande direktör på Deloitte Consulting, till ZDNet.
De vinster i tid som forskare förväntar sig som ett resultat av kvantberäkning är inte av storleksordningen timmar eller till och med dagar. Vi pratar snarare om att på bara några minuter kunna beräkna svaret på problem som dagens mest kraftfulla superdatorer inte kunde lösa på tusentals år, allt från att modellera orkaner hela vägen till att knäcka kryptografiknapparna som skyddar mest känsliga regeringshemligheter.
Och företag har också mycket att vinna. Enligt ny forskning från Boston Consulting Group (BCG) kan de framsteg som kvantberäkningen möjliggör skapa ett värde på upp till 850 miljarder dollar under de närmaste 15 till 30 åren, varav 5 till 10 miljarder dollar kommer att genereras under de närmaste fem åren om viktiga leverantörer levererar på tekniken som de har lovat.
Vad används en kvantdator till?
Programmerare skriver problem i form av algoritmer för klassiska datorer att lösa – och på samma sätt kommer kvantdatorer att utföra beräkningar baserade på kvantalgoritmer. Forskare har redan identifierat att vissa kvantalgoritmer skulle vara särskilt lämpade för de förbättrade möjligheterna hos kvantdatorer.
Kvantsystem kan till exempel hantera optimeringsalgoritmer, som hjälper till att identifiera den bästa lösningen bland många möjliga alternativ, och kan tillämpas i en mängd olika scenarier, allt från administration av leveranskedjor till trafikledning. ExxonMobil och IBM, till exempel, arbetar tillsammans för att hitta kvantalgoritmer som en dag skulle kunna hantera de 50 000 handelsfartygen som passerar oceanerna varje dag för att leverera varor, för att minska avståndet och tiden som flottorna reser.
Kvantsimuleringsalgoritmer förväntas också ge oöverträffade resultat, eftersom qubits gör det möjligt för forskare att hantera simulering och förutsägelse av komplexa interaktioner mellan molekyler i större system, vilket kan leda till snabbare genombrott inom områden som materialvetenskap och upptäckt av läkemedel.
Med kvantdatorer som kan hantera och bearbeta mycket större datamängder kommer AI- och maskininlärningsprogram att gynnas enormt, med snabbare träningstider och mer kapabla algoritmer. Och forskare har också visat att kvantalgoritmer har potential att knäcka traditionella kryptografinycklar, som för närvarande är för matematiskt svåra för klassiska datorer att bryta.
Vilka är de olika typerna av kvantdatorer?
För att skapa qubits, som är byggstenarna i kvantdatorer, måste forskare hitta och manipulera de minsta partiklarna i naturen – små delar av universum som kan hittas tack vare olika medier. Det är därför det för närvarande utvecklas många typer av kvantprocessorer av en rad företag.
En av de mest avancerade metoderna består i att använda supraledande qubits, som är gjorda av elektroner, och kommer i form av de välkända ljuskronaliknande kvantdatorer. Både IBM och Google har utvecklat supraledande processorer.
Ett annat tillvägagångssätt som får fart är fångade joner, som Honeywell och IonQ leder vägen framåt, och där qubits är inrymda i matriser av joner som fångas i elektriska fält och sedan styrs med lasrar.
Stora företag som Xanadu och PsiQuantum investerar å sin sida i ännu en metod som bygger på kvantpartiklar av ljus, kallade fotoner, för att koda data och skapa qubits. Qubits kan också skapas av kisel -spin -qubits – som Intel fokuserar på – men också kalla atomer eller till och med diamanter.
Kvantglödgning, ett tillvägagångssätt som valdes av D-Wave, är en helt annan datorkategori. Den förlitar sig inte på samma paradigm som andra kvantprocessorer, känd som portmodellen. Kvantglödgningsprocessorer är mycket lättare att styra och använda, varför D-Wave redan har utvecklat enheter som kan manipulera tusentals qubits, där praktiskt taget vartannat kvant hårdvaruföretag arbetar med cirka 100 qubits eller mindre. Å andra sidan är glödgningsmetoden endast lämplig för en specifik uppsättning optimeringsproblem, vilket begränsar dess kapacitet.
Vad kan du göra med en kvantdator idag?
Just nu, med bara 100 qubits toppmodern teknik, finns det väldigt lite som faktiskt kan göras med kvantdatorer. För att qubits ska börja utföra meningsfulla beräkningar måste de räknas i tusentals, och till och med miljoner.
Både IBM och Google har utvecklat supraledande processorer.
IBM
Vad kan du göra med en kvantdator idag?
Just nu, med bara 100 qubits toppmodern teknik, finns det väldigt lite som faktiskt kan göras med kvantdatorer. För att qubits ska börja utföra meningsfulla beräkningar måste de räknas i tusentals, och till och med miljoner.
“Även om det finns en enorm mängd löfte och spänning om vad kvantdatorer kan göra en dag, tycker jag att det de kan göra idag är relativt undermåligt”, säger Buchholz.
Att öka antalet qubit i gate-modellprocessorer är dock otroligt utmanande. Detta beror på att det är svårt att hålla partiklarna som utgör qubits i sitt kvanttillstånd – lite som att försöka hålla ett mynt snurrande utan att falla på ena eller andra sidan, förutom mycket hårdare.
Att hålla qubits snurrande kräver att man isolerar dem från alla miljöstörningar som kan få dem att förlora sitt kvanttillstånd. Google och IBM gör till exempel detta genom att placera sina supraledande processorer i temperaturer som är kallare än yttre rymden, vilket i sin tur kräver sofistikerad kryogen teknik som för närvarande är nästan omöjlig att skala upp.
Dessutom innebär instabiliteten hos qubits att de är opålitliga och fortfarande kan orsaka beräkningsfel. Detta har gett upphov till en gren av kvantberäkning avsedd att utveckla felkorrigeringsmetoder.
Även om forskningen går framåt i takt, fastnar därför kvantdatorer för närvarande i det som kallas NISQ-eran: bullriga, mellanliggande kvantberäkningar-men slutmålet är att bygga ett fel- tolerant, universell kvantdator.
Som Buchholz förklarar är det svårt att säga när detta sannolikt kommer att hända. “Jag skulle gissa att vi är en handfull år från produktionsanvändningsfall, men den verkliga utmaningen är att det här är lite som att försöka förutsäga forskningsgenombrott”, säger han. “Det är svårt att sätta en tidslinje för genialitet.”
Vad är kvantöverlägsenhet?
År 2019 hävdade Google att dess 54-qubit supraledande processor som heter Sycamore hade uppnått kvantöverlägsenhet-den punkt där en kvantdator kan lösa en beräkningsuppgift som är omöjlig att köra på en klassisk enhet under någon realistisk tid.
Google sa att Sycamore på bara 200 sekunder har beräknat svaret på ett problem som skulle ha tagit världens största superdatorer 10 000 år att slutföra.
På senare tid hävdade forskare från University of Science and Technology of China ett liknande genombrott och sa att deras kvantprocessor hade tagit 200 sekunder för att uppnå en uppgift som skulle ha tagit 600 miljoner år att slutföra med klassiska enheter .
Detta är långt ifrån att säga att någon av dessa kvantdatorer nu kan överträffa vilken klassisk dator som helst vid vilken uppgift som helst. I båda fallen programmerades enheterna för att köra mycket specifika problem, med liten användbarhet förutom att bevisa att de kunde beräkna uppgiften betydligt snabbare än klassiska system.
Utan ett högre qubittal och bättre felkorrigering är kvantöverlägsenhet för användbara problem fortfarande långt borta.
Vad använder kvantdatorer nu?
Organisationer som investerar i kvantresurser ser detta som förberedelsestadiet: deras forskare gör grunden för att vara redo för dagen då en universell och feltolerant kvantdator är klar.
I praktiken betyder detta att de försöker upptäcka de kvantalgoritmer som mest sannolikt kommer att visa en fördel jämfört med klassiska algoritmer när de kan köras på kvantsystem i stor skala. För att göra detta försöker forskare vanligtvis bevisa att kvantalgoritmer fungerar jämförbart med klassiska i mycket små användningsfall och teoretisera att när kvanthårdvaran förbättras och problemets storlek kan växas kommer kvantmetoden oundvikligen att visa en viss betydande hastighet -Posten.
Till exempel kom forskare vid den japanska ståltillverkaren Nippon Steel nyligen med en kvantoptimeringsalgoritm som kan konkurrera mot sin klassiska motsvarighet om ett litet problem som kördes på en 10-qubit kvantdator. I princip innebär detta att samma algoritm utrustad med tusentals eller miljontals felkorrigerade qubits så småningom kan optimera företagets hela leveranskedja, komplett med hanteringen av dussintals råvaror, processer och snäva deadlines, vilket kan ge enorma kostnadsbesparingar.
Det arbete som kvantforskare utför för företag är därför mycket experimentellt, och än så länge finns det färre än 100 kvantalgoritmer som har visat sig konkurrera mot sina klassiska ekvivalenter – vilket bara pekar på hur framväxande fältet fortfarande är.
Vem ska vinna quantum computing race?
Med de flesta användningsfall som kräver en helt felkorrigerad kvantdator är det bara vem som ska leverera en först frågan på allas läppar i kvantindustrin, och det är omöjligt att veta det exakta svaret.
Alla kvant hårdvaruföretag är angelägna om att betona att deras tillvägagångssätt kommer att vara det första som slår språket av kvantrevolutionen, vilket gör det ännu svårare att urskilja brus från verkligheten. “Utmaningen för tillfället är att det är som att titta på en grupp småbarn på en lekplats och försöka lista ut vilken av dem som kommer att vinna Nobelpriset”, säger Buchholz.
“Jag har sett de smartaste människorna på området säga att de inte riktigt är säkra på vilket av dessa som är rätt svar. Det finns mer än ett halvt dussin olika konkurrerande tekniker och det är fortfarande inte klart vilken kommer att bli den bästa, eller om det kommer att bli den bästa, fortsätter han.
I allmänhet är experter överens om att tekniken inte kommer att nå sin fulla potential förrän efter 2030. De kommande fem åren kan dock börja ta några tidiga användningsfall när felkorrigering förbättras och antalet qubit börjar nå siffror som gör att små problem kan programmeras .
IBM är ett av de sällsynta företagen som har åtagit sig en specifik kvantfärdplan, som definierar det slutgiltiga målet att förverkliga en kvantdator på en miljon-qubit. På kortare sikt räknar Big Blue med att det kommer att släppa ett system med 1 121 kubiter år 2023, vilket kan markera starten på de första experimenten med verkliga användningsfall.
I allmänhet är experter överens om att kvantdatorer inte når sin fulla potential förrän efter 2030.
IBM
Hur är det med kvantprogramvara?
Att utveckla kvantmaskinvara är en stor del av utmaningen och utan tvekan den viktigaste flaskhalsen i ekosystemet. Men även en universell fultolerant kvantdator skulle vara till liten nytta utan matchande kvantprogramvara.
“Självklart är ingen av dessa onlineanläggningar till stor nytta utan att veta hur man” talar “kvantum, säger Andrew Fearnside, senior medarbetare specialiserad på kvantteknik på immaterialrättsföretaget Mewburn Ellis, till ZDNet.
Att skapa kvantalgoritmer är inte lika lätt som att ta en klassisk algoritm och anpassa den till kvantvärlden. Quantum computing kräver snarare ett helt nytt programmeringsparadigm som bara kan köras på en helt ny mjukvarustack.
Självklart utvecklar vissa hårdvaruleverantörer också mjukvaruverktyg, varav den mest etablerade är IBM: s utvecklingssats för kvantprogramvara med öppen källkod Qiskit. Men utöver det expanderar kvantekosystemet till att omfatta företag som uteslutande ägnar sig åt att skapa kvantprogramvara. Kända namn inkluderar Zapata, QC Ware eller 1QBit, som alla är specialiserade på att ge företag verktyg för att förstå kvantspråket.
Och alltmer bildas lovande partnerskap för att sammanföra olika delar av ekosystemet. Till exempel har den senaste alliansen mellan Honeywell, som bygger fångade joner kvantdatorer, och kvantprogramvaruföretaget Cambridge Quantum Computing (CQC), fått analytiker att förutspå att en ny spelare kan ta ledningen i kvantloppet.
Vad är cloud quantum computing?
Komplexiteten i att bygga en kvantdator-tänk ultrahöga vakuumkammare, kryogena styrsystem och andra exotiska kvantinstrument-gör att de allra flesta kvantsystem för närvarande sitter fast i labbmiljöer, snarare än att skickas ut till kundernas datacenter .
För att låta användarna komma åt enheterna för att börja köra sina experiment har kvantföretag därför lanserat kommersiella kvantdatamolnmystjänster, vilket gör tekniken tillgänglig för ett bredare utbud av kunder.
De fyra största leverantörerna av offentliga molntjänster erbjuder för närvarande tillgång till kvantdatorer på sin plattform. IBM och Google har båda lagt sina egna kvantprocessorer i molnet, medan Microsofts Azure Quantum och AWS Braket-tjänst låter kunderna komma åt datorer från tredjepartsleverantörer av kvantmaskinvara.
Hur ser kvantdatorindustrin ut idag?
Juryn är fortfarande ute om vilken teknik som kommer att vinna loppet, om någon alls, men en sak är säker: kvantberäkningsindustrin utvecklas snabbt och investerare generöst finansierar ekosystemet. Aktieinvesteringar i kvantberäkning tredubblades nästan 2020, och enligt BCG kommer de att stiga ännu mer 2021 för att nå 800 miljoner dollar.
Regeringens investeringar är ännu mer betydande: USA har låst upp 1,2 miljarder dollar för kvantinformationsvetenskap under de kommande fem åren, medan EU tillkännagav ett kvantflaggskepp på 1 miljard euro (1,20 miljarder dollar). Storbritannien nådde nyligen också en milstolpe för 1 miljard pund (1,37 miljarder dollar) för kvantteknik, och även om officiella siffror inte är kända i Kina har regeringen inte lagt någon hemlighet på sin önskan att aggressivt konkurrera i kvantloppet.
Detta har fått kvantekosystemet att blomstra under de senaste åren, med nya nyetableringar som ökat från en handfull 2013 till nästan 200 år 2020. Överklagandet för kvantberäkning ökar också bland potentiella kunder: enligt till analysföretaget Gartner, medan bara 1% av företagen budgeterade för kvant 2018, förväntas 20% göra det till 2023.
Vem blir kvantklara nu?
Även om inte alla företag behöver förbereda sig för att hänga med i kvantklara konkurrenter, finns det vissa branscher där kvantalgoritmer förväntas generera stort värde och där ledande företag redan gör sig redo.
Goldman Sachs och JP Morgan är två exempel på finansiella tjurar som investerar i kvantberäkning. Det beror på att inom banktjänster kan kvantoptimeringsalgoritmer öka portföljoptimeringen genom att bättre välja vilka aktier som ska köpas och säljas för maximal avkastning.
Inom läkemedel, där läkemedelsupptäcktsprocessen i genomsnitt är 2 miljarder dollar, tio år lång affär som till stor del bygger på försök och fel, förväntas också kvantsimuleringsalgoritmer göra vågor. Detta är också fallet inom materialvetenskap: företag som OTI Lumionics, till exempel, undersöker användningen av kvantdatorer för att designa effektivare OLED -skärmar.
Ledande bilföretag inklusive Volkswagen och BMW håller också noga koll på tekniken, som kan påverka sektorn på olika sätt, allt från att designa mer effektiva batterier till att optimera leveranskedjan, till bättre hantering av trafik och rörlighet. Volkswagen, till exempel, var banbrytande för användningen av en kvantalgoritm som optimerade busslinjer i realtid genom att undvika flaskhalsar i trafiken.
När tekniken mognar är det dock osannolikt att kvantberäkningen kommer att begränsas till några få utvalda. Snarare räknar analytiker med att nästan alla branscher har potential att dra nytta av den beräkningshastighet som qubits kommer att låsa upp.
Det finns vissa branscher där kvantalgoritmer förväntas generera stort värde och där ledande företag redan gör sig redo.
IBM
Kommer kvantdatorer att ersätta våra bärbara datorer?
Kvantdatorer förväntas vara fenomenala för att lösa en viss typ av problem, men det betyder inte att de kommer att vara ett bättre verktyg än klassiska datorer för varje enskild applikation. Speciellt är kvantsystem inte bra för grundläggande beräkningar som aritmetik eller för att utföra kommandon.
“Kvantdatorer är bra begränsningsoptimeringar, men det är inte vad du behöver för att köra Microsoft Excel eller Office”, säger Buchholz. “Det är vad klassisk teknik är till för: för att göra massor av matematik, beräkningar och sekventiella operationer.”
Med andra ord kommer det alltid att finnas en plats för det sätt vi beräknar idag. Det är till exempel osannolikt att du kommer att streama en Netflix -serie på en kvantdator när som helst snart. Snarare kommer de två teknikerna att användas tillsammans, där kvantdatorer endast efterfrågas där de dramatiskt kan påskynda en specifik beräkning.
Hur ska vi använda kvantdatorer?
Buchholz förutspår att, när klassisk och kvantberäkning börjar arbeta tillsammans med varandra, kommer åtkomst att se ut som ett konfigurationsalternativ. Datavetenskapare har för närvarande ett val att använda CPU: er eller GPU: er när de kör sina arbetsbelastningar, och det kan vara så att kvantbearbetningsenheter (QPU: er) går med i listan någon gång. Det blir upp till forskarna att bestämma vilken konfiguration de ska välja, baserat på beräkningens art.
Även om det exakta sättet som användare kommer att få åtkomst till kvantdatorer i framtiden återstår att definiera, är en sak säker: det är osannolikt att de kommer att behöva förstå de grundläggande lagarna för kvantberäkning för att kunna använda tekniken .
“Människor blir förvirrade för att vägen vi leder till kvantberäkning är genom att prata om tekniska detaljer”, säger Buchholz. “Men du behöver inte förstå hur din mobiltelefon fungerar för att använda den.”
“Människor glömmer ibland att när du loggar in på en server någonstans har du ingen aning om vilken fysisk plats servern befinner sig i eller om den existerar fysiskt alls längre. Den viktiga frågan blir verkligen vad den går till att se ut som att komma åt den. ”
Och lika fascinerande som qubits, superposition, trassel och andra kvantfenomen kan vara, för de flesta av oss kommer detta som en välkommen nyhet.
Relaterade ämnen:
Cloud 