Kvantberäkning: Nuvarande status och framtidsutsikter

Det vetenskapliga samfundet uppmärksammar begränsningarna hos moderna superdatorer och konsekvenserna för akademiker och institutioner över hela världen.

Forskare kan till exempel använda den nuvarande tekniken för att köra mer komplexa simuleringar, till exempel de som fokuserar på kemi och de reaktiva egenskaperna hos varje element.

Men när komplexiteten i dessa interaktioner växer blir de mycket svårare för nuvarande superdatorer att hantera. På grund av dessa enheters begränsade bearbetningskapacitet är det nästan omöjligt att slutföra dessa typer av beräkningar, vilket tvingar forskare att välja mellan hastighet och precision när de utför dessa studier.

För att ge ett visst sammanhang för bredden av dessa experiment, överväg att modellera en väteatom. Eftersom väte bara innehåller en proton och en elektron, kan en forskare enkelt utföra kemin för hand eller förlita sig på en dator för att slutföra beräkningarna.

Denna procedur blir svårare beroende på antalet atomer och om elektronerna är intrasslade eller inte. Det skulle ta upp till 20 biljoner år att skriva ut alla möjliga resultat för ett element som thulium, som innehåller 69 elektroner som alla är vridna ihop.

Kvantdatorer, å andra sidan, öppnar upp en helt ny värld av möjligheter. De ekvationer som behövs för att efterlikna kemi har varit kända för forskare sedan 1930-talet, men det var inte möjligt att utveckla en dator med kraften och tillförlitligheten för att utföra dessa beräkningar förrän nyligen.

Dagens kvantdatorer har den hastighet som forskare behöver för att simulera alla delar av kemi, vilket gör att de kan vara mycket mer förutsägbara och minska behovet av laboratoriestudier. Högskolor och institutioner kan kanske använda kvantdatorer för att utöka befintlig kemisk kunskap.

Tänk på de tids- och pengarbesparingar som kan uppnås om kvantdatorer kan eliminera behovet av laboratorieexperiment under forskning. Dessutom, eftersom beräkningsförmågan att förstå kemiska egenskaper inte tidigare hade funnits, kan detta steg resultera i genombrott av kemiska egenskaper som tidigare var okända för världen.

Även om dessa kvantberäkningsprognoser kan tyckas vara rördrömmar, representerar de nästa logiska steg. Endast tiden kommer att visa hur långt vi kommer att kunna driva denna teknik.

Förklara kvantberäkning

Kvantdatorer utför sofistikerade beräkningar genom att använda superposition, störningar och intrassling. Istället för att använda klassiska bitar använder kvantberäkning kvantbitar, eller qubits, som uppvisar kvantegenskaper av sannolikhet, där biten är både noll och en, med sannolikhetskoefficienter, tills de mäts, vid vilken tidpunkt deras diskreta värde bestäms.

Mer avgörande är att qubits bildas av kvantpartiklar som är intrasslade, vilket möjliggör beräkning med en tillhörande sannolikhet. Med dessa fenomen öppnar kvantberäkning dörren till utvecklingen av nya speciella kvantalgoritmer för att lösa nya problem som sträcker sig från kryptografi till sökmotorer till turbulent vätskedynamik och hela vägen till direkt simulering av kvantmekanik, vilket möjliggör utveckling av nya farmaceutiska läkemedel.

I klassisk beräkning har vår information formen av klassisk information, med bitar medvetet tilldelade värden på noll eller en. Kvantmekanik, å andra sidan, är inte så enkel: i ett probabilistiskt, osäkert tillstånd kan ett värde vara både noll och ett. Detta tillstånd har en koefficient för sannolikheten att vara noll och en koefficient för sannolikheten att vara en. När qubit ses ändras värdet diskret från noll till en.

I praktiken har dessa qubits formen av subatomära partiklar med kvantmekaniska probabilistiska egenskaper, såsom en elektron eller foton. Dessutom, i ett fenomen som kallas kvantintrassling, kan många partiklar kopplas samman i probabilistiska resultat, där resultatet av helheten inte längre bara är beroende av resultatet av oberoende komponenter.

Användning av kvantberäkning

Många företag använder redan kvantberäkning. IBM samarbetar till exempel med Mercedes-Benz, ExxonMobil, CERN och Mitsubishi Chemical för att införliva kvantberäkning i sina varor och tjänster:

Mercedes-Benz undersöker kvantberäkning för att utveckla starkare batterier för sina elfordon. Genom att integrera kvantberäkning i sina produkter hoppas företaget kunna skapa framtiden för uppdaterade eldrivna bilar samtidigt som de påverkar miljön, för att bli koldioxidneutrala år 2039.

ExxonMobil använder kvantalgoritmer för att hitta de mest effektiva rutterna för frakt av rent bränsle över hela världen. Att beräkna alla routingkombinationer och bestämma den mest effektiva skulle vara nästan svårt utan kvantberäkning.

CERN, eller Europeiska organisationen för kärnforskning, försöker låsa upp universums hemligheter. CERN kan hitta algoritmer som identifierar de komplicerade händelserna i universum mer effektivt med hjälp av kvantberäkning. Till exempel kan kvantberäkning hjälpa CERN att bestämma mönster i data från Large Hadron Collider.

Fördelar och nackdelar

Användbarheten av kvantdatorer härrör från den probabilistiska karaktären av deras funktion. Datavetare har visat de potentiella användningarna i snabbare sökmotorer, mer exakta väderprognoser och exakta medicinska applikationer genom att direkt tillämpa en probabilistisk typ av beräkning snarare än att simulera den.

Dessutom är kvantdatorer mycket användbara vid direkt modellering av kvantmekanik, vilket var det primära målet för utvecklingen av kvantberäkning. Den kanske mest tilltalande aspekten av kvantberäkning är att den löser problem snabbare, vilket gör den perfekt för applikationer som kräver enorma mängder data för att behandlas.

Att utveckla en stark kvantdator är dock svårt med många nackdelar. Ett av de grundläggande problemen med kvantberäkning är dess känslighet för svåra temperaturer. För att fungera korrekt måste systemet vara nära absolut nolltemperatur, vilket utgör ett betydande tekniskt problem. Dessutom är qubitkvaliteten inte där den borde vara.

Qubits ger felaktig utdata efter en viss mängd instruktioner, och kvantdatorer saknar felkorrigering för att lösa detta problem. Kontroll är svår att upprätthålla med antalet ledningar eller lasrar som krävs för att göra varje qubit, särskilt om ett miljon qubit-chip önskas.

SnapStack Solutions ger dig omedelbar tillgång till en stor pool av IT-experter med olika färdigheter, som alla har blivit noggrant kontrollerade, utbildade och bevisade genom långsiktiga engagemang på kundprojekt i olika branscher runt om i världen. Låt oss veta om du behöver ett team av experter, så hjälper vi dig gärna. Du kan kontakta oss på contact@snapstack.cz eller via sociala medier.

‍