Digital transformation förändrar världen snabbare än någonsin tidigare. Att lära sig om den digitala tidsålderns nyckelbegrepp kommer att bli ännu mer kritiskt med den nära förestående ankomsten av ytterligare en ny våg av teknik som kan transformera befintliga modeller med häpnadsväckande hastighet och kraft: kvantberäkning.
I den här artikeln jämför vi de grundläggande koncepten för traditionell datoranvändning och kvantberäkning, och börjar också utforska deras tillämpning inom olika områden.
Vad är kvantegenskaper?
Genom historien har människor utvecklat teknik när de har kommit att förstå hur naturen fungerar genom vetenskap. Mellan 1900- och 1930-talen gav studiet av några fysiska fenomen som ännu inte var väl förstått upphov till en ny fysikalisk teori: kvantmekanik. Denna teori beskriver och förklarar hur den mikroskopiska världen fungerar, den naturliga livsmiljön för molekyler, atomer och elektroner.
Den har inte bara kunnat förklara dessa fenomen, utan den har också gjort det möjligt att förstå att den subatomära verkligheten fungerar på ett helt kontraintuitivt, nästan magiskt sätt, och att händelser äger rum i den mikroskopiska världen som inte inträffar i den makroskopiska världen.
Dessa kvantegenskaper inkluderar kvantöverlagring, kvanttrassling och kvantteleportation.
- Kvantsuperposition beskriver hur en partikel kan vara i olika tillstånd samtidigt.
- Kvantsammanflätning beskriver hur två partiklar kan föras till ett "trasslat" tillstånd och därefter reagera nästan samtidigt på samma sätt, trots deras fysiska avstånd. Med andra ord kan de placeras så långt ifrån varandra som önskas, och när den interagerar med en, reagerar den andra på samma interaktion.
- Quantum teleportation använder kvantentanglement för att skicka information från en plats i rymden till en annan utan att behöva resa genom rymden.
Kvantberäkning är baserad på dessa kvantegenskaper av subatomär natur.
I det här fallet tillåter dagens förståelse av den mikroskopiska världen genom Quantum Mechanics oss att uppfinna och designa teknologier som kan förbättra människors liv. Det finns många olika tekniker som använder kvantfenomen, och en del av dem, som laser eller magnetisk resonanstomografi (MRT), har funnits i mer än ett halvt sekel.
Vad är kvantberäkning?
För att förstå hur kvantdatorer fungerar är det användbart att först förklara hur de datorer vi använder varje dag, i den här artikeln kallade digitala eller klassiska datorer, fungerar. Dessa, liksom alla andra elektroniska enheter som surfplattor eller mobiltelefoner, använder bitar som sina grundläggande minnesenheter. Det betyder att program och applikationer kodas i bitar, dvs i ett binärt språk av nollor och ettor.
Varje gång vi interagerar med någon av dessa enheter, till exempel genom att trycka på en tangent på tangentbordet, skapas, förstörs och/eller modifieras strängar med nollor och ettor i datorn.
Den intressanta frågan är, vad är dessa nollor och ettor fysiskt inuti datorn? Bitarnas noll- och etttillstånd motsvarar elektrisk ström som flyter, eller inte, genom mikroskopiska delar som kallas transistorer, som fungerar som omkopplare. När ingen ström flyter är transistorn "av" och motsvarar en bit 0, och när den flyter är den "på" och motsvarar en bit 1.
I en mer förenklad form är det som om bitarna 0 och 1 motsvarar hål, så att ett tomt hål är en bit 0 och ett hål som är upptaget av en elektron är en bit 1. Nu när vi har en uppfattning om hur dagens datorer fungerar, låt oss försöka förstå hur kvantdatorer fungerar.
Från bitar till qubits
Den grundläggande informationsenheten i kvantberäkning är kvantbiten eller kvantbiten. Qubits är per definition två-nivå kvantsystem som, liksom bitar, kan vara på den låga nivån, vilket motsvarar ett tillstånd av låg excitation eller energi definierad som 0; eller på den höga nivån, vilket motsvarar ett tillstånd av högre excitation eller definieras som 1.
Men, och här ligger den grundläggande skillnaden med klassisk beräkning, qubits kan också vara i vilket som helst av ett oändligt antal mellanliggande tillstånd mellan 0 och 1, såsom ett tillstånd som är halv 0 och halv 1, eller tre fjärdedelar av 0 och en fjärdedel av 1. Detta fenomen är känt som kvantöverlagring och är naturligt i kvantsystem.
Kvantalgoritmer: Exponentiellt mer kraftfull och effektiv datoranvändning
Syftet med kvantdatorer är att dra fördel av dessa kvantegenskaper hos qubits, som kvantsystem, för att kunna köra kvantalgoritmer som använder superposition och entanglement för att erbjuda mycket större processorkraft än klassiska.
Det är viktigt att påpeka att det verkliga paradigmskiftet inte består i att göra samma sak som digitala eller klassiska datorer -de nuvarande- gör, utan snabbare, som många artiklar felaktigt hävdar, utan snarare att kvantalgoritmer tillåter att vissa operationer kan utföras på ett helt annat sätt; som ofta är mer effektivt - det vill säga på mycket kortare tid eller med mycket färre beräkningsresurser -.
Låt oss titta på ett konkret exempel på vad detta innebär. Låt oss föreställa oss att vi är i San Francisco och vi vill veta vilken som är den bästa vägen till New York av en miljon alternativ för att ta sig dit (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). För att kunna använda datorer för att hitta den optimala rutten behöver vi digitalisera XNUMX XNUMX XNUMX alternativ, vilket innebär att översätta dem till bitspråk för den klassiska datorn och till qubits för kvantdatorn.
Medan en klassisk dator skulle behöva gå igenom alla vägar en efter en tills den hittar den önskade, drar en kvantdator fördel av en process som kallas kvantparallellism som gör att den i princip kan överväga alla vägar på en gång. Detta innebär att kvantdatorn kommer att hitta den optimala vägen mycket snabbare än den klassiska datorn, på grund av optimeringen av använda resurser.
För att förstå skillnaderna i beräkningskapacitet, med n qubits kan vi göra motsvarande vad som skulle vara möjligt med 2n bitar. Man brukar säga att med ca 270 qubits kan du ha fler bastillstånd i en kvantdator – fler olika och samtidiga teckensträngar – än antalet atomer i universum, vilket beräknas vara cirka 280. Ett annat exempel är att man uppskattar att man med en kvantdator på mellan 2000 och 2500 qubits skulle kunna bryta praktiskt taget all kryptografi som används idag (känd som public key cryptography).
När det gäller kryptografi finns det många fördelar med att använda kvantkalkylering. Om två system är rent intrasslade betyder det att de är korrelerade med varandra (dvs. när det ena ändras ändras också det andra) och ingen tredje part delar denna korrelation.
Ta bort
Vi befinner oss i en tid av digital transformation där olika framväxande teknologier som blockchain, artificiell intelligens, drönare, Internet of Things, virtuell verklighet, 5G, 3D-skrivare, robotar eller autonoma fordon är alltmer närvarande inom flera områden och sektorer.
Dessa tekniker, som är inställda på att förbättra människors livskvalitet genom att påskynda utvecklingen och skapa social påverkan, utvecklas för närvarande parallellt. Endast sällan ser vi företag utveckla produkter som utnyttjar kombinationer av två eller flera av dessa teknologier, såsom blockchain och IoT eller drönare och artificiell intelligens.
Även om de är avsedda att konvergera och därmed generera exponentiellt större genomslag, innebär det tidiga utvecklingsstadiet de befinner sig i och bristen på utvecklare och personer med teknisk bakgrund att konvergenser fortfarande är en väntande uppgift.
På grund av deras störande potential förväntas kvantteknologier inte bara konvergera med alla dessa nya teknologier, utan också ha ett brett inflytande på praktiskt taget alla av dem. Kvantberäkning kommer att hota autentisering, utbyte och säker lagring av data, vilket har en större inverkan på de tekniker där kryptografi spelar en mer relevant roll, såsom cybersäkerhet eller blockchain.
Kommentera uppropet