Simply enter your keyword and we will help you find what you need.

What are you looking for?

Komputery kwantowe

Nadchodzą komputery kwantowe

W przyszłym roku możemy być świadkami uruchomienia pierwszych, prawdziwych komputerów kwantowych. Implikacje będą zdumiewające. Warto więc odpowiedzieć sobie na trzy pytania: Czym są komputery kwantowe? Jakie są ich implikacje? Kto nad nimi pracuje?

Co to jest Quantum Computing?

Prawo Moore’a (lub wykładniczy wzrost układów scalonych) odnosi się obecnie do piątego paradygmatu obliczeń. Prawo to mówi, że parametry charakterystyczne dla nowoczesnych technologii (szybkość procesorów, pojemność dysków, rozmiar pamięci RAM) podwaja się co dwa lata. Lista podstawowych technologii, do których można to prawo zastosować, to chronologicznie: (1) Układy elektromechaniczne; (2) Lampy elektronowe; (3) Przekaźniki; (4) Tranzystory; oraz (5) Układy scalone. Komputery kwantowe mogą być szóstym paradygmatem, ponieważ działają w sposób całkowicie odmienny od komputerów „klasycznych”.

Klasyczny komputer wykonuje operacje z użyciem bitów – bity te mogą być tylko w jednym z dwóch stanów: „0” lub „1”. W przeciwieństwie do tego, komputer kwantowy używa bitów kwantowych lub qubitów. Dzięki zasadzie zwanej superpozycją kwantową, qubity te mogą mieć wartość „0”, „1” lub „0 i 1” jednocześnie.

Ta zdolność pozwala komputerom kwantowym rozwiązywać pewne złożone problemy, które są nie do rozwiązania dla konwencjonalnych komputerów. Potęga qubitów polega na tym, że skalują się one wykładniczo. Dwu-qubitowa maszyna pozwala na wykonanie czterech obliczeń jednocześnie. Maszyna z trzema qubitami może wykonać osiem obliczeń. Maszyna cztero-qubitowa daje 16 obliczeń, wszystkie jednocześnie. Gdy osiągniemy 300 qubitów, powstanie komputer, który może wykonać więcej obliczeń niż jest atomów we wszechświecie. Dlatego blog TechTarget opisywał obliczenia kwantowe w ten sposób: „Rozwój komputera kwantowego, w praktyce, oznaczałby o wiele większy skok naprzód w możliwościach obliczeniowych niż ten z liczydła do współczesnego superkomputera, ze wzrostem wydajności w miliardowym obszarze i poza nim”.

Jakie są implikacje obliczeń kwantowych?

Implikacje prawdziwych obliczeń kwantowych skali są zdumiewające i mają niezwykły wpływ na dzisiejsze społeczeństwo. Oto pięć najlepszych aplikacji:

Maszynowe uczenie się

Duża część uczenia się maszynowego dotyczy „rozpoznawania wzorów”. Algorytmy są przygniatane przez duże zestawy danych, aby znaleźć sygnały w szumie. A celem jest maksymalizacja liczby porównań między danymi, aby znaleźć najlepsze modele opisujące te dane. Dzięki obliczeniom kwantowym, będziemy w stanie dokonać przetwarzania tego rzędu wielkości efektywniej niż w przypadku obliczeń klasycznych. Obliczenia kwantowe pozwolą porównać znacznie, znacznie więcej danych równolegle, jednocześnie. Ze wszystkimi permutacjami tych danych, aby odkryć najlepsze wzorce, które je opisują. Doprowadzi to do powstania potężniejszych form Sztucznej Inteligencji znacznie szybciej niż się spodziewamy. Obliczenia kwantowe spowodują ogromny wzrost szybkości, z jaką świat rozwija AI (co, nawiasem mówiąc, jest powodem, dla którego Google tak ciężko nad tym pracuje).

Medycyna

Obliczenia kwantowe pozwolą modelować złożone oddziaływania molekularne na poziomie atomowym. Będzie to szczególnie ważne dla badań medycznych i odkrywania nowych leków. Wkrótce będziemy mogli uzyskać model ponad 20 tysięcy białek zakodowanych w ludzkim genomie i zacząć symulować ich interakcje z modelami istniejących leków lub nowych leków, które jeszcze nie zostały wynalezione. W oparciu o analizę tych interakcji, będziemy w stanie znaleźć lekarstwa na wcześniej nieuleczalne choroby i, miejmy nadzieję, skrócić czas wprowadzania na rynek nowych leków. Korzystanie z symulacji kwantowych będzie sposobem, w jaki będziemy projektować i wybierać nasze następne generacje leków i sposobów walki z rakiem.

Chemia (i zmiany klimatyczne)

Martwi Cię kryzys klimatyczny? Zastanawiasz się, co możemy z tym zrobić? Komputery kwantowe mogą być najnowszym narzędziem do zrozumienia, co się dzieje i jak walczyć z problemami. Pozwolą one na stworzenie rozwiązań opartych na symulacjach. Być może pomogą zaprojektować nowe katalizatory do wychwytywania węgla z atmosfery i przekształcania go w nowe i wartościowe produkty po niskich kosztach i przy niskim zużyciu energii.

Nauka o materiałach i inżynieria

Kiedy zyskamy możliwość symulowania interakcji atomowych, będziemy badać i wymyślać zupełnie nowe, lepsze materiały. Możemy znaleźć lepsze nadprzewodniki, magnesy, materiały, które pozwolą nam na wytworzenie znacznie większej gęstości energetycznej baterii itd. Od 2011 roku rząd USA przyznał ponad 250 milionów dolarów na inicjatywę „Genome Materials” w celu „odkrycia, wyprodukowania i wdrożenia zaawansowanych materiałów dwa razy szybciej, za ułamek kosztów”.

Biomimetyka, systemy energetyczne i fotowoltaika

Naukowcy wierzą, że znaczna część świata jest budowana na najwyższych systemach kwantowych. Procesy takie jak np. fotosynteza są prawdopodobnie zależne od kwantowych systemów mechanicznych. Tak więc, gdy patrzymy na świat przyrody w poszukiwaniu inspiracji do budowy lepszych systemów energetycznych lub mocniejszych materiałów, w pełni wykorzystamy ich potencjał tylko wtedy, gdy będziemy mogli modelować te procesy za pomocą komputerów kwantowych. Doprowadzi to do wielu postępów i odkryć we wszystkich dziedzinach. Górna granica?  Kiedy wyczerpiemy obliczenia, będziemy w stanie kontrolować podstawowe elementy składowe wszechświata. Pytanie brzmi, kto pierwszy to rozgryzie….

Kto pracuje nad obliczeniami kwantowymi?

Trwa wyścig – wyścig, który ma udowodnić coś, co nazywa się „kwantową dominacją”. Dominacja kwantowa jest zasadniczo testem, który ma potwierdzić, że komputer, który posiadasz, jest w rzeczywistości komputerem kwantowym. W Stanach Zjednoczonych jest teraz w grze trzech głównych graczy: Google, IBM i Rigetti Computing – startup z Doliny Krzemowej. (I być może czwarty – Systemy D-Wave. Opracowano tam układy scalone z qubitami, ale nie udowodniono jeszcze ostatecznie, że działają one jako komputer kwantowy.) Zarówno Rigetti Computing, jak i Google wierzą, że osiągną „dominację kwantową” w ciągu najbliższych 12-18 miesięcy. Rewolucja nadchodzi więc szybko.

Najpotężniejszy „klasyczny” komputer na świecie nazywa się Tianhe-2 i znajduje się w Guangzhou w Chinach. Kosztuje 400 milionów dolarów. Zużywa około 20 megawatów energii elektrycznej, co wystarcza na zasilanie 20 tysięcy gospodarstw domowych. Jest o połowę mniejszy od boiska piłkarskiego, z 3,2 milionami rdzeni Intel. Prezydent Obama, próbując doprowadzić Amerykę do powrotu przewagi w dziedzinie obliczeń o wysokiej wydajności, zadeklarował, że do 2020 roku Stany Zjednoczone zbudują komputer egzoskalowy, 30x potężniejszy od Tianhe-2. Problem polega na tym, że przy obecnej technologii będzie to kosztować miliard dolarów i będzie wymagało elektrowni atomowej do jego uruchomienia. „Musimy to zrobić”, wyjaśnia Chad Rigetti, CEO Rigetti Computing. „Ale jest jeszcze jedna droga, obliczenia kwantowe”. W laboratorium Rigetti w Berkley w Kalifornii trwają pracę przy użyciu procesora pięcio-qubitowego. Aby stworzyć komputer potężniejszy niż Tianhe-2 wystarczyłby pojedynczy układ z około 50-60 qubitami. Takie możliwości dają obliczenia kwantowe. Rigetti szybko rozwija kwantowe układy scalone i platformę programową, która pozwoli twórcom oprogramowania budować na nich. Wraz z wysiłkami w Google, IBM, D-Wave i wielu innych firmach i laboratoriach badawczych na całym świecie, szybko zbliżamy się do rewolucji kwantowej.

Źródło: https://singularityhub.com, Peter H. Diamandis