Kvanteprosessering: Det er nå det blir spennende - Elektronikknett
Quantum computing banner image

Kvanteprosessering: Det er nå det blir spennende

Kvanteprosessering (Quantum computing) har kapasitet til å endre fremtiden vår. Det har potensial til å transformere medisin fullstendig, bryte kryptering på høyt nivå og øke kunstig intelligens. Det er for tiden et løp på mellom IBM, Google og Microsoft om å bygge den mest pålitelige kvantedatamaskinen som kan overgå alle moderne superdatamaskiner betydelig.

Det har nå blitt et løp på milliarder dollar, hvor hvert selskap hevder å overgå hverandre, Kina har investert milliarder i kvanteberegning. Men hva er kvanteberegning? Skal vi se vanlige PCer kjøre på denne teknologien? Hvordan fungerer det egentlig?

Hva er kvanteprosessering?
En kvantedatamaskin er akkurat som enhver annen datamaskin som utfører komplekse beregninger; det bruker imidlertid kvantemekanikkprinsipper for å utføre disse beregningene med veldig høye hastigheter. En tradisjonell datamaskin bruker biter, som lagrer informasjon som binære 1-er og 0-er, disse er akkurat som små brytere som slår på (1) og av (0). På vår daglige datamaskin bruker vi apper, nettsteder, videoer og bilder som består av millioner av biter og blir oversatt til det vi ser og hører på datamaskinene våre.

Quantum computing figure 1 Figur 1: et nærbilde på et datasett med tilfeldige binære tall.

Denne teorien om å bruke biter fungerer bra for det meste, og datamaskinene våre kan enkelt beregne disse resultatene i 1 og 0. Vi vet imidlertid at det også er tilfeller av usikkerhet som krever ekstremt komplekse beregninger, akkurat som naturen og universet. Datamaskinene våre takler ikke denne usikkerheten, selv superdatamaskiner har problemer med at disse beregningene tar mange år å utføre en kompleks beregning.

I 1927 introduserte en tysk fysiker Werner Heisenberg usikkerhetsprinsippet, som sier at du ikke kan vite alt om en kvantepartikkel samtidig. Jo mer du vet om posisjonen, desto mindre vet du om dens fremdrift. Dette ble kjent som kvantemekanikk.

En kvantedatamaskin bruker prinsippene for kvantemekanikk ved å ta disse 1-ene og 0-ene og legge en usikkerhet til den, slik at den kan være enten en 1 eller en 0 samtidig. Hvis du for eksempel vender en mynt og den lander på hodet, kan dette være en 1, hvis du vender mynten igjen kan den lande på haler, og dette kan være en 0. Så hver gang du vender mynten, vil du ha en viss utfall. Hva skjer hvis du kontinuerlig snur mynten? Er det en 1 eller en 0? Det er begge deler. Denne usikkerhetstilstanden er kjent som superposisjon i kvanteberegning og er den samme som å spinne mynten. Jo flere superposisjoner du har i en kvantedatamaskin, jo flere kombinasjoner og mer minne kan du ha.

Hvordan fungerer kvantedatamaskiner?
I stedet for å bruke bits som vanlige datamaskiner, bruker kvantedatamaskiner noe som kalles qubits. Qubits er laget av superledende materialer og er en fysisk enhet. Qubits styres ved hjelp av mikrobølgepulser som er spesifisert med en bestemt frekvens og varighet for å sette qubit i en superposisjon eller vil snu tilstanden på en eller annen måte. Fordi hver qubit representerer to stater samtidig, dobler det totale antall stater med hver ekstra qubit. En qubit er to tall, to er fire tall, tre er åtte og så videre. Det starter smått, men blir veldig raskt mye større.

Qubits er små, helt ned til molekylært nivå. Derfor er qubits for det meste laget av elektroner på grunn av kvantemekaniske egenskaper, spesielt deres magnetfeltegenskap. Dette er grunnen til at de fungerer som en grunnleggende byggestein i en kvantedatamaskin. For at et elektron skal brukes som en qubit, må det være en pålitelig måte å bestemme posisjonen på og bytte retning. Qubits bruker et konsept kjent som en kvanteprikk, som er et sfærisk volum vanligvis med en diameter på en tidel av en tusendels millimeter. Inne i denne kvanteprikken, som er laget av to halvledende materialer som silisium og germanium avkjølt til eksepsjonelt lave temperaturer, er et fritt elektron. I dette formatet kan den elektroniske spinnet byttes elektronisk.

Superposisjon - Som vi allerede har forklart, er superposisjon usikkerheten til tilstanden til en qubit der den kan være av og på samtidig eller et sted i et spektrum mellom de to. Et godt eksempel på hvordan dette fungerer er hvis du ber en vanlig datamaskin om å gå inn i en labyrint og finne utgangen, den vil prøve hver eneste rute og utelukke dem alle ved hjelp av prøving og feiling til den finner veien ut av labyrinten. Denne prosessen kan ta lang tid, i tillegg til å ta opp mer minne for å lagre hver mislykkede rute. Be en kvantedatamaskin finne veien ut av en labyrint, og den vil gå nedover hver eneste vei i labyrinten samtidig. Det kan ha den usikkerheten. Kombinert med forstyrrelse og forstyrrelser som er de to andre elementene i en kvanteberegning, og det kan finne utgangen i labyrinten på et øyeblikk.

Forvikling - Qubits kan også gjøre noe som kalles forvikling. Hvis du snur to mynter, har resultatet av en myntkast ingen innflytelse på den andre, hvis de vender to mynter, er de helt uavhengige av hverandre. I forvikling er to partikler koblet sammen selv om de er fysisk koblet fra hverandre. Denne viklingen betyr at hvis du vender begge myntene samtidig, blir resultatet også det samme. De oppfører seg på måter som blir et slags system. Entanglement brukes til å redusere antall feil i et system mens du utfører mer effektivt, og oppnå beregninger mye raskere.

Quantum computing figure 2 Figur 2: Kvanteforvikling, fremtidig fysikkvitenskapskonsept.

Interferens - Ved å bruke en kvanteegenskap som interferens kan du kontrollere kvantetilstandene ved å forsterke signalene som er mer mot riktig svar og avbryte de typer signaler som lener seg mot feil svar. Dette fungerer bemerkelsesverdig som hvordan støyreduserende hodetelefoner fungerer som leser omgivende bølgelengder og deretter lager den motsatte bølgen for å avbryte den ved å skape forstyrrelser. Som vi vet kan du konstruktiv interferens og dekonstruktiv interferens. Konstruktiv interferens forsterker bølgelengden, så signalet blir større, og hvis du har dekonstruktiv interferens blir amplituden svakere. Dette fungerer det samme i kvanteprosessering, slik at du kan kontrollere tilstandene.

Kombinasjonen av alle disse tre elementene er det som får kvantedatamaskine til å fungere, for å utføre komplekse beregninger og ekstremt høye hastigheter.

Hva er utfordringene i kvanteprosessering?
Kvanteprosessering er veldig fremdeles i begynnelsen, men det gjøres mye flott forskning for å åpne mulighetene ytterligere. En av de største mytene som dreier seg om kvanteberegning, er ganske enkelt å legge til flere qubits for å øke kapasiteten. Selv om det er sant, er det også en av de største utfordringene innen kvanteberegning, da det ikke bare er så enkelt. Kvantumaskiner er ekstremt komplekse maskiner med mikrobølger med høy presisjon og temperaturer under null, de er ekstremt følsomme for elektrisk støy eller miljøpåvirkninger. Når du legger til en annen qubit, multipliserer du effektivt problemene.

Quantum computing figure 3 Figur 3: Grafikk av mikrochip med futuristisk terning og teknologielementer presentert i isometrisk.

En annen utfordring som noen mennesker har vanskelig for å forstå er at du bare kan holde kvanteinformasjonen så lenge. Det er bare så mange beregninger som kan utføres før du begynner å miste den informasjonen.

Hva er de neste trinnene?
Hva må skje nå? De nåværende bransjelederne må begynne å bygge abstrakte lag for å gjøre det lettere for programmerere og forskere å bare komme inn og begynne å lære, forske og finne nye applikasjonsområder for kvanteberegning. Dette vil også kreve utvikling av nye kvantealgoritmer som forskningspartnere jobber med. Progresjon vil også gå sammen med den eksponentielle veksten av maskinvaren og kvanteprosessorene, og legger til flere qubits.

Hvem bruker denne teknologien?
Kvanteprosessering har potensial til å raskt akselerere kunstig intelligens og Industry 4.0. Google bruker dem allerede til å forbedre selvkjørende biler, samt modellering av komplekse kjemiske reaksjoner.

Her er en omfattende liste over de mest populære applikasjonene for kvanteberegning:

  • Cybersikkerhet
  • Legemiddelutvikling
  • Økonomisk modellering
  • Bedre batterier
  • Renere gjødsling
  • Trafikkoptimalisering
  • Værvarsel og klimaendringer
  • Kunstig intelligens
  • Solfangst
  • Funn av elektronikkmaterialer

Daimler AG - I 2018 kunngjorde den tyske bilprodusenten Daimler AG to partnerskap med Google og IBM. Elektriske biler er i utgangspunktet basert på battericellekjemi. Kvanteprosessering gir håp for områder som cellulær simulering og aldring av battericeller. Forbedrede batterier for elektriske biler kan bidra til å øke bruken av disse kjøretøyene.

Daimler ser også på hvordan kvanteberegning potensielt kan akselerere AI, samt administrere en fremtid for autonome kjøretøy og akselerere det logistiske nettverket. Det følger i fotsporene til Volkswagen. I 2017 kunngjorde VW et partnerskap med Google fokusert på lignende initiativer. Det gikk også sammen med D-Wave Systems i 2018.

Volkswagen Group - D-Wave og VW har allerede kjørt pilotprogrammer på en rekke trafikk- og reiserelaterte optimaliseringsutfordringer, inkludert effektivisering av trafikkstrømmer i Beijing, Barcelona og, akkurat denne måneden, Lisboa. For sistnevnte reiste en bussflåte langs forskjellige ruter som var skreddersydd til sanntids trafikkforhold gjennom en kvantealgoritme, som VW fortsetter å tilpasse etter hver prøvekjøring. I følge D-Wave-sjef Vern Brownell, vil selskapets pilot "bringe oss nærmere enn noensinne å realisere ekte, praktisk kvanteberegning."

JP Morgan Chase - Det er ingen overraskelse at et av de største finansielle selskapene er interessert i kvanteberegning. Tross alt er finansmarkedet i noen henseender en usikkerhet. JP Morgan er en av partnerne i Microsofts kvantenettverk som inkluderer forskningsuniversiteter, teknologibedrifter og tilknyttede selskaper. Kvant databehandling og økonomisk modellering er en kamp laget i himmelen, og har mange strukturelle likheter. Nå er det gjort forskning på Monte Carlo-modellen, som måler sannsynligheten for forskjellige utfall og vurderer risikoen.

Hva er de mest innovative utviklingene innen Kvanteprosessering?
De fleste av de store gjennombruddene som har skjedd så langt har kommet fra kontrollerte innstillinger, der de bruker problemer som de allerede vet svarene, for å oppnå kvanteoverlegenhet. Google hevdet nylig å allerede ha oppnådd kvanteoverlegenhet, det er der en kvantedatamaskin overgår en tradisjonell datamaskin. Google sier at 54 qubit-prosessoren var i stand til å utføre en beregning på 200 sekunder som normalt ville ha tatt en tradisjonell datamaskin 10 000 år. Denne påstanden ble også sterkt kritisert av IBM, som sier at beregningen bare hadde tatt 2,5 dager.

Forskere har også jobbet med å lage algoritmer som Shor- eller Grover-algoritmer som kvantedatamaskine vil bruke, men enhetene selv trenger fortsatt mye mer arbeid. Det forventes nå at innovasjonen vil vokse, øke eksponentielt med beregningsverdi, og forbedringer av maskinvare som forventes å vokse hvert fjerde år basert på kvanteekvivalenten med Moores lov. Målet ville være å ha volumet til å kjøre de ønskede kvantealgoritmene. Når dette skjer, vil fokuset være på kvantefeilkorreksjon.

En kvantedatamaskin er designet for bruk i mange komplekse beregninger som trenger rask respons. Det blir ikke og vil aldri bli brukt til å erstatte våre tradisjonelle datamaskiner vi bruker hver dag. Applikasjonene vi bruker daglig, for eksempel å se på HD-videoer, surfe på internett og tekstbehandling, vil ikke gi noen fordeler ved kvanteberegning. Du kan se det enorme potensialet i denne teknologien, og den får allerede mye fart med store selskaper som investerer millioner. Fremtiden er spennende, og dette er et område å holde øye med.

Kilde: Chris Rush/Distrelec Ltd.

 

Kommentarer