En av vår tids största vetenskapliga utmaningar har blivit kapplöpningen om att skapa den första användbara kvantdatorn. Tusentals fysiker och ingenjörer deltar i det. IBM, Google, Alibaba, Microsoft och Intel utvecklar sina koncept. Hur kommer en kraftfull datorenhet att förändra vår värld, och varför är den så viktig?
Föreställ dig ett ögonblick: en fullfjädrad kvantdator har skapats. Det har blivit en välbekant och naturlig del av våra liv. Klassiska uträkningar pratas det nu bara om i skolan, på historielektionerna. Någonstans djupt i kalla källare arbetar kraftfulla maskiner på qubits för att driva artificiellt intelligenta robotar. De utför alla farliga och helt enkelt monotona uppgifter. När du går genom parken ser du dig omkring och ser alla typer av robotar. Humanoida varelser går ut med hundar, säljer glass, reparerar elektriska ledningar och sopar området. Vissa modeller ersätter husdjur.
Vi fick möjligheten att avslöja universums alla hemligheter och titta in i oss själva. Medicin har nått en ny nivå - innovativa läkemedel utvecklas varje vecka. Vi kan prognostisera och fastställa var knappa resurser som gas och olja finns. Problemet med global uppvärmning har lösts, energisparmetoder har optimerats och det finns inga fler trafikstockningar i städerna. Kvantdatorn styr inte bara alla robotbilar, utan säkerställer också fri rörlighet: den övervakar situationen på vägarna, justerar rutter och tar över kontrollen från förarna vid behov. Så här kan kvantåldern se ut.
Quantum Gold Rush
Ansökningsmöjligheterna är fantastiska, varför investeringarna i kvantutveckling växer varje år. Den globala kvantdatormarknaden värderades till 81,6 miljoner dollar 2018. Market.us-experter uppskattar att det år 2026 kommer att nå 381,6 miljoner dollar. Det vill säga att den kommer att öka med i genomsnitt 21,26 % per år från 2019 till 2026.
Denna tillväxt drivs av den växande användningen av kvantkryptografi i säkerhetsapplikationer och drivs av investeringar från kvantdatormarknadens intressenter. I början av detta år hade privata investerare finansierat minst 52 kvantteknologiföretag världen över, enligt en analys av den vetenskapliga tidskriften Nature. Stora aktörer som IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel och D-Wave Systems kämpar för att skapa en praktiskt användbar kvantdator.
Ja, så länge som pengarna som strömmar in i detta område varje år utgör en liten utgift (jämfört med 2018 miljarder dollar i AI-investeringar 9,3). Men dessa siffror är betydande för en omogen bransch som ännu inte har prestationsindikatorer.
Lösa kvantproblem
Du måste förstå att tekniken idag fortfarande är i sin linda. Det var möjligt att skapa endast prototyper av kvantmaskiner och enstaka experimentella system. De är kapabla att exekvera fasta algoritmer med låg komplexitet. Den första 2-qubit-datorn skapades 1998, och det tog mänskligheten 21 år att föra enheterna till rätt nivå, den så kallade "quantum supremacy". Denna term myntades av Caltech-professorn John Preskill. Och det betyder kvantenheters förmåga att lösa problem snabbare än de mest kraftfulla klassiska datorerna.
Ett genombrott inom detta område gjordes av det kaliforniska företaget Google. I september 2019 meddelade företaget att dess 53-qubit Sycamore-enhet slutförde en beräkning på 200 sekunder som skulle ta en toppmodern superdator 10 000 år att slutföra. Uttalandet väckte mycket kontrovers. IBM höll absolut inte med om sådana beräkningar. I sin blogg skrev företaget att dess Summit superdator kommer att klara av denna uppgift om 2,5 dagar. Och allt som behövs är att öka disklagringskapaciteten. Även om skillnaden i verkligheten inte var så kolossal, var Google verkligen först med att uppnå "kvantöverhöghet". Och detta är en viktig milstolpe inom datorforskning. Men inget mer. Sycamores bedrift är enbart i demonstrationssyfte. Den har ingen praktisk tillämpning och är värdelös för att lösa verkliga problem.
Det största problemet är hårdvaran. Medan traditionella beräkningsbitar har ett värde på 0 eller 1, i den märkliga kvantvärlden kan qubits vara i båda tillstånden samtidigt. Denna egenskap kallas superposition. Qubits är som snurrorna: de roterar både medurs och moturs, rör sig upp och ner. Om du tycker att detta är förvirrande, är du i bra sällskap. Richard Feynman sa en gång: "Om du tror att du förstår kvantmekanik, förstår du det inte." Modiga ord från mannen som vann Nobelpriset i... kvantmekanik.
Så qubits är extremt instabila och föremål för yttre påverkan. En bil som passerar under laboratoriefönstren, det interna bruset från kylsystemet, en flygande kosmisk partikel - alla slumpmässiga störningar, alla interaktioner stör deras synkronitet och de bryter samman. Detta är skadligt för datoranvändningen.
Nyckelfrågan för utvecklingen av quantum computing är vilken hårdvarulösning av de många utforskade som kommer att säkerställa stabiliteten hos qubits. Den som löser koherensproblemet och gör kvantdatorer lika vanliga som GPU:er kommer att vinna Nobelpriset och bli den rikaste personen i världen.
Vägen till kommersialisering
2011, det kanadensiska företaget D-Wave Systems Inc. var den första att sälja kvantdatorer, även om deras användbarhet är begränsad till vissa matematiska problem. Och under de kommande månaderna kommer miljontals utvecklare att kunna börja använda kvantprocessorer genom molnet – IBM lovar att ge tillgång till sin 53-qubit-enhet. Hittills har 20 företag fått detta privilegium under ett program som kallas Q Network. Bland dem finns utrustningstillverkaren Samsung Electronics, biltillverkarna Honda Motor och Daimler, kemiföretagen JSR och Nagase, bankerna JPMorgan Chase & Co. och Barclays.
De flesta företag som experimenterar med kvantdatorer idag ser det som en integrerad del av framtiden. Deras huvuduppdrag nu är att ta reda på vad som fungerar inom kvantberäkning och vad som inte gör det. Och var redo att vara först med att introducera teknik i verksamheten när den är klar.
Transportorganisationer. Volkswagen utvecklar tillsammans med D-Wave en kvantapplikation – ett trafikledningssystem. Det nya programmet kommer att göra det möjligt för kollektivtrafikorganisationer och taxiföretag i storstäder att använda sin flotta mer effektivt och minimera passagerarnas väntetid.
Energisektorn. ExxonMobil och IBM främjar användningen av kvantdatorer inom energisektorn. De är fokuserade på att utveckla en rad nya energitekniker, förbättra energieffektiviteten och minska utsläppen av växthusgaser. Omfattningen och komplexiteten i de utmaningar som energisektorn står inför ligger utanför räckvidden för dagens traditionella datorer och är väl lämpade för att testa på kvantdatorer.
Läkemedelsföretag. Accenture Labs samarbetar med 1QBit, ett kvantmjukvaruföretag. På bara två månader gick de från forskning till proof-of-concept – med hjälp av en applikation för att modellera komplexa molekylära interaktioner på atomnivå. Tack vare kraften i kvantberäkning är det nu möjligt att analysera större molekyler. Vad kommer detta att ge samhället? Innovativa läkemedel med minsta biverkningar.
Finansiell sektor. Teknologier baserade på principerna för kvantteorin lockar alltmer bankernas intresse. De är intresserade av att behandla transaktioner, affärer och andra typer av data så snabbt som möjligt. Barclays och JP Morgan Chase (med IBM), samt NatWest (med Fujitsu) genomför redan sina experiment i utvecklingen av specialiserad programvara.
Acceptansen av sådana stora företag och framväxten av företagsamma kvantpionjärer säger mycket om kvantumets kommersiella lönsamhet. Vi ser redan att kvantberäkningar tillämpas på verkliga problem, från att förbättra energieffektiviteten till att optimera fordonsrutter. Och viktigare är att värdet av tekniken kommer att öka när den utvecklas.
Källa: will.com