En av vår tids största vetenskapliga utmaningar är kapplöpningen om att skapa den första användbara kvantdatorn. Tusentals fysiker och ingenjörer deltar i den. IBM, Google, Alibaba, Microsoft och Intel utvecklar sina egna koncept. Hur kommer en kraftfull datorenhet att förändra vår värld, och varför är den så viktig?
Tänk dig ett ögonblick: en fullfjädrad kvantdator har skapats. Den har blivit en välbekant och naturlig del av våra liv. Klassisk databehandling diskuteras numera bara i skolan, på historielektionerna. Någonstans djupt inne i kalla källare driver kraftfulla maskiner qubits för att stödja arbetet hos robotar utrustade med artificiell intelligens. De utför alla farliga och helt enkelt monotona uppgifter. När man går genom parken tittar man sig omkring och ser alla möjliga robotar. Människoliknande varelser rastar hundar, säljer glass, reparerar elektriska ledningar, sopar territoriet. Vissa modeller ersätter husdjur.
Vi har fått möjlighet att avslöja alla universums hemligheter och se in i oss själva. Medicin har nått en ny nivå – innovativa läkemedel utvecklas varje vecka. Vi kan förutsäga och avgöra var knappa resurser som gas och olja finns. Problemet med global uppvärmning har lösts, energibesparingsmetoder har optimerats och det finns inga fler trafikstockningar i städer. En kvantdator 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.
Kvantguldrusch
Tillämpningsmöjligheterna är häpnadsväckande, så investeringarna i kvantutveckling växer varje år. Den globala marknaden för kvantberäkningar värderades till 81,6 miljoner dollar år 2018. Market.us-experter uppskattar att den kommer att nå 2026 miljoner dollar år 381,6. 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 av investeringar från intressenter inom kvantberäkning. Enligt en analys från den vetenskapliga tidskriften Nature hade privata investerare i början av året finansierat minst 52 kvantteknikföretag världen över. Stora aktörer som IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel och D-Wave Systems tävlar alla om att skapa en praktisk kvantdator.
Ja, pengarna som strömmar in i detta område varje år är fortfarande en liten utgift (som jämförelse var AI-investeringarna 2018 9,3 miljarder dollar). Men dessa siffror är betydande för en omogen bransch som ännu inte kan skryta med effektivitetsmått.
Lösa kvantproblem
Det är viktigt att förstå att tekniken idag fortfarande är i sin linda. Endast prototyper av kvantmaskiner, enskilda experimentella system, har skapats. De kan exekvera fasta algoritmer med låg komplexitet. Den första 2-qubit-datorn skapades 1998, och det tog mänskligheten 21 år att få enheterna till den erforderliga nivån av så kallad "kvantöverlägsenhet". Denna term introducerades av John Preskill, professor vid California Institute of Technology. Och det betyder kvantenheternas 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 deras 53-bitars Sycamore-enhet hade slutfört en beräkning på 200 sekunder som skulle ta den modernaste superdatorn 10 000 år. Uttalandet orsakade en hel del kontroverser. IBM höll kategoriskt inte med om sådana beräkningar. I sin blogg skrev företaget att deras Summit-superdator skulle klara en sådan uppgift på 2,5 dagar. Och allt som behövdes för detta var att öka disklagringskapaciteten. Även om skillnaden i verkligheten inte var så kolossal, var Google verkligen först med att uppnå "kvantöverlägsenhet". Och detta är en viktig milstolpe inom datorforskningen. Men inget mer. Sycamores bedrift är rent demonstrativ. Den har ingen praktisk tillämpning och är värdelös för att lösa verkliga problem.
Det största problemet är hårdvaran. Där traditionella beräkningsbitar antingen är 0 eller 1, kan qubitar i kvantfysikens märkliga värld vara i båda tillstånden samtidigt. Denna egenskap kallas superposition. Qubitar är som snurrtoppar: de snurrar medurs och moturs, upp och ner samtidigt. Om du tycker att detta är förvirrande är du i gott sällskap. Richard Feynman sa en gång: "Om du tror att du förstår kvantmekanik, så gör du inte det." Djärva ord från en man som vann Nobelpriset för... kvantmekanik.
Så, qubits är extremt instabila och känsliga för yttre påverkan. En bil som kör under laboratoriefönster, kylsystemets interna ljud, en flygande kosmisk partikel – all slumpmässig störning, all interaktion stör deras synkronitet och de dekohererar. Detta är skadligt för datorkraften.
Den viktigaste frågan för utvecklingen av kvantberäkning är vilken hårdvarulösning, bland de många som har studerats, som kommer att säkerställa stabiliteten hos qubitar. Den som löser problemet med koherensbrott och gör kvantdatorer lika vanliga som grafikprocessorer kommer att vinna Nobelpriset och bli världens rikaste person.
Vägen till kommersialisering
År 2011 blev kanadensiska D-Wave Systems Inc. det första företaget 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 via molnet, med IBM som lovar tillgång till deras 53-bitars enhet. Hittills har 20 företag fått privilegiet inom ramen för ett program som kallas Q Network. Bland dem finns tekniktillverkaren Samsung Electronics, biltillverkarna Honda Motor och Daimler, kemiföretagen JSR och Nagase, samt bankerna JPMorgan Chase & Co. och Barclays.
De flesta företag som experimenterar med kvantberäkning idag ser det som en viktig del av framtiden. Deras huvudsakliga uppdrag nu är att lära sig vad som fungerar inom kvantberäkning och vad som inte gör det. Och att vara först med att implementera tekniken i näringslivet när den är redo.
Transportorganisationer. Volkswagen utvecklar en kvantapplikation – ett trafikledningssystem – tillsammans med D-Wave. Det nya programmet kommer att göra det möjligt för kollektivtrafikorganisationer och taxibolag i storstäder att använda sin fordonsflotta mer effektivt och minimera väntetider för passagerare.
Energi. ExxonMobil och IBM främjar användningen av kvantberäkning inom energisektorn. De fokuserar på att utveckla en rad nya energitekniker, förbättra energieffektiviteten och minska utsläppen av växthusgaser. Omfattningen och komplexiteten hos de problem som energisektorn står inför överstiger dagens traditionella datorers kapacitet och är väl lämpade för testning på kvantdatorer.
Läkemedelsföretag. Accenture Labs samarbetar med kvantmjukvaruföretaget 1QBit. På bara två månader gick de från ett forskningsfall till ett proof of concept – en applikation som simulerar komplexa molekylära interaktioner på atomnivå. Kraften i kvantberäkning gör det möjligt att analysera större molekyler. Vad betyder detta för samhället? Innovativa läkemedel med färre biverkningar.
Finanssektorn. Banker är alltmer intresserade av kvantbaserade teknologier. De är intresserade av att bearbeta transaktioner, affärer och andra typer av data så snabbt som möjligt. Barclays och JP Morgan Chase (tillsammans med IBM), liksom NatWest (tillsammans med Fujitsu), experimenterar redan med att utveckla specialiserad programvara.
Att sådana stora företag använder den och framväxten av företagsamma kvantpionjärer talar för kvantteknologins kommersiella lönsamhet. Vi ser redan kvantberäkning tillämpas på verkliga problem, från att förbättra energieffektiviteten till att optimera fordonsrutter. Och viktigast av allt, teknikens värde kommer att växa allt eftersom den mognar.
Källa: will.com
