10 Utrolige konsekvenser av kvanteteknologi

Konsensus i det vitenskapelige samfunn er at den første fullt funksjonelle kvantecomputeren vil være klar i omtrent ti år - en begivenhet som er så viktig at mange eksperter kaller nedtelling til Y2Q: "år til kvantum".

De fleste som i hvert fall er litt kjent med de grunnleggende ideene til kvantemekanikk, identifiserer feltet med en generell "raritet" som selv de mest erfarne kvantefysikerne finner forvirrende. Sinnet boggles med visjoner av mennesker som går gjennom vegger, tidsreiser og generell usikkerhet som truer med å oppheve vår mest inngripede oppfatninger av sannhet og virkelighet. Standardmålinger blir meningsløse.

Gitt den enorme potensielle kraften til kvanteteknologi, bør det uten å si at de som har denne teknologien i fremtiden, vil ha en stor fordel i forhold til de som ikke er i politikk, finans, sikkerhet og mer. Bedrifter som Amazon, Microsoft og Intel er opptatt av å implementere "quantum-safe cryptography", siden disse selskapene (for ikke å nevne nasjonale regjeringer) er opptatt av at hackere som bruker kvantekraft, kan stave nedfallet av sine firmaer.

Og siden vi med stor sikkerhet kan si at kvantemåling snart vil bli her, er det verdt å forstå hva dette egentlig betyr for fremtiden, og hvilke utrolige nye (og noen ganger skremmende) muligheter som kvanteteknologi vil bringe.

Her er ti utrolige implikasjoner av kvanteteknologi.

10A eksponentiell økning i beregningshastighet

Først en (veldig) kort introduksjon: Datamaskinen du leser på, fungerer på samme grunnleggende teknologi som praktisk talt alle datamaskiner i verden bruker. Det er en endelig, binær verden, hvor data kodes inn i biter, vanligvis kalt 0s eller 1s-som bare kan eksistere i en av to begrensede tilstander (på eller av). Kvantumberegning bruker derimot "qubits", som kan eksistere i et praktisk talt ubegrenset antall stater samtidig. (Generelt sett, n qubits kan eksistere i 2 ^n forskjellige stater samtidig.)

Hvis en "vanlig" datamaskin blir matet i en sekvens av tretti 0s og 1s, er det omtrent en milliard mulige verdier av den sekvensen - og en datamaskin som bruker vanlige biter, må gå gjennom hver kombinasjon individuelt, noe som krever mye tid og minne . En kvantecomputer, derimot, ville kunne "se" alle en milliard sekvenser på en gang - drastisk redusere beregningstid og krefter.

Faktisk vil kvante datamaskiner kunne fullføre i løpet av sekunder, beregninger som ville ta dagens beste supercomputers tusenvis av år.

9Discovering av nye og mer effektive stoffer

DNA-sekvensering kom til å takke delvis til kraftige økninger i beregningskraft, som forutsatt av Moores lov. Nå skal vi gå inn i en helt ny epoke med helsevesen takket være kvantemåling.

Mens det er et forbløffende stort antall imponerende stoffer på markedet, er hastigheten der de kan produseres, så vel som effektiviteten i behandlingen av spesifikke plager, overraskende begrenset. Selv med siste økninger i fart og nøyaktighet, er disse gevinsten rent inkremental på grunn av begrensningene til standard datamaskiner.

Med en organisme som er kompleks som menneskekroppen, finnes det utallige måter som et stoff kan reagere på sitt miljø. Legg til det grenseløsheten av genetisk mangfold på molekylært nivå, og potensielle utfall for ikke-spesifikke medisinske behandlinger skyrocket inn i milliarder.

Kun kvante datamaskiner vil ha muligheten til å undersøke alle mulige scenarioer angående narkotikainteraksjon og presentere ikke bare den beste mulige handlingsplanen, men også en persons sjansene for suksess med et bestemt legemiddel gjennom en kombinasjon av mer nøyaktig og fremskyndet DNA-sekvensering og en mer streng forståelse av proteinfolding.

Disse samme innovasjonene - spesielt med hensyn til proteinfolding - vil også uunngåelig føre til en bedre forståelse av hvordan livet fungerer generelt, noe som senere vil føre til langt mer presise behandlinger, bedre narkotika og bedre resultater.

8Limitless Security

I tillegg til å legge til rette for store fremskritt i medisin, gir kvanteteknologi muligheten for praktisk talt ubrytelige sikkerhetsbarrierer for nettverket og super sikker kommunikasjon over langdistanse.

Innenfor verden av quantum weirdness finnes et fenomen kjent som "quantum entanglement", hvor to eller flere partikler er mystisk forbundet, uavhengig av mediumet som eksisterer mellom dem og uten identifiserbar signalering. Dette er hva Einstein omtalt som "spooky action on a distance." Og siden det ikke er noe håndgribelig medium som disse to partiklene kommuniserer, vil signaler kodet ved hjelp av entanglede partikler være umulig å fange. Vitenskapen som trengs for denne teknologien er fortsatt underutviklet; Denne kommunikasjonen vil imidlertid ha en enorm innvirkning på privat og nasjonal sikkerhet.

Drastisk økt databehandling vil også gi en hånd til økt cybersikkerhet, siden den eksponentielt større prosessorkraften i kvante datamaskiner vil tillate dem å motstå selv de mest sofistikerte hackingsmetoder, gjennom kvantekryptering. "Quantum computing vil definitivt bli brukt hvor som helst hvor vi bruker maskinlæring, cloud computing, data analyse," sier Kevin Curran, en cybersecurityforsker ved Ulster University."I sikkerhet som [betyr] inntrengingsdeteksjon, ser etter mønstre i dataene og mer sofistikerte former for parallell databehandling." Kvantum-datamaskiner vil i hovedsak kunne forutse "bevegelser" av en hackedatamaskin med millioner, eventuelt milliarder av trinn fremover.

7Limitless Hacking

Selvfølgelig med stor makt kommer stort ansvar, og den samme kvanteffekten som tillater kryptering til nye høyder, kan potensielt tillate hackere å unnslippe de mest utførlige sikkerhetsforanstaltninger som er satt på plass av relativt primitive maskiner.

Dagens mest utførlige kryptografiske teknikker har en tendens til å være basert på ekstraordinært vanskelige matematiske problemer. Og mens disse problemene er nok til å avskrekke de fleste binære superdatamaskiner, vil de lett bli sprukket av en kvantecomputer. En kvantecomputer evne til å finne mønstre i enorme datasett med utrolig hastighet, vil tillate dem å faktorere store tall (en prestasjon som kanskje er den største barrieren for hackere), som dagens datamaskiner bare kan gjøre ved å prøve alternativet etter alternativ til en "passer. "Med qubits og quantum superposition, ville alle mulige alternativer kunne testes samtidig.

Faktisk tok det omtrent to år og hundrevis av datamaskiner jobber samtidig for å låse opp en enkelt forekomst av RSA-768-algoritmen (som har to hovedfaktorer og krever en nøkkel som er syv hundre og åtte og åtte bits lange). En kvantecomputer ville kunne fullføre den samme oppgaven i en brøkdel av et sekund.

6Finjusterte atomklokker og objektdeteksjon

Atomsklokker er ikke bare vant til å hjelpe til i hverdagen. De er viktige komponenter i mye av dagens teknologi, inkludert GPS-systemer og kommunikasjonsteknologi.

Man tenker vanligvis ikke på atomklokker som trenger mer finjustering. De mest nøyaktige atomklokkene opererer ved å benytte oscillasjonene til mikrobølger utgitt av elektroner når de endrer energinivå. Og atomene som brukes i klokkene blir avkjølt nesten helt til absolutt null, noe som gjør det mulig for lengre mikrobølgesonde ganger og senere mer nøyaktighet.

Nyere atomklokker som bruker moderne kvanteknologi, vil imidlertid være så nøyaktige at de vil kunne brukes som ultra-nøyaktige objektdetektorer, som sensorerer små endringer i tyngdekraften, magnetfelter, elektriske felt, kraft, bevegelse, temperatur og andre fenomener som naturlig svinger i nærvær av materie. Disse endringene vil da reflekteres av tidskift. (Husk at rom, materie og tid er uløselig forbundet.)

Denne finjusterte gjenkjenningen vil hjelpe til med å identifisere og fjerne underjordiske gjenstander, spore ubåter langt under havets overflate, og ville til og med gjøre navigering og automatisk kjøring langt mer nøyaktig, siden programvaren kunne bedre skille mellom biler og andre objekter.

Som David Delpy setter lederen av Forsvarets Vitenskapelige Rådgivende Råd i Storbritannias forsvarsministerium det, "Du kan ikke skjule tyngdekraften."

5Finansielle markeder

I den sammenkoblede verden av finans er hastighet av største betydning. Og et overraskende stort antall problemer som står overfor finansindustrien (mange av dem som skyldes mangel på beregningsfrekvens) forblir uoppløselig. Selv den kraftigste "vanlige" datamaskinen med 0s og 1s er ikke i stand til til og med å forutsi fremtidige økonomiske og økonomiske hendelser, og er ikke i stand til å løse svært komplekse problemer som har å gjøre med opsjonsprising i en raskt skiftende og utviklende markedsplass.

For eksempel krever mange aksjeopsjoner komplekse derivater som er baneavhengige, noe som betyr at opsjonens utbetaling i siste instans bestemmes av veien for den underliggende eiendelens pris. Forsøk på å kartlegge og forutse alle mulige "veier" for et alternativ er altfor overveldende av en oppgave for dagens maskiner. Men i lys av deres fart og fleksibilitet kunne kvante datamaskiner teoretisk identifisere et feil priset aksjeopsjon og utnytte det til eierens gevinst før markedet skiftes på en meningsfull måte.

Denne typen kraft kan selvfølgelig føre til ødeleggelse på markedet og tydelig skje gunst mot minoriteten av bedrifter som eier og driver superdatamaskiner-på bekostning av individuelle forhandlere og bedrifter som ikke kan kjøpe slik teknologi.

4Mapping det menneskelige sinn

For alle de fantastiske fremskrittene som har skjedd i rike av nevrovitenskap og erkjenning de siste tiårene, vet forskerne fortsatt utrolig lite om hvordan sinnet fungerer. En ting vi vet er imidlertid at menneskehjernen er en av de mest komplekse enhetene i det kjente universet, og for å virkelig forstå alt det kan tilby, vil det trenge en ny type beregningsevne.

Den menneskelige hjernen består av om lag 86 milliarder neuroner-celler som kommuniserer små biter av informasjon ved å skyte raskt elektriske ladninger. Og mens den elektriske støtten til den menneskelige hjerne er rimelig godt forstått, forblir sinnet et mysterium. "Utfordringen," sier nevobiologen Prof Rafael Yuste fra Columbia University, "er nettopp hvordan man skal gå fra et fysisk substrat av celler som er forbundet i dette organet, til vår mentale verden, våre tanker, våre minner, våre følelser."

Og i deres forsøk på å forstå sinnet har nevrologer stått sterkt på analogi til en datamaskin, siden hjernen forvandler sensoriske data og innganger til relativt forutsigbare utganger. Og hvilken bedre måte å forstå arbeidet til en datamaskin enn på en datamaskin?

For Dr. Ken Hayworth, en nevrologer som kartlegger skråninger av musens hjerne, "for å vise en hel flyghjerne, vil det ta oss omtrent ett til to år.Ideen om å kartlegge en hel menneskelig hjerne med den eksisterende teknologien vi har i dag, er rett og slett umulig "uten kraften i quantum computing.

3Discovering Distant Planets

Det bør ikke komme som en overraskelse at kvantemåling vil være svært nyttig når det gjelder romforskning, noe som ofte krever analyse av enorme datasett. Ved hjelp av kvanteprosessorer avkjølt til 20 millikelvin (nær absolutt null), planlegger NASA-ingeniører å bruke kvanteberegning for å løse svært komplekse optimaliseringsproblemer som involverer milliarder datamaterialer.

For eksempel vil NASA-forskere kunne dra nytte av små svingninger i kvantbølger for å oppdage små, fjerne varmeforskjeller som utløses av ellers usynlige starter, og kanskje til og med svarte hull.

NASA bruker allerede de generelle prinsippene for kvantemåling for å utvikle sikrere og mer effektive metoder for romfart, spesielt når det gjelder å sende roboter inn i rommet. NASA har en tendens til å planlegge sine robotoppdrag i rom omtrent ti år i forveien, og deres mål er å bruke kvantoptimalisering for å skape en super nøyaktig prognose av hva som vil skje under oppdraget for å forutse alle mulige utfall og deretter lage beredskapsplaner for hver enkelt (igjen, ved hjelp av optimaliseringsstrategier).

Mer forsiktig og nøyaktig planlegging av robotoppdrag vil også føre til mer effektiv batteribruk, noe som er en av de største begrensningsfaktorene når det gjelder robotutslipp.

2Genetics

Gjennomføringen av Human Genome Project i 2003 ga fram en ny epoke i medisin. Takket være en grundig forståelse av det menneskelige genomet, kan vi skreddersy komplekse behandlinger spesielt for en persons spesifikke behov.

Til tross for hvor mye vi vet om intricacies av humant DNA, vet vi fortsatt overraskende lite om DNA-kodene for proteiner.

Skriv inn kvanteberegning, som teoretisk vil tillate oss å "kartlegge proteiner" på samme måte som vi kartlegger gener. Faktisk vil kvantemåling også gi oss mulighet til å modellere komplekse molekylære interaksjoner på atomnivå, noe som vil være uvurderlig når det gjelder banebrytende ny medisinsk forskning og legemidler. Vi vil være i stand til å modellere over 20 000 proteiner og simulere deres interaksjoner med en mengde forskjellige stoffer (selv medikamenter som ikke har blitt oppfunnet ennå) med nøjagtighet av nøyaktigheten. Analyse av disse interaksjonene (igjen assistert av kvantemetode og avanserte optimaliseringsalgoritmer) vil trolig føre oss til nye botemidler for nåværende uhelbredelige sykdommer.

Kvantumberegningshastigheten vil også hjelpe til med bruk og analyse av "quantum dots" -tiny halvleder nanokrystaller bare noen få nanometer i lengde som for tiden brukes i forkant av kreftoppdagelse og behandling.

I tillegg kan kvante datamaskiner kunne bestemme om mutasjoner i DNA som for tiden antas å være helt tilfeldig, faktisk skje på grunn av kvantesvingninger.

1Material Science and Engineering

Det burde uten å si si at kvantemetode har massive implikasjoner for feltene for materialvitenskap og ingeniørarbeid, da kvantkalkuleringskraften er best egnet for nye funn på atomnivå.

Kvantumberegningens kraft gir mulighet for bruk av stadig mer sofistikerte modeller som vil kartlegge hvordan molekyler samles og krystalliserer for å danne nye materialer. Slike funn som fører til etableringen av nye materialer vil senere føre til etablering av nye strukturer, med implikasjoner i energiene, forurensningskontroll og legemidler.

"Når en ingeniør bygger en dam eller et fly, er strukturen først designet med datamaskiner. Dette er ekstremt vanskelig på størrelse med molekyler eller atomer, som ofte samles på ikke-intuitive måter, forklarer Graeme Day, professor i kjemisk modellering ved University of Southampton. "Det er vanskelig å designe på atomskala fra grunnen av og sviktfrekvensen i ny materialfunn er høy. Som kjemikere og fysikere prøver å oppdage nye materialer, føler vi oss ofte som oppdagelsesreisende uten pålitelige kart. "

Kvantumberegning vil gi et mye mer "pålitelig kart" ved å tillate forskere å simulere og analysere atomiske samspill med utrolig presisjon, noe som igjen vil føre til etablering av helt nye og mer effektive materialer - uten forsøk og feil som uunngåelig kommer med forsøker å bygge nye materialer i større målestokk. Dette betyr at vi vil kunne finne og skape bedre superledere, kraftigere magneter, bedre energikilder og mye mer.