10 utrolige konsekvenser af kvanteteknologi

Konsensus inden for det videnskabelige samfund er, at den første fuldt funktionelle kvantecomputer vil være klar i cirka ti år - en begivenhed, der er så vigtig, at mange eksperter kræver en nedtælling til Y2Q: "år til kvante".

De fleste mennesker, der i hvert fald er noget bekendt med de grundlæggende ideer om kvantemekanik, identificerer feltet med en generel "underlighed", at selv de mest erfarne kvantefysikere finder forvirrende. Sindet boggles med visioner af mennesker, der går gennem mure, rejsetid og generel usikkerhed, der truer med at opdrive vores mest indviklede opfattelser af sandhed og virkelighed. Standardmålinger bliver meningsløse.

På grund af den enorme potentielle kraft i kvanteknologi, bør det selvfølgelig sige, at de, der besidder denne teknologi i fremtiden, vil have en stor fordel over dem, der ikke ligger inden for politik, finans, sikkerhed og mere. Virksomheder som Amazon, Microsoft og Intel er ivrige efter at implementere "kvantekarrig kryptografi", da disse virksomheder (for ikke at nævne nationale regeringer) er bekymrede over, at hackere, der udnytter kvantekraft, kan stave deres virksomheds undergang.

Og da vi med stor sikkerhed kan sige, at quantum computing snart vil være her for at blive, er det værd at forstå hvad det egentlig betyder for fremtiden, og hvilke utrolige nye (og nogle gange skræmmende) muligheder kvante teknologi vil bringe.

Her er ti utrolige konsekvenser af kvanteteknologi.

10A eksponentiel stigning i beregningshastigheden

For det første en (meget) kort introduktion: Den computer, som du læser dette på, fungerer på samme grundlæggende teknologi, som næsten alle computere i verden bruger i øjeblikket. Det er en endelig, binær verden, hvor data er kodet til bit-almindeligvis omtalt som 0s eller 1s-som kun kan eksistere i en af ​​to endelige tilstande (til eller fra). Kvantumberegning bruger derimod "qubits", som kan eksistere i et næsten ubegrænset antal stater samtidigt. (Generelt sagt, n qubits kan eksistere i 2 ^n forskellige tilstande samtidigt.)

Hvis en "almindelig" computer er forsynet med en sekvens på 30 og 1 s, er der omkring en milliard mulige værdier af den sekvens - og en computer, der bruger regelmæssige bits, skal gennemgå hver kombination hver for sig, hvilket kræver stor tid og hukommelse . En kvantecomputer ville på den anden side kunne "se" alle en milliard sekvenser på én gang - drastisk reducere beregningstid og -indsats.

Faktisk vil kvantecomputere i løbet af få sekunder kunne færdiggøre beregninger, der ville tage dagens bedste supercomputere tusindvis af år.

9Discovering af nye og mere effektive stoffer

DNA-sekventering kom delvis til grund, takket være skarpe stigninger i beregningskraft, som forudsagt af Moores lov. Nu er vi ved at gå ind i en helt ny æra af sundhedspleje takket være quantum computing.

Mens der er et forbavsende stort antal imponerende stoffer på markedet, er den hastighed, hvormed de kan produceres, såvel som deres effektivitet i behandlingen af ​​specifikke lidelser overraskende begrænset. Selv med de seneste stigninger i hastighed og nøjagtighed er disse gevinster rent inkrementale på grund af begrænsningerne ved standardcomputere.

Med en organisme som kompleks som den menneskelige krop er der utallige måder, hvorpå et stof kan reagere på sit miljø. Dertil kommer grænseløsheden af ​​den genetiske mangfoldighed på molekylært niveau, og potentielle resultater for ikke-specifikke lægemiddelbehandlinger skyder ind i milliarder.

Kun kvantecomputere vil have evnen til at undersøge alle mulige scenarier vedrørende lægemiddelinteraktion og præsentere ikke kun den bedst mulige handlingsplan, men også en persons chancer for succes med et bestemt lægemiddel gennem en kombination af mere præcis og fremskyndet DNA-sekventering og en mere streng forståelse af proteinfoldning.

Disse samme nyskabelser - især hvad angår proteinfoldning - vil også uundgåeligt føre til en bedre forståelse af, hvordan livet fungerer generelt, hvilket senere vil føre til langt mere præcise behandlinger, bedre stoffer og bedre resultater.

8 Ubegrænset sikkerhed

Ud over at lette store fremskridt inden for medicin giver kvanteteknologi også mulighed for næsten ubrydelige cybersikkerhedsbarrierer og super sikker kommunikation med langdistance.

Inden for quantum weirdness eksisterer et fænomen kendt som "quantum entanglement", hvor to eller flere partikler er mystisk forbundet, uanset hvilket medium der eksisterer mellem dem og uden nogen identificerbar signalering. Dette er, hvad Einstein berømte omtalte som "uhyggelig handling på afstand". Og da der ikke er noget håndgribeligt medium, gennem hvilket disse to partikler kommunikerer, ville signaler kodet ved hjælp af indviklede partikler være umulige at opfange. Den videnskab, der er nødvendig for denne teknologi, er stadig underudviklet; sådan kommunikation vil imidlertid have en enorm indvirkning på den private og nationale sikkerhed.

En drastisk forøget beregningshastighed vil også give en hånd til øget cybersikkerhed, da den eksponentielt større proceskraft i kvantecomputere vil tillade dem at modstå selv de mest sofistikerede hackingsmetoder gennem kvantekryptering. "Quantum computing vil helt sikkert blive anvendt hvor som helst hvor vi bruger maskinindlæring, cloud computing, dataanalyse," siger Kevin Curran, en cybersikkerhedsforsker ved Ulster University."I sikkerhed, der [betyder] indtrængningsdetektering, søger mønstre i dataene og mere sofistikerede former for parallel computing." Kvantecomputere ville i det væsentlige kunne forudse "en" hackedatorns "bevægelser" af millioner - muligvis milliarder af trin foran.

7Limitless Hacking

Selvfølgelig med stor magt kommer det store ansvar, og den samme kvantekraft, der gør det muligt at kryptere til nye højder, kunne potentielt tillade hackere at ubesværet løse de mest udførlige sikkerhedsforanstaltninger, der er indført af relativt primitive maskiner.

Dagens mest udførlige kryptografiske teknikker har tendens til at være baseret på ekstraordinært vanskelige matematiske problemer. Og mens disse problemer er nok til at afskrække de fleste binære supercomputere, vil de let blive revnet af en kvantecomputer. En kvantecomputer evne til at finde mønstre i enorme datasæt med utrolig hastighed vil gøre det muligt for dem at faktorere store tal (en oplevelse, der måske er den største barriere for hackere), som dagens computere kun kan gøre ved at prøve valg efter valgmulighed, indtil den ene passer. "Med qubits og quantum superposition kunne alle mulige muligheder testes samtidigt.

Faktisk tog det cirka to år og hundredvis af computere arbejder samtidigt for at låse op for en enkelt forekomst af RSA-768-algoritmen (som har to primære faktorer og kræver en nøgle, der er syv hundrede og otteogtreds bit lang). En kvantecomputer ville være i stand til at fuldføre den samme opgave i en brøkdel af et sekund.

6Fine-tunede atomure og objektdetektering

Atomcykler er ikke bare vant til at hjælpe med hverdagens tid. De er væsentlige komponenter i meget af dagens teknologi, herunder GPS-systemer og kommunikationsteknologi.

Man tænker normalt ikke på atomklocker, som kræver mere finjustering. De mest nøjagtige atomure fungerer ved at anvende oscillationer af mikrobølger udsendt af elektroner, når de ændrer energiniveauer. Og de atomer, der bruges i urene, afkøles næsten helt til absolut nul, hvilket giver mulighed for længere mikrobølgesonde gange og efterfølgende mere præcision.

Nyere atomklokker, der anvender moderne kvanteknologi, vil imidlertid være så nøjagtige, at de vil kunne bruges som ultra-præcise objektdetektorer, der registrerer små ændringer i tyngdekraft, magnetfelter, elektriske felter, kraft, bevægelse, temperatur og andre fænomener der naturligt svinger i nærværelse af materie. Disse ændringer vil så afspejles af ændringer i tiden. (Husk at plads, materie og tid er uløseligt forbundet.)

Denne finjusterede detektion hjælper med at identificere og fjerne underjordiske objekter, spore ubåde langt under havets overflade og ville endda gøre navigation og automatisk kørsel langt mere præcis, da software ville være i stand til bedre at skelne mellem biler og andre objekter.

Som David Delpy siger lederen af ​​Forsvarsforskningsrådet i Storbritanniens forsvarsministerium det: "Du kan ikke skjule tyngdekraften."

5Finansielle markeder

I den sammenkoblede økonomi er hastighed af største vigtighed. Og et overraskende stort antal problemer, som den finansielle industri står overfor (mange af dem skyldes manglende beregningshastighed) forbliver uopløselige. Selv den mest magtfulde "almindelige" computer ved hjælp af 0s og 1s er heller ikke i stand til selv at forudsige fremtidige økonomiske og økonomiske begivenheder og kan ikke løse meget komplekse problemer, der har at gøre med optionsprissætning på et hurtigt skiftende og udviklende marked.

For eksempel kræver mange aktieoptioner komplekse derivater, der er vejafhængige, hvilket betyder, at optionens udbetaling i sidste ende bestemmes af vejen for det underliggende aktivs pris. Forsøg på at kortlægge og forudse enhver mulig "vej" for en mulighed er alt for overvældende af en opgave for dagens maskiner. Men i betragtning af deres hurtighed og fleksibilitet ville kvantecomputere teoretisk kunne identificere en forkert prissat aktieoption og udnytte den til ejerens gevinst, før markedet skiftes på nogen meningsfuld måde.

Denne form for magt kunne naturligvis forårsage kaos på markedet og stærkt skæv fordel for mindreheden af ​​virksomheder, der ejer og driver supercomputere - på bekostning af individuelle erhvervsdrivende og virksomheder, der ikke kan købe sådan teknologi.

4Mapping det menneskelige sind

For alle de fantastiske fremskridt, der har fundet sted inden for neurovidenskab og erkendelse i løbet af de sidste årtier, ved videnskabsmænden stadig meget lille om, hvordan sindet virker. En ting vi ved, er imidlertid, at den menneskelige hjerne er en af ​​de mest komplekse enheder i det kendte univers, og at for virkelig at forstå alt, hvad den kan tilbyde, vil der kræves en ny type beregningsmagt.

Den menneskelige hjerne består af omkring 86 milliarder neuroner-celler, der kommunikerer små informationstyper ved at affyre hurtige elektriske ladninger. Og mens den elektriske understøttelse af den menneskelige hjerne er rimeligt godt forstået, forbliver sindet et mysterium. "Udfordringen," siger neurobiologen Prof Rafael Yuste fra Columbia University, "er netop, hvordan man skal gå fra et fysisk substrat af celler, der er forbundet i dette organ, til vores mentale verden, vores tanker, vores minder, vores følelser."

Og i deres forsøg på at forstå sindet har neuroscientists stået stærkt på analogi af en computer, da hjernen ændrer sensoriske data og input til relativt forudsigelige output. Og hvilken bedre måde at forstå computerens arbejde på end computeren?

For Dr. Ken Hayworth, en neuroscientist, der kortlægger sløjfer af musens hjerne "for at se en hel flyvehjerne, vil det tage os cirka et til to år.Ideen om at kortlægge en hel menneskelig hjerne med den eksisterende teknologi, som vi har i dag, er simpelthen umulig "uden kvantumcomputering.

3Dopdager distante planeter

Det bør ikke være nogen overraskelse, at kvantecomputere vil være vildt nyttige når det kommer til rumforskning, hvilket ofte kræver analyse af enorme datasæt. Ved hjælp af kvanteprocessorer afkølet til 20 millikelvin (tæt på absolut nul) planlægger NASA-ingeniører at bruge kvantemåling til at løse meget komplekse optimeringsproblemer, der involverer milliarder af data.

For eksempel vil NASA-forskere kunne drage fordel af små svingninger i kvantebølger for at opdage små, fjerne varmeforskelle udsendt af ellers usynlige starter og måske endda sorte huller.

NASA bruger allerede de generelle principper for kvantedatabase til at udvikle sikrere og mere effektive metoder til rumrejser, især når det kommer til at sende robotter ind i rummet. NASA har en tendens til at planlægge deres robotopgaver i rummet omtrent ti år i forvejen, og deres mål er at anvende kvantoptimering for at skabe en super præcis prognose af, hvad der vil ske under missionet for at foregribe ethvert muligt udfald og derefter oprette beredskabsplaner for hver enkelt (igen, ved hjælp af optimeringsstrategier).

Mere omhyggelig og præcis planlægning af robot missioner vil også føre til mere effektiv batteriforbrug, hvilket er en af ​​de største begrænsende faktorer, når det gælder robotrumsopgaver.

2Genetics

Afslutningen af ​​Human Genome Project i 2003 frembragte en ny æra inden for medicin. Takket være en grundig forståelse af det menneskelige genom kan vi skræddersy komplekse behandlinger specifikt til individets specifikke behov.

På trods af hvor meget vi ved om indviklingen af ​​humant DNA, ved vi stadig overraskende lidt om proteinerne DNA koder for.

Indtast kvant beregning, som teoretisk vil give os mulighed for at "kortlægge proteiner" på samme måde som vi kortlægger gener. Faktisk vil kvantecomputering også give os mulighed for at model komplekse molekylære interaktioner på atomniveau, hvilket vil være uvurderligt, når det kommer til banebrydende ny medicinsk forskning og lægemidler. Vi vil være i stand til at modelere over 20.000 proteiner og simulere deres interaktioner med en overflod af forskellige stoffer (endda stoffer, der ikke er opfundet endnu) med nøjagtighed af nøjagtigheden. Analyse af disse vekselvirkninger (igen hjulpet af kvantemetode og avancerede optimeringsalgoritmer) vil sandsynligvis føre os til nye helbredelser for i øjeblikket uhelbredelige sygdomme.

Kvantecomputeringens hastighed vil også medvirke til brugen og analysen af ​​"quantum dots" -tiny halvleder nanokrystaller kun få få nanometer i længden, som i øjeblikket bliver brugt i forkant med kræftdetektion og behandling.

Derudover kunne kvantecomputere være i stand til at bestemme, om mutationer i DNA, som i øjeblikket anses for at være fuldstændig tilfældige, faktisk sker på grund af kvantemæssige udsving.

1Materiale Videnskab og Teknologi

Det skal selvfølgelig sige, at kvantecomputering har massive implikationer inden for materialevidenskab og ingeniørfag, da kvantekalkulationens kraft er bedst egnet til nye opdagelser på atomniveau.

Kvantumcomputerkraften giver mulighed for udnyttelse af stadig mere sofistikerede modeller, der kortlægger, hvordan molekyler samles og krystalliseres for at danne nye materialer. Sådanne opdagelser, der fører til skabelsen af ​​nye materialer, vil efterfølgende føre til oprettelsen af ​​nye strukturer med konsekvenser i energiens rige, forureningsbekæmpelse og lægemidler.

"Når en ingeniør bygger en dæmning eller et fly, konstrueres strukturen først ved hjælp af computere. Dette er yderst vanskeligt ved størrelsen af ​​molekyler eller atomer, som ofte samles på ikke-intuitive måder, "forklarer Graeme Day, professor i kemisk modellering ved University of Southampton. "Det er svært at designe på atomskalaen fra bunden og fejlfrekvensen i nymaterialefunden er høj. Som kemikere og fysikere forsøger at opdage nye materialer, føler vi os ofte som opdagelsesrejsende uden pålidelige kort. "

Kvantumberegning vil give et meget mere "pålideligt kort" ved at tillade forskere at simulere og analysere atomiske interaktioner med utrolig præcision, hvilket igen ville føre til skabelsen af ​​helt nye og mere effektive materialer - uden den prøve og fejl, der uundgåeligt kommer med forsøger at konstruere nye materialer i større målestok. Det betyder, at vi vil kunne finde og skabe bedre superledere, magtfulde magneter, bedre energikilder og meget mere.