10 Neuvěřitelné implikace kvantové technologie

Konsensus v rámci vědecké komunity je, že první plně funkční kvantový počítač bude připraven zhruba deset let - událost tak významná, že mnoho odborníků volá po odpočítávání na Y2Q: "roky kvantové".

Většina lidí alespoň poněkud obeznámená se základními myšlenkami kvantové mechaniky identifikuje pole s obecnou "podivností", že i nejpostiženější kvantové fyzici najdou zmatek. Mysl se otřásá vizemi lidí, kteří procházejí stěnami, cestování po čase a obecnou nejistotou, která hrozí vyvrácení našich nejhorších vnímání pravdy a skutečnosti. Standardní měření se stávají nesmyslnými.

Vzhledem k obrovské potenciální síle kvantové technologie by mělo být samozřejmé, že ti, kteří tuto technologii budou mít v budoucnu, budou mít značnou výhodu oproti těm, kteří ne - v oblasti politiky, financí, bezpečnosti a dalších. Společnosti jako Amazon, Microsoft a Intel se dívají na provádění "kvantově bezpečné kryptografie", neboť tyto společnosti (nemluvě o národních vládách) se obávají, že hackeři využívající kvantovou energii by mohli hlásit pokles svých firem.

A protože můžeme s velkou jistotou říci, že kvantové výpočty brzy zůstanou, stojí za to pochopit, co to přesně znamená pro budoucnost, a jaké neuvěřitelné nové (a někdy i děsivé) možnosti přinese kvantová technologie.

Zde je deset neuvěřitelných důsledků kvantové technologie.

10 Exponenciální zvýšení výpočetní rychlosti

Za prvé, (velmi) stručný úvod: Počítač, na kterém čtete, pracuje na stejné základní technologii, jakou dnes prakticky používá každý počítač na světě. Jedná se o konečný binární svět, ve kterém jsou data zakódována do bitů - běžně označovaných jako 0s nebo 1s - které mohou existovat pouze v jednom ze dvou konečných stavů (zapnuto nebo vypnuto). Kvantový výpočet na druhé straně využívá "qubits", které mohou existovat v prakticky neomezeném počtu států současně. (Obecně řečeno, n qubits mohou existovat ve 2 ^n různé stavy současně.)

Je-li "běžný" počítač napájen sekvencí třiceti 0s a 1s, existuje zhruba jedna miliarda možných hodnot této sekvence - a počítač používající běžné bity by musel projít každou kombinací jednotlivě, vyžadující velkou dobu a paměť . Kvantový počítač by na druhé straně mohl "vidět" všechny miliardy sekvencí najednou - drasticky snížit výpočetní čas a úsilí.

Ve skutečnosti budou kvantové počítače schopny dokončit za pár vteřin výpočty, které budou mít dnešní nejlepší superpočítače tisíce let.

9Zjistěte nové a účinnější drogy

Sekvenování DNA se objevilo díky částečnému prudkému nárůstu výpočetní síly, jak předpokládal Moorův zákon. Nyní se chystáme vstoupit do úplně nové éry zdravotní péče díky kvantové výpočetní technice.

Zatímco na trhu existuje neuvěřitelně velký počet impozantních léků, je překvapivě omezená míra, ve které se mohou vyrábět, stejně jako jejich účinnost při léčbě specifických onemocnění. I při nedávném zvýšení rychlosti a přesnosti jsou tyto zisky čistě přírůstkové vzhledem k omezením standardních počítačů.

S organismem tak složitým jako lidské tělo, existuje nespočet způsobů, jak může droga reagovat na své prostředí. Přidejte k tomu neomezený počet genetické rozmanitosti na molekulární úrovni a potenciální výsledky pro nespecifické léčebné postupy rychle rostou v miliardách.

Pouze kvantové počítače budou mít možnost prozkoumat každý možný scénář týkající se interakcí s léčivy a představit nejen nejlepší možný plán akcí, ale i individuální šance na úspěch s konkrétním lékem - kombinací přesnějších a rychlejších DNA sekvencí a více přísné pochopení složení bílkovin.

Stejné inovace - zejména pokud jde o složení bílkovin - také nevyhnutelně povedou k lepšímu porozumění tomu, jak život funguje obecně, což následně povede k mnohem přesnější léčbě, lepším lékům a lepšímu výsledku.

8 Bezprostřední zabezpečení

Kromě usnadnění velkých pokroků v medicíně přináší kvantová technologie také prakticky nerozbitné bezpečnostní bariéry a nadstandardní komunikaci na dálku.

Ve světě kvantové podivnosti existuje fenomén známý jako "kvantové zapletení", ve kterém jsou dvě nebo více částic tajemně spojeny, bez ohledu na médium, které existuje mezi nimi a bez jakýchkoliv identifikovatelných signálů. To je to, co Einstein skvěle označil za "strašidelný zásah na dálku". A protože neexistuje žádné hmatatelné médium, které by tyto dvě částice komunikovaly, signály zakódované za použití spletených částic by nebylo možné zachytit. Věda potřebná pro tuto technologii je stále nedostatečně rozvinutá; tato komunikace by však měla obrovský dopad na soukromou a národní bezpečnost.

Dramaticky zvýšená výpočetní rychlost by také poskytla ruku ke zvýšení kybernetické bezpečnosti, protože exponenciálně větší zpracovatelská síla kvantových počítačů jim umožní odolat i nejnáročnějším metodám hackingu pomocí kvantového šifrování. "Kvantová výpočetní služba se rozhodně použije kdekoli, kde používáme strojní učení, cloud computing, analýzu dat," říká Kevin Curran, výzkumník kybernetické bezpečnosti na univerzitě v Ulsteru."V oblasti zabezpečení, která [znamená] detekci narušení, hledání vzorců v datech a sofistikovanější formy paralelního výpočtu." Kvantové počítače by v podstatě mohly předvídat "pohyby" počítačového hackování o miliony, případně miliardy kroků vpřed.

7 Bezkonkurenční hackování

Samozřejmě s velkou silou přichází velká zodpovědnost a stejná kvantová síla, která umožní šifrování na nové výšce, by mohla potenciálně umožnit hackerům, aby bez námahy odhalili nejpodrobnější bezpečnostní opatření zavedená poměrně primitivními stroji.

Dnešní nejprogresivnější kryptografické techniky se obvykle zakládají na mimořádně obtížných matematických problémech. A zatímco tyto problémy stačí k odvrácení většiny binárních superpočítačů, budou snadno krakovány kvantovým počítačem. Schopnost kvantového počítače najít neuvěřitelnou rychlostí v obrovských datových sadách jim dovolí vyčíslit velké množství (což je i nadále největší překážka pro hackery), kterou dnešní počítače dokáží udělat pouze tím, že si vyberou možnost za volbou. "S qubity a kvantovou superpozicí by bylo možné současně testovat všechny možné možnosti.

Ve skutečnosti trvalo zhruba dva roky a stovky počítačů pracovalo současně, aby odemkli jednu instanci algoritmu RSA-768 (který má dva primární faktory a vyžaduje klíč, který je dlouhý sedm set šedesát osm bitů). Kvantový počítač by dokázal dokončit stejný úkol za zlomek sekundy.

6Fine laděné atomové hodiny a detekce objektů

Atomové hodiny se nepoužívají jen k tomu, aby pomohly při každodenním udržování času. Jsou to základní součásti většiny dnešních technologií, včetně systémů GPS a komunikačních technologií.

Jeden obvykle nepomýšlí na atomové hodiny, protože potřebují jemnější ladění. Nejpřesnější atomové hodiny pracují s využitím kmitů mikrovln, které emitují elektrony, když mění úroveň energie. A atomy používané v hodinách jsou ochlazeny takřka až na absolutní nulu - což umožňuje delší dobu mikrovlnné sondy a následně větší přesnost.

Novější atomové hodiny využívající moderní kvantovou technologii budou však tak přesné, že budou použity jako ultra-přesné detektory objektů - snímající nepatrné změny v gravitaci, magnetických polích, elektrických polích, síle, pohybu, teplotě a dalších jevech které přirozeně kolísají v přítomnosti hmoty. Tyto změny by se pak projevily změnami v čase. (Připomeňme, že prostor, věc a čas jsou neoddělitelně spojeny.)

Tato jemně naladěná detekce pomůže při identifikaci a odstraňování podzemních objektů, při sledování ponorek daleko pod hladinou oceánu a dokonce bude navigace a automatické řízení mnohem přesnější, protože software by dokázal lépe rozlišovat mezi vozy a jinými objekty.

Jak David Delpy, vedoucí oddělení vědeckého poradenství pro obranu v britském ministerstvu obrany, tvrdí: "Nemůžete chránit gravitace."

5Finanční trhy

V propojeném světě financí je rychlost velmi důležitá. A překvapivě velký počet problémů, jimž čelí finanční odvětví (z nichž mnohé pocházejí z nedostatku výpočetní rychlosti), zůstávají nevyřešitelné. Dokonce i nejsilnější "běžný" počítač používající 0 a 1 není schopen ani zhruba předpovědět budoucí finanční a ekonomické události a není schopen řešit velmi složité problémy související s cenami opcí na rychle se měnícím a vyvíjejícím se trhu.

Například mnoho opcí na akcii vyžaduje komplexní deriváty, které jsou závislé na trase - což znamená, že výplata opce je nakonec určena cestou ceny podkladového aktiva. Pokoušíme se mapovat a předjímat každou možnou "cestu" k nějaké variantě je příliš ohromující úkol pro dnešní stroje. Vzhledem k jejich rychlosti a agility by však kvantové počítače teoreticky mohly identifikovat akciovou nabídku s nesprávnými cenami a využít ji pro zisk svého vlastníka dříve, než se trh posunul nějakým smysluplným způsobem.

Tento druh moci by samozřejmě mohl způsobit katastrofu na trhu a výrazně zvýšit přízeň malých podniků, které vlastní a provozují superpočítače - na úkor jednotlivých obchodníků a firem, kteří nemohou tuto technologii koupit.

4Mapování lidské mysli

Pro všechny úžasné pokroky, které se v posledních desetiletích odehrály v oblasti neurovědy a poznávání, vědci stále vědí překvapivě málo o tom, jak funguje mysl. Jedna věc, kterou však víme, je, že lidský mozek je jednou z nejkomplexnějších entit ve známém vesmíru a že skutečně pochopit vše, co může nabídnout, bude vyžadovat nový typ výpočetní síly.

Lidský mozek se skládá z přibližně 86 miliard neuronů - buněk, které sdělují malé části informací spálením rychlých elektrických nábojů. A zatímco elektrická opora lidského mozku je rozumně dobře pochopena, mysl zůstává záhadou. "Výzvou," říká neurobiolog Prof Rafael Yuste z Columbijské univerzity, "je právě to, jak jít z fyzického substrátu buněk, které jsou v tomto orgánu spojeny, do našeho duševního světa, našich myšlenek, našich vzpomínek, našich pocitů."

A ve snaze porozumět mysli se neurovědci spoléhali na analogii počítače, protože mozky mění senzorická data a vstupy na relativně předvídatelné výstupy. A jaký lepší způsob, jak pochopit fungování počítače, než s počítačem?

Pro doktora Kena Haywortha, neurologa, který mapuje prameny myší mozku, "abychom si představili celý mozek mouchy, bude to trvat zhruba jeden až dva roky.Myšlenka mapování celého lidského mozku se stávající technologií, kterou máme dnes, je prostě nemožná "bez schopnosti kvantového počítače.

3D objevování vzdálených planet

Nemělo by být překvapením, že kvantové výpočty budou velmi užitečné, pokud jde o průzkum vesmíru, což často vyžaduje analýzu obrovských datových souborů. Pomocí kvantových procesorů chlazených na 20 milikelvinů (téměř absolutně nula) inženýři NASA hodlají používat kvantové výpočty k řešení velmi složitých problémů s optimalizací, které zahrnují miliardy dat.

Například vědci NASA budou moci využívat nepatrných výkyvů v kvantových vlnách k detekci minutových, vzdálených tepelných diferenciálů vyzařovaných jinak neviditelnými začátky a možná dokonce i černými dírami.

NASA již používá obecné principy kvantové výpočetní techniky k vývoji bezpečnějších a efektivnějších metod kosmického cestování - zejména pokud jde o zasílání robotů do vesmíru. NASA inklinuje plánovat své robotické mise do vesmíru zhruba deset let předem a jejich cílem je použít kvantovou optimalizaci pro vytvoření přesné předpovědi toho, co se stane během mise - aby bylo možné předvídat každý možný výsledek a poté vytvořit plány pro případ nouze každý z nich (opět pomocí optimalizačních strategií).

Důslednější a přesnější plánování misí robotů také povede k efektivnějšímu využívání baterií, což je jeden z hlavních omezujících faktorů, pokud jde o robotické vesmírné mise.

2Genetics

Dokončení projektu Lidského genomu v roce 2003 přineslo novou éru v medicíně. Díky důkladnému pochopení lidského genomu můžeme přizpůsobit komplexní léčbu konkrétním potřebám jednotlivce.

Navzdory tomu, kolik víme o složitosti lidské DNA, stále víme překvapivě málo o proteine ​​DNA kódů.

Zadejte kvantový výpočet, který teoreticky umožní "mapovat proteiny" stejným způsobem, jakým mapujeme geny. Ve skutečnosti nám kvantová výpočetní technika dovolí i modelovat komplexní molekulární interakce na atomové úrovni, která bude neocenitelná, pokud jde o průkopnický výzkum nových léků a léčiv. Budeme schopni modelovat více než 20 000 proteinů a simulovat jejich interakce s množstvím různých léků (dokonce i léků, které ještě nebyly vynalezeny) s přesnou přesností. Analýza těchto interakcí (opět podpořená kvantovou výpočetní a pokročilými optimalizačními algoritmy) nás pravděpodobně povede k novým léčebným postupům pro aktuálně nevyléčitelné nemoci.

Rychlost kvantové výpočetní techniky rovněž pomůže při použití a analýze nanokrystalů "kvantových teček", které jsou jen několik nanometrů dlouhé, které se v současnosti používají v popředí detekce a léčby rakoviny.

Kromě toho by mohly být kvantové počítače schopny určit, zda mutace v DNA, které jsou v současné době považovány za zcela náhodné, skutečně proběhly v důsledku kvantových výkyvů.

1Materiálové vědy a inženýrství

Mělo by být zřejmé, že kvantové výpočty mají obrovské důsledky pro oblasti vědy o materiálech a strojírenství, protože síla kvantového výpočtu je nejvhodnější pro nové objevy na atomové úrovni.

Síla kvantového výpočtu umožní využití stále sofistikovanějších modelů, které mapují, jak se molekuly shromažďují a krystalizují a vytvářejí nové materiály. Takové objevy vedoucí k vytvoření nových materiálů by následně vedly k vytvoření nových struktur s důsledky v oblasti energie, kontroly znečištění a léčiv.

"Když inženýr staví přehradu nebo letadlo, struktura je poprvé navržena pomocí počítačů. To je extrémně obtížné v rozsahu velikosti molekul nebo atomů, které se často shromažďují neintuitivními způsoby, "vysvětluje Graeme Day, profesor chemického modelování na University of Southampton. "Je obtížné navrhnout v atomové škále od začátku a míra selhání při objevování nových materiálů je vysoká. Jako chemici a fyzici, kteří se snaží objevovat nové materiály, se často cítíme jako průzkumníci bez spolehlivých map. "

Kvantový výpočet poskytne mnohem více "spolehlivé mapy" tím, že umožní vědcům simulovat a analyzovat atomové interakce s neuvěřitelnou přesností, což by následně vedlo k vytvoření zcela nových a účinnějších materiálů - bez pokusů a omylů, které nevyhnutelně přicházejí pokusit se o konstrukci nových materiálů ve větším měřítku. To znamená, že budeme schopni najít a vytvořit lepší supravodiče, silnější magnety, lepší zdroje energie a mnohem více.